U型结构在铁路路堤地段的应用研究

吴剑锋，李季宏

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

1 概述

U型结构作为一种轻型支挡结构，由于其刚度大、变形小、稳定性好、收坡防水支挡效果明显，在许多铁路工程建设中，特别是在地下水丰富、水位较高、放坡受到限制的挖方路基地段，愈来愈显示其独特的适应性。丁兆锋[1]对U型槽设计中的理论计算及结构施工图等关键技术问题进行了探讨，孙爱斌[2]根据天津某公铁立交工程中道路以下钻方式通过地下水路堑的特点，对封闭式路堑U型槽结构的设计与计算进行研究。

但当前的理论研究及应用主要集中在挖方路基U型槽这一部分，对路堤地段U型结构这一部分的研究及应用还很少，结合某铁路工程的工程实践，对路堤地段U型结构的设计及应用进行了研究。

2 U型结构形式

U型结构主要由钢筋混凝土边墙与底板组成，结构内填筑路基填料，边墙内侧面设置一层砂夹卵石反滤层，基床表层上部铺设不透水土工布防止雨水下渗，雨水流入渗水暗沟，并通过PVC排水管将暗沟水引到槽外，并在边墙与底板上按一定距离设置泄水孔排水；暗沟上设电缆槽，墙顶设置栏杆。U型结构半断面构造示意如图1所示。

图1 U型结构半断面构造示意

3 结构设计

3.1 计算模型

U型结构受力主要包括：结构自重、列车活载、边墙土压力、水平地震力、地基反力。列车活载按换算土柱计算。

按照U型结构的受力特点，可取线路方向一延米按弹性理论进行简化计算，简化计算模型如图2所示。U型结构边墙按悬臂构件计算，底板按照弹性地基梁考虑。弹性地基梁采用Winkler模型计算

Pi=K0Si(1)

式中Pi——地基任一点所受的压力强度，kN/m2；

K0——基础系数，kN/m3；

Si——地基任一点的沉降值，m。

图2 U型结构计算模型示意

3.2 土压力计算

刚性墙体的位移模式包括平移(T)、绕墙底转动(RB)及绕墙顶转动(RT)等3种基本位移模式。U型结构边墙作为悬臂构件，在土压力作用下，将绕墙底向外转动，故属于RB位移模式。RB位移模式下，随着转角增大，墙后土体塑性区呈条带状逐渐向下发展，达到极限主动状态时，形成的滑动破裂面与库仑滑动面一致，滑动面内土体均处于塑性状态，墙高内各点土体从上到下依次达到主动状态[3]。Sherif[4]等通过模型试验认为墙高内各点土体达到主动状态所需的水平位移Sc为定值，约为0.000 3H～0.000 5H(H为墙高)。U型结构为钢筋混凝土构件，刚度大，墙体位移一般小于Sc，计算时参照《铁路路基支挡结构设计规范》相关规定，按主动土压力考虑，同时附加安全系数1.1～1.3。

U型结构抗震设计需考虑地震土压力。目前，实际工程中应用最广泛的方法是基于极限平衡理论的Mononobe-Okabe理论。Mononobe-Okabe理论是在库仑土压力的基础上，考虑地震惯性力后建立的地震土压力合力计算公式。假设作用于墙背上的地震土压力是由墙后填土在极限平衡状态下出现的滑动楔体产生，该滑动楔体为刚体，在地震作用下具有相同的加速度。由作用于该滑动楔体上力的平衡条件，可得到作用于墙背上的地震土压力合力PAE

(2)

KAE=

式中KAE——地基主动土压力系数；

φ——墙后土体内摩擦角，(°)；

δ——墙后土体与墙背之间的摩擦角，(°)；

ψ——地震角，(°)；

kh——水平地震加速度与重力加速度的比值；

kv——竖向地震加速度与重力加速度的比值。

3.3 结构内力

根据结构力学计算方法，可得U型结构的弯矩图，如图3所示。由图3可知，边墙内侧受拉，墙悬臂段底部B节点弯矩最大，弯矩值随着墙高增加而增大；底板除边墙位置处承受正弯矩外，其余部分均为负弯矩，且负弯矩值远远大于正弯矩值，底板弯矩值随着墙高的增加与地基系数的降低而增大。A节点为墙截面尺寸变化点，墙截面尺寸小，故A、B节点处为墙截面控制截面，且易出现应力集中现象，是U型结构设计的重点，应采取加密箍筋等构造措施。底板的控制截面为跨中C处与底板固结段根部D处，此两处的负弯矩最大。

图3 U型结构弯矩示意

4 计算实例

某双线铁路，标准线间距4 m，设计速度160 km/h，地震峰值加速度0.4g。线路位于平原区，均为填方段落，由于征地条件限制，拟采用钢筋混凝土U型结构收坡，本工程双线地段主体结构用地仅为9 m，收坡效果明显。现以该铁路DK140+050～DK140+250段落为工程实例，进行计算分析。该段落墙高7 m，地层如下：杂填土，黄褐色、稍密、潮湿、厚0.0～1.5 m；黏土，灰褐色，软塑～硬塑，厚2.2～3.2 m；淤泥，灰褐色，流塑，厚4.6～6.1 m；粉砂，褐灰色，中密，饱和。

经计算，最不利荷载组合下，边墙B点弯矩值MB=799 kN·m，边墙根部D处D点弯矩值MD=816 kN·m。底板横向宽度范围内弯矩值如图4所示。

图4 底板弯矩示意

U型结构边墙和底板按照受弯构件单筋梁[6]计算，强度计算公式为

(5)

主筋截面面积计算公式为

As=α1fcbx/fy(6)

式中α1——系数，混凝土强度等级不超过C50时，取1.0；

fc——混凝土轴心抗压强度设计值，N/mm2；

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b——矩形截面宽度，m；

x——混凝土受压区高度，m；

h0——截面有效高度，m；

fy——钢筋抗拉强度设计值，N/mm2。

裂缝控制验算公式为

(7)

式中αcr——构件受力特征系数；

ψ——裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数；

σsk——按荷载效应的标准组合计算的钢混构件纵向受拉钢筋的应力，N/mm2；

Es——钢筋弹性模量，N/mm2；

c——最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离，mm；

deq——受拉区纵向钢筋的等效直径，mm；

ρte——按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率。

经分析计算，边墙所需的主筋面积为3 848 mm2，选用6φ20+4φ25，配置在墙内侧；底板所需的主筋面积为4 378 mm2，选用3φ20+7φ25，配置在板上缘。箍筋与构造筋均按构造规定选用。

5 结论及建议

(1)U型结构在路堤地段具有良好的收坡效果，节省用地。

(2)U型结构计算时应考虑结构自重、列车活载、边墙土压力、水平地震力等荷载，考虑多种荷载的组合情况，按最不利荷载组合设计。

(3)土压力计算可采用各种边界条件下的库仑主动土压力进行计算，并考虑地震作用对土压力的影响。

(4)U型结构设计可按单筋受弯构件计算，边墙控制截面位于边墙截面变化处与边墙悬臂段根部；底板控制截面位于跨中截面与底板固结段根部处，且底板弯矩值随着墙高的增加与地基系数的降低而增大。

(5)本文仅对路堤地段U型结构结构设计方面进行了阐述，未涉及到地基处理、排水设计、与接触网支柱接口等系统设计，应作进一步研究。

[1] 丁兆锋，吴沛沛.U型槽结构设计与分析[J].铁道工程学报，2009，127(4)：13-16.

[2] 孙爱斌，吴连海.天津某封闭式路堑U型槽结构的设计与计算[J].铁道工程学报，2006，97(7)：49-53．

[3] 龚慈.不同位移模式下刚性挡土墙土压力计算方法研究[D].杭州：浙江大学，2005：31-34．

[4] Sherif M A， Fang Y S， Sherif R I.KAandK0behind rotating and non-yielding walls[J]. Journal of Geotechnical Engineering， 1984，110 (1)：41-56．

[5] 李毓林.铁路路基手册[M].北京：中国铁道出版社，1992：346-351.

[6] 舒士霖.钢筋混凝土结构[M].杭州：浙江大学出版社，2002：89-90．