格宾石笼在塌陷区铁路桥上的应用
2011-05-04于建兵
于建兵，韩 梅，刘 灿
(1.中国矿业大学 力学与建筑工程学院，江苏 徐州 221008;2.徐州师范大学，江苏 徐州 221008)
1 工程概况
某矿区运煤铁路由于塌陷下沉需要对铁路进行加高设计。目前，国内外建在塌陷区的铁路针对基础由于采矿或采空区“活化”引起的下沉，一是采用改线避开采矿塌陷区的对策，在塌陷区以外重新征地，再建铁路，原有的铁路只能被废弃。此方法需二次征地，占用耕地多，投资大，审批工作烦琐，而且原有铁路废弃，不利于矿区经济的发展。二是通过砌挡砟墙维持线路营运，待沉陷基本稳定且沉陷量满足施工新桥体净空后，将线路架空，使用新箱体。此方法能保持桥梁连续通车，但在洪水位较高的地区容易造成桥面积水且施工不便。因此，本铁路加高方案采用具有柔性及渗透性的石笼格宾结构。
格宾结构作为一种柔性材料，具有柔性好、无接缝、整体结构有延展性等特点，所以其变形能力能够满足桥梁的不均匀沉降，因此只需对格宾结构的承载能力进行验证。目前，对石笼单体结构有一定的研究，但是把格宾石笼用在塌陷区铁路路堤加高还是比较少的。单个格宾网如图1，单个格宾网参数见表1。
表1 单个格宾网参数
2 铁路桥路堤应力计算
2.1 问题提出
某铁路无缝线路路堤的面荷载呈矩形分布，轮载力P=220 kN，轮载力的大小通常简化成假定由5根轨枕分担，分担到每根轨枕面上的支撑力分别为:P1=0.2P，P2=0.1P，P3=0.4P，P4=0.2P，P5=0.1P，轨枕采用Ⅱ型，轨枕底宽28 cm、枕长250 cm，两轨枕之间的间距为37 cm，设计速度220 km/h，计算路堤最大应力。
2.2 分析过程
由于计算时只考虑最不利因素，所以不仅考虑了动应力，还考虑了由于自重引起的静应力。计算时将结构简化为5根轨枕，最大应力为P3=0.4P作用下的动应力和静应力叠加的最大值，路堤横断面图如图2所示。
2.2.1 静应力计算
路堤静应力σj用下式进行计算
式中，σj为路堤静应力;G为路堤重力;P3j为单轮作用静荷载时，枕面分担的最大(结构最不利)支撑力，P3j=0.5×0.4×P，P为轮载力;A为单轮作用时路堤面荷载的作用面积，A=2a×2b，2a为轨枕长度的一半，2b为路堤面荷载作用面积的短边，2b=28+37=65 cm。
因为静应力随着深度的增加逐渐增大，所以最大静应力发生在路堤底部，通过式(1)可求出最大静应力为164.15 kPa。
2.2.2 动应力计算
矩形荷载的平均动应力可以根据下式进行计算
式中，σd为路堤动应力;P3d为单轮作用动荷载时，枕面分担的最大(结构最不利)支撑力，P3d=0.4×0.5×P(1+0.3v/100)，v为火车设计速度。
因为动应力随着深度的增加而逐渐减小，所以最大动应力发生在顶面，由式(2)可求出最大动应力为89.89 kPa。格宾结构路堤在最大静应力与动应力作用下的承载能力能满足要求。
3 加高设计方案
铁路下沉1 m，桥梁采用具有柔性及渗透性的石笼格宾结构来加固加高;桥梁因开采下沉1～6 m过程中，当下沉高度达到2层石笼高度时，进行石笼加高和轨面调整，直到下沉高度达到6 m，上部石笼用斜拉杆与桥面连接;箱体沉降高度达到6 m时，分箱体拆除石笼，进行箱体结构加高，直到完成全部箱体结构加高。加高方案设计图见图2，单个格宾网参数为(拉筋型号HRB335)拉筋长度5.5 m，φ32 mm。填石块径大小为75～150 mm。
图2 采动区铁路桥路堤横断面(单位:m)
3.1 结构之间的连接及各拉杆受力计算(表2)
①同侧石笼与石笼之间采用捆扎铁丝进行连接，捆扎铁丝直径比框架铁丝小一号;②两侧石笼之间通过拉筋进行连接，保证路堤的整体稳定性;③石笼和桥体之间通过在桥面预设预埋件进行连接。
表2 计算结果
由表2知拉杆的抗拉安全系数均 ＞1.2，满足要求。
3.2 水荷载作用下路堤稳定性计算
假定路堤与桥面接触处的摩擦系数 μ=0.50，路堤平均重度 γ=20 kN/m3，动荷载系数 α=1.05，最不利情况下路堤受力示意如图3所示。
验算:取单位延米长度进行验算。
1)抗倾覆验算
石笼侧压力Ea为
图3 水荷载作用下计算简图
抗倾覆系数kt为
由上式计算可知，满足抗倾覆要求。
2)抗滑移验算
抗滑移系数ks为
由上式计算可知，满足抗滑移验算。
综上所述，格宾路堤在水荷载作用下，能够满足稳定性要求。
3.3 水与火车荷载共同作用下路堤稳定性验算
假定路堤与桥面接触处的摩擦系数 μ=0.50，路堤平均重度γ=20 kN/m3，路堤宽度B=5.5 m，V为路堤体积，火车荷载简化为均布荷载pk=256.67/2.5=102.67 kN/m，水动荷载系数 α=1.05，最不利情况下路堤受力示意如图4所示。
图4 水和火车荷载共同作用下路堤受力示意(单位:m)
验算:取单位延米长度进行验算。
1)抗倾覆验算
由上式计算可知，满足抗倾覆要求。
2)抗滑移验算
由上式计算可知满足抗滑移验算。
综上所述，格宾路堤在火车荷载和水荷载共同作用下，能够满足稳定性要求
满足抗滑移验算。
综上所述:加高设计方案满足要求，根据构造要求在迎水面加斜拉筋，如图2所示。
4 结论
1)格宾结构路堤在最大静应力与动应力作用下的承载能力能满足要求。
2)格宾路堤在水荷载作用下能够满足稳定性的要求，在水荷载与火车荷载共同作用下也满足稳定性要求。可以得出格宾路堤是可行的。
3)路堤的各拉杆所承受的拉力都在各拉杆允许的承受力的范围之内，各拉杆的安全系数均 ＞1.2，符合设计要求。
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