軟土地區(qū)多孔框架涵頂進(jìn)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性研究

楊青青，魏 琪

（1.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津市300302；2.中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司，天津市300300）

0 引 言

隨著我國公路、鐵路網(wǎng)的日益發(fā)展完善，公鐵交叉現(xiàn)象日益頻繁。公鐵交叉節(jié)點(diǎn)作為一個薄弱環(huán)節(jié)，對公路和鐵路的工程設(shè)計、施工及后期的運(yùn)營都有著很大的影響。

處理公鐵交叉問題時，我國大都優(yōu)先考慮道路下穿鐵路方式。鐵路為路基段時采用框架涵型式最為常見，而頂進(jìn)施工工藝是公路下穿鐵路路基工程的核心技術(shù)。

現(xiàn)階段國內(nèi)外對于框架涵頂進(jìn)技術(shù)和力學(xué)特性研究頗多。彭俊生等[1]利用有限元方法建立了板柱組合模型，進(jìn)行了框架橋力學(xué)特性計算；陳佑新等[2]通過數(shù)值模擬方法，對箱涵結(jié)構(gòu)頂進(jìn)全過程進(jìn)行了力學(xué)計算，得到箱涵各階段應(yīng)力和變形情況；畢見山[3]分別對威海市珠海路、北京豐臺、石家莊槐安路等框架涵頂進(jìn)施工進(jìn)行了研究，通過Ansys軟件對大型箱涵頂進(jìn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬分析；謝富貴等[4]利用Marc，通過有限元計算表明框架涵頂進(jìn)施工過程中涵底上緣和涵頂下緣為該結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)，受拉應(yīng)力較大；郭瑞等[5]結(jié)合廣東地區(qū)框架涵頂進(jìn)結(jié)構(gòu)，研究得到了淺覆土特長箱涵頂部與底部的受力隨著頂進(jìn)長度和覆土厚度的增加而變大的力學(xué)規(guī)律。

綜上可知，隨著Abaqus、Midas、Ansys、Flac3D等有限元軟件的大量普及利用，采用數(shù)值模擬方法來研究多孔框架涵結(jié)構(gòu)力學(xué)特性切實(shí)有效。然而綜合上述研究不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有研究大都集中于4孔及以下框架涵結(jié)構(gòu)，而目前隨道路寬度日益增加，4孔及以下的框架涵已難以滿足需求。因此，有必要對多孔框架涵頂進(jìn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行更加深入的研究。另外，寧波地區(qū)軟土發(fā)育，地基含水量大、承載力較低，當(dāng)前對于寧波軟土地區(qū)框架涵力學(xué)特性的研究較少。

因此，本文對寧波軟土地區(qū)的8孔框架涵結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)特性分析，研究其頂進(jìn)過程中結(jié)構(gòu)的力學(xué)效應(yīng)及對既有鐵路的影響，探求相應(yīng)的力學(xué)規(guī)律，以更好地指導(dǎo)工程實(shí)踐。

1 工程概況

本文依托寧波市云臺山路下穿北侖鐵路線工程。云臺山路為寧波市重要規(guī)劃項目，是未來重要交通走廊。原云臺山路下穿既有鐵路為整體式3孔框架涵結(jié)構(gòu)，跨度為3.54 m、9.9 m、3.54 m。為滿足道路擴(kuò)寬需要，項目孔跨設(shè)計為3 m+5 m+8 m+8 m+8 m+8 m+5 m+8 m的8孔框架涵結(jié)構(gòu)。

2 模型建立

2.1 基本假定

在本次有限元力學(xué)模型建立中作如下假定：

（1）根據(jù)該地區(qū)地質(zhì)資料，土體大致為水平成層分布。

（2）土體、框架涵結(jié)構(gòu)均為各向同性，土體利用彈塑性材料模擬，混凝土結(jié)構(gòu)采用彈性材料模擬。

（3）初始應(yīng)力為土體自重。

（4）鉆孔灌注樁通過圍護(hù)墻模型模擬，圍護(hù)墻采用板單元，支撐和立柱采用梁單元。

2.2 模型建立

本文按照工程實(shí)際采用8孔框架進(jìn)行建模，模型區(qū)域為計算主層區(qū)域頂進(jìn)方向（橫向）200 m，垂直方向200 m，豎向90 m。

參照工程地質(zhì)報告資料，該地區(qū)由上到下分別分布粉質(zhì)黏土、淤泥、淤泥質(zhì)黏土、黏土；框架涵結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)設(shè)計圖紙選取。云臺山路下穿北侖線框架涵尺寸圖見圖1。

圖1 云臺山路下穿北侖線框架涵尺寸圖（單位：m）

明挖基坑根據(jù)設(shè)計圖紙采用深5.2 m；鐵路路基結(jié)構(gòu)根據(jù)鐵路路基設(shè)計規(guī)范選取，并采用中-荷載模擬列車荷載。列車中-荷載示意圖見圖2。

圖2 列車中-荷載示意圖

2.3 工況設(shè)計

為研究8孔框架涵結(jié)構(gòu)頂進(jìn)過程中的頂進(jìn)孔數(shù)及底層防護(hù)措施對既有鐵路變形的影響，設(shè)計工況如下：

本實(shí)驗通過查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，豆蔻、白術(shù)的揮發(fā)性成分，丹參的脂溶性成分、水溶性酚酸類成分，大黃的蒽醌類化合物及其衍生物，炙甘草的三萜類、黃酮類和多糖類成分，山藥的多糖、氨基酸、微量元素等成分，均具有改善腎功能、調(diào)節(jié)胃腸功能、改善微循環(huán)、免疫調(diào)節(jié)和抗炎作用，因此，根據(jù)各味藥所含成分的水溶性及相關(guān)藥理作用，實(shí)驗設(shè)計了3種工藝路線，以此篩選JYP的最佳制備工藝。

工況1：頂進(jìn)單孔（#5）。

工況2：頂進(jìn)3孔（#1、#5、#8）。

工況3：頂進(jìn)4孔（#1、#3、#5、#8）。

工況4：頂進(jìn)7孔（#1、#2、#3、#5、#6、#7、#8）。

工況5：頂進(jìn)8孔。

工況6：頂進(jìn)后底層加設(shè)防護(hù)樁。

3 框架涵頂進(jìn)對既有鐵路位移的影響

根據(jù)有限元數(shù)值模擬，框架涵頂進(jìn)過程中，既有鐵路位移計算結(jié)果見表1。

由表1可知：

表1 框架涵頂進(jìn)過程中既有鐵路位移數(shù)值計算表單位：mm

（2）軌道和鋼軌各向位移基本保持穩(wěn)定。

（3）8孔及更大孔數(shù)框架涵對既有鐵路位移影響可控，具備施工條件。

（4）頂進(jìn)后隨著底部樁基的加固處理，軌道和鋼軌的位移特性有了進(jìn)一步的改善。

（5）分析位移分布可知：軌道結(jié)構(gòu)位移由中心向兩側(cè)降低；鋼軌垂向位移由框架涵中心向兩側(cè)逐漸增加，需對框架涵中心處鋼軌加以重視；鋼軌和軌道縱向位移最大值出現(xiàn)在框架涵和縱向相鄰?fù)馏w的連接部分，因此需要對連接處進(jìn)行沉降監(jiān)測和加固處理。

4 框架涵頂進(jìn)過程框架涵的力學(xué)特性

對框架涵頂進(jìn)過程各工況進(jìn)行有限元計算，得到框架涵應(yīng)力及位移計算結(jié)果，見表2。

表2 框架涵頂進(jìn)過程中框架涵力學(xué)特性計算表

由表2可知：

（1）隨著頂進(jìn)孔數(shù)的增加，框架涵內(nèi)部垂向及橫向應(yīng)力減少、縱向應(yīng)力基本不變。

（2）頂進(jìn)后的底部加固處理可以有效降低框架涵結(jié)構(gòu)各向位移水平，具有一定必要性。

（3）分析頂進(jìn)后框架涵力學(xué)特性分布可知，垂向應(yīng)力、縱橫向位移于框架涵兩側(cè)產(chǎn)生集中，縱向應(yīng)力于框架涵底板處較大，而橫向應(yīng)力集中于框架涵各孔間交界處，需要對以上薄弱部位進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測及加固處理。

5 結(jié) 語

（1）隨著頂進(jìn)孔數(shù)增加，鐵路軌道及鋼軌各項位移變化較小，框架涵垂向、橫向應(yīng)力有所降低。

（2）頂進(jìn)過程中，框架涵中部鋼軌、框架涵與鐵路路基連接處、框架涵底板及各孔連接處產(chǎn)生應(yīng)力集中，需重點(diǎn)考慮。

（3）頂進(jìn)后框架涵底板加固可以很好改善軌道及框架涵力學(xué)響應(yīng)。

（4）頂進(jìn)孔數(shù)不作為制約框架涵力學(xué)特性的根本因素，更大規(guī)模框架涵結(jié)構(gòu)在理論上可行。