朗肯土壓力理論在大跨徑框架橋頂進施工中的應用探討

甄曉赫 鄭州中原鐵道工程有限責任公司

1 引言

朗肯土壓力理論是通過研究彈性半空間體內(nèi)的應力狀態(tài)，根據(jù)土的極限平衡條件而得出的土壓力計算方法。朗肯假定地基中的任意點都處于滿足土體破壞條件時的應力狀態(tài)，并在這種情況下導出了主動土壓力和被動土壓力的計算公式。朗肯在其基本理論推導中，作了如下假定：墻是剛性的，墻背鉛直；墻后填土表面水平；墻背光滑，墻背與填土之間沒有摩擦力[1]。

2 工程概況

擬建框架橋為國道某線下穿繁忙鐵路干線而設，擬建國道大致為南北走向，設計公路中心線與鐵路夾角為60°，交叉處鐵路下行線K543+277,公路里程為K14+218.0。新建框架橋采用2-16.7m分離式結(jié)構(gòu)，采用斜交斜做形式，框架橋按60°斜做?？蚣軜蝽敯搴?.2m，底板厚1.5m，邊墻厚為1.5m，單孔正寬16.7m，框架凈高9.0m，頂板加腋3.6m×1.2m，底板加腋0.5m×0.5m，橋正長15.0m。

主要技術標準：（1）道路等級：一級公路；（2）設計荷載：道路：公路-Ⅰ級；鐵路：中-活載；（3）設計車速：100km/h。

3 工程地質(zhì)特征

擬建工程位置地貌單元屬黃河沖積平原，整體地勢平坦、開闊。橋址處根據(jù)鉆孔揭示的地層為：第四系全新統(tǒng)人工填土（Q4ml）、沖積粉細砂（Q4al）、沖積粉土（Q4al），地層巖性詳述如下：（1）第四系全新統(tǒng)人工填土（Q4ml）：褐黃色，以粉細砂為主，主要為既有鐵路等路基填料，含有礫石及少量碎石，層厚約1.2m～7m，稍濕，稍密。屬Ⅱ級普通土。（2）①第四系全新統(tǒng)沖積粉土（Q4al）：既有路基范圍內(nèi)主要分布在人工填土下部，其余為地表的耕植土，以粉粒為主，含有粉細砂，厚約0.9m。稍濕，稍密。屬Ⅱ級普通土。地基基本承載力=100kPa，側(cè)摩阻力50kPa。②第四系全新統(tǒng)沖積粉土（Q4al）：主要以夾層形式分布于粉細砂層中，厚度約1.7m。褐黃色，土質(zhì)較純，以粉粒為主，夾有少量粉細砂。飽和，密實。屬Ⅱ級普通土。壓縮系數(shù)a0.1～0.2=0.12～0.15，屬于中壓縮性土。地基基本承載力=120kPa，側(cè)摩阻力55kPa。（3）第四系全新統(tǒng)沖積粉細砂（Q4al）：黃褐色，主要成分為石英、長石及云母，含暗色礦物及云母碎片等，砂質(zhì)較純。其中2.1m～8.4m 為潮濕～飽和，中密～密實；10.1m以下為飽和、密實。屬I級松土。地基基本承載力=150kPa，側(cè)摩阻力60kPa。

4 后背設計

經(jīng)過檢算，框架橋后背主體確定為：①厚1.2m×高4m鋼筋混凝土后背梁，埋深1.2m，外露2.8m，頂部采用2m 高沙袋堆碼；②墻背回填高度7.7m水泥改良土。

涵體總重量：

（1）根據(jù)地質(zhì)資料，滑床板所處土層為密實土質(zhì)砂，取內(nèi)摩擦角為μ=30°，黏聚力為c=10kN/m2,基本承載力為150kPa。

采用鋼筋混凝土后背，后背總高度H=4m，設置于滑床板下1.2m，重力式鋼筋混凝土后背厚度為1.2m，后背寬度B=20.8m，基坑深度6.3m。

（2）頂力計算。頂力計算公式：

式中：

P——最大頂力，kN；

K——安全系數(shù)，取1.2；

N1——涵頂荷載；

N2——結(jié)構(gòu)自重；

E——結(jié)構(gòu)側(cè)面的土壓力；

R——鋼刃角正面阻力；

A——鋼刃角正面積。

由于箱涵頂進時以工字鋼為橫抬梁架空線路，并且兩側(cè)邊采用邊開挖邊頂進，不設刃角，頂上及兩側(cè)的土壓力較小，從而N1,E忽略不計，所以頂力主要來自涵底部的摩阻力。

（3）填土高度檢算：被動土壓力按朗肯理論計算，后背寬度B=20.8m，框架橋正寬19.7m。

被動土壓力計算：

后背土為密實土質(zhì)砂，內(nèi)摩擦角為Φ=30°，黏聚力為c=10kN/m2,基本承載力為150kPa,γ=18kN/m3。

千斤頂?shù)氖┝c布置于被動土壓力的合力點上，以使最大頂力發(fā)生，保證后背梁的穩(wěn)定性，將最大頂力P=F 代入，檢算填土加固高度，經(jīng)計算：

基坑深度為6.3m，后背坑頂需回填土1.4m，實際施工中，將后背3m 范圍內(nèi)填土用5%水泥進行攪拌、分層夯實堆載于后背范圍內(nèi)，增加土體壓力，為更偏于安全的措施。

5 結(jié)語

在頂進涵施工中,作為臨時設施的后背設計是整個施工工作的重要環(huán)節(jié)之一。除了需要計算背后填土的穩(wěn)定性以外，還需要對后背梁的剛度及強度進行檢算，以確保整個后背系統(tǒng)安全、可靠。后背是橋涵頂進施工的重要臨時結(jié)構(gòu)，其造價占整個工程投資的比重較大,設計是否合理,直接關系到整個工程的經(jīng)濟效益和施工工期，常用的后背形式有漿砌片石、工字鋼、挖孔樁等形式。本工程通過朗肯土壓力理論在工程建設中的實踐應用，并輔以其他的安全增強措施，在施工中既保證了后背系統(tǒng)的穩(wěn)定，頂進施工的順利進行，也大大的縮短了后背施工工期，節(jié)約了成本，減少了臨時工程的浪費。