桥涵接长加固检算.doc

营业线桥涵接长线路安全技术防护加固检算

＜摘要＞在营业线上进行桥涵接长施工，必须确保线路设备安全，文章介绍了线路安全防护加固方式的构造特点和科学的检算方法。
[关健词]营业线 桥涵接长 安全防护 计算方法

1、工程概况
京秦线是从160km/h提至200km/h的高新技术“试验田”，它既是我国晋煤外运的重载通道，又是暑运、专运、春运的通道，属无缝线路。目前是北京铁路局车流密度最大（77对/天）、车速最高（160km/h）的主要干线。我处担负的A4标段DK84+900~DK103+000的桥涵接长加固16座。其中有7座通道涵相邻路基较高，离轨道较近，施工要在保证营业线行车安全、完成运输任务的前提下进行，同时为了保证路基的稳定与完整，路基防护显得尤为重要。
2、加固方式
在进行路基防护前必须作好安全防护的准备工作，对施工人员进行安全教育，备足够的工字钢、槽钢等防护材料。施工前与有关部门取得联系以获得接长处是否存在地下管线，确定其具体位置，对桥涵接长的管线进行改移。既有的七座通道涵的接长都需拆除翼墙，拆除翼墙前，采用挖孔桩进行防护，具体作法是用洛阳铲及钢筋混凝土圆管成孔，孔深挖至基础下1m，内置钢筋笼，然后灌注200号混凝土。填土高度小于5.5m时，桩直径为40cm，其中心距60cm。每根桩配6根直径12mm的A3钢筋；填土高度小于8m时，桩直径为75cm，其中心距120cm。每桩配18根直径16mm的A3钢筋。挖孔桩的布置情况如平面图、立面图所示。此种情况是在列车荷载一直作用下考虑的，且此桩在道床坡脚，离道床越远，填土高度越低时桩径及配筋可相应减少。

3、理论计算
计算采用库仑理论：
墙背倾角α=0；土的内摩擦角φ=35°，ctgφ=1.428；
墙背摩擦角δ=2/3φ=2/3×35=23.33°
令ψ=φ+δ－α =35°+23.33°=58.33°，tgψ=1.621，土层为砂粘土，其土容重γ=17KN/m3；轨道和列车荷载换算土柱高度ha=3.4m，分布宽度la=3.6m，道碴肩宽30cm，道床高度50cm，道床坡度1：1.75，K=30+50×1.75－50=67.5cm。
4、实例检算
4.1 K88+104涵的填土高为4.92m；K91+173涵的填土高为4.44m；K92+533涵的填土高为5.1m；K96+269涵的填土高为5.44m； K99+685涵的填土高度为5.44m；K101+996涵的填土高为5.1m，这6个涵洞的填土高度均小于5.5m，取H=5.5m。
4.1.1设破裂面交于荷载分布范围内 ，受力分析如图3所示，用库仑主动土压力公式计算如下：
A°=1/2H(H+2ha)=1/2×5.5×(5.5+2×3.4)=33.8251
B°=1/2H(H+2ha)tgα+Kha=0.675×3.4=2.295
tgθ=－tgΨ±√（tgΨ+ctgφ）（tgΨ+B°／A°）
=－1.621±√(1.621+1.428)(1.621+0.068)=－1.621±2.269
取tgθ=0.648，所以θ=32.94°
0.648×5.5=3.564＜0.675+3.6=4.275 与假设相符，所以
Ea=γ(A°tgθ－B°)cos(θ+φ)／sin(θ＋Ψ)
=17×(33.825×0.648－2.295)×0.3756=125KN/m
h1=K/(tgθ－tgα)=0.675/0.648=1.042；h2=H－h1=5.5－1.042=4.458
Zx=(H3+3ha*h22)/[3×(H2+2hah2)]=1.282m
Ex=Eacos(δ－α)=125×cos23.33°=115KN/m
4.1.2用平衡设计理论确定桩的断面尺寸并布置钢筋
假设填土宽度为1m，1m范围内桩体弯矩M=115×1×1.282=147.43KN·m。
混凝土标号为200号,［σw］=7MPa，n=15，n为钢筋的弹性模量与混凝土的变形模量之比值，钢筋取A3钢,［σg］=130MPa
(1)计算受压区的相对高度a
a=n［σw］/｛n［σw］+［σg］｝=15×7／（15×7＋130）=0.447

(2)确定桩的断面尺寸
bh°2=2M/｛a(1－a/3)［σw］｝=2×147.43×106//(0.447×0.851×7)=111×106mm3
因假设填土宽度b=1m，则h°=√111×106/1000=333mm；采用h′=400mm，估计a′=50mm，则h0′=h′—a′=350mm，取h0=350mm。
（3）确定钢筋的面积
Ag=M/｛［σg］（1－a/3）×h°｝147.43×106/［130×（1－0.447 /3）×350］ =3808mm2
选用φ12，其截面积s=113.1mm2，设选用钢筋根数n=Ag/s=3808/113.1=33.67根
取n=34，则Ag供=34×113.1=3845.4mm2＞3808mm2。
（4）验算应力
选用34φ12，Ag供=34×113.1=3845.4mm2
μ=Ag/bh0=3845.4/（1000×350）=0.010987，nμ=0.1648，α=√μ2+2nμ—nμ=0.4094
σg=M/[Ag供（1—α/3）h0]=（147.43×106）/[3845.4×（1—0.4094/3）×350]
=126.85Mpa＜[σg]=130Mpa；
σh=（σg/n）×[x/（h0—x）]=（126.85/15）×[0.4094/（1—0.4094）]
=5.86Mpa＜[σw]=7Mpa。（上式中x=αh0）
（5）假设为正方形桩，实际为圆桩，其直径为40cm，设桩内配筋n′根，在1m2的桩内配置钢筋34根，在φ40的桩内应配筋n，（100×100）/3.14×20×20=34/n′，则n′=6根。
每根桩内配6根主筋，桩的钢筋布置如图4

（6）根据计算，填土高度小于5.5米的桥涵，其防护桩——人工挖孔桩，直径为40cm，桩中心距为60cm，桩长为（路肩标高—基础底标高+1.5m）≤5.5+1.5=7m。桩内环形布置φ12mm主筋6根，保护层为5cm，箍筋为φ8mm圆钢，间距为30cm，桩内灌注200号砼。每个桥涵拆除方两侧需加固部分，挖孔桩按60cm的间距布置，每侧4根。由于计算时假设列车荷载一直作用且桩又设在道床坡脚处，故安全系数较大，当桩离道床坡脚较远，填土高随之降低，桩径和配筋均可减少，在实际施工中，我们只减少了桩长，桩径与配筋均未改变。
4.2 K99+264框构,其填土高度7.55m,取H=8m
4.2.1 设破裂面交于荷载分布范围外，受力分析如图5所示，用库仑主动土压力公式计算如下：

A°=1/2H2=1/2×8×8=32
B°=1/2H2tgα－laha=－12.24
tgθ=－tgΨ±√（tgΨ+ctgφ）（tgΨ+B°／A°）
=－1.621±√(1.621+1.428)(1.621－0.3825)=－1.621±1.943
取tgθ=0.322，所以θ=17.85°。
h1=K/(tgθ－tgα)=0.675/0.322=2.1；h2=la/(tgθ－tgα)=3.6/0.322=11.18m；
h3=H－h1－h2=8－2.1－11.18=－5.28m。h3 ＜0 ，与实际不符。
4.2.2 设破裂面交于荷载分布范围内受力分析如图3，只是H变为8m，用库仑主动土压力公式计算如下:
A°=1/2H(H+2ha)=1/2×8×(8+2×3.4)=59.2
B°=1/2H(H+2ha)tgα+Kha=0.675×3.4=2.295
tgθ=－tgΨ±√（tgΨ+ctgφ）(tgΨ+B°／A°)
=－1.621±√(1.621+1.428)(1.621+0.0388)=－1.621±2.2496。
取tgθ=0.6286，则0.6286×8=5.03＞0.675+3.6=4.275 与假设不符
4.2.3 由于上述1、2情况，所以应按破裂面交于荷载边缘计算，破裂角如图6所示，受力分析如图7所示。

tgθ=(0.675+3.6)/8=0.5344，θ=28.12°
A°=1/2H(H+2ha)=1/2×8×(8+2×3.4)=59.2
B°=1/2H(H+2ha)tgα+Kha=0.675×3.4=2.295
Ea=γ(A°tgθ－B°)cos(θ+φ)／sin(θ＋Ψ)
=17×(59.2×0.5344－2.295)×0.4521/0.9981=226KN/m
Ex=Eacos(δ－α)=226×cos23.33°=207KN/m；h1=K/(tgθ－tgα)=0.675/0.5344=1.263
h2=H－h1=8－1.263=6.74；Zx=(H3+3ha*h22)/[3×(H2+2hah2)]=2.96m。
4.2.4 用平衡设计理论确定桩的断面尺寸并布置钢筋
填土宽度取1m，1m范围内桩体弯矩M=207×1×2.96=613KN·m
混凝土标号为200号，［σw］=7MPa，n=15，（n的含义同前）钢筋取A3钢，
［σg］=130MPa
(1)计算受压区的相对高度
a=n［σw］/｛n［σw］+［σg］｝=15×7／（15×7＋130）=0.447
(2)确定桩的断面尺寸
bh°2=2M/｛a(1－a/3)［σw］｝=2×613×106/(0.447×0.851×7) =460.4×106mm3
填土宽度b=1m，则h°=√460.4×106/1000=678.53mm。
采用h′=750mm，估计a′=50mm，则h0′=h‘—a’=700mm，取h0=700mm。
（3）确定钢筋的面积
Ag=M/｛［σg］（1－a/3）×h°｝=613×106/［130×（1－0.447 /3)×700］=7915mm2
采用φ16mm的圆钢 , 其截面积s=201mm2，需钢筋根数取n
则n=Ag/s=7915/201=39.4根，取n=40根，则Ag供=40×201=8040mm2＞7915m2
（4）验算应力
选用40根φ16mm，Ag供=40×201=8040mm2
μ=Ag/bh0=8040/（1000×700）=0.014857；nμ=0.1723；α=0.4395
σg=M/[Ag供（1—α/3）h0]=（613×106）/[8040（1—0.4395/3）×700]
=127.6Mpa＜[σg]=130Mpa
σh=（σg/n）×[x/（h0—x）]=127.6/15）×[0.4395/（1—0.4395）]
=6.67Mpa＜[σh]=7Mpa；（上式中x=αh0）
（5） 假设为正方形桩，实际为圆桩，其直径为75cm，设桩内配筋n′根，在1m2的桩内配置钢筋40根，在φ75的桩内应配筋n′
（100×100）/[0.25×（3.14×75×75）]=40/n′
n′=0.25×40×（3.14×75×75）/10000=17.66根，
取整数n′=18根，每根桩内配18根主筋，桩的钢筋布置如图8

（6） K99+264 1—16m小桥防护桩的直径取为75cm，中心间距120cm，桩长9.05m，桩内布置φ16mm圆钢18根，保护层为5cm，每30cm设φ8mm钢筋箍筋一根，每侧布置φ75桩4根。由于计算时假设列车荷载一直作用且桩又设在道床坡脚处，故安全系数较大，当桩离道床坡脚较远，填土高随之降低，桩径和配筋均可减少，在实际施工中，我们只减少了桩长，桩径与配筋均未改变。
5、施工工艺
（1）挖φ40cm的孔由人工从上到下用洛阳铲进行，遇到夹杂的大石块要小心将其挖除，挖土时先挖中间，再挖四周。
（2）为了防止坍孔和保证操作安全，φ75cm的桩孔采用内径φ75cm的混凝土薄壁圆管作护壁，该混凝土标号为C20号，壁厚8厘米，管节长0.5m。挖孔时，随着桩深来增加圆管管节护壁，利用自重使圆管下沉到位。
（3）桩中心线控制在孔位地面上，做好十字控制桩，每下一节圆管均进行中线测量，使其垂直下沉。
（4）桩钢筋笼按设计进行绑扎，为保证钢筋笼牢固，每三道箍内加一#字加强支撑与主筋焊接牢固，并使其每侧长出5cm，以控制保护层5cm。钢筋笼就位时，尤其是靠近碴边钢筋笼就位时，应特别注意到上部电力线位置，防止钢筋笼进入安全限界外。如果上部空间不允许，钢筋笼必须分别制作，上下节主筋采用帮条双面焊接，整个钢筋笼用槽钢悬挂在井壁上，借自重使其保持垂直。在灌注砼时，为防止偏斜，因用木棍将钢筋笼支撑固定牢固。砼标号为200号，石子粒径为5~80mm，水泥用32.5R普通硅酸盐水泥，坍落度为3~5cm，机械拌合，振动棒人工捣固，人工运料，砼采用串筒下料。连续分层灌注，每层厚度小于0.5m。
6、使用人工挖孔防护桩的效果
我管段使用人工挖孔防护桩加固路基后，虽采用了人工小炮控制爆破的拆除办法，但既有路基无一处出现坍方现象，不但保证了营业线列车正常、安全、平稳的运行，而且加快了拆除速度，缩短了路基暴露的时间，使桥涵接长施工进度得以提前，确保了整个工期能安全正点按时完成。与此同时，设备管理部门将此安全技术防护方案推广到全线6个综合标段中去运用后，都取得了同样好的效果。
上述几个框构桥涵加固设计上要用工字钢1314m，计13万元，应用人工挖孔桩实际加固灌注砼53m3，钢筋2.4t，计2.2万元，节约10余万元。

参考文献：
1、路基工程 吴邦颖主编 （长沙铁道学院教科书）
2、结构设计原理 黄棠、王效通主编 （中国铁道出版社）
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