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摘要:为向矿区铁路应用提供参考,分别采用普通石子和煤矸石作为路堤填料,对格宾结构单体进行了单轴压缩试验研究,得到了其力学行为和单轴受压的应力-应变关系.试验结果表明:在不同颗粒级配情况下,格宾结构单体单轴受压的应力-应变特征和力学行为规律不明显;石子作为填料的格宾结构单体的抗压强度远远大于煤矸石作为填料的格宾结构单体的抗压强度.理论计算结果表明,石子作为填料的格宾结构的承载力完全满足路堤承载力的要求.

   目前,针对采动区铁路桥受采矿或采空区“活化”影响而引起基础下沉量较大的现象,国内外一般采用以下2种方法:(1)改线路,避开采矿塌陷区,在塌陷区以外重新征地修建新铁路.此方法需二次征地,占用耕地多,投资大,审批工作烦琐,且原有铁路废弃,不利于矿区经济的发展.(2)通过砌筑挡碴墙维持线路运营,待地表沉陷基本稳定且沉陷量满足施工新桥体所需净空后,将线路架空,然后施工新箱体.这种方法虽然能够起到抬高路面的作用,但对整个铁路桥桥面过水不利[1-3].而要既能抬高铁路,又能满足铁路桥过水要求,这在国内外都是难题.

   鉴于此,我们提出在采动区铁路桥中采用新的路堤结构———格宾结构.格宾结构作为一种柔性材料,具有柔性好、无接缝、整体结构有延展性等特点,其变形能力能够满足桥梁的不均匀沉降,因此只需对格宾结构的承载能力进行验证.目前对格宾结构单体在无侧限压缩条件下的应力-应变关系进行了一定探讨,但是对侧向约束条件下的应力-应变关系缺乏研究.本文结合格宾结构在采动区铁路桥中的受力情况,对格宾结构进行了平面应变试验研究.

1、铁路桥路堤应力计算：

　某铁路无缝线路路堤的面荷载呈矩形分布,轮载力P= 220kN,路堤横断面见图1.轮载力通常简化成假定由5根轨枕分担,分担到每根轨枕面上的支撑力P1～P5分别为:P1= 0.2P,P2= 0.1P,P3=0.4P,P4= 0.2P,P5= 0.1P.采用Ⅱ型轨枕,轨枕底宽28cm,枕长250cm,两轨枕之间的间距为37cm,设计速度220km/h.按文献[ 4-6]计算路堤最大应力.

   由于计算时只考虑最不利因素,所以不仅考虑了动应力,还考虑了由于自重引起的静应力.计算时将结构简化为5根轨枕,最大应力为P3= 0.4P作用下的动应力和静应力叠加的最大值.

1.1、静应力：

　路堤静应力σj=P3j+GA,

   式中:G为路堤重力;P3j为单轮作用静荷载时,枕面分担的最大(结构最不利)静荷载,P3j= 0.5×0.4P;A为单轮作用时路堤面荷载的作用面积,A=2a× 2b,其中2a为轨枕长度的1/2,2b为路堤面荷载作用面积的短边长度, 2b= 28cm + 37cm =65cm.

   因为静应力随深度增大逐渐增大,所以,最大静应力发生在路堤底部,由式(1)可计算出最大静应力为164.15kPa.

1.2、动应力：

   矩形分布荷载的平均动应力σd=P3dA,

    式中:P3d为单轮作用动荷载时,枕面分担的最大(结构最不利)动荷载,P3d= 0.4× 0.5P(1+ 0.3v/100),其中v为列车运行速度.

   因为动应力随深度增大而逐渐减小,所以最大动应力发生在顶面,由式(2)可计算出最大动应力为89.89kPa.

   格宾结构所受的最大应力小于最大静应力与最大动应力之和254.04kPa.格宾结构的承载能力能否满足路堤的要求,需进行试验验证.

2、格宾结构的平面应变试验：

2.1、试验加载方案及设备：

   试验采用的加载系统为中国矿业大学道桥实验室的WYQ 1000-Ⅰ地下工程综合模拟试验液压控制系统及液压千斤顶.加载设备在模型前后两边采用厚2cm的有机玻璃固定[7].模型尺寸和加载后的受力状态如图2所示.

加载设备布置情况见图3,加载采用3个100kN的手动液压千斤顶.试验过程中,加载初期试件产生的轴向变形用厘米尺量测,填料被压实后采用固定在试验系统上的百分表量测[8].

2.2、模型材料及试验方法：

　物理试验采用的格宾网由表面包一层PVC保护层的镀锌铁丝编织而成,网孔为六角形.网孔尺寸为60mm× 80mm,网丝内径为2.2mm,外径为3.2mm;框架铁丝内径为2.7mm,外径为3.7mm.

   煤矸石是采动区比较丰富的资源,因此试验选择普通石子和煤矸石作为填料,粒径为8～ 15cm.考虑到实际应用时受格宾笼尺寸和实验条件的限制,采用的模型尺寸为75cm× 50cm× 25cm.

   由于现场施工不能很好地控制填料的空隙率,所以试验不单独考虑空隙率.通过控制颗粒级配[9-10]和填料材料进行单体格宾结构平面应变试验研究.根据填料不同,将试验分为8组,石子和煤矸石各4组,编号分别为S1～S4和M 1～M 4.填料的颗粒级配曲线见图4[11],空隙率见表1.

从图4和表1可见,填料中小粒径占的比例越大,格宾结构的空隙率越小.

   试验边界条件为前后固定,左右自由,在格宾结构上部左右两侧分别测量一组数据并取其平均值,再通过换算获得试件的轴向应变.液压千斤顶的压力可通过上部的压力传感器读数,通过换算得出作用在试件上的应力,从而得到试件在整个受力过程中的轴向应力-应变曲线.由于受试验条件的限制,当轴向变形达到20%时就认为结构破坏。

2.3、试验结果分析：

   材料的应力-应变曲线可以直接反映材料在整个变形过程中的受力特点.试验通过控制力的方法对填料为石子的格宾结构的力与位移进行记录,通过控制位移的方法对填料为煤矸石的格宾结构的力与位移进行记录,将最终得到的3个压力传感器的读数相加后换算为应力值,将2个百分表读数的平均值换算为应变值,从而得到材料的应力-应变曲线.图5为相同级配的S1和M 1的应力-应变曲线;图6是填料为不同级配石子的应力-应变曲线;图7是填料为不同级配煤矸石的应力-应变曲线.

   分析图5可知,在相同颗粒级配的情况下,填料为石子的格宾结构的抗压强度远远大于填料为煤矸石的格宾结构,并且随着应变的增大,两者之间的应力差逐渐增大.可见,格宾结构的抗压强度与填料材料的抗压强度有关.

从图6可见,在填料石子为不同颗粒级配的情况下,在压缩过程中的不同阶段,格宾结构的抗压强度是不同的,而且与颗粒级配的关系没有一定的规律.但其压缩过程可以分为以下几个阶段:(1)由于填料之间存在很大的空隙,在较小的外荷作用下,格宾结构中的填料就开始压密.另外,颗粒间的接触往往是点接触,所以一般接触点的局部压力较高,容易使颗粒破碎(图5中的AB段).(2)填料受压密实后呈现弹性变形,此阶段的应力与应变呈线性关系(图5中BC段).(3)由于填料

图7　填料为不同级配煤矸石的应力-应变曲线

为非连续材料,在逐渐增大的压力作用下,填料之间的接触关系不断发生变化,一部分大直径填料受压破碎,相互挤压、镶嵌和重新排列,从而进一步压密,并随着压力的增大反复调整,故此时应力-应变曲线呈阶梯形上升状(图5中的CD段).(4)进一步增大格宾结构上部的压力,其侧向变形逐渐加大,以至于超过格宾笼铁丝的抗拉强度,铁丝断裂,此时认为构件破坏[12-15].由于受试验条件和现场应用的限制,当构件变形达到20%时,就认为结构破坏,因此所有试件都没有达到破坏阶段.

   在相同的应变条件下,从图6还可以发现:(1)在压密阶段,S2的应力值最大;(2)在弹性阶段,S2的应力值最大;(3)在阶梯形上升阶段,S4的应力值最大.

   从图7可见,不同级配煤矸石的格宾结构,并没有出现明显的4个阶段,主要是因为煤矸石的抗压强度较低.在相同应变情况下,随着小粒径煤矸石的增加,应力不断增大,并且其应力-应变曲线并没有出现明显的压密、弹性、阶梯形上升阶段.通过对试验过程的观察,煤矸石在很小的压力作用下就已经发生破坏,并且有可能被挤压出格宾笼.而此时格宾结构仍然具有一定的承载力,说明格宾结构的承载力是由填料和格宾笼两者共同作用决定的.虽然煤矸石破坏后仍然满足实际工程对抗压强度的要求,但存在两方面的问题:(1)由于变形量过大,竖向变形不能满足工程要求;(2)由于煤矸石长期暴露在空气中,很容易被风化,而风化后煤矸石的抗压强度太低,以致达不到抗压强度要求.

   从图5～ 7可以看出,格宾结构的单轴压缩应力-应变曲线为非线性,当应变达到20%时,填料为石子的格宾结构的抗压强度与相同级配填料为煤矸石的格宾结构的抗压强度之比约为2.5.由于铁路桥路堤的格宾结构承受的最大主应力小于254.04kPa,所以填料为石子的格宾结构满足路堤承载力的要求.另外,分析图6可知,S2在满足承载力要求的前提下,其较大的空隙率还满足过水的要求.因此,考虑承载力和过水断面两方面的要求,建议采动区铁路路堤采用S2格宾结构.

3、现场应用：

   焦作矿区某专用铁路桥位于井田上方,该区域煤层的开采对即将建设的铁路桥梁会造成影响,因此需要对待建铁路桥梁采取抗采动措施.

   该铁路桥全长173. 2m,预计最终下沉量7.78m.根据理论计算和试验研究结果,将采用格宾结构对其沉降进行治理.具体方案为:

(1)桥面建成标高与周围路面相同.

(2)待沉降量达到0.50m时,在桥面上两侧加填料为石子的格宾结构抬高0.50m,中间部位填充道碴,并设置拉筋.

(3)之后每下沉0.50m,就按上述方法进行抬高.

(4)当下沉量达到6.00m时,在桥面上施工新箱体.

(5)新箱体施工完成后,同样按照上述方法进行抬高,直至下沉量达到最终沉降量7.78m.

   格宾结构一方面可以抬高轨道,以抵抗路堤变形,另一方面,它具有良好的渗水性,增大了桥的过水面积,满足过水要求,能够在此工程中得到很好的应用.

4、结论：

   通过对填料分别为普通石子和煤矸石的格宾结构的实验室试验、理论计算和现场应用,可以得出以下结论:

(1)格宾结构的空隙率随小粒径填料的增加而减小.相同颗粒级配的石子和煤矸石,填料为煤矸石的格宾结构的空隙率比填料为石子的格宾结构的空隙率大20%左右.

(2)相同的格宾笼,在填料级配和应变相同的情况下,填料材料不同,应力差别很大,因此,格宾结构是格宾笼与填料的复合体,其抗压强度取决于格宾笼和填料两者的共同作用.另外,格宾结构作为一种非连续材料结构,在压缩过程中,填料不断破碎并重新排列,使格宾结构的抗压强度在受压过程中产生小幅波动,仅在受荷载初期具有典型的弹性性质.

(3)格宾结构的应变达到20%时,相同级配填料分别为石子和煤矸石的格宾结构的抗压强度之比约为2.5,并且随应变增大,两者的应力差逐渐增大.填料为石子的格宾结构的应力-应变曲线与颗粒级配之间的关系没有一定规律;而填料为煤矸石的格宾结构在应变相同时,应力随小粒径煤矸石的增加而增大.

(4)填料为煤矸石的格宾结构的承载力取决于煤矸石的抗压强度,结构失效是因为煤矸石的抗压强度较小.填料为石子的格宾结构满足路堤承载力、采动区对格宾结构变形和过水断面的要求以及采动区铁路桥最终下沉7.78m的要求。