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        U型結(jié)構(gòu)在鐵路路堤地段的應(yīng)用研究

        2013-01-16 09:31:26吳劍鋒李季宏
        關(guān)鍵詞:邊墻路堤彎矩

        吳劍鋒,李季宏

        (鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300251)

        1 概述

        U型結(jié)構(gòu)作為一種輕型支擋結(jié)構(gòu),由于其剛度大、變形小、穩(wěn)定性好、收坡防水支擋效果明顯,在許多鐵路工程建設(shè)中,特別是在地下水豐富、水位較高、放坡受到限制的挖方路基地段,愈來愈顯示其獨(dú)特的適應(yīng)性。丁兆鋒[1]對(duì)U型槽設(shè)計(jì)中的理論計(jì)算及結(jié)構(gòu)施工圖等關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了探討,孫愛斌[2]根據(jù)天津某公鐵立交工程中道路以下鉆方式通過地下水路塹的特點(diǎn),對(duì)封閉式路塹U型槽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算進(jìn)行研究。

        但當(dāng)前的理論研究及應(yīng)用主要集中在挖方路基U型槽這一部分,對(duì)路堤地段U型結(jié)構(gòu)這一部分的研究及應(yīng)用還很少,結(jié)合某鐵路工程的工程實(shí)踐,對(duì)路堤地段U型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用進(jìn)行了研究。

        2 U型結(jié)構(gòu)形式

        U型結(jié)構(gòu)主要由鋼筋混凝土邊墻與底板組成,結(jié)構(gòu)內(nèi)填筑路基填料,邊墻內(nèi)側(cè)面設(shè)置一層砂夾卵石反濾層,基床表層上部鋪設(shè)不透水土工布防止雨水下滲,雨水流入滲水暗溝,并通過PVC排水管將暗溝水引到槽外,并在邊墻與底板上按一定距離設(shè)置泄水孔排水;暗溝上設(shè)電纜槽,墻頂設(shè)置欄桿。U型結(jié)構(gòu)半斷面構(gòu)造示意如圖1所示。

        圖1 U型結(jié)構(gòu)半斷面構(gòu)造示意

        3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        3.1 計(jì)算模型

        U型結(jié)構(gòu)受力主要包括:結(jié)構(gòu)自重、列車活載、邊墻土壓力、水平地震力、地基反力。列車活載按換算土柱計(jì)算。

        按照U型結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn),可取線路方向一延米按彈性理論進(jìn)行簡化計(jì)算,簡化計(jì)算模型如圖2所示。U型結(jié)構(gòu)邊墻按懸臂構(gòu)件計(jì)算,底板按照彈性地基梁考慮。彈性地基梁采用Winkler模型計(jì)算

        Pi=K0Si(1)

        式中Pi——地基任一點(diǎn)所受的壓力強(qiáng)度,kN/m2;

        K0——基礎(chǔ)系數(shù),kN/m3;

        Si——地基任一點(diǎn)的沉降值,m。

        圖2 U型結(jié)構(gòu)計(jì)算模型示意

        3.2 土壓力計(jì)算

        剛性墻體的位移模式包括平移(T)、繞墻底轉(zhuǎn)動(dòng)(RB)及繞墻頂轉(zhuǎn)動(dòng)(RT)等3種基本位移模式。U型結(jié)構(gòu)邊墻作為懸臂構(gòu)件,在土壓力作用下,將繞墻底向外轉(zhuǎn)動(dòng),故屬于RB位移模式。RB位移模式下,隨著轉(zhuǎn)角增大,墻后土體塑性區(qū)呈條帶狀逐漸向下發(fā)展,達(dá)到極限主動(dòng)狀態(tài)時(shí),形成的滑動(dòng)破裂面與庫侖滑動(dòng)面一致,滑動(dòng)面內(nèi)土體均處于塑性狀態(tài),墻高內(nèi)各點(diǎn)土體從上到下依次達(dá)到主動(dòng)狀態(tài)[3]。Sherif[4]等通過模型試驗(yàn)認(rèn)為墻高內(nèi)各點(diǎn)土體達(dá)到主動(dòng)狀態(tài)所需的水平位移Sc為定值,約為0.000 3H~0.000 5H(H為墻高)。U型結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土構(gòu)件,剛度大,墻體位移一般小于Sc,計(jì)算時(shí)參照《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定,按主動(dòng)土壓力考慮,同時(shí)附加安全系數(shù)1.1~1.3。

        U型結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)需考慮地震土壓力。目前,實(shí)際工程中應(yīng)用最廣泛的方法是基于極限平衡理論的Mononobe-Okabe理論。Mononobe-Okabe理論是在庫侖土壓力的基礎(chǔ)上,考慮地震慣性力后建立的地震土壓力合力計(jì)算公式。假設(shè)作用于墻背上的地震土壓力是由墻后填土在極限平衡狀態(tài)下出現(xiàn)的滑動(dòng)楔體產(chǎn)生,該滑動(dòng)楔體為剛體,在地震作用下具有相同的加速度。由作用于該滑動(dòng)楔體上力的平衡條件,可得到作用于墻背上的地震土壓力合力PAE

        (2)

        KAE=

        式中KAE——地基主動(dòng)土壓力系數(shù);

        φ——墻后土體內(nèi)摩擦角,(°);

        δ——墻后土體與墻背之間的摩擦角,(°);

        ψ——地震角,(°);

        kh——水平地震加速度與重力加速度的比值;

        kv——豎向地震加速度與重力加速度的比值。

        3.3 結(jié)構(gòu)內(nèi)力

        根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算方法,可得U型結(jié)構(gòu)的彎矩圖,如圖3所示。由圖3可知,邊墻內(nèi)側(cè)受拉,墻懸臂段底部B節(jié)點(diǎn)彎矩最大,彎矩值隨著墻高增加而增大;底板除邊墻位置處承受正彎矩外,其余部分均為負(fù)彎矩,且負(fù)彎矩值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正彎矩值,底板彎矩值隨著墻高的增加與地基系數(shù)的降低而增大。A節(jié)點(diǎn)為墻截面尺寸變化點(diǎn),墻截面尺寸小,故A、B節(jié)點(diǎn)處為墻截面控制截面,且易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,是U型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn),應(yīng)采取加密箍筋等構(gòu)造措施。底板的控制截面為跨中C處與底板固結(jié)段根部D處,此兩處的負(fù)彎矩最大。

        圖3 U型結(jié)構(gòu)彎矩示意

        4 計(jì)算實(shí)例

        某雙線鐵路,標(biāo)準(zhǔn)線間距4 m,設(shè)計(jì)速度160 km/h,地震峰值加速度0.4g。線路位于平原區(qū),均為填方段落,由于征地條件限制,擬采用鋼筋混凝土U型結(jié)構(gòu)收坡,本工程雙線地段主體結(jié)構(gòu)用地僅為9 m,收坡效果明顯?,F(xiàn)以該鐵路DK140+050~DK140+250段落為工程實(shí)例,進(jìn)行計(jì)算分析。該段落墻高7 m,地層如下:雜填土,黃褐色、稍密、潮濕、厚0.0~1.5 m;黏土,灰褐色,軟塑~硬塑,厚2.2~3.2 m;淤泥,灰褐色,流塑,厚4.6~6.1 m;粉砂,褐灰色,中密,飽和。

        經(jīng)計(jì)算,最不利荷載組合下,邊墻B點(diǎn)彎矩值MB=799 kN·m,邊墻根部D處D點(diǎn)彎矩值MD=816 kN·m。底板橫向?qū)挾确秶鷥?nèi)彎矩值如圖4所示。

        圖4 底板彎矩示意

        U型結(jié)構(gòu)邊墻和底板按照受彎構(gòu)件單筋梁[6]計(jì)算,強(qiáng)度計(jì)算公式為

        (5)

        主筋截面面積計(jì)算公式為

        As=α1fcbx/fy(6)

        式中α1——系數(shù),混凝土強(qiáng)度等級(jí)不超過C50時(shí),取1.0;

        fc——混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,N/mm2;

        活佛把醫(yī)學(xué)和佛經(jīng)結(jié)合起來,給我們講《四部醫(yī)典》。他告誡我們,對(duì)待病人就像對(duì)待母親一樣竭盡全力。即便是半夜出診,也不能心有怨言,更不可看重錢財(cái)?;罘鸾逃覀儯嗅t(yī)時(shí)不能隨便增加醫(yī)藥費(fèi)。病人因此耽誤病情,就等于謀財(cái)害命。真誠的話語就像太陽一樣溫暖人心。治療中好言好語容易做到,傾聽病人的感受則不太容易做到。一個(gè)好曼巴應(yīng)該把病人當(dāng)作家人朋友那樣說話。[注]訪談人:歐陽麗婷;訪談對(duì)象:久麥多杰;訪談時(shí)間:2015年9月28日;訪談地點(diǎn):青海省興海縣莫多寺。

        b——矩形截面寬度,m;

        x——混凝土受壓區(qū)高度,m;

        h0——截面有效高度,m;

        fy——鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,N/mm2。

        裂縫控制驗(yàn)算公式為

        (7)

        式中αcr——構(gòu)件受力特征系數(shù);

        ψ——裂縫間縱向受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù);

        σsk——按荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算的鋼混構(gòu)件縱向受拉鋼筋的應(yīng)力,N/mm2;

        Es——鋼筋彈性模量,N/mm2;

        c——最外層縱向受拉鋼筋外邊緣至受拉區(qū)底邊的距離,mm;

        deq——受拉區(qū)縱向鋼筋的等效直徑,mm;

        ρte——按有效受拉混凝土截面面積計(jì)算的縱向受拉鋼筋配筋率。

        經(jīng)分析計(jì)算,邊墻所需的主筋面積為3 848 mm2,選用6φ20+4φ25,配置在墻內(nèi)側(cè);底板所需的主筋面積為4 378 mm2,選用3φ20+7φ25,配置在板上緣。箍筋與構(gòu)造筋均按構(gòu)造規(guī)定選用。

        5 結(jié)論及建議

        (1)U型結(jié)構(gòu)在路堤地段具有良好的收坡效果,節(jié)省用地。

        (2)U型結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)自重、列車活載、邊墻土壓力、水平地震力等荷載,考慮多種荷載的組合情況,按最不利荷載組合設(shè)計(jì)。

        (3)土壓力計(jì)算可采用各種邊界條件下的庫侖主動(dòng)土壓力進(jìn)行計(jì)算,并考慮地震作用對(duì)土壓力的影響。

        (4)U型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可按單筋受彎構(gòu)件計(jì)算,邊墻控制截面位于邊墻截面變化處與邊墻懸臂段根部;底板控制截面位于跨中截面與底板固結(jié)段根部處,且底板彎矩值隨著墻高的增加與地基系數(shù)的降低而增大。

        (5)本文僅對(duì)路堤地段U型結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了闡述,未涉及到地基處理、排水設(shè)計(jì)、與接觸網(wǎng)支柱接口等系統(tǒng)設(shè)計(jì),應(yīng)作進(jìn)一步研究。

        [1] 丁兆鋒,吳沛沛.U型槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2009,127(4):13-16.

        [2] 孫愛斌,吳連海.天津某封閉式路塹U型槽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2006,97(7):49-53.

        [3] 龔慈.不同位移模式下剛性擋土墻土壓力計(jì)算方法研究[D].杭州:浙江大學(xué),2005:31-34.

        [4] Sherif M A, Fang Y S, Sherif R I.KAandK0behind rotating and non-yielding walls[J]. Journal of Geotechnical Engineering, 1984,110 (1):41-56.

        [5] 李毓林.鐵路路基手冊(cè)[M].北京:中國鐵道出版社,1992:346-351.

        [6] 舒士霖.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2002:89-90.

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