采动区铁路桥沉陷加固治理.pdf

第3 3 卷第1 期 2 0 0 4 年1 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y v 0 1 ．3 3N o ．1 J a n2 0 0 4 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 4 0 10 0 5 90 3 采动区铁路桥沉陷加固治理 于广云，夏军武，王东权 中国矿业大学建筑工程学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要根据煤矿采动区地袁沉陷变形规律，建立合理的数值计算模型，研究地下开采引起的地袁 移动变形对原设计的桥体结构和地基产生的附加内力和附加变形规律，提出了有效地加固治理 方案，确保在采动引起的地表不均匀、大幅度沉陷过程中桥体的安全可靠和正常使用． 关键词采动区；地表沉陷；专用铁路桥 中图分类号T D3 1 3 ．5文献标识码A R e i n f o r c e m e n to fR a i l w a yB r i d g eO v e rM i n i n gS u b s i d e n c eA r e a s Y U G u a n g y u n ．X I AJ u n w u ．W A N GD o n gq u a n S c h o o lo fA r c h i t e c t u r ea n dC i v i lE n g i n e e r i n g ，C U M T ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 tC h i n a A b s t r a c t A c c o r d i n gt ot h er e g u l a r i t yo ft h eg r o u n dd e f o r m a t i o n so ft h em i n i n gs u b s i d e n c ea r e a ，a r a t i o n a lc a l c u l a t i n gm o d e lo fn u m e r i e a ls i m u l a t i o nw a ss e tu p ．A d d i t i v es t r e s sa n dd e f o r m a t i o no f t h e b r i d g e s t r u c t u r ec a u s e d b yu n d e r g r o u n dm i n i n gw a ss t u d i e d ．T h eb r i d g e s t r u c t u r ea n d f o u n d a t i o ni nt h ep r o c e s ss i n k i n gw a sa l s oa n a l y z e d ．Ab r i d g er e i n f o r c e m e n tp r o j e c tw a sp r e s e n t e d ． B yi tt h eb r i d g ec a nb eu s e ds a f e l ya n dr e l i a b l yi nt h ed e f o r m a t i o no ft h ee a r t hs u r f a c eo ft h em i n i n g s u b s i d e n e e ． K e yw o r d s m i n i n gs u b N d e n e ea r e a s ；d e f o r m a t i o no ft h ee a r t hs u r f a c e ；r a i l w a yb r i d g e 某矿区1 9 9 7 年3 月投入使用的专用铁路桥， 总长7 2 ．2m ，总宽1 8 ．1m ，由1 8 个钢筋混凝土箱 形框架组成，每个框架纵向长1 2m ，框架横向宽 6 m ，框架总高8 m 或9 m ，箱型框架之间设5 0 m m 沉降缝．铁路桥位于该矿首采区，该矿于2 0 0 3 年1 月开始开采桥体正下方的煤层，煤层总厚度为 8 ．5m ，分为两层开采，第一层开采厚度为5m ，第 二层开采厚度为3 ．5m ，预计地表总下沉量为 8 ．2 4 8m ，沉路过程是不均匀的．为保证桥体在开 采下沉过程不中断铁路运输，必须研究桥体结构和 地基在采动影响下的受力和变形状态，在预测地表 变形的基础上，确定最有效的加固改造方案，为今 后类似问题的研究提供参考． 1采动引起的地表沉陷预测 根据开采引起的地表沉陷变形规律，并采用概 率积分法进行了地表变形预测，给出了工作面开采 结束后的移动变形值，并指出在工作面推进过程 中，桥梁在垂直线路方向将会出现较大的动态移动 变形值，该方向上移动变形最大值为倾斜 1 4 ．4m m ／m ，曲率0 ．1 1m m ／m 2 ，水平移动 1 1 9 7m m ，水平变形1 1 ．2m m ／m ．开采时最大下沉 速度6 9m m ／d ，两层工作面采完后，桥体最终下沉 量为8 ．2 4 8 m ，桥体沿长度方向不均匀下沉 2 0 ．4 m m ／m ． 2 原桥体结构受力和变形的数值模拟分析 2 ．1 计算模型的建立 为了对原桥体结构在采动影响下破坏情况进 行评价，同时为加固改造方案的可行性提供计算依 据，用A N S Y S 软件对原桥体进行数值分析计算． 原桥是钢筋混凝土结构，由于钢筋遍布整个桥体， 收稿日期，2 0 0 3 0 5 1 6 作者简介于广云 1 9 6 4 一 ，男．扛苏省徐州市 ，中国矿业大学副教授，工学硬士，从事环境岩土工程方面的研究 万方数据 中国矿业大学学报第3 3 卷 含钢筋的实体有限元建模工作量十分庞大．考虑到 桥体布筋的规律性，采用均匀化处理方法和数值反 演技术，对原箱型桥体按具体尺寸进行有限元建模 见图1 ，模型中桥体参数的选取见表1 ，桥下地基 建模时选取三层土层，各土层的性质及力学参数见 表2 ． 桥头路基对桥体的作用，以2 0c m 弱层让压区 加水平支承处理．箱体与箱体之间以5c m 柔性材 料夹层联接． 图1 箱型框架桥数值计算模型建模及分网图 F i g ．1 T h en u m e r i c a lm o d e la n dm e s h o ft h ef r a m es t r u c t u r e s 裘1 单元体力学参数 T a b l e1T h em a t e r i a lp a r a m e t e r so fe l m e n L s 材料或部分 混C 凝3 5 土帖翩t 泛块2 ／块6 块3 ／块5 块4 弹性模量／G P 凸3 15 3 1 0 ．o 2 0 0 ．03 3 ．5 ／3 803 4 ．O ／3 6 ．03 3 ．0 洎松比0 ．1 8B ．2 50 ．2 50 ．1 9 ／0 ．2 10 ．2 0 ／02 1019 裹2 桥下地基力学参数 T a b l e2T h es o f tp a r a m e t e r so ft h eb r i d g ef o u n d a t i o n 2 ．2 数值计算结果和分析 数值计算中桥上施加的荷载主要有列车竖向 活载、轨道静载、路基静载及新加结构自重，桥洞中 的淤积土压力忽略不计． 数值计算不仅要考虑竖向荷载作用，还要考虑 由于采动引起的地表变形，按预计的最不利情况， 选取以下工况进行计算桥整体沿长度方向不均匀 下沉2 0 ．4m m ／m ，同时沿下沉增大方向不均匀侧 移1 3 ．2 m m ／m ．图2 和图3 显示的计算结果分别 是较容易发生破坏的中排6 个箱型框架和边缘单 框在最不利工况下的应力分布特征，图2 中较大应 力出现在下沉一侧桥底板，图3 中最大应力出现在 桥顶板下翼．图中白亮处表示拉应力，最大拉应力 为5 ．8 6M P a ，深色表示压应力，最大压应力为 2 ．5 M P a ． 图2中排6 箱俸侧移下沉后的应力分布 F i g ．2 T h es t r e s sd i s t r i b u t i o no fm i d d l e6f r a m e s t r u c t u r e sa f t e rs i n k i n g 图3 最大破坏边缘桥框侧移下沉后的应力分布 F i g ．3 T h es t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h el a r g e s t f a i l u r ef r a m ea f t e rs i n k i n g 从图2 ，3 中可以看出在地表活动影响下，原 框架桥主体以受拉破坏为主，而且许多部位已超出 混凝土的抗拉强度，这些部位有的在桥顶板下表 面、桥基上表面、两端框架桥基座与中部框架桥基 座高差错位影响区及错位水平平面内．在地表不均 匀沉陷的影响下，除了在下沉较大端局部地基压力 值稍大外，其余各处均在3 1 0k P a 左右，该值超出 原地基极限承载力．根据现场实测和计算结果表 明，原设计的铁路桥必须进行结构加固和地基加 固． 3 原桥体的动载性能测试 当原桥体一端下沉量为1 ．0 6 3m ，不均匀沉降 量为4 2 3m m 时，为判断原桥体的工作状态并为设 计和加固提供依据，进行了原桥体的动载性能测 试． 根据箱形结构的特性，测点布置在具有代表性 的9 ，1 0 ，1 1 ，1 2 的箱形结构上，见图4 所示．由于结 构在行车荷载作用下应力变化较大，结构检测采用 动态电阻应变测试。选用动态应变测试分析系统． 整个系统由计算机控制，可以实现数据的自动采集 和存储． 万方数据 第1 期于广云等采动区铁路桥沉陷加固治理 图4 箱形结构分布 F i g ．4T h ep l a n ec o n f i g u r a t i o no ft h ef r a m es t r u c t u r e s 通过测试桥体在载重列车和空车荷载下的动 力响应，测得在空载列车低速通过条件下测点的最 大应力为1 ．2 3 4M P a ，结构的受迫振动频率为 0 ．1H z ；在重载列车低速通过条件下测点的最大应 力为1 ．4 8 1M P a ，结构的受迫振动频率为0 ．1 ～ 0 ．2 H z ． 原桥体采用的混凝土强度等级为C 3 5 ，列车通 过时测出的最大应力和受迫振动频率均在结构容 许承载范围内．原桥体的动载性能测试表明，尽管 受到地下开采引起的地表不均匀沉降影响，原桥体 结构受力性能基本正常． 4 桥体的加固改造方案 4 ．1 原桥体结构加固 原桥体结构加固是采用改变桥梁的结构体系 以减小梁内应力、提高承载能力的加固方法．本工 程的具体措施是在原箱形框架跨中加设钢筋混凝 土支撑墙，用来提高箱体的承载能力．钢筋混凝土 支撑墙厚度为6 0 0m m ，长度为6m ，与箱型框架等 宽． 利用A N S Y S 软件对最不利的单个箱体进行 数值模拟，分别取弹性摸量E lG P a 的相对柔性 材料与E 一3 1 ．5G P a 的混凝土材料进行试算，地 表变形按预计的最不利情况考虑桥整体沿长度方 向不均匀下沉2 0 ．4m r I l ／m ，同时沿下沉增大方向 不均匀侧移1 3 ．2m m ／m ，得到原桥体加固前后的 最大应力计算结果比较见表3 ． 裹3 原桥体加固前后的内力计算比较 T a b l e3T h ec o m p a r eo ft h ei n i t i a ls t r e s sb e t w e e n t h eo r i g i n a la n dr e i n f o r c e db r i d g eM P a 从表3 中对比可知采用柔性材料墙加固时， 框架中应力分布变化不大} 而采用钢筋混凝土墙加 固时，框架应力分布有明显变化，趋于材料的充分 利用，更加合理，同时最大应力值也比柔性加固下 降得更多． 4 ．2 原桥体地基加固 目前桥梁地基加固方案主要有钻孔灌注桩、粉 喷桩和高压旋喷桩等方案． 钻孔灌注桩和粉喷桩施工质量可靠，承载能力 大，但施工时钻孔直径大，会大范围破坏箱型框架 桥底板，影响其承载能力，且在箱型框架桥内施工 困难，故不采用． 高压旋喷桩在箱型框架桥内施工方便，底板钻 孔直径小 5 0 ～8 0m m ，对底板承载能力影响较 小，旋喷桩承载能力大，施工工艺简单．因此，决定 采用高压旋喷桩复合地基方案加固桥基．在每个箱 型框架桥下进行高压旋喷施工，使每个箱型框架桥 下的土和旋喷桩组成复合地基，保证每个箱型框架 桥都可以独立变形． 根据目前高压旋喷桩成熟的工艺，决定采用中 等直径的高压旋喷桩进行桥基加固，选第五层砂粘 土作为持力层．经理论计算和现场检测，采用高压 旋喷桩处理后，地基承载能力满足要求． 5 结语 本文在数值计算、现场测试的基础上，对采动 区铁路桥提出了一种不问断运输的改造加固措施， 并进行了工程应用．到目前为止，该桥梁实际下沉 近4m ，整体运行良好，而且整个工程均是在铁路 正常运输的情况下进行的，产生了一定的经济效益 和社会效益． 不均匀沉陷使地面桥体本身结构和桥下地基 产生较大的附加内力和附加变形；采取有效的桥体 结构加固方案，可以明显改变桥体结构的受力状 态；选择合适的地基加固方法，在不破坏原桥体底 板的前提下，可有效提高桥下地基承载能力． 参考文献 [ 1 ] 夏军武，郭广礼。王守祥，等．框架结构抗变形性能的 研究现状和展望[ J ] ．东南大学学报，2 0 0 2 ，3 2 增刊 3 4 8 3 5 1 ． [ 2 ] 乔志春．夏军武，郭广礼，等．老采空区上方大型工业 建筑抗变形措施研究[ J ] ，中国矿业大学学报，1 9 9 9 ， 2 8 6 5 9 3 5 9 6 ． 责任编辑王玉浚 万方数据