淺談既有公路線基坑開挖鋼軌樁防護檢算過程

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，需要在基礎開挖前做好公路路基的防護工作，防護方案選擇鋼軌樁加固方案。

2 施工方案

1)施工技術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清表60 cm;4)根據檢算要求，分別設置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行覆蓋保護;6)沉降觀測點設置;7)基坑開挖、混凝土施工、防護桿件解體;8)施工結束。

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為無擋護范圍內路基高度，m。

3.2 鋼軌的穩定性檢算(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》(西南交通大學李成宇主編)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，Ka=tan2(45°-φ/2)=0.49;c為土的粘聚力，c=10 kN/m2。

相關數據代入上式，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》(西南交通大學李成宇主編)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，Kp=tan2(45°+φ/2)=2.04;c為土的粘聚力，c=10 kN/m2。

相關數據代入上式，得Ep=250.92 kN/m。

3.2.3 鋼軌穩定性檢算

主動土壓力和被動土壓力分別對“A”點進行起矩，并進行穩定性檢算(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，鋼軌不能自行穩定，需在鋼軌頂 C處設置一橫向拉力(見圖1)，以穩定鋼軌樁整體受力狀況。

以“A”點為轉軸，建立平衡方程:N1×7+Ep×L1-Ea×L2=0，將相關數據代入計算式中，得:

3.2.4 鋼軌穩定需增設的相關桿件

防護范圍說明:6號基礎在橫橋向設計鋼軌樁防護范圍為12 m，在順橋向設置鋼軌樁防護范圍為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號錨固樁相聯系，以確保防護結構整體穩定。

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，Kp=tan2(45°+φ/2)=2.04;c為土的粘聚力，c=10 kN/m2。

相關數據代入上式，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，Kp=tan2(45°+φ/2)=2.04;c為土的粘聚力，c=10 kN/m2。

相關數據代入上式，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，Kp=tan2(45°+φ/2)=2.04;c為土的粘聚力，c=10 kN/m2。

相關數據代入上式，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度檢算。

選用兩根Ⅰ45工字鋼做橫梁，并在空隙處進行橫梁捆綁，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力σ=M/nW=544.4/(2×1 500)=181 MPa。

σ＜[σ]=210 MPa，滿足抗彎強度要求。

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 ，Ka=tan2(45°-φ/2)=0.49。

相關數據代入上式，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力:

σ＜[σ]=210 MPa，滿足抗彎強度要求。

4 結語

基坑選用鋼軌樁進行防護，主要控制項目是鋼軌的整體穩定性問題，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，且較為經濟。

[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.