一种快速装配的箱涵式路基结构的制作方法

2021-01-18 15:01:56|

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本实用新型涉及路基结构技术领域，具体涉及一种快速装配的箱涵式路基结构。

背景技术：

目前，普通的梯形路基形式仍是除了桥隧路段以外常用的路基结构，普通梯形路基在完整的施工作业后投入使用，其承载力和使用功能是符合要求的，但是，由于路堤两侧坡面临空，路堤填料的应力状态和位移都会随着频繁的上覆轨道荷载和列车荷载发生变化，如水平向应力消散，两侧路堤边坡产生背离坡面的侧向位移等，进而不可避免的发生工后沉降问题。水平向应力的消散，势必会间接造成竖向应力的削弱，使得路堤承载力下降，继而在路堤顶面发生沉降；而路堤坡面的侧向位移使得路堤中部填料的孔隙率变大，导致填料模量减小，造成路堤顶面发生沉降。在线路运营初期一定时间内，以上两个沉降量的发生均会随着时间而愈发明显，直至最终趋于稳定，但是这些沉降量往往会对铁路的运营产生不容小觑的不利影响，造成线路不平顺，降低旅客舒适度，甚至发生脱轨等影响列车运行安全的重大问题。因此，解决好普通梯形路堤水平向应力消散和路堤坡面的侧向位移问题成为确保路基长期稳定、安全运营的关键。

有观点认为，路基病害多发，与路基顶部土体围压不足和边坡无侧向约束关系密切，并提出一种既能增加围压又能强制约束边坡的预应力路基结构。该结构通过在路堤内水平铺设拉筋，并将拉筋锚固在路堤两侧边坡设置的侧压力板上，填筑完成后施加预应力，使路基填土的水平围压增大，改善路基土的应力状态、有效提高路基抗剪和抗变形能力；由于受到预应力钢筋的对拉作用，侧压力板能对路基边坡形成强制约束，提高了路基边坡的稳定性；侧压力板、预应力钢筋与路基填土形成共同工作的整体结构，抗动力作用的性能和抗震性也得到一定的提高。但是该结构施工工艺较复杂，预应力后期会有衰减的可能，力学稳定性得不到保障，并且没能有效解决路堤自重大和放坡带来的占地面积大等问题。还有观点提出一种新型支档结构物，该结构由同层高的两侧面板用拉筋相互连接，并在两侧面板间分层填土而成，与前一种提出的结构相比，侧压力板是垂直于地面的，加筋材料做了一定的防腐处理，但未加预应力，所以建议将该结构应用于边坡受限地段的铁路和公路等。这种结构形式的路基虽然解决了放坡问题，但是对拉钢筋处于土石混合料、水等较复杂的环境中，因此，如何保证两侧面板的稳定性和能否处理好拉钢筋的锈蚀是这种结构路基能否长期服役的关键。还有另外一观点是基于高铁路基工后沉降变形控制标准高，常规路基占用耕地多，基底面积大，地基处理费用较高的情况，提出一种托盘式u型的路基结构，以达到有效控制深厚压缩层地基路基变形，减少路基处理费用和路基工程占地量的目的。然而这种结构形式在路基太高的地段，其两侧翼板势必很高，产生结构底部弯矩过大或其它结构性病害，虽然减少了占地面积，但仍然没有可观的减少路基体的自重，在软弱地段，会给地基处理带来严峻问题。因此，急需一种更有效的减少路堤体自重和路基工程的占地面积，同时增加路堤围压，限制路堤边坡侧向位移，且能有效控制路基顶面沉降的本实用新型的路基结构，将会对高速铁路的发展产生积极的影响和推动作用。

技术实现要素：

本实用新型针对上述问题，提供一种快速装配的箱涵式路基结构，包括预制盖板、u型槽、填料、第一空心框层、第二空心框层、底座和地基；所述地基上方设有底座，所述底座上方设有第二空心框层，所述第二空心框层上方设有第一空心框层，所述第一空心框层上方设有u型槽，所述u型槽内设有相配合的预制盖板，所述u型槽与预制盖板之间设有填料。

进一步地，所述第二空心框层包括三个水平设置的空心框，三个空心框依次首尾相接，所述第一空心框层包括两个水平设置的空心框，两个空心框首尾相接。

更进一步地，所述第一空心框层和第二空心框层之间通过纵向螺栓连接，纵向螺栓连分别贯穿过空心框顶板和底板几何中心，连接两个纵向排列的空心框；

所述第一空心框层和第二空心框层内依次首尾相接水平设置的空心框之间通过横向螺栓连接，横向螺栓贯穿相邻两个空心框接触侧壁高度的中间位置连接。

更进一步地，所述u型槽、第一空心框层和第二空心框层内的空心框在线路方向上长度均为2m至2.5m，且构件中板与板的交接处内侧均为倒圆角，倒角半径为0.2m至0.3m。

更进一步地，所述预制盖板上铺设轨道板，所述预制盖板和轨道板之间通过自密实混凝土固定连接。

本实用新型的优点：

本实用新型提供了一种快速装配的箱涵式路基结构，其路基结构简单，构件的主要材料为钢筋混凝土，取材方便，成本较低，可先前在工厂预制，由于单元管节几何尺寸不大，易于量化生产，搬运轻便，运输至施工现场时可以快速拼装，省去了许多路堤填筑环节，在后期产生路堤病害需维护时，易于更换和移动，具有较好的应用推广前景；

路基结构是由空心的钢筋混凝土框架拼装而成的装配式结构，相比较于普通梯形路基结构，自身强度较高，且大幅度减少了路堤自重，对地基承载力条件要求更低，相应的减少了地基处理的设计、施工等费用；框架结构的使用避免了路堤放坡，从一定程度上解决了路基占地面积过大问题；u型槽的侧壁限制了路堤填料的侧向位移，有效防止了路堤水平应力的消散，同时内置的活塞式粗颗粒填料，极大程度地消散了列车经过时产生的动应力，有效降低了对路基结构的不利影响。

路基结构承载性能好、受力明确、可保证路堤在服役期间都持有良好应力状态，一定程度上减少了路堤顶面的沉降量，同时各连接构件安全可靠，长期稳定性好，适用于复杂艰险地区的路基修筑。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本实用新型还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本实用新型作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1是本实用新型的整体结构示意图；

图2是本实用新型的预制盖板上方细部结构示意图；

图3是本实用新型的空心框连接构造几何模型三视图；

图4是本实用新型的u型槽配筋正视图；

图5是本实用新型的空心框配筋正视图；

图6是本实用新型的路基与普通路基力学计算模型示意图；

图7是本实用新型的路基与普通路基沉降量结果对比图。

附图标记：

1-预制盖板、2-u型槽、3-填料、4-第一空心框层、5-第二空心框层、6-底座、7-地基、8-自密实混凝土、9-轨道板、10-横向螺栓、11-纵向螺栓。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

参考图1至图7，一种快速装配的箱涵式路基结构，包括预制盖板1、u型槽2、填料3、第一空心框层4、第二空心框层5、底座6和地基7；地基7上方设有底座6，底座6上方设有第二空心框层5，第二空心框层5上方设有第一空心框层4，第一空心框层4上方设有u型槽2，u型槽2内设有相配合的预制盖板1，u型槽2与预制盖板1之间设有填料3。

第二空心框层5包括三个水平设置的空心框，三个空心框依次首尾相接，第一空心框层4包括两个水平设置的空心框，两个空心框依次首尾相接。

预制盖板1、u型槽2、第一空心框层4和第二空心框层5内的空心框、底座6均采用c45混凝土，弹性模量为3.35gpa，重度为ρ1g=25kn/m3，配筋率为0.2，全部选用直径18mm的热轧带肋钢筋hrb400。

预制盖板1长6.45m（与crtsiii型板长度一致），宽度为2.5m，厚度为20cm。

u型槽2侧壁厚为0.25m，高度为1.5m，宽度为3.5m；

填料3粒径为5cm至10cm，填筑厚度为1.05m，宽度为2.5m，重度为ρ2g=19kn/m³。

第一空心框层4和第二空心框层5的空心框均壁厚为0.25m，高度为1.5m，宽度为3m；

底座6壁厚为0.25m，侧壁高0.5m，线路方向长度为6.45m，宽度视上部叠放的空心框数量而定；

u型槽2、第一空心框层4和第二空心框层5内的空心框在线路方向上长度均为2.15m，且构件中板与板的交接处内侧均为倒圆角，倒角半径为0.25m。

第一空心框层4和第二空心框层5之间通过12.9级m45的纵向螺栓11连接，纵向螺栓11的长度为4.34m，纵向螺栓11分别贯穿过空心框顶板和底板几何中心，连接两个纵向排列的空心框；第一空心框层4和第二空心框层5内首尾相接的空心框之间通过12.9级m45的横向螺栓10连接，横向螺栓10长0.54m，距离管节单元的端面为70cm，横向螺栓10贯穿相邻两个空心框接触侧壁高度的中间位置连接；需在螺栓两端连接边长为25cm，厚度为2cm的的正方形钢板垫块，以防止螺母与混凝土直接接触造成应力集中，使得混凝土压碎导致破坏失效，异层连接时均采用横向螺栓10。

预制盖板1上铺设轨道板9，预制盖板1和轨道板9之间通过自密实混凝土8固定连接。

本实用新型的工作方法：

碾压处理路基规划范围内的天然地表，形成所需要的地基7，同时在预制场按照技术标准规范的设计要求，预制路基结构构件，然后运输至施工现场准备装配，在处理好的地基表层支模浇筑混凝土底座6，并做好养护工作；在底座6上自下往上依次堆叠并连接第二空心框层5、第一空心框层4，在第一空心框层4上部安装u型槽2，待安装好一定线路长度的路堤结构后，在u型槽2内进行分层填筑填料3并夯实，直至填料设计标高处，在填料3上安置预制盖板1，除此之外，自下往上依次安装自密实混凝土8、轨道板9、轨道以及其他路面附属设施；

预制盖板1上铺设轨道板9，预制盖板1和轨道板9之间通过自密实混凝土8固定连接，同时预制盖板1和轨道板9均要预留钢筋进行连接。

确定本实用新型的路基的结构形式并拟定尺寸后，按照承载能力极限状态对本实用新型的路基结构进行正截面受弯承载力计算、正截面受压承载力计算和正截面受拉承载力计算，然后求出各部件内部弯矩、剪力和轴力的最大值如表1所示，按照最不利荷载的工况，对装配箱涵式路基沿线路方向2.15m（每个管节在线路方向的长度）长度上的结构进行配筋设计。

表1装配箱涵式路基内力计算结果最值（kn、kn·m）

（1）u型槽配筋

u型槽2配筋，底板的外层和内层纵向均配置1018，横向外层916，内层816；而侧壁的外层和内层纵向均配置1018，横向外层616，内层516。

（2）空心框配筋

空心框配筋，顶板和底板的外层和内层纵向均配置1018，横向外层916，内层816；而侧壁的外层和内层纵向均配置1018，横向外层616，内层516。

为了对具有侧向约束的本实用新型的路基结构和普通路基的沉降量进行对比分析，建立与普通路基结构几何参数与材料参数相同的力学计算模型，如附图6所示，两种路基模型的几何尺寸及荷载参数如表2所示：

表2两种路基模型的几何尺寸及荷载参数表

附图6中的荷载q按照铁路规定中高速铁路有砟轨道沿线路单位长度上等效的列车（zk普通，36.8kn/m²）荷载+轨道均布（17.3kn/m²）荷载确定，即q=（36.8+17.3）kn/m²=54.1kn/m²，然后按弹性理论平面问题的应力函数法和应力变分法，求解了普通梯形路基与具有侧向约束的本实用新型的路基结构内部的应力、应变和位移解析解，并对两种路基路肩处沿深度方向的侧向位移和路面沉降量做了对比分析，结果表明，具有侧向约束的本实用新型的路基结构相对于尺寸相当的梯形路基，侧向位移可减少70%，控制效果非常明显，而且路面沉降量均匀且数值不大，保持有良好的应力状态。

通过对两种路基结构做结构应力应变和沉降量的数值模拟，在考虑同等地基条件和荷载条件的基础上来分析比对本实用新型的路基结构与普通梯形路基的的沉降差异和承载特性。

将选取3m（2层）和4.5m（3层）高的本实用新型的路基和尺寸与之对应的普通梯形路基进行abaqus三维实体建模，然后进行有限元计算，从各构件的应力应变云图，可获取每种部件的应力最大值，见表3；

表3各部件应力应变最大值

从表3可已看出，本实用新型的路基结构的最大内力仅为4.568mpa，相比于有限元模型中所采用的c45混凝土轴心抗压强度29.6mpa还很小，远远在安全范围内；最大应变为0.0001181，而c45混凝土的峰值应变为0.0025，结构最大应变还不及混凝土峰值应变的10%。因此该结构的最大应力和最爱应变均在正常范围内，具有可靠的安全性和有效的适用性。

从竖向位移云图中，将有限元模型计算结果提取出来如附图7所示，可以看到：3m高普通路基的路面沉降为48.71mm，3m高本实用新型的路基的路面沉降为37.58mm，本实用新型的路基相比于普通路基，沉降量减少了21.74%；4.5m高普通路基的路面沉降为60.75mm，4.5m本实用新型的路基的路面沉降为39.14mm，可以看出在路基高度同为4.5m的情况下，本实用新型的路基相比于普通路基，沉降量减少了35.57%。

由于本实用新型的路基结构属于装配式结构，因此其受力的整体性能还须考察每个装配构件之间的连接构造是否满足路基结构的设计要求。承受u型槽结构的下部两个空心框在垂直于线路方向上并排放置并连接，而沿线路方向又是空心框单元之间相连接，因此连接分析中，空心框在垂直线路与平行于线路方向上的连接是主要分析研究的对象。如附图3所示，为了在考虑本实用新型的路基整体受荷作用下，连接构造处空心框的接触应力及拉杆的应力的分析，此处所模拟的连接构造取沿线路方向，左右前后各两个一共4个空心框，并用8根螺栓相连成的一个整体为研究对象。进行应力应变结果分析，有限元模型的mises应力和应变的最大值见表4，接触应力的最大值见表5。

表4mises应力和应变的最大值

表5接触应力的最大值

从表中可看出，整个本实用新型的路基结构有限元模型中的最大内力仅为3mpa，位置在路基结构纵向接触管节端面顶板上沿靠右侧，相比于有限元模型中所采用的c45混凝土轴心抗压强度29.6mpa的1/10，结构的内力在混凝土应力应变曲线的弹性范围的最初阶段，应力状态良好；最大应变为0.00006，位置在顶板下边缘靠右方，仅达到c45混凝土的峰值应变为0.0025的2.4%，所以数值模拟结果中混凝土的应力应变状态都是偏安全的；而螺栓的最大应力产生于横向螺栓与垫板相接断面的上下两个顶点，其大小为2.978mpa，相比于12.9级螺栓抗拉强度1200mpa来说还很小，其最大应变为0.0000055。因为混凝土和螺栓应力应变的最大值都在正常使用极限状态之内，所以该结构的连接是具有可靠的安全性和有效的适用性。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

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