格賓石籠在塌陷區鐵路橋上的應用

于建兵，韓 梅，劉 燦

(1.中國礦業大學 力學與建筑工程學院，江蘇 徐州 221008;2.徐州師范大學，江蘇 徐州 221008)

1 工程概況

某礦區運煤鐵路由于塌陷下沉需要對鐵路進行加高設計。目前，國內外建在塌陷區的鐵路針對基礎由于采礦或采空區“活化”引起的下沉，一是采用改線避開采礦塌陷區的對策，在塌陷區以外重新征地，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，不利于礦區經濟的發展。二是通過砌擋砟墻維持線路營運，待沉陷基本穩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通車，但在洪水位較高的地區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構。

格賓結構作為一種柔性材料，具有柔性好、無接縫、整體結構有延展性等特點，所以其變形能力能夠滿足橋梁的不均勻沉降，因此只需對格賓結構的承載能力進行驗證。目前，對石籠單體結構有一定的研究，但是把格賓石籠用在塌陷區鐵路路堤加高還是比較少的。單個格賓網如圖1，單個格賓網參數見表1。

表1 單個格賓網參數

2 鐵路橋路堤應力計算

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，分擔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，設計速度220 km/h，計算路堤最大應力。

2.2 分析過程

由于計算時只考慮最不利因素，所以不僅考慮了動應力，還考慮了由于自重引起的靜應力。計算時將結構簡化為5根軌枕，最大應力為P3=0.4P作用下的動應力和靜應力疊加的最大值，路堤橫斷面圖如圖2所示。

2.2.1 靜應力計算

路堤靜應力σj用下式進行計算

式中，σj為路堤靜應力;G為路堤重力;P3j為單輪作用靜荷載時，枕面分擔的最大(結構最不利)支撐力，P3j=0.5×0.4×P，P為輪載力;A為單輪作用時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。

因為靜應力隨著深度的增加逐漸增大，所以最大靜應力發生在路堤底部，通過式(1)可求出最大靜應力為164.15 kPa。

2.2.2 動應力計算

矩形荷載的平均動應力可以根據下式進行計算

式中，σd為路堤動應力;P3d為單輪作用動荷載時，枕面分擔的最大(結構最不利)支撐力，P3d=0.4×0.5×P(1+0.3v/100)，v為火車設計速度。

因為動應力隨著深度的增加而逐漸減小，所以最大動應力發生在頂面，由式(2)可求出最大動應力為89.89 kPa。格賓結構路堤在最大靜應力與動應力作用下的承載能力能滿足要求。

3 加高設計方案

鐵路下沉1 m，橋梁采用具有柔性及滲透性的石籠格賓結構來加固加高;橋梁因開采下沉1～6 m過程中，當下沉高度達到2層石籠高度時，進行石籠加高和軌面調整，直到下沉高度達到6 m，上部石籠用斜拉桿與橋面連接;箱體沉降高度達到6 m時，分箱體拆除石籠，進行箱體結構加高，直到完成全部箱體結構加高。加高方案設計圖見圖2，單個格賓網參數為(拉筋型號HRB335)拉筋長度5.5 m，φ32 mm。填石塊徑大小為75～150 mm。

圖2 采動區鐵路橋路堤橫斷面(單位:m)

3.1 結構之間的連接及各拉桿受力計算(表2)

①同側石籠與石籠之間采用捆扎鐵絲進行連接，捆扎鐵絲直徑比框架鐵絲小一號;②兩側石籠之間通過拉筋進行連接，保證路堤的整體穩定性;③石籠和橋體之間通過在橋面預設預埋件進行連接。

表2 計算結果

由表2知拉桿的抗拉安全系數均 ＞1.2，滿足要求。

3.2 水荷載作用下路堤穩定性計算

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

驗算:取單位延米長度進行驗算。

1)抗傾覆驗算

石籠側壓力Ea為

圖3 水荷載作用下計算簡圖

抗傾覆系數kt為

由上式計算可知，滿足抗傾覆要求。

2)抗滑移驗算

抗滑移系數ks為

由上式計算可知，滿足抗滑移驗算。

綜上所述，格賓路堤在水荷載作用下，能夠滿足穩定性要求。

3.3 水與火車荷載共同作用下路堤穩定性驗算

假定路堤與橋面接觸處的摩擦系數 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，水動荷載系數 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)

驗算:取單位延米長度進行驗算。

1)抗傾覆驗算

由上式計算可知，滿足抗傾覆要求。

2)抗滑移驗算

由上式計算可知滿足抗滑移驗算。

綜上所述，格賓路堤在火車荷載和水荷載共同作用下，能夠滿足穩定性要求

滿足抗滑移驗算。

綜上所述:加高設計方案滿足要求，根據構造要求在迎水面加斜拉筋，如圖2所示。

4 結論

1)格賓結構路堤在最大靜應力與動應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定性的要求，在水荷載與火車荷載共同作用下也滿足穩定性要求。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，各拉桿的安全系數均 ＞1.2，符合設計要求。

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