U型結(jié)構(gòu)在鐵路路堤地段的應(yīng)用研究

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。現(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?，行醫(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[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．