蓋板涵、拱涵的整體式基礎(chǔ)設(shè)計計算

元信文

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司,天津 300142)

1 用整體基礎(chǔ)式蓋板涵替代鋼筋混凝土箱涵

在公路、鐵路涵洞設(shè)計中,經(jīng)常會遇到涵洞地基承載力較小的情況,比如軟塑黏土、淤泥土、新黃土等情況,這些地基土的基本承載力一般不大于140 kPa,設(shè)計方案為進行基礎(chǔ)換填或者做復(fù)合地基,涵洞基礎(chǔ)做整體基礎(chǔ)。按照傳統(tǒng)的設(shè)計方案,鐵路設(shè)計一般首選做鋼筋混凝土箱涵,但是箱涵施工復(fù)雜、工期較長,而且造價遠高于蓋板涵。

這種情況下可以考慮做整體基礎(chǔ)式蓋板涵,因為整體基礎(chǔ)式蓋板涵的設(shè)計基底應(yīng)力與箱涵相比,增加不多,低填土?xí)r一般不超過140 kPa,可以用于一般地基以及經(jīng)處理后的軟弱地基。在低填土情況下,整體基礎(chǔ)式蓋板涵可以在很多工程場合替代孔徑4～6 m以下的鋼筋混凝土箱涵。對于大孔徑立交涵,當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較差時,仍然以箱涵方案為首選。

另外,鋼筋混凝土箱涵當(dāng)涵頂填土大于2 m以后,配筋量急劇上升,已經(jīng)不能滿足經(jīng)濟性要求,此時采用整體基礎(chǔ)式蓋板涵則是較好的替代方案。采用整體基礎(chǔ)式蓋板涵后,涵頂最大填土高度可以做到18 m左右；不過,當(dāng)涵頂填土超過12 m以后,采用整體基礎(chǔ)式拱涵更為經(jīng)濟適用。

2 蓋板涵和拱涵的整體式基礎(chǔ)的形式選擇

涵洞整體式基礎(chǔ)一般有兩種形式,即素混凝土基礎(chǔ)和鋼筋混凝土基礎(chǔ)。整體式基礎(chǔ)一般采用素混凝土比較好,因為素混凝土基礎(chǔ)和鋼筋混凝土基礎(chǔ)相比有兩大優(yōu)勢。首先素混凝土基礎(chǔ)為無裂縫構(gòu)件,耐久性更好；而且素混凝土基礎(chǔ)施工時不用綁扎鋼筋、施工快捷、較為經(jīng)濟。如果遇到地基為基巖、開挖困難,同時涵頂填土較高、有必要做整體式基礎(chǔ)的情況,這時做鋼筋混凝土整體基礎(chǔ)比較合理。對于水流流速急、沖刷較大的涵洞,涵洞流水面宜增加漿砌片石鋪砌層。

此外,涵洞整體式基礎(chǔ)過去也曾經(jīng)采用漿砌片石材料,但是漿砌片石基礎(chǔ)質(zhì)量不好控制,基礎(chǔ)厚度偏大,造價也不經(jīng)濟,因此現(xiàn)在已經(jīng)很少采用。

3 涵洞整體式基礎(chǔ)的設(shè)計計算方法

整體式基礎(chǔ)厚度的確定及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的驗算，目前設(shè)計中一般根據(jù)經(jīng)驗來確定,缺少可以直接指導(dǎo)設(shè)計的較為明確的計算方法,以致經(jīng)常出現(xiàn)以下情況：(1)設(shè)計的素混凝土基礎(chǔ)厚度偏薄、強度不夠,導(dǎo)致較高填土涵洞的涵頂填土完成施工后,涵洞基礎(chǔ)開裂破壞；(2)設(shè)計的鋼筋混凝土基礎(chǔ)厚度偏薄,同時受力鋼筋配筋面積太小，導(dǎo)致基礎(chǔ)開裂破壞；(3)設(shè)計的鋼筋混凝土基礎(chǔ)缺少計算依據(jù),憑經(jīng)驗估計,基礎(chǔ)配筋偏于保守；(4)設(shè)計者避開整體式基礎(chǔ)計算問題,改用鋼筋混凝土箱涵,大大抬高了工程造價。

除以上4種情況以外,還有一種設(shè)計思路,就是簡單按照混凝土剛性角來確定素混凝土整體式基礎(chǔ)厚度,不考慮基礎(chǔ)混凝土強度等級對于基礎(chǔ)厚度的影響。其結(jié)果是,涵頂填土不太高時,整體式基礎(chǔ)厚度過大、基坑挖方量偏多,造成混凝土材料浪費,影響到整體式基礎(chǔ)的適用范圍；而對于高填土涵洞,設(shè)計的基礎(chǔ)厚度卻往往不能滿足強度要求,設(shè)計存在安全隱患。上述混凝土剛性角方法只能用來確定明挖基礎(chǔ)的襟邊寬度,不適用于確定整體式基礎(chǔ)的厚度。

針對以上情況,本文特提出以下較為明確的符合規(guī)范要求的設(shè)計計算方法,以方便設(shè)計。

3.1 整體式基礎(chǔ)所受荷載計算

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D62—2004)(以下簡稱《橋規(guī)》)第4.1.2-1～3條。可以把整體基礎(chǔ)的涵洞看做翻轉(zhuǎn)過來的橋面板,作用荷載為地基土壓力,如圖1所示。

圖1 涵洞整體基礎(chǔ)與橋面板受力模式比較

為簡化計算、便于設(shè)計,可將地基土壓力簡化為均布荷載,均布荷載

q=p×b

式中p——基底設(shè)計壓應(yīng)力；

b——涵節(jié)基礎(chǔ)分段長,計算時長度可取1 m。

基礎(chǔ)頂面跨中負彎矩：參照《橋規(guī)》(JTG D62—2004)第4.1.2-1～3條,偏安全取M=0.7M0，M0為與計算跨徑相同的簡支板跨中彎矩。M0=ql2/8,l為計算跨徑,考慮到涵洞的涵臺、基礎(chǔ)一般較厚,l可取涵洞凈跨徑l0和涵臺厚度之和，同時不大于l0+1.0 m,設(shè)計者也可根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性合理確定計算跨徑l值。

3.2 整體式基礎(chǔ)抗彎設(shè)計

3.2.1 按照承載能力極限狀態(tài)進行抗彎設(shè)計

素混凝土基礎(chǔ)由于截面沒有配筋,正截面承載能力極限狀態(tài)抗彎設(shè)計可按照《公路圬工橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D61—2005)第4.0.12條進行

式中Md——彎矩設(shè)計值；

ftmd——混凝土邊緣的彎曲抗拉強度設(shè)計值,可按照《公路圬工橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D61—2005)表3.3.2采用；

以上公式也適用于漿砌片石整體式基礎(chǔ)的計算。

如果涵洞采用鋼筋混凝土基礎(chǔ),則一般可以根據(jù)裂縫寬度來控制設(shè)計,公式見《橋規(guī)》(JTG D62—2004)第6.4.3-1、6.4.3-2條。

3.2.2 按照正常使用極限狀態(tài)進行抗彎設(shè)計

由于素混凝土基礎(chǔ)為不開裂構(gòu)件,所以按照正常使用極限狀態(tài)進行抗彎設(shè)計更為簡明,公式如下

MS≤[f]W

式中MS——正常使用狀態(tài)短期荷載組合彎矩設(shè)計值；

[f]——素混凝土正常使用狀態(tài)強度設(shè)計值,[f]的取值可按照混凝土強度標準值ftK除以安全系數(shù)K來確定?！稑蛞?guī)》第6.3.1-8條A類預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆構(gòu)件對主拉應(yīng)力的控制公式為：σSt≤0.5ftK,相當(dāng)于安全系數(shù)K=2.0；考慮到素混凝土基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)特點,經(jīng)比較新老版本鐵路橋涵規(guī)范對容許應(yīng)力法材料安全系數(shù)K的取值情況,以及老版公路橋涵規(guī)范對材料安全系數(shù)的取值,筆者認為可取[f]=0.5ftK。

3.3 整體式基礎(chǔ)抗剪設(shè)計

(1)直接剪切計算

《公路圬工橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D61—2005)第4.0.13條公式為

該公式適用于直接受剪構(gòu)件,可作為涵洞基礎(chǔ)與涵臺相鄰截面的抗剪計算。

(2)彎剪計算

《公路圬工橋涵設(shè)計規(guī)范》沒有給出彎剪破壞計算公式,但工程實際中,高填土涵洞基礎(chǔ)會由于抗剪能力不足而出現(xiàn)彎剪破壞?？砂凑铡稑蛞?guī)》(JTG D62—2004)第5.2.10條進行：γ0Vd≤0.5×10-3ftdα2bh,滿足此條要求即可認為抗彎剪能力安全。

整體式涵洞基礎(chǔ)彎剪破壞,基礎(chǔ)驗算截面可取距離涵臺邊緣為h/2處(h為基礎(chǔ)厚度),計算剪力時,剪力計算寬度取涵洞凈孔徑即可。

根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗,對于低填土涵洞,可不進行抗剪驗算。高填土涵洞基礎(chǔ)設(shè)計可根據(jù)需要進行抗剪驗算,當(dāng)素混凝土基礎(chǔ)厚度滿足抗彎計算時,一般也同時滿足抗剪要求。

(3)對于鋼筋混凝土基礎(chǔ)可按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D62—2004)進行抗剪計算。

3.4 算例

某公路工程1-4.0 m蓋板涵,涵頂填土高度為1.44 m,涵洞基底設(shè)計應(yīng)力為120 kPa,基礎(chǔ)采用整體式素混凝土基礎(chǔ),涵身截面形式如圖2所示,檢算基礎(chǔ)能否滿足抗彎、抗剪要求。

圖2 蓋板涵涵身橫斷面(單位：cm)

涵身、基礎(chǔ)材料混凝土強度等級為C30,γ0=0.9,計算跨徑l0=4+0.5×2=5.0 m,取涵節(jié)計算長度為1.0 m。

(1)荷載計算

地基反力均布荷載q=120×1.0=120 kN/m,基礎(chǔ)自重荷載g=25×1.2×1=30 kN/m

(2)按照承載能力極限狀態(tài)進行抗彎計算

為簡化計算,綜合考慮恒載和汽車荷載所引起的地基土應(yīng)力比例,偏安全取統(tǒng)一的荷載效應(yīng)分項系數(shù)1.3。

γ0Md=0.9×1.3×196.9=230.3kN·m

基礎(chǔ)C30混凝土ftmd=1.04MPa

基礎(chǔ)能夠承受的最大彎矩MR=ftmd×bh2/6=1.04×1 000×1.0×1.22/6=249.6kN·m>224kN·m(可)。

(3)按照正常使用極限狀態(tài)進行抗彎計算(推薦)

196.9kN·m

[f]W=0.5ftK×bh2/6=0.5×2 010×1.0×

1.22/6=241.2kN·m>196.9kN·m(可)

(4)抗剪計算

基礎(chǔ)所受直接剪切力

280.8 kN。

Afvd=1.0×1.2×2.09×1 000=

2 508 kN>280.8 kN(可)。

可以看出直接抗剪富余較多,當(dāng)基礎(chǔ)厚度滿足抗彎計算時一般可不進行計算。

(5)彎剪計算

查規(guī)范(JTG D62—2004)得,C30混凝土ftd=1.39 MPa,α2=1。

0.5×10-3ftdα2bh=0.5×10-3×1.39×103×1.0×1.0×1.2×103=834 kN>112.3 kN(可)。

可以看出彎剪抗剪富余較多,當(dāng)基礎(chǔ)厚度滿足抗彎計算時,一般可不進行彎剪計算,僅當(dāng)涵頂填土高度大于20 m時可根據(jù)需要進行計算。

4 整體基礎(chǔ)式涵洞的擴展應(yīng)用

組合型蓋板涵,采用數(shù)個分離式蓋板涵拼接而成,在各相鄰涵洞之間設(shè)沉降縫,適用于河道較寬、坡度平緩的濱海地區(qū)潮溝或者平原區(qū)的灌溉渠道。這種結(jié)構(gòu)地基處理費用很低,和中小橋梁方案相比,可大大節(jié)省造價。由于各個涵洞為獨立結(jié)構(gòu),受地基不均勻沉降影響較小,涵身受力簡單,涵臺可不用配受力鋼筋,更增加了其經(jīng)濟性,該設(shè)計已經(jīng)用于大連濱海公路海參養(yǎng)殖場中的潮溝。見圖3。

圖3 組合型整體基礎(chǔ)式蓋板涵(單位：cm)

高填土情況下,對于鋼筋混凝土蓋板涵,采用整體式基礎(chǔ)時,最大可以應(yīng)用至涵頂填土高度達15～18 m的工點。對于鋼筋混凝土拱涵,采用整體式基礎(chǔ)時,最大可以應(yīng)用至涵頂填土高度達25～30 m的工點。需要提出的是,考慮到工程占地及對環(huán)境景觀的影響,如果經(jīng)濟條件容許,設(shè)計中應(yīng)優(yōu)先采用橋梁方案,避免采用過高填土的涵洞。

5 結(jié)論

(1)當(dāng)涵頂填土為中低填土?xí)r,用整體基礎(chǔ)式蓋板涵替代鋼筋混凝土箱涵是經(jīng)濟適宜的,中高填土?xí)r可考慮采用鋼筋混凝土蓋板涵或者拱涵。

(2)本文基于公路橋規(guī)提出了涵洞整體式基礎(chǔ)的設(shè)計方法,該計算方法較為明確、實用、便于設(shè)計使用。

(3)本文提出的方法,根據(jù)鐵路規(guī)范采用容許應(yīng)力法,也可以用于鐵路涵洞的整體式基礎(chǔ)設(shè)計計算中。

[1] JTG D61—2005,公路圬工橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

[2] JTG D62—2004,公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

[3] JTG D63—2007,公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].

[4] JTJ 022—85,公路磚石及混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

[5] TB 10002.4—2005,鐵路橋涵混凝土及砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[6] TB 10002.3—2005,鐵路橋涵鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[7] 鐵道第三勘察設(shè)計院橋隧處.橋涵設(shè)計手冊[M].北京：中國鐵道出版社，1987．

[8] 高冬光.公路橋涵設(shè)計手冊-涵洞[M].北京：人民交通出版社,1992．

[9] 孫家駟.公路小橋涵勘測設(shè)計[M].北京：人民交通出版社,1990.

[10] 鐵路橋涵技術(shù)規(guī)范(合訂本)[S].北京：中國鐵道出版社,1995.