软土地区多孔框架涵顶进结构力学特性研究

2021-07-13杨青青

城市道桥与防洪 2021年6期

关键词：孔数钢轨力学

杨青青，魏琪

（1.中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津市300302；2.中国铁路设计集团有限公司，天津市300300）

0 引言

随着我国公路、铁路网的日益发展完善，公铁交叉现象日益频繁。公铁交叉节点作为一个薄弱环节，对公路和铁路的工程设计、施工及后期的运营都有着很大的影响。

处理公铁交叉问题时，我国大都优先考虑道路下穿铁路方式。铁路为路基段时采用框架涵型式最为常见，而顶进施工工艺是公路下穿铁路路基工程的核心技术。

现阶段国内外对于框架涵顶进技术和力学特性研究颇多。彭俊生等[1]利用有限元方法建立了板柱组合模型，进行了框架桥力学特性计算；陈佑新等[2]通过数值模拟方法，对箱涵结构顶进全过程进行了力学计算，得到箱涵各阶段应力和变形情况；毕见山[3]分别对威海市珠海路、北京丰台、石家庄槐安路等框架涵顶进施工进行了研究，通过Ansys软件对大型箱涵顶进结构进行了模拟分析；谢富贵等[4]利用Marc，通过有限元计算表明框架涵顶进施工过程中涵底上缘和涵顶下缘为该结构薄弱环节，受拉应力较大；郭瑞等[5]结合广东地区框架涵顶进结构，研究得到了浅覆土特长箱涵顶部与底部的受力随着顶进长度和覆土厚度的增加而变大的力学规律。

综上可知，随着Abaqus、Midas、Ansys、Flac3D等有限元软件的大量普及利用，采用数值模拟方法来研究多孔框架涵结构力学特性切实有效。然而综合上述研究不难发现，现有研究大都集中于4孔及以下框架涵结构，而目前随道路宽度日益增加，4孔及以下的框架涵已难以满足需求。因此，有必要对多孔框架涵顶进结构进行更加深入的研究。另外，宁波地区软土发育，地基含水量大、承载力较低，当前对于宁波软土地区框架涵力学特性的研究较少。

因此，本文对宁波软土地区的8孔框架涵结构进行力学特性分析，研究其顶进过程中结构的力学效应及对既有铁路的影响，探求相应的力学规律，以更好地指导工程实践。

1 工程概况

本文依托宁波市云台山路下穿北仑铁路线工程。云台山路为宁波市重要规划项目，是未来重要交通走廊。原云台山路下穿既有铁路为整体式3孔框架涵结构，跨度为3.54 m、9.9 m、3.54 m。为满足道路扩宽需要，项目孔跨设计为3 m+5 m+8 m+8 m+8 m+8 m+5 m+8 m的8孔框架涵结构。

2 模型建立

2.1 基本假定

在本次有限元力学模型建立中作如下假定：

（1）根据该地区地质资料，土体大致为水平成层分布。

（2）土体、框架涵结构均为各向同性，土体利用弹塑性材料模拟，混凝土结构采用弹性材料模拟。

（3）初始应力为土体自重。

（4）钻孔灌注桩通过围护墙模型模拟，围护墙采用板单元，支撑和立柱采用梁单元。

2.2 模型建立

本文按照工程实际采用8孔框架进行建模，模型区域为计算主层区域顶进方向（横向）200 m，垂直方向200 m，竖向90 m。

参照工程地质报告资料，该地区由上到下分别分布粉质黏土、淤泥、淤泥质黏土、黏土；框架涵结构参数根据设计图纸选取。云台山路下穿北仑线框架涵尺寸图见图1。

图1 云台山路下穿北仑线框架涵尺寸图（单位：m）

明挖基坑根据设计图纸采用深5.2 m；铁路路基结构根据铁路路基设计规范选取，并采用中-荷载模拟列车荷载。列车中-荷载示意图见图2。

图2 列车中-荷载示意图

2.3 工况设计

为研究8孔框架涵结构顶进过程中的顶进孔数及底层防护措施对既有铁路变形的影响，设计工况如下：

本实验通过查阅文献发现，豆蔻、白术的挥发性成分，丹参的脂溶性成分、水溶性酚酸类成分，大黄的蒽醌类化合物及其衍生物，炙甘草的三萜类、黄酮类和多糖类成分，山药的多糖、氨基酸、微量元素等成分，均具有改善肾功能、调节胃肠功能、改善微循环、免疫调节和抗炎作用，因此，根据各味药所含成分的水溶性及相关药理作用，实验设计了3种工艺路线，以此筛选JYP的最佳制备工艺。

工况1：顶进单孔（#5）。

工况2：顶进3孔（#1、#5、#8）。

工况3：顶进4孔（#1、#3、#5、#8）。

工况4：顶进7孔（#1、#2、#3、#5、#6、#7、#8）。

工况5：顶进8孔。

工况6：顶进后底层加设防护桩。