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        既有鐵路路肩加寬設(shè)計(jì)探究

        2021-06-26 09:40:12李珊珊
        運(yùn)輸經(jīng)理世界 2021年31期
        關(guān)鍵詞:混凝土

        李珊珊

        (中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司東北分院,黑龍江哈爾濱 150001)

        0 引言

        朔黃鐵路,西起山西省朔州站,東至河北省滄州市黃驊港港口貨場(chǎng)。正線總長(zhǎng)近598km,設(shè)計(jì)為重載雙線電氣化鐵路,設(shè)計(jì)年運(yùn)輸能力為近期3.5 億t(2013),遠(yuǎn)期4.5 億t。朔黃鐵路于2000年5月18日開(kāi)通運(yùn)煤,隨著朔黃鐵路運(yùn)量的逐年增加,既有鐵路路基由于修建時(shí)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)低、路基填筑較高等原因?qū)е侣坊鲁粒坊鲁烈院?,通過(guò)填補(bǔ)道砟的方式增加道床厚度,使軌道保持既有的高程及縱向坡度,導(dǎo)致路肩寬度嚴(yán)重不足。此次以朔黃鐵路K64+000~K82+000 范圍路堤路肩加寬為設(shè)計(jì)實(shí)例,闡述設(shè)計(jì)理念及思路。

        1 工程概況

        朔黃鐵路K64+000~K82+000 范圍內(nèi)路堤填高0.5~26.0m。既有路肩寬度一般0.2~0.6m,局部地段無(wú)路肩,道床直至路基邊緣,路肩寬度嚴(yán)重不足;附近居民穿越線路,存在交通事故等隱患。

        2 路肩加寬設(shè)計(jì)原則

        為了確保行車及人身安全,對(duì)全線路基路肩進(jìn)行了加固加寬整治,加寬原則:其一,路肩加寬設(shè)計(jì)執(zhí)行現(xiàn)行的重載鐵路標(biāo)準(zhǔn)[1];其二,路肩邊緣距離線路中心不小于4.5m;其三,對(duì)全線進(jìn)行平網(wǎng)封閉。

        3 路肩加寬設(shè)計(jì)方案

        3.1 采用旋噴樁結(jié)合C30 混凝土擋墻設(shè)計(jì)方案

        第一,距離線路中心4.5m 處加設(shè)寬1.5m×厚1mC30 混凝土路肩墻加寬路肩,路肩墻基礎(chǔ)采用0.6m 樁徑旋噴樁,樁間距為1.2m,C30 混凝土路肩墻沿線路方向每12m 設(shè)置寬3cm 沉降縫。

        第二,旋噴樁施工完成時(shí)在樁頭預(yù)埋鋼筋,接觸網(wǎng)桿處旋噴樁間距為0.6m,且每處接觸網(wǎng)桿增加2 根旋噴樁,旋噴樁破樁頭后,上排旋噴樁破樁頭鋼筋與混凝土擋墻砌為一體,路肩墻外側(cè)安裝防護(hù)網(wǎng)。

        第三,旋噴樁水泥采用PO32.5 水泥,水泥≥220kg/m,水泥漿液的水灰比為1∶1,外加0.5% 擴(kuò)散劑NNO 及0.3%711 型水泥速凝劑。

        3.2 采用L 型現(xiàn)澆鋼筋混凝土擋墻

        3.2.1 設(shè)計(jì)方案

        第一,距離線路中心4.5m 處沿線路方向加設(shè)厚0.2m、高0.7~1.2m 現(xiàn)澆鋼筋混凝土L 型擋土墻,擋土墻底板寬0.6m,厚0.2m,沿線路方向每9m 設(shè)置寬3cm 沉降縫。

        第二,擋土墻直墻與道床間回填水泥灰土(石灰與土比例為3∶7,水泥按總體積4%摻加)、碎石加砂(碎石與砂比例為6∶4)。路肩加寬后水泥灰土頂面做成4%的向外排水橫坡。

        第三,擋土墻沿線路方向每1m 設(shè)置孔徑為10cm泄水孔,澆筑過(guò)程中,泄水孔底面低于L 型墻底板頂面3cm,遇伸縮縫適當(dāng)調(diào)整泄水孔。

        3.2.2 設(shè)計(jì)檢算

        (1)L 墻的土壓力計(jì)算理論

        第一,如果不出現(xiàn)第二破裂角,用墻踵下緣與墻頂內(nèi)緣(立壁)連線作為假想墻背,按庫(kù)倫公式計(jì)算,此時(shí)δ 值應(yīng)取土的內(nèi)摩擦角[2]。

        第二,當(dāng)墻踵下邊緣與墻頂內(nèi)緣(立壁)連線大于臨界角,在墻后填土中將會(huì)出現(xiàn)第二破裂面,則應(yīng)按第二破裂面理論計(jì)算,如圖1。

        圖1 擬定截面尺寸

        (2)L 墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        (a)無(wú)荷載的情況:

        第一,土壓力計(jì)算

        計(jì)算高度H 為0.700m 處的庫(kù)侖主動(dòng)土壓力

        按假想墻背計(jì)算得到:

        第1 破裂角:29.394°

        Ea=4.899kN,Ex=0.800kN,Ey=4.833kN,作用點(diǎn)高度 Zy=0.233m

        因?yàn)楦┬眽Ρ?,需判斷第二破裂面是否存在,?jì)算后發(fā)現(xiàn)第二破裂面存在:

        第2 破裂角=24.994o,第1 破裂角=25.002o

        Ea=2.521kN,Ex=1.065kN,Ey=2.284kN 作用點(diǎn)高度Zy=0.233m

        墻身截面積=0.260m2,重量=6.500kN

        整個(gè)墻踵上的土重(不包括超載)=3.902kN,重心坐標(biāo)為0.401,-0.275(相對(duì)于墻面坡上角點(diǎn))

        第二,滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算

        基底摩擦系數(shù)=0.500

        滑移力=1.065kN,抗滑力=6.343kN

        滑移驗(yàn)算滿足:Kc=5.953>1.300

        第三,傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

        驗(yàn)算擋土墻繞墻趾的傾覆穩(wěn)定性

        傾覆力矩=0.249kN·m 抗傾覆力矩=4.993kN·m

        傾覆驗(yàn)算滿足:K0=20.085>1.600

        第四,地基應(yīng)力及偏心距驗(yàn)算

        基礎(chǔ)為天然地基,驗(yàn)算墻底偏心距及壓應(yīng)力

        作用于基底的合力偏心距驗(yàn)算滿足:e=0.026≤0.167×0.800=0.133m

        墻趾處地基承載力驗(yàn)算滿足:壓應(yīng)力=18.950≤156.000kPa

        墻踵處地基承載力驗(yàn)算滿足:壓應(yīng)力=12.766≤169.000kPa

        地基平均承載力驗(yàn)算滿足:壓應(yīng)力=15.858≤130.000kPa

        (b)所有荷載都作用的情況

        第一,土壓力計(jì)算

        計(jì)算高度H 為0.700(m)處的庫(kù)侖主動(dòng)土壓力

        按假想墻背計(jì)算得到:

        第1 破裂角:39.258°

        Ea=16.123kN,Ex=2.633kN,Ey=15.907kN,作用點(diǎn)高度Zy=0.145(m)

        因?yàn)楦┬眽Ρ常枧袛嗟诙屏衙媸欠翊嬖?,?jì)算后發(fā)現(xiàn)第二破裂面存在:

        第2 破裂角=0.000o,第1 破裂角=35.226o

        Ea=5.787kN,Ex=4.433kN,Ey=3.720kN,作用點(diǎn)高度Zy=0.213m

        墻身截面積=0.260m2,重量=6.500kN

        整個(gè)墻踵上的土重(不包括超載)=6.000kN,重心坐標(biāo)為0.500,-0.250(相對(duì)于墻面坡上角點(diǎn))

        第二,滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算

        基底摩擦系數(shù)=0.500

        滑移力=4.433kN,抗滑力=8.110kN

        滑移驗(yàn)算滿足:Kc=1.830>1.300

        第三,傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

        驗(yàn)算擋土墻繞墻趾的傾覆穩(wěn)定性

        傾覆力矩=0.942(kN·m) 抗傾覆力矩=7.826(kN·m)

        傾覆驗(yàn)算滿足:K0=8.305>1.600

        第四,地基應(yīng)力及偏心距驗(yàn)算

        基礎(chǔ)為天然地基,驗(yàn)算墻底偏心距及壓應(yīng)力

        作用于基底的合力偏心距驗(yàn)算滿足:e=-0.024≤0.167×0.800=0.133m

        墻趾處地基承載力驗(yàn)算滿足:壓應(yīng)力=16.567≤156.000kPa

        墻踵處地基承載力驗(yàn)算滿足:壓應(yīng)力=23.982≤169.000kPa

        地基平均承載力驗(yàn)算滿足:壓應(yīng)力=20.274≤130.000kPa

        3.3 采用混凝土冠梁加寬路肩

        3.3.1 設(shè)計(jì)方案

        第一,根據(jù)既有路肩形式中線路中心距離路肩邊緣≥3.7m,在既有路肩外加設(shè)寬0.8m×厚0.3m 鋼筋混凝土冠梁加寬路肩,冠梁基礎(chǔ)采用人工挖孔500mm×500mm×4000mm 鋼筋混凝土灌注樁,樁間距為3.0m,鋼筋混凝土冠梁沿線路方向每9m 設(shè)置寬3cm 沉降縫。

        第二,根據(jù)既有路肩形式中線路中心距離路肩邊緣<3.7m 地段,在既有路肩外加設(shè)寬1.1m×厚0.3m鋼筋混凝土冠梁加寬路肩,冠梁基礎(chǔ)采用人工挖孔500mm×500mm×4000mm 鋼筋混凝土灌注樁,樁間距為3.0m,鋼筋混凝土冠梁沿線路方向每9m 設(shè)置寬3cm 沉降縫。

        第三,冠梁與路肩之間混凝土預(yù)制塊的鋪設(shè)根據(jù)冠梁與路肩的高差設(shè)置不同類型的預(yù)制塊。混凝土預(yù)制塊尺寸為0.5m×0.3m×0.25m 及0.5m×0.3m×0.2m 兩種規(guī)格,預(yù)制塊中心預(yù)留孔徑為10cm 泄水孔,鋪設(shè)時(shí)泄水孔附近回填大粒徑碎石過(guò)濾層。冠梁與路肩之間鋪設(shè)C25 混凝土預(yù)制塊后,冠梁與道床間回填水泥灰土(石灰與土比例為3∶7,水泥按總體積4%摻加)、碎石加砂(碎石與砂比例為6∶4)。路肩加寬后水泥灰土頂面做成4%的向外排水橫坡。冠梁加寬后與既有路肩密貼的每1m 設(shè)置孔徑為10cm 泄水孔,遇伸縮縫適當(dāng)調(diào)整泄水孔。

        第四,挖孔灌注樁外側(cè)露于路堤邊坡面以上至冠梁底面設(shè)混凝土補(bǔ)齊帶,補(bǔ)齊帶與挖孔灌注樁采用C30 混凝土同時(shí)澆筑。

        3.3.2 設(shè)計(jì)檢算

        (1)樁檢算:首先采用理正巖土計(jì)算軟件計(jì)算樁體尺寸,包括樁徑、樁長(zhǎng)等。根據(jù)計(jì)算所得樁體所受最大彎矩對(duì)樁進(jìn)行配筋計(jì)算。

        (a)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

        樁型檢算采用理正巖土計(jì)算,按抗滑樁設(shè)計(jì)。樁體計(jì)算選擇參數(shù)按表1 取值。

        表1 樁體計(jì)算參數(shù)

        第一,樁間距選擇:樁間距實(shí)際應(yīng)為3m,理正軟件中,每根樁體承受的土壓力為樁間距范圍內(nèi)土體所提供。在該工點(diǎn)中,原邊坡線為路基穩(wěn)定邊坡,樁間土體為穩(wěn)定土體,無(wú)滑動(dòng)力傳遞給樁體。因此樁間距選擇0.8m,保守設(shè)計(jì)樁體范圍內(nèi)所承受的滑動(dòng)力。

        第二,土體M 值選擇:樁后土體為路基填筑土,壓實(shí)度較高,根據(jù)《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10025-2019)中抗滑樁土質(zhì)地基系數(shù)中:堅(jiān)硬的粉質(zhì)黏土及黏土取值,取水平方向m=7000kPa/m2。

        第三,安全系數(shù):樁型檢算過(guò)程中,內(nèi)力計(jì)算時(shí),滑坡推力、庫(kù)侖土壓力分項(xiàng)(安全)系數(shù)為1.20。

        (b)計(jì)算結(jié)果

        樁身內(nèi)力計(jì)算

        計(jì)算方法:m 法

        背側(cè)——為擋土側(cè);面?zhèn)取獮榉菗跬羵?cè)。

        背側(cè)最大彎矩=21.845(kN·m),距離樁頂為2.720m

        最大剪力=27.420kN,距離樁頂為3.680m

        最大位移=40mm

        樁體穩(wěn)定性檢算中,穩(wěn)定條件需考慮樁頂位移、地面處樁的水平位移及側(cè)壁應(yīng)力該工點(diǎn)中,樁頂設(shè)置冠梁,對(duì)樁頂位移起到約束作用,而計(jì)算可得,樁側(cè)壁應(yīng)力較小。因此,控制條件為地面處樁的水平位移。地面處樁的水平位移控制為不大于20mm。

        (2)冠梁計(jì)算:將冠梁自重及冠梁上部荷載轉(zhuǎn)化為均布荷載,采用TUSDOC 軟件進(jìn)行冠梁的彎矩及配筋計(jì)算。

        冠梁頂部所受荷載考慮兩部分:上部行人等造成的附加荷載和冠梁本身的自重荷載。

        附加荷載采用均布荷載,大小為20kN·m。

        鋼筋混凝土容重取25kN,自重均布荷載為25×h(冠梁厚度)。

        計(jì)算采用軟件TUSDOC2.0,考慮兩種情況計(jì)算。

        第一,考慮冠梁為簡(jiǎn)支梁。此時(shí)冠梁下部鋼筋受拉,為主筋,采用最大彎矩進(jìn)行配筋。

        第二,考慮冠梁為連續(xù)梁。此時(shí)冠梁產(chǎn)生負(fù)彎矩,采用冠梁兩端支撐點(diǎn)處最大負(fù)彎矩檢算冠梁上部鋼筋配筋[3]。

        冠梁計(jì)算結(jié)果:配筋均可按構(gòu)造配筋。

        4 結(jié)語(yǔ)

        采用旋噴樁結(jié)合C30 混凝土路肩墻、路肩設(shè)L 型現(xiàn)澆鋼筋混凝土擋墻、人工挖孔樁結(jié)合冠梁等方案加寬路肩,加寬路肩的同時(shí)兼顧平網(wǎng)基礎(chǔ)功能,經(jīng)過(guò)反復(fù)檢算論證,在結(jié)構(gòu)安全基礎(chǔ)上、技術(shù)上有較大創(chuàng)新,避免以往路基幫寬的方法進(jìn)行路肩加寬投資大,且需要征地拆遷等問(wèn)題,對(duì)既有線運(yùn)營(yíng)影響小,節(jié)約工程投資,工程效益明顯,比照挖臺(tái)階填土等路肩加寬方案施工周期短對(duì)生態(tài)及環(huán)境破壞小,取得了良好的社會(huì)效益。

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