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AG娱乐登录結構在采動區鐵路橋路堤中的應用研究

時間:2015-06-17 13:52 作者:晟江AG娱乐登录網thepeellive.com 點擊:

摘要:為向礦區鐵路應用提供參考,分別采用普通石子和煤矸石作為路堤填料,對AG娱乐登录結構單體進行了單軸壓縮試驗研究,得到了其力學行為和單軸受壓的應力-應變關系.試驗結果表明:在不同顆粒級配情況下,AG娱乐登录結構單體單軸受壓的應力-應變特征和力學行為規律不明顯;石子作為填料的AG娱乐登录結構單體的抗壓強度遠遠大于煤矸石作為填料的AG娱乐登录結構單體的抗壓強度.理論計算結果表明,石子作為填料的AG娱乐登录結構的承載力完全滿足路堤承載力的要求.

   目前,針對采動區鐵路橋受采礦或采空區“活化”影響而引起基礎下沉量較大的現象,國內外一般采用以下2種方法:(1)改線路,避開采礦塌陷區,在塌陷區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,不利于礦區經濟的發展.(2)通過砌筑擋碴墻維持線路運營,待地表沉陷基本穩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,但對整個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,這在國內外都是難題.
   鑒于此,我們提出在采動區鐵路橋中采用新的路堤結構———AG娱乐登录結構.AG娱乐登录結構作為一種柔性材料,具有柔性好、無接縫、整體結構有延展性等特點,其變形能力能夠滿足橋梁的不均勻沉降,因此只需對AG娱乐登录結構的承載能力進行驗證.目前對AG娱乐登录結構單體在無側限壓縮條件下的應力-應變關系進行了一定探討,但是對側向約束條件下的應力-應變關系缺乏研究.本文結合AG娱乐登录結構在采動區鐵路橋中的受力情況,對AG娱乐登录結構進行了平面應變試驗研究.

1、鐵路橋路堤應力計算:
 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.輪載力通常簡化成假定由5根軌枕分擔,分擔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250cm,兩軌枕之間的間距為37cm,設計速度220km/h.按文獻[ 4-6]計算路堤最大應力.
   由于計算時只考慮最不利因素,所以不僅考慮了動應力,還考慮了由于自重引起的靜應力.計算時將結構簡化為5根軌枕,最大應力為P3= 0.4P作用下的動應力和靜應力疊加的最大值.
圖1 采動區鐵路橋路堤橫斷面
圖1 采動區鐵路橋路堤橫斷面

1.1、靜應力:
 路堤靜應力σj=P3j+GA,
   式中:G為路堤重力;P3j為單輪作用靜荷載時,枕面分擔的最大(結構最不利)靜荷載,P3j= 0.5×0.4P;A為單輪作用時路堤面荷載的作用面積,A=2a× 2b,其中2a為軌枕長度的1/2,2b為路堤面荷載作用面積的短邊長度, 2b= 28cm + 37cm =65cm.
   因為靜應力隨深度增大逐漸增大,所以,最大靜應力發生在路堤底部,由式(1)可計算出最大靜應力為164.15kPa.

1.2、動應力:
   矩形分布荷載的平均動應力σd=P3dA,
    式中:P3d為單輪作用動荷載時,枕面分擔的最大(結構最不利)動荷載,P3d= 0.4× 0.5P(1+ 0.3v/100),其中v為列車運行速度.
   因為動應力隨深度增大而逐漸減小,所以最大動應力發生在頂面,由式(2)可計算出最大動應力為89.89kPa.
   AG娱乐登录結構所受的最大應力小于最大靜應力與最大動應力之和254.04kPa.AG娱乐登录結構的承載能力能否滿足路堤的要求,需進行試驗驗證.

2、AG娱乐登录結構的平面應變試驗:
2.1、試驗加載方案及設備:
   試驗采用的加載系統為中國礦業大學道橋實驗室的WYQ 1000-Ⅰ地下工程綜合模擬試驗液壓控制系統及液壓千斤頂.加載設備在模型前后兩邊采用厚2cm的有機玻璃固定[7].模型尺寸和加載后的受力狀態如圖2所示.
圖2 試驗模型(單位:cm)
圖2 試驗模型(單位:cm)
   加載設備布置情況見圖3,加載采用3個100kN的手動液壓千斤頂.試驗過程中,加載初期試件產生的軸向變形用厘米尺量測,填料被壓實后采用固定在試驗系統上的百分表量測[8].
圖3 模型加載
圖3 模型加載
2.2、模型材料及試驗方法:
 物理試驗采用的AG娱乐登录網由表面包一層PVC保護層的鍍鋅鐵絲編織而成,網孔為六角形.網孔尺寸為60mm× 80mm,網絲內徑為2.2mm,外徑為3.2mm;框架鐵絲內徑為2.7mm,外徑為3.7mm.
   煤矸石是采動區比較豐富的資源,因此試驗選擇普通石子和煤矸石作為填料,粒徑為8~ 15cm.考慮到實際應用時受AG娱乐登录籠尺寸和實驗條件的限制,采用的模型尺寸為75cm× 50cm× 25cm.
   由于現場施工不能很好地控制填料的空隙率,所以試驗不單獨考慮空隙率.通過控制顆粒級配[9-10]和填料材料進行單體AG娱乐登录結構平面應變試驗研究.根據填料不同,將試驗分為8組,石子和煤矸石各4組,編號分別為S1~S4和M 1~M 4.填料的顆粒級配曲線見圖4[11],空隙率見表1.
圖4 石子、煤矸石的顆粒級配曲線
圖4 石子、煤矸石的顆粒級配曲線
   從圖4和表1可見,填料中小粒徑占的比例越大,AG娱乐登录結構的空隙率越小.
   試驗邊界條件為前后固定,左右自由,在AG娱乐登录結構上部左右兩側分別測量一組數據并取其平均值,再通過換算獲得試件的軸向應變.液壓千斤頂的壓力可通過上部的壓力傳感器讀數,通過換算得出作用在試件上的應力,從而得到試件在整個受力過程中的軸向應力-應變曲線.由于受試驗條件的限制,當軸向變形達到20%時就認為結構破壞。
表1 填料的空隙率
2.3、試驗結果分析:
   材料的應力-應變曲線可以直接反映材料在整個變形過程中的受力特點.試驗通過控制力的方法對填料為石子的AG娱乐登录結構的力與位移進行記錄,通過控制位移的方法對填料為煤矸石的AG娱乐登录結構的力與位移進行記錄,將最終得到的3個壓力傳感器的讀數相加后換算為應力值,將2個百分表讀數的平均值換算為應變值,從而得到材料的應力-應變曲線.圖5為相同級配的S1和M 1的應力-應變曲線;圖6是填料為不同級配石子的應力-應變曲線;圖7是填料為不同級配煤矸石的應力-應變曲線.
   分析圖5可知,在相同顆粒級配的情況下,填料為石子的AG娱乐登录結構的抗壓強度遠遠大于填料為煤矸石的AG娱乐登录結構,并且隨著應變的增大,兩者之間的應力差逐漸增大.可見,AG娱乐登录結構的抗壓強度與填料材料的抗壓強度有關.
圖5 相同級配的S1和M 1的應力-應變曲線
圖5 相同級配的S1和M 1的應力-應變曲線

   從圖6可見,在填料石子為不同顆粒級配的情況下,在壓縮過程中的不同階段,AG娱乐登录結構的抗壓強度是不同的,而且與顆粒級配的關系沒有一定的規律.但其壓縮過程可以分為以下幾個階段:(1)由于填料之間存在很大的空隙,在較小的外荷作用下,AG娱乐登录結構中的填料就開始壓密.另外,顆粒間的接觸往往是點接觸,所以一般接觸點的局部壓力較高,容易使顆粒破碎(圖5中的AB段).(2)填料受壓密實后呈現彈性變形,此階段的應力與應變呈線性關系(圖5中BC段).(3)由于填料
圖6 填料為不同級配石子的應力-應變曲線
圖6 填料為不同級配石子的應力-應變曲線
圖7 填料為不同級配煤矸石的應力-應變曲線
圖7 填料為不同級配煤矸石的應力-應變曲線
為非連續材料,在逐漸增大的壓力作用下,填料之間的接觸關系不斷發生變化,一部分大直徑填料受壓破碎,相互擠壓、鑲嵌和重新排列,從而進一步壓密,并隨著壓力的增大反復調整,故此時應力-應變曲線呈階梯形上升狀(圖5中的CD段).(4)進一步增大AG娱乐登录結構上部的壓力,其側向變形逐漸加大,以至于超過AG娱乐登录籠鐵絲的抗拉強度,鐵絲斷裂,此時認為構件破壞[12-15].由于受試驗條件和現場應用的限制,當構件變形達到20%時,就認為結構破壞,因此所有試件都沒有達到破壞階段.
   在相同的應變條件下,從圖6還可以發現:(1)在壓密階段,S2的應力值最大;(2)在彈性階段,S2的應力值最大;(3)在階梯形上升階段,S4的應力值最大.
   從圖7可見,不同級配煤矸石的AG娱乐登录結構,并沒有出現明顯的4個階段,主要是因為煤矸石的抗壓強度較低.在相同應變情況下,隨著小粒徑煤矸石的增加,應力不斷增大,并且其應力-應變曲線并沒有出現明顯的壓密、彈性、階梯形上升階段.通過對試驗過程的觀察,煤矸石在很小的壓力作用下就已經發生破壞,并且有可能被擠壓出AG娱乐登录籠.而此時AG娱乐登录結構仍然具有一定的承載力,說明AG娱乐登录結構的承載力是由填料和AG娱乐登录籠兩者共同作用決定的.雖然煤矸石破壞后仍然滿足實際工程對抗壓強度的要求,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)由于煤矸石長期暴露在空氣中,很容易被風化,而風化后煤矸石的抗壓強度太低,以致達不到抗壓強度要求.
   從圖5~ 7可以看出,AG娱乐登录結構的單軸壓縮應力-應變曲線為非線性,當應變達到20%時,填料為石子的AG娱乐登录結構的抗壓強度與相同級配填料為煤矸石的AG娱乐登录結構的抗壓強度之比約為2.5.由于鐵路橋路堤的AG娱乐登录結構承受的最大主應力小于254.04kPa,所以填料為石子的AG娱乐登录結構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,考慮承載力和過水斷面兩方面的要求,建議采動區鐵路路堤采用S2AG娱乐登录結構.

3、現場應用:
   焦作礦區某專用鐵路橋位于井田上方,該區域煤層的開采對即將建設的鐵路橋梁會造成影響,因此需要對待建鐵路橋梁采取抗采動措施.
   該鐵路橋全長173. 2m,預計最終下沉量7.78m.根據理論計算和試驗研究結果,將采用AG娱乐登录結構對其沉降進行治理.具體方案為:
(1)橋面建成標高與周圍路面相同.
(2)待沉降量達到0.50m時,在橋面上兩側加填料為石子的AG娱乐登录結構抬高0.50m,中間部位填充道碴,并設置拉筋.
(3)之后每下沉0.50m,就按上述方法進行抬高.
(4)當下沉量達到6.00m時,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行抬高,直至下沉量達到最終沉降量7.78m.
   AG娱乐登录結構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用.

4、結論:
   通過對填料分別為普通石子和煤矸石的AG娱乐登录結構的實驗室試驗、理論計算和現場應用,可以得出以下結論:
(1)AG娱乐登录結構的空隙率隨小粒徑填料的增加而減小.相同顆粒級配的石子和煤矸石,填料為煤矸石的AG娱乐登录結構的空隙率比填料為石子的AG娱乐登录結構的空隙率大20%左右.
(2)相同的AG娱乐登录籠,在填料級配和應變相同的情況下,填料材料不同,應力差別很大,因此,AG娱乐登录結構是AG娱乐登录籠與填料的復合體,其抗壓強度取決于AG娱乐登录籠和填料兩者的共同作用.另外,AG娱乐登录結構作為一種非連續材料結構,在壓縮過程中,填料不斷破碎并重新排列,使AG娱乐登录結構的抗壓強度在受壓過程中產生小幅波動,僅在受荷載初期具有典型的彈性性質.
(3)AG娱乐登录結構的應變達到20%時,相同級配填料分別為石子和煤矸石的AG娱乐登录結構的抗壓強度之比約為2.5,并且隨應變增大,兩者的應力差逐漸增大.填料為石子的AG娱乐登录結構的應力-應變曲線與顆粒級配之間的關系沒有一定規律;而填料為煤矸石的AG娱乐登录結構在應變相同時,應力隨小粒徑煤矸石的增加而增大.
(4)填料為煤矸石的AG娱乐登录結構的承載力取決于煤矸石的抗壓強度,結構失效是因為煤矸石的抗壓強度較小.填料為石子的AG娱乐登录結構滿足路堤承載力、采動區對AG娱乐登录結構變形和過水斷面的要求以及采動區鐵路橋最終下沉7.78m的要求
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