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        淺談既有公路線基坑開挖鋼軌樁防護(hù)檢算過程

        2010-04-17 10:55:50陳寶德
        山西建筑 2010年17期
        關(guān)鍵詞:檢算粘聚力工字鋼

        陳寶德

        1 總體說明

        京滬高速鐵路柏家莊大橋全長307.88 m,中心里程DK1047+295.44(9-32 m),其中6號、7號墩跨越湯龍路,鐵跨公形式,6號墩承臺邊緣距既有公路路緣石距離僅為110 cm,且線路軸線與既有公路斜交63°,最大開挖深度411 cm,因此,需要在基礎(chǔ)開挖前做好公路路基的防護(hù)工作,防護(hù)方案選擇鋼軌樁加固方案。

        2 施工方案

        1)施工技術(shù)人員將承臺四個角放出;2)利用洛陽鏟掏孔,將720 cm長的鋼軌條植入坑中,并用M10砂漿將空隙密封;3)在鋼軌頂部利用挖掘機(jī)清表60 cm;4)根據(jù)檢算要求,分別設(shè)置3個錨固樁、鋼軌樁頂橫向Ⅰ40工字鋼焊接及連接體連接;5)跨越公路的鋼絲繩利用限速器進(jìn)行覆蓋保護(hù);6)沉降觀測點設(shè)置;7)基坑開挖、混凝土施工、防護(hù)桿件解體;8)施工結(jié)束。

        3 主要受力桿件檢算

        3.1 求換算土層厚度h0

        下跨公路為雙向單車道,汽車荷載選用汽車—超20級,參考《路橋施工計算手冊》P107表6-16可得:

        其中,h0為換算土層厚度,m;γ為填料的容重,kN/m3;H 為有效墻高,H=4.11+3.00=7.11 m;a為無擋護(hù)范圍內(nèi)路基高度,m。

        3.2 鋼軌的穩(wěn)定性檢算(選擇單位寬度1.0 m為計算模式)

        3.2.1 鋼軌樁后部主動土壓力計算

        參考《土力學(xué)》(西南交通大學(xué)李成宇主編)的計算公式有:

        其中,H為有效墻高,H=7.11+1.33=8.44 m;Z0為臨界深度,Z0=2×c/[γ×(K0)0.5]=1.58 m;γ為填料的容重,γ=18 kN/m3;Ka為主動土壓力系數(shù),Ka=tan2(45°-φ/2)=0.49;c為土的粘聚力,c=10 kN/m2。

        相關(guān)數(shù)據(jù)代入上式,得Ea=207.31 kN/m。

        3.2.2 鋼軌樁前部被動土壓力計算

        參考《土力學(xué)》(西南交通大學(xué)李成宇主編)的計算公式有:

        其中,H為有效墻高,H=3.00 m;γ為填料的容重,γ=18 kN/m3;Kp為被動土壓力系數(shù),Kp=tan2(45°+φ/2)=2.04;c為土的粘聚力,c=10 kN/m2。

        相關(guān)數(shù)據(jù)代入上式,得Ep=250.92 kN/m。

        3.2.3 鋼軌穩(wěn)定性檢算

        主動土壓力和被動土壓力分別對“A”點進(jìn)行起矩,并進(jìn)行穩(wěn)定性檢算(以單位寬度1.0 m為計算單元)。

        順時針矩 W1=Ep×1.00=250.92×1.00=250.92 kN?m;

        逆時針矩 W2=Ea×2.28=207.31×2.28=472.67 kN?m。

        因 W1<W2,鋼軌不能自行穩(wěn)定,需在鋼軌頂 C處設(shè)置一橫向拉力(見圖1),以穩(wěn)定鋼軌樁整體受力狀況。

        以“A”點為轉(zhuǎn)軸,建立平衡方程:N1×7+Ep×L1-Ea×L2=0,將相關(guān)數(shù)據(jù)代入計算式中,得:

        3.2.4 鋼軌穩(wěn)定需增設(shè)的相關(guān)桿件

        防護(hù)范圍說明:6號基礎(chǔ)在橫橋向設(shè)計鋼軌樁防護(hù)范圍為12 m,在順橋向設(shè)置鋼軌樁防護(hù)范圍為8 m(見圖2);在鋼軌樁頂部水平向用工字鋼焊接成整體,然后通過鋼絲繩與 1號、2號、3號錨固樁相聯(lián)系,以確保防護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定。

        1)1號樁用鋼絲繩和錨固樁檢算。

        a.鋼絲繩檢算。在橫公路方向設(shè)置兩根鋼絲繩,所能承受的最大荷載為:

        N5=2×341.57×1 700×10-3=1 161.4 kN;安全儲備系數(shù)大于2,安全。

        b.錨固樁檢算。錨固樁的被動土壓力:

        其中,B為錨固樁寬度,B=2.8 m;H為有效墻高,H=3.00 m;γ為填料的容重,γ=18 kN/m3;Kp為被動土壓力系數(shù),Kp=tan2(45°+φ/2)=2.04;c為土的粘聚力,c=10 kN/m2。

        相關(guān)數(shù)據(jù)代入上式,得 N6=702.58 kN/m>N4×3/2,滿足鋼絲繩拉力要求。

        2)2號樁用鋼絲繩和錨固樁檢算。

        a.鋼絲繩檢算。2號樁方向上的分力 N7=0.5×30.80×12=184.8 kN;選用鋼絲繩6×37股(1+6+12+18),繩纖維芯,繩徑30.0 mm。鋼絲總斷面面積341.57 mm2,公稱抗拉強(qiáng)度為1 700 MPa,選用一根且承受的最大荷載為:

        N8=341.57×1 700×10-3=580.7 kN;安全儲備系數(shù)大于2,安全。

        b.錨固樁檢算。錨固樁的被動土壓力:

        其中,B為錨固樁寬度,B=2.0 m;H為有效墻高,H=3.00 m;γ為填料的容重,γ=18 kN/m3;Kp為被動土壓力系數(shù),Kp=tan2(45°+φ/2)=2.04;c為土的粘聚力,c=10 kN/m2。

        相關(guān)數(shù)據(jù)代入上式,得 N9=501.8 kN/m>N7×3/2,滿足鋼絲繩拉力要求。

        3)3號樁用鋼絲繩和錨固樁檢算。

        a.鋼絲繩檢算。3號樁方向上的分力 N10=0.5×30.80×8=123.2 kN;選用鋼絲繩 6×37股(1+6+12+18),繩纖維芯,繩徑30.0 mm。鋼絲總斷面面積341.57 mm2,公稱抗拉強(qiáng)度為1 700 MPa,選用一根且承受的最大荷載為:

        N8=341.57×1 700×10-3=580.7 kN;安全儲備系數(shù)大于2,安全。

        b.錨固樁檢算。錨固樁的被動土壓力:

        其中,B為錨固樁寬度,B=2.0 m;H為有效墻高,H=2.00 m;γ為填料的容重,γ=18 kN/m3;Kp為被動土壓力系數(shù),Kp=tan2(45°+φ/2)=2.04;c為土的粘聚力,c=10 kN/m2。

        相關(guān)數(shù)據(jù)代入上式,得 N11=261.1 kN>N10×3/2,滿足鋼絲繩拉力要求。

        4)鋼軌樁頂橫向連接用工字鋼強(qiáng)度檢算。

        選用兩根Ⅰ45工字鋼做橫梁,并在空隙處進(jìn)行橫梁捆綁,以提高橫梁的抗彎性能。

        承受的最大彎矩 M=30.8×12×12/8=544.4 kN?m。

        單位鋼軌承受的抗彎應(yīng)力σ=M/nW=544.4/(2×1 500)=181 MPa。

        σ<[σ]=210 MPa,滿足抗彎強(qiáng)度要求。

        3.3 鋼軌樁的抗彎性能檢算(選擇單位寬度1.0 m為計算模式)

        計算模式見圖3。

        其中,H為有效墻高,H=4.11 m;γ為填料的容重,γ=18 kN/m3;Ka為主動土壓力系數(shù) ,Ka=tan2(45°-φ/2)=0.49。

        相關(guān)數(shù)據(jù)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;

        故控制彎矩 Mb=56.70 kN?m。

        鋼軌樁選用P60鋼軌,鋼軌截面慣性矩 W=396 cm3,布置間距為0.5 m。

        則鋼軌承受的彎矩應(yīng)力:

        σ<[σ]=210 MPa,滿足抗彎強(qiáng)度要求。

        4 結(jié)語

        基坑選用鋼軌樁進(jìn)行防護(hù),主要控制項目是鋼軌的整體穩(wěn)定性問題,在本案例中充分說明鋼軌樁加固路基高度超過250 cm后,施工工藝將變得復(fù)雜一些,但總體來說,鋼軌樁加固路基在施工速度和施工工藝控制上較容易一些,且較為經(jīng)濟(jì)。

        [1] 高晉彪.淺談公路工程不良路基的防治措施[J].山西建筑,2008,34(7):316-317.

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