格賓石籠在塌陷區(qū)鐵路橋上的應(yīng)用

于建兵，韓 梅，劉 燦

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008;2.徐州師范大學(xué)，江蘇 徐州 221008)

1 工程概況

某礦區(qū)運(yùn)煤鐵路由于塌陷下沉需要對鐵路進(jìn)行加高設(shè)計(jì)。目前，國內(nèi)外建在塌陷區(qū)的鐵路針對基礎(chǔ)由于采礦或采空區(qū)“活化”引起的下沉，一是采用改線避開采礦塌陷區(qū)的對策，在塌陷區(qū)以外重新征地，再建鐵路，原有的鐵路只能被廢棄。此方法需二次征地，占用耕地多，投資大，審批工作煩瑣，而且原有鐵路廢棄，不利于礦區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。二是通過砌擋砟墻維持線路營運(yùn)，待沉陷基本穩(wěn)定且沉陷量滿足施工新橋體凈空后，將線路架空，使用新箱體。此方法能保持橋梁連續(xù)通車，但在洪水位較高的地區(qū)容易造成橋面積水且施工不便。因此，本鐵路加高方案采用具有柔性及滲透性的石籠格賓結(jié)構(gòu)。

格賓結(jié)構(gòu)作為一種柔性材料，具有柔性好、無接縫、整體結(jié)構(gòu)有延展性等特點(diǎn)，所以其變形能力能夠滿足橋梁的不均勻沉降，因此只需對格賓結(jié)構(gòu)的承載能力進(jìn)行驗(yàn)證。目前，對石籠單體結(jié)構(gòu)有一定的研究，但是把格賓石籠用在塌陷區(qū)鐵路路堤加高還是比較少的。單個(gè)格賓網(wǎng)如圖1，單個(gè)格賓網(wǎng)參數(shù)見表1。

表1 單個(gè)格賓網(wǎng)參數(shù)

2 鐵路橋路堤應(yīng)力計(jì)算

2.1 問題提出

某鐵路無縫線路路堤的面荷載呈矩形分布，輪載力P=220 kN，輪載力的大小通常簡化成假定由5根軌枕分擔(dān)，分擔(dān)到每根軌枕面上的支撐力分別為:P1=0.2P，P2=0.1P，P3=0.4P，P4=0.2P，P5=0.1P，軌枕采用Ⅱ型，軌枕底寬28 cm、枕長250 cm，兩軌枕之間的間距為37 cm，設(shè)計(jì)速度220 km/h，計(jì)算路堤最大應(yīng)力。

2.2 分析過程

由于計(jì)算時(shí)只考慮最不利因素，所以不僅考慮了動(dòng)應(yīng)力，還考慮了由于自重引起的靜應(yīng)力。計(jì)算時(shí)將結(jié)構(gòu)簡化為5根軌枕，最大應(yīng)力為P3=0.4P作用下的動(dòng)應(yīng)力和靜應(yīng)力疊加的最大值，路堤橫斷面圖如圖2所示。

2.2.1 靜應(yīng)力計(jì)算

路堤靜應(yīng)力σj用下式進(jìn)行計(jì)算

式中，σj為路堤靜應(yīng)力;G為路堤重力;P3j為單輪作用靜荷載時(shí)，枕面分擔(dān)的最大(結(jié)構(gòu)最不利)支撐力，P3j=0.5×0.4×P，P為輪載力;A為單輪作用時(shí)路堤面荷載的作用面積，A=2a×2b，2a為軌枕長度的一半，2b為路堤面荷載作用面積的短邊，2b=28+37=65 cm。

因?yàn)殪o應(yīng)力隨著深度的增加逐漸增大，所以最大靜應(yīng)力發(fā)生在路堤底部，通過式(1)可求出最大靜應(yīng)力為164.15 kPa。

2.2.2 動(dòng)應(yīng)力計(jì)算

矩形荷載的平均動(dòng)應(yīng)力可以根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算

式中，σd為路堤動(dòng)應(yīng)力;P3d為單輪作用動(dòng)荷載時(shí)，枕面分擔(dān)的最大(結(jié)構(gòu)最不利)支撐力，P3d=0.4×0.5×P(1+0.3v/100)，v為火車設(shè)計(jì)速度。

因?yàn)閯?dòng)應(yīng)力隨著深度的增加而逐漸減小，所以最大動(dòng)應(yīng)力發(fā)生在頂面，由式(2)可求出最大動(dòng)應(yīng)力為89.89 kPa。格賓結(jié)構(gòu)路堤在最大靜應(yīng)力與動(dòng)應(yīng)力作用下的承載能力能滿足要求。

3 加高設(shè)計(jì)方案

鐵路下沉1 m，橋梁采用具有柔性及滲透性的石籠格賓結(jié)構(gòu)來加固加高;橋梁因開采下沉1～6 m過程中，當(dāng)下沉高度達(dá)到2層石籠高度時(shí)，進(jìn)行石籠加高和軌面調(diào)整，直到下沉高度達(dá)到6 m，上部石籠用斜拉桿與橋面連接;箱體沉降高度達(dá)到6 m時(shí)，分箱體拆除石籠，進(jìn)行箱體結(jié)構(gòu)加高，直到完成全部箱體結(jié)構(gòu)加高。加高方案設(shè)計(jì)圖見圖2，單個(gè)格賓網(wǎng)參數(shù)為(拉筋型號(hào)HRB335)拉筋長度5.5 m，φ32 mm。填石塊徑大小為75～150 mm。

圖2 采動(dòng)區(qū)鐵路橋路堤橫斷面(單位:m)

3.1 結(jié)構(gòu)之間的連接及各拉桿受力計(jì)算(表2)

①同側(cè)石籠與石籠之間采用捆扎鐵絲進(jìn)行連接，捆扎鐵絲直徑比框架鐵絲小一號(hào);②兩側(cè)石籠之間通過拉筋進(jìn)行連接，保證路堤的整體穩(wěn)定性;③石籠和橋體之間通過在橋面預(yù)設(shè)預(yù)埋件進(jìn)行連接。

表2 計(jì)算結(jié)果

由表2知拉桿的抗拉安全系數(shù)均 ＞1.2，滿足要求。

3.2 水荷載作用下路堤穩(wěn)定性計(jì)算

假定路堤與橋面接觸處的摩擦系數(shù) μ=0.50，路堤平均重度 γ=20 kN/m3，動(dòng)荷載系數(shù) α=1.05，最不利情況下路堤受力示意如圖3所示。

驗(yàn)算:取單位延米長度進(jìn)行驗(yàn)算。

1)抗傾覆驗(yàn)算

石籠側(cè)壓力Ea為

圖3 水荷載作用下計(jì)算簡圖

抗傾覆系數(shù)kt為

由上式計(jì)算可知，滿足抗傾覆要求。

2)抗滑移驗(yàn)算

抗滑移系數(shù)ks為

由上式計(jì)算可知，滿足抗滑移驗(yàn)算。

綜上所述，格賓路堤在水荷載作用下，能夠滿足穩(wěn)定性要求。

3.3 水與火車荷載共同作用下路堤穩(wěn)定性驗(yàn)算

假定路堤與橋面接觸處的摩擦系數(shù) μ=0.50，路堤平均重度γ=20 kN/m3，路堤寬度B=5.5 m，V為路堤體積，火車荷載簡化為均布荷載pk=256.67/2.5=102.67 kN/m，水動(dòng)荷載系數(shù) α=1.05，最不利情況下路堤受力示意如圖4所示。

圖4 水和火車荷載共同作用下路堤受力示意(單位:m)

驗(yàn)算:取單位延米長度進(jìn)行驗(yàn)算。

1)抗傾覆驗(yàn)算

由上式計(jì)算可知，滿足抗傾覆要求。

2)抗滑移驗(yàn)算

由上式計(jì)算可知滿足抗滑移驗(yàn)算。

綜上所述，格賓路堤在火車荷載和水荷載共同作用下，能夠滿足穩(wěn)定性要求

滿足抗滑移驗(yàn)算。

綜上所述:加高設(shè)計(jì)方案滿足要求，根據(jù)構(gòu)造要求在迎水面加斜拉筋，如圖2所示。

4 結(jié)論

1)格賓結(jié)構(gòu)路堤在最大靜應(yīng)力與動(dòng)應(yīng)力作用下的承載能力能滿足要求。

2)格賓路堤在水荷載作用下能夠滿足穩(wěn)定性的要求，在水荷載與火車荷載共同作用下也滿足穩(wěn)定性要求。可以得出格賓路堤是可行的。

3)路堤的各拉桿所承受的拉力都在各拉桿允許的承受力的范圍之內(nèi)，各拉桿的安全系數(shù)均 ＞1.2，符合設(shè)計(jì)要求。

［1］楊洋，于廣云，柏永生，等.采動(dòng)對鐵路和地表的影響研究［J］.鐵道建筑，2008(11):57-59.

［2］張煥洲，謝平，戴秋紅，等.格賓網(wǎng)材在黃石長江干堤合興堤段的應(yīng)用［J］.人民長江，2002，33(9):38-39.

［3］楊洪波.合金鋼絲網(wǎng)石籠在長江堤防護(hù)工程中的應(yīng)用［J］.浙江水利科技，2003(1):47-48.

［4］郝贏.鐵道工程［M］.北京:中國鐵道出版社，2000:179-186.

［5］赫建明.三峽庫區(qū)土石混合體的變形與破壞機(jī)理研究［D］.北京:中國礦業(yè)大學(xué)(北京校區(qū))力學(xué)與建筑工程學(xué)院，2004.

［6］蔣明鏡，鄭敏，王闖，等.不同顆粒級(jí)配的某火山灰的力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2009(30):64-66.

［7］劉燦，格賓結(jié)構(gòu)在采動(dòng)區(qū)鐵路路堤中的力學(xué)特性研究［D］.北京:中國礦業(yè)大學(xué)，2010.

［8］張曙，吳心坦.鐵路路基采金洞病害及其整治方案［J］.鐵道建筑，2006(8):73-74.