摘要:為向礦區(qū)鐵路應(yīng)用提供參考,分別采用普通石子和煤矸石作為路堤填料,對(duì)格賓結(jié)構(gòu)單體進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)研究,得到了其力學(xué)行為和單軸受壓的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系.試驗(yàn)結(jié)果表明:在不同顆粒級(jí)配情況下,格賓結(jié)構(gòu)單體單軸受壓的應(yīng)力-應(yīng)變特征和力學(xué)行為規(guī)律不明顯;石子作為填料的格賓結(jié)構(gòu)單體的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于煤矸石作為填料的格賓結(jié)構(gòu)單體的抗壓強(qiáng)度.理論計(jì)算結(jié)果表明,石子作為填料的格賓結(jié)構(gòu)的承載力完全滿足路堤承載力的要求.

   目前,針對(duì)采動(dòng)區(qū)鐵路橋受采礦或采空區(qū)“活化”影響而引起基礎(chǔ)下沉量較大的現(xiàn)象,國(guó)內(nèi)外一般采用以下2種方法:(1)改線路,避開采礦塌陷區(qū),在塌陷區(qū)以外重新征地修建新鐵路.此方法需二次征地,占用耕地多,投資大,審批工作煩瑣,且原有鐵路廢棄,不利于礦區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展.(2)通過砌筑擋碴墻維持線路運(yùn)營(yíng),待地表沉陷基本穩(wěn)定且沉陷量滿足施工新橋體所需凈空后,將線路架空,然后施工新箱體.這種方法雖然能夠起到抬高路面的作用,但對(duì)整個(gè)鐵路橋橋面過水不利[1-3].而要既能抬高鐵路,又能滿足鐵路橋過水要求,這在國(guó)內(nèi)外都是難題.

   鑒于此,我們提出在采動(dòng)區(qū)鐵路橋中采用新的路堤結(jié)構(gòu)———格賓結(jié)構(gòu).格賓結(jié)構(gòu)作為一種柔性材料,具有柔性好、無接縫、整體結(jié)構(gòu)有延展性等特點(diǎn),其變形能力能夠滿足橋梁的不均勻沉降,因此只需對(duì)格賓結(jié)構(gòu)的承載能力進(jìn)行驗(yàn)證.目前對(duì)格賓結(jié)構(gòu)單體在無側(cè)限壓縮條件下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行了一定探討,但是對(duì)側(cè)向約束條件下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系缺乏研究.本文結(jié)合格賓結(jié)構(gòu)在采動(dòng)區(qū)鐵路橋中的受力情況,對(duì)格賓結(jié)構(gòu)進(jìn)行了平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)研究.

1、鐵路橋路堤應(yīng)力計(jì)算：

　某鐵路無縫線路路堤的面荷載呈矩形分布,輪載力P= 220kN,路堤橫斷面見圖1.輪載力通常簡(jiǎn)化成假定由5根軌枕分擔(dān),分擔(dān)到每根軌枕面上的支撐力P1～P5分別為:P1= 0.2P,P2= 0.1P,P3=0.4P,P4= 0.2P,P5= 0.1P.采用Ⅱ型軌枕,軌枕底寬28cm,枕長(zhǎng)250cm,兩軌枕之間的間距為37cm,設(shè)計(jì)速度220km/h.按文獻(xiàn)[ 4-6]計(jì)算路堤最大應(yīng)力.

   由于計(jì)算時(shí)只考慮最不利因素,所以不僅考慮了動(dòng)應(yīng)力,還考慮了由于自重引起的靜應(yīng)力.計(jì)算時(shí)將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為5根軌枕,最大應(yīng)力為P3= 0.4P作用下的動(dòng)應(yīng)力和靜應(yīng)力疊加的最大值.

1.1、靜應(yīng)力：

　路堤靜應(yīng)力σj=P3j+GA,

   式中:G為路堤重力;P3j為單輪作用靜荷載時(shí),枕面分擔(dān)的最大(結(jié)構(gòu)最不利)靜荷載,P3j= 0.5×0.4P;A為單輪作用時(shí)路堤面荷載的作用面積,A=2a× 2b,其中2a為軌枕長(zhǎng)度的1/2,2b為路堤面荷載作用面積的短邊長(zhǎng)度, 2b= 28cm + 37cm =65cm.

   因?yàn)殪o應(yīng)力隨深度增大逐漸增大,所以,最大靜應(yīng)力發(fā)生在路堤底部,由式(1)可計(jì)算出最大靜應(yīng)力為164.15kPa.

1.2、動(dòng)應(yīng)力：

   矩形分布荷載的平均動(dòng)應(yīng)力σd=P3dA,

    式中:P3d為單輪作用動(dòng)荷載時(shí),枕面分擔(dān)的最大(結(jié)構(gòu)最不利)動(dòng)荷載,P3d= 0.4× 0.5P(1+ 0.3v/100),其中v為列車運(yùn)行速度.

   因?yàn)閯?dòng)應(yīng)力隨深度增大而逐漸減小,所以最大動(dòng)應(yīng)力發(fā)生在頂面,由式(2)可計(jì)算出最大動(dòng)應(yīng)力為89.89kPa.

   格賓結(jié)構(gòu)所受的最大應(yīng)力小于最大靜應(yīng)力與最大動(dòng)應(yīng)力之和254.04kPa.格賓結(jié)構(gòu)的承載能力能否滿足路堤的要求,需進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證.

2、格賓結(jié)構(gòu)的平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)：

2.1、試驗(yàn)加載方案及設(shè)備：

   試驗(yàn)采用的加載系統(tǒng)為中國(guó)礦業(yè)大學(xué)道橋?qū)嶒?yàn)室的WYQ 1000-Ⅰ地下工程綜合模擬試驗(yàn)液壓控制系統(tǒng)及液壓千斤頂.加載設(shè)備在模型前后兩邊采用厚2cm的有機(jī)玻璃固定[7].模型尺寸和加載后的受力狀態(tài)如圖2所示.

加載設(shè)備布置情況見圖3,加載采用3個(gè)100kN的手動(dòng)液壓千斤頂.試驗(yàn)過程中,加載初期試件產(chǎn)生的軸向變形用厘米尺量測(cè),填料被壓實(shí)后采用固定在試驗(yàn)系統(tǒng)上的百分表量測(cè)[8].

2.2、模型材料及試驗(yàn)方法：

　物理試驗(yàn)采用的格賓網(wǎng)由表面包一層PVC保護(hù)層的鍍鋅鐵絲編織而成,網(wǎng)孔為六角形.網(wǎng)孔尺寸為60mm× 80mm,網(wǎng)絲內(nèi)徑為2.2mm,外徑為3.2mm;框架鐵絲內(nèi)徑為2.7mm,外徑為3.7mm.

   煤矸石是采動(dòng)區(qū)比較豐富的資源,因此試驗(yàn)選擇普通石子和煤矸石作為填料,粒徑為8～ 15cm.考慮到實(shí)際應(yīng)用時(shí)受格賓籠尺寸和實(shí)驗(yàn)條件的限制,采用的模型尺寸為75cm× 50cm× 25cm.

   由于現(xiàn)場(chǎng)施工不能很好地控制填料的空隙率,所以試驗(yàn)不單獨(dú)考慮空隙率.通過控制顆粒級(jí)配[9-10]和填料材料進(jìn)行單體格賓結(jié)構(gòu)平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)研究.根據(jù)填料不同,將試驗(yàn)分為8組,石子和煤矸石各4組,編號(hào)分別為S1～S4和M 1～M 4.填料的顆粒級(jí)配曲線見圖4[11],空隙率見表1.

從圖4和表1可見,填料中小粒徑占的比例越大,格賓結(jié)構(gòu)的空隙率越小.

   試驗(yàn)邊界條件為前后固定,左右自由,在格賓結(jié)構(gòu)上部左右兩側(cè)分別測(cè)量一組數(shù)據(jù)并取其平均值,再通過換算獲得試件的軸向應(yīng)變.液壓千斤頂?shù)膲毫赏ㄟ^上部的壓力傳感器讀數(shù),通過換算得出作用在試件上的應(yīng)力,從而得到試件在整個(gè)受力過程中的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線.由于受試驗(yàn)條件的限制,當(dāng)軸向變形達(dá)到20%時(shí)就認(rèn)為結(jié)構(gòu)破壞。

2.3、試驗(yàn)結(jié)果分析：

   材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以直接反映材料在整個(gè)變形過程中的受力特點(diǎn).試驗(yàn)通過控制力的方法對(duì)填料為石子的格賓結(jié)構(gòu)的力與位移進(jìn)行記錄,通過控制位移的方法對(duì)填料為煤矸石的格賓結(jié)構(gòu)的力與位移進(jìn)行記錄,將最終得到的3個(gè)壓力傳感器的讀數(shù)相加后換算為應(yīng)力值,將2個(gè)百分表讀數(shù)的平均值換算為應(yīng)變值,從而得到材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.圖5為相同級(jí)配的S1和M 1的應(yīng)力-應(yīng)變曲線;圖6是填料為不同級(jí)配石子的應(yīng)力-應(yīng)變曲線;圖7是填料為不同級(jí)配煤矸石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.

   分析圖5可知,在相同顆粒級(jí)配的情況下,填料為石子的格賓結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于填料為煤矸石的格賓結(jié)構(gòu),并且隨著應(yīng)變的增大,兩者之間的應(yīng)力差逐漸增大.可見,格賓結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度與填料材料的抗壓強(qiáng)度有關(guān).

從圖6可見,在填料石子為不同顆粒級(jí)配的情況下,在壓縮過程中的不同階段,格賓結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度是不同的,而且與顆粒級(jí)配的關(guān)系沒有一定的規(guī)律.但其壓縮過程可以分為以下幾個(gè)階段:(1)由于填料之間存在很大的空隙,在較小的外荷作用下,格賓結(jié)構(gòu)中的填料就開始?jí)好?另外,顆粒間的接觸往往是點(diǎn)接觸,所以一般接觸點(diǎn)的局部壓力較高,容易使顆粒破碎(圖5中的AB段).(2)填料受壓密實(shí)后呈現(xiàn)彈性變形,此階段的應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系(圖5中BC段).(3)由于填料

圖7　填料為不同級(jí)配煤矸石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

為非連續(xù)材料,在逐漸增大的壓力作用下,填料之間的接觸關(guān)系不斷發(fā)生變化,一部分大直徑填料受壓破碎,相互擠壓、鑲嵌和重新排列,從而進(jìn)一步壓密,并隨著壓力的增大反復(fù)調(diào)整,故此時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈階梯形上升狀(圖5中的CD段).(4)進(jìn)一步增大格賓結(jié)構(gòu)上部的壓力,其側(cè)向變形逐漸加大,以至于超過格賓籠鐵絲的抗拉強(qiáng)度,鐵絲斷裂,此時(shí)認(rèn)為構(gòu)件破壞[12-15].由于受試驗(yàn)條件和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的限制,當(dāng)構(gòu)件變形達(dá)到20%時(shí),就認(rèn)為結(jié)構(gòu)破壞,因此所有試件都沒有達(dá)到破壞階段.

   在相同的應(yīng)變條件下,從圖6還可以發(fā)現(xiàn):(1)在壓密階段,S2的應(yīng)力值最大;(2)在彈性階段,S2的應(yīng)力值最大;(3)在階梯形上升階段,S4的應(yīng)力值最大.

   從圖7可見,不同級(jí)配煤矸石的格賓結(jié)構(gòu),并沒有出現(xiàn)明顯的4個(gè)階段,主要是因?yàn)槊喉肥目箟簭?qiáng)度較低.在相同應(yīng)變情況下,隨著小粒徑煤矸石的增加,應(yīng)力不斷增大,并且其應(yīng)力-應(yīng)變曲線并沒有出現(xiàn)明顯的壓密、彈性、階梯形上升階段.通過對(duì)試驗(yàn)過程的觀察,煤矸石在很小的壓力作用下就已經(jīng)發(fā)生破壞,并且有可能被擠壓出格賓籠.而此時(shí)格賓結(jié)構(gòu)仍然具有一定的承載力,說明格賓結(jié)構(gòu)的承載力是由填料和格賓籠兩者共同作用決定的.雖然煤矸石破壞后仍然滿足實(shí)際工程對(duì)抗壓強(qiáng)度的要求,但存在兩方面的問題:(1)由于變形量過大,豎向變形不能滿足工程要求;(2)由于煤矸石長(zhǎng)期暴露在空氣中,很容易被風(fēng)化,而風(fēng)化后煤矸石的抗壓強(qiáng)度太低,以致達(dá)不到抗壓強(qiáng)度要求.

   從圖5～ 7可以看出,格賓結(jié)構(gòu)的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線為非線性,當(dāng)應(yīng)變達(dá)到20%時(shí),填料為石子的格賓結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度與相同級(jí)配填料為煤矸石的格賓結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度之比約為2.5.由于鐵路橋路堤的格賓結(jié)構(gòu)承受的最大主應(yīng)力小于254.04kPa,所以填料為石子的格賓結(jié)構(gòu)滿足路堤承載力的要求.另外,分析圖6可知,S2在滿足承載力要求的前提下,其較大的空隙率還滿足過水的要求.因此,考慮承載力和過水?dāng)嗝鎯煞矫娴囊?建議采動(dòng)區(qū)鐵路路堤采用S2格賓結(jié)構(gòu).

3、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用：

   焦作礦區(qū)某專用鐵路橋位于井田上方,該區(qū)域煤層的開采對(duì)即將建設(shè)的鐵路橋梁會(huì)造成影響,因此需要對(duì)待建鐵路橋梁采取抗采動(dòng)措施.

   該鐵路橋全長(zhǎng)173. 2m,預(yù)計(jì)最終下沉量7.78m.根據(jù)理論計(jì)算和試驗(yàn)研究結(jié)果,將采用格賓結(jié)構(gòu)對(duì)其沉降進(jìn)行治理.具體方案為:

(1)橋面建成標(biāo)高與周圍路面相同.

(2)待沉降量達(dá)到0.50m時(shí),在橋面上兩側(cè)加填料為石子的格賓結(jié)構(gòu)抬高0.50m,中間部位填充道碴,并設(shè)置拉筋.

(3)之后每下沉0.50m,就按上述方法進(jìn)行抬高.

(4)當(dāng)下沉量達(dá)到6.00m時(shí),在橋面上施工新箱體.

(5)新箱體施工完成后,同樣按照上述方法進(jìn)行抬高,直至下沉量達(dá)到最終沉降量7.78m.

   格賓結(jié)構(gòu)一方面可以抬高軌道,以抵抗路堤變形,另一方面,它具有良好的滲水性,增大了橋的過水面積,滿足過水要求,能夠在此工程中得到很好的應(yīng)用.

4、結(jié)論：

   通過對(duì)填料分別為普通石子和煤矸石的格賓結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,可以得出以下結(jié)論:

(1)格賓結(jié)構(gòu)的空隙率隨小粒徑填料的增加而減小.相同顆粒級(jí)配的石子和煤矸石,填料為煤矸石的格賓結(jié)構(gòu)的空隙率比填料為石子的格賓結(jié)構(gòu)的空隙率大20%左右.

(2)相同的格賓籠,在填料級(jí)配和應(yīng)變相同的情況下,填料材料不同,應(yīng)力差別很大,因此,格賓結(jié)構(gòu)是格賓籠與填料的復(fù)合體,其抗壓強(qiáng)度取決于格賓籠和填料兩者的共同作用.另外,格賓結(jié)構(gòu)作為一種非連續(xù)材料結(jié)構(gòu),在壓縮過程中,填料不斷破碎并重新排列,使格賓結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度在受壓過程中產(chǎn)生小幅波動(dòng),僅在受荷載初期具有典型的彈性性質(zhì).

(3)格賓結(jié)構(gòu)的應(yīng)變達(dá)到20%時(shí),相同級(jí)配填料分別為石子和煤矸石的格賓結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度之比約為2.5,并且隨應(yīng)變?cè)龃?兩者的應(yīng)力差逐漸增大.填料為石子的格賓結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與顆粒級(jí)配之間的關(guān)系沒有一定規(guī)律;而填料為煤矸石的格賓結(jié)構(gòu)在應(yīng)變相同時(shí),應(yīng)力隨小粒徑煤矸石的增加而增大.

(4)填料為煤矸石的格賓結(jié)構(gòu)的承載力取決于煤矸石的抗壓強(qiáng)度,結(jié)構(gòu)失效是因?yàn)槊喉肥目箟簭?qiáng)度較小.填料為石子的格賓結(jié)構(gòu)滿足路堤承載力、采動(dòng)區(qū)對(duì)格賓結(jié)構(gòu)變形和過水?dāng)嗝娴囊笠约安蓜?dòng)區(qū)鐵路橋最終下沉7.78m的要求。

文章標(biāo)題：格賓結(jié)構(gòu)在采動(dòng)區(qū)鐵路橋路堤中的應(yīng)用研究
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