浅谈既有公路线基坑开挖钢轨桩防护检算过程

陈宝德

1 总体说明

京沪高速铁路柏家庄大桥全长307.88 m，中心里程DK1047+295.44(9-32 m)，其中6号、7号墩跨越汤龙路，铁跨公形式，6号墩承台边缘距既有公路路缘石距离仅为110 cm，且线路轴线与既有公路斜交63°，最大开挖深度411 cm，因此，需要在基础开挖前做好公路路基的防护工作，防护方案选择钢轨桩加固方案。

2 施工方案

1)施工技术人员将承台四个角放出;2)利用洛阳铲掏孔，将720 cm长的钢轨条植入坑中，并用M10砂浆将空隙密封;3)在钢轨顶部利用挖掘机清表60 cm;4)根据检算要求，分别设置3个锚固桩、钢轨桩顶横向Ⅰ40工字钢焊接及连接体连接;5)跨越公路的钢丝绳利用限速器进行覆盖保护;6)沉降观测点设置;7)基坑开挖、混凝土施工、防护杆件解体;8)施工结束。

3 主要受力杆件检算

3.1 求换算土层厚度h0

下跨公路为双向单车道，汽车荷载选用汽车—超20级，参考《路桥施工计算手册》P107表6-16可得:

其中，h0为换算土层厚度，m;γ为填料的容重，kN/m3;H 为有效墙高，H=4.11+3.00=7.11 m;a为无挡护范围内路基高度，m。

3.2 钢轨的稳定性检算(选择单位宽度1.0 m为计算模式)

3.2.1 钢轨桩后部主动土压力计算

参考《土力学》(西南交通大学李成宇主编)的计算公式有:

其中，H为有效墙高，H=7.11+1.33=8.44 m;Z0为临界深度，Z0=2×c/[γ×(K0)0.5]=1.58 m;γ为填料的容重，γ=18 kN/m3;Ka为主动土压力系数，Ka=tan2(45°-φ/2)=0.49;c为土的粘聚力，c=10 kN/m2。

相关数据代入上式，得Ea=207.31 kN/m。

3.2.2 钢轨桩前部被动土压力计算

参考《土力学》(西南交通大学李成宇主编)的计算公式有:

其中，H为有效墙高，H=3.00 m;γ为填料的容重，γ=18 kN/m3;Kp为被动土压力系数，Kp=tan2(45°+φ/2)=2.04;c为土的粘聚力，c=10 kN/m2。

相关数据代入上式，得Ep=250.92 kN/m。

3.2.3 钢轨稳定性检算

主动土压力和被动土压力分别对“A”点进行起矩，并进行稳定性检算(以单位宽度1.0 m为计算单元)。

顺时针矩 W1=Ep×1.00=250.92×1.00=250.92 kN◦m;

逆时针矩 W2=Ea×2.28=207.31×2.28=472.67 kN◦m。

因 W1＜W2，钢轨不能自行稳定，需在钢轨顶 C处设置一横向拉力(见图1)，以稳定钢轨桩整体受力状况。

以“A”点为转轴，建立平衡方程:N1×7+Ep×L1-Ea×L2=0，将相关数据代入计算式中，得:

3.2.4 钢轨稳定需增设的相关杆件

防护范围说明:6号基础在横桥向设计钢轨桩防护范围为12 m，在顺桥向设置钢轨桩防护范围为8 m(见图2);在钢轨桩顶部水平向用工字钢焊接成整体，然后通过钢丝绳与 1号、2号、3号锚固桩相联系，以确保防护结构整体稳定。

1)1号桩用钢丝绳和锚固桩检算。

a.钢丝绳检算。在横公路方向设置两根钢丝绳，所能承受的最大荷载为:

N5=2×341.57×1 700×10-3=1 161.4 kN;安全储备系数大于2，安全。

b.锚固桩检算。锚固桩的被动土压力:

其中，B为锚固桩宽度，B=2.8 m;H为有效墙高，H=3.00 m;γ为填料的容重，γ=18 kN/m3;Kp为被动土压力系数，Kp=tan2(45°+φ/2)=2.04;c为土的粘聚力，c=10 kN/m2。

相关数据代入上式，得 N6=702.58 kN/m＞N4×3/2，满足钢丝绳拉力要求。

2)2号桩用钢丝绳和锚固桩检算。

a.钢丝绳检算。2号桩方向上的分力 N7=0.5×30.80×12=184.8 kN;选用钢丝绳6×37股(1+6+12+18)，绳纤维芯，绳径30.0 mm。钢丝总断面面积341.57 mm2，公称抗拉强度为1 700 MPa，选用一根且承受的最大荷载为:

N8=341.57×1 700×10-3=580.7 kN;安全储备系数大于2，安全。

b.锚固桩检算。锚固桩的被动土压力:

其中，B为锚固桩宽度，B=2.0 m;H为有效墙高，H=3.00 m;γ为填料的容重，γ=18 kN/m3;Kp为被动土压力系数，Kp=tan2(45°+φ/2)=2.04;c为土的粘聚力，c=10 kN/m2。

相关数据代入上式，得 N9=501.8 kN/m＞N7×3/2，满足钢丝绳拉力要求。

3)3号桩用钢丝绳和锚固桩检算。

a.钢丝绳检算。3号桩方向上的分力 N10=0.5×30.80×8=123.2 kN;选用钢丝绳 6×37股(1+6+12+18)，绳纤维芯，绳径30.0 mm。钢丝总断面面积341.57 mm2，公称抗拉强度为1 700 MPa，选用一根且承受的最大荷载为:

N8=341.57×1 700×10-3=580.7 kN;安全储备系数大于2，安全。

b.锚固桩检算。锚固桩的被动土压力:

其中，B为锚固桩宽度，B=2.0 m;H为有效墙高，H=2.00 m;γ为填料的容重，γ=18 kN/m3;Kp为被动土压力系数，Kp=tan2(45°+φ/2)=2.04;c为土的粘聚力，c=10 kN/m2。

相关数据代入上式，得 N11=261.1 kN＞N10×3/2，满足钢丝绳拉力要求。

4)钢轨桩顶横向连接用工字钢强度检算。

选用两根Ⅰ45工字钢做横梁，并在空隙处进行横梁捆绑，以提高横梁的抗弯性能。

承受的最大弯矩 M=30.8×12×12/8=544.4 kN◦m。

单位钢轨承受的抗弯应力σ=M/nW=544.4/(2×1 500)=181 MPa。

σ＜[σ]=210 MPa，满足抗弯强度要求。

3.3 钢轨桩的抗弯性能检算(选择单位宽度1.0 m为计算模式)

计算模式见图3。

其中，H为有效墙高，H=4.11 m;γ为填料的容重，γ=18 kN/m3;Ka为主动土压力系数 ，Ka=tan2(45°-φ/2)=0.49。

相关数据代入上式，得Ea=74.50 kN/m;

Ra=Pb2(3-b/l)/2l2=74.5×1.372×(3-1.37/4.11)/(2×4.112)=11.03 kN;

Rb=Pa(3-a2/l2)/2l=74.5×2.74×(3-2.742/4.112)/(2×4.11)=63.46 kN;

Mb=Pab(1+a/l)/2l=74.5×2.74×1.37×(1+2.74/4.11)/(2×4.11)=56.70 kN◦m;

故控制弯矩 Mb=56.70 kN◦m。

钢轨桩选用P60钢轨，钢轨截面惯性矩 W=396 cm3，布置间距为0.5 m。

则钢轨承受的弯矩应力:

σ＜[σ]=210 MPa，满足抗弯强度要求。

4 结语

基坑选用钢轨桩进行防护，主要控制项目是钢轨的整体稳定性问题，在本案例中充分说明钢轨桩加固路基高度超过250 cm后，施工工艺将变得复杂一些，但总体来说，钢轨桩加固路基在施工速度和施工工艺控制上较容易一些，且较为经济。

[1] 高晋彪.浅谈公路工程不良路基的防治措施[J].山西建筑，2008，34(7):316-317.