公路U型封閉式路塹在軟土地區的應用

□文 /肖健英

公路U型封閉式路塹在軟土地區的應用

□文 /肖健英

封閉式路塹是一種新型的支擋結構，在穿越既有鐵路時呈現出諸多優越性，尤其在北方軟土地區被廣泛采用。文章介紹了封閉式路塹的結構特點及適用條件，剖析封閉式路塹設計中的理論計算模型、截面尺寸確定、荷載及工況組合等關鍵技術問題并介紹了施工注意事項。

封閉式路塹；U型槽；軟土地基；結構設計

為提高通行效率和確保通行安全，大量鐵路與公路相交叉改為立交形式，一些線路不可避免的以路塹下鉆的方式通過地下水水位較高的地段[1]。U型封閉式路塹結構剛度大、變形小、穩定性好、收坡支擋防水效果優良[2]，已經廣泛應用于地下水豐富、地下水位較高、放坡條件受到限制的挖方路基地段。

近年來，我國北方地區修建了大量的U型封閉式路塹，取得了良好的經濟效益與社會效益，也為設計及施工工作積累了寶貴的工程經驗。同時，U型封閉式路塹結構屬于新型的支擋結構，其設計理論還在不斷完善與發展中，比如其結構的計算模式未見公認的最優方法，目前普遍采用的經驗公式得出的結果與工程實際有一定出入，相關的規范尚在編制過程中。本文將總結封閉式路塹的結構特點及適用條件，探討U型槽設計中的計算模型、斷面尺寸確定、荷載及工況組合等關鍵技術問題。

1 特點

U型封閉式路塹是一種特殊的下穿方式，具有對環境影響小，占用耕地少等特點[5]。U型槽結構主要由鋼筋混凝土底板和邊墻組成。其主要工作機理是利用邊墻支撐山坡土體，通過邊墻、底板自重以及附屬設施自重抵抗地下水的浮力保持結構的穩定性，達到確保鐵路安全運營的目的。

1）封閉式路塹已經廣泛應用于地下水埋深較淺的區域，尤其是北方地區。

2）此種結構類型外形呈U形狀，邊墻與底板直接相連。

3）穿越鐵路位置往往采用框式結構，框構兩邊連接封閉式路塹，共同形成下穿通道。

4）此種結構具有很強的防水、排水功能且配備相應的交通安全設施。

2 結構形式選擇

封閉式路塹結構通常由邊墻及底板組成，其橫斷面被設計成U型槽整體結構，采用具有一定抗滲等級的防水鋼筋混凝土現場澆筑而成。

2.1 邊墻

邊墻橫截面型式通常有矩形、階梯形及梯形3種截面形式[1]。

矩形橫斷面寬度不隨深度而變化，一般用于挖深較小或邊墻受力較小的路段。其優點是設計及施工簡單；但缺點是當挖深較大或受力較大時，上下端都采用較大的截面寬度，容易造成材料浪費，另外當線路平面布置該邊墻位置寬度有限制而小于邊墻受力所需要的截面寬度時，則無法采用。

由于邊墻下部受到的土壓力及水壓力較上部大，而階梯形邊墻尺寸隨深度呈階梯型加大，故階梯形結構可使邊墻下部剛度相應提高，這樣可避免矩形截面上部材料浪費和頂部過大占用橫向距離的缺點。但該形式也有自身的缺點，如截面寬度變化處直角的存在易產生應力集中，受力鋼筋不好布置，邊墻外側的防水層施工質量難以保證且折角處容易破壞。

梯形橫斷面邊墻頂部寬度較小，同時可以避免以上兩種形式的缺點且因其上小下大的截面形式也能很好地適應土壓力和水壓力的應力分布。工程中，往往根據邊墻高度和地下水位的高低，確定邊墻頂部的寬度。邊墻內側坡度一般直立，但有時為了開闊視野并減小深巷的壓抑感也可考慮設立一定坡度。

2.2 底板

底板一般采用矩形斷面，根據邊界寬度的限制及抗浮計算的需要，確定其兩端伸出邊墻外側或者不伸出。如果通過底板增重的方法來滿足抗浮條件時，通過實際計算可知，在同樣滿足抗浮的條件下，伸出一定的長度，可以比兩端不伸出時減少一定底板厚度。

3 結構計算分析

3.1 計算模式與邊界條件

在U型槽結構計算時，通常采取簡化的計算模型進行計算[2]。針對U型槽結構的特點，可取縱向一延米按彈性理論進行簡化。U形槽受地下水浮力、自重及上部車輛荷載、邊墻處側向土壓力及摩擦力，底板地基反力共同作用，受力和變形計算是十分復雜的[3]。封閉式路塹設計和計算中將底板視作彈性地基梁進行內力和變形計算分析，邊墻按一般的剛性擋墻考慮。采用共同變形理論，將地基假定為半無限彈性體，用彈性理論來計算地基的沉陷，從而確定底板所受地基反力的大小及分布規律，以此確定底板和邊墻的結構尺寸和配筋設計。

3.2 荷載及組合

U型槽承受荷載主要包括：結構自重、汽車活載、地基載力、地下水壓力以及邊墻土壓力。邊墻土壓力和水壓力是設計邊墻、底板斷面尺寸及驗算其穩定性和強度的主要荷載。

地下水壓力按靜止水壓力考慮。水壓力與地下水的水位、補給來源、季節變化、邊墻高度、排水處理方法等因素有關。地下水位以下的水、土壓力的計算一般分“水土分算”和“水土合算”兩種方法。對砂性土和粉土，可按水土分算原則進行計算；對粘性土可根據現場情況和工程經驗，按水土分算或水土合算進行計算。水土分算法是采用浮重度計算土壓力，按靜水壓力計算水壓力，然后兩者相加即為總側壓力。水土合算法是采用土的飽和重度計算總的水、土壓力。

邊墻土壓力應根據邊墻剛度的大小按靜止壓力或主動土壓力考慮。具體操作：首先將邊墻部固定，按靜止土壓力計算作用在懸臂端的荷載，后釋放懸臂端頂部約束，施加荷載，計算邊墻頂繞邊墻與底板節點的轉動位移，如果此位移大于產生主動土壓力邊墻所需要的位移量則邊墻土壓力按主動土壓力考慮，否則按靜止土壓力考慮。

邊墻頂繞邊墻與底板節點的轉動位移一般小于產生主動土壓力邊墻可能需要的位移量。但是根據實踐證明對于剛性支擋結構，按靜止土壓力設計偏于保守。設計時，應根據結構的特性，考慮它們同時作用的多種可能性進行適當的組合且根據不同的極限狀態和荷載組合，給出不同的荷載安全系數。

3.3 結構內力分析

土壓力確定之后，由計算模型可求得結構的內力。根據以往經驗，U型槽的底板和邊墻的最大彎矩均發生在底板與側墻相連接的兩個節點位置。當地下水位較高，無列車活載時，在地下水壓力作用下，底板會出現較大的負彎矩。但隨著地下水位的降低以及列車活載通過時，底板在自重、列車活載以及土壓力作用下會產生較大的正彎矩。另外，對于埋深較大的U型槽結構，其底板的最大正彎矩小于或等于于邊墻最大正彎矩，由此埋深較大的U型槽結構，其底板受力狀態主要取決于邊墻土壓力及水壓力。而列車活載以及附屬設施自重對底板受力狀態影響較小[2]。

U型槽結構設計的控制截面分別為底板懸臂段根部截面，底板固結段根部截面、跨中截面，邊墻根部截面。邊墻與底板固結的左右兩個節點不僅是控制截面集中的地方，而且是易出現應力集中的地方，是U型槽結構設計的重點，配筋時也應對兩個節點予以加強。

4 抗浮設計

4.1 抗浮方案

抗浮設計的目的在于使設計的U型槽結構在設防水位的浮力作用下能保持穩定。抗浮設計的常用方法：結構物下設抗拔樁；增加結構配重以及降水抵抗浮力等[6]。抗拔樁是利用樁側摩阻力和自身重度來抵抗浮力。當基礎持力層較弱或者結構自重與浮力相差較大時，可以選用抗拔樁形式進行抗浮設計。反之，地基承載力較高、壓縮模量大、地質條件較好或者結構自重與浮力相差不大，則宜選用擴大基礎加配重的方法，可有效降低工程造價。

4.2 抗浮驗算

抗浮設計必須進行抗浮驗算。若抗浮穩定系數＜1.05時，應考慮增加結構自重、U型槽底板設置抗拔樁或底板下設置倒濾層泄水引流等抗浮措施進行處理。采用抗拔樁抗浮措施時，抗浮穩定系數不宜＜2.0[2]。

5 施工注意事項

1）施工前必須做好降排水工作，一般應將地下水降至墊層以下 0.5 m左右[3～4]。

2）基坑開挖后，邊坡加強臨時支護，防止坍塌，回填必須密實。

3）應嚴格遵守防水混凝土細則，通過試驗選定配合比成分，確保防水混凝土的施工質量。

4）伸縮縫止水帶位置應端正，止水帶的中心線與伸縮縫中軸線應重合，防止扭曲、偏斜或被鋼筋釘割破，水平伸縮縫止水帶下的混凝土應特別搗固密實，保證無空隙以免漏水。

5）邊墻及底板應一次性整體澆筑，不應設置施工縫，避免透水。

6）內外模間不得用螺栓拉桿或鐵絲穿透，以免形成滲水通路。

6 結語

1）分析了U型封閉式路塹的結構特點，設計要點等關鍵技術問題，可為今后北方軟土地區修建類似結構提供借鑒。

2）偏于保守的封閉式路塹結構設計雖然確保了結構安全，但是無形中提高了工程造價。在今后的路塹設計中，應當選擇合理的計算模型，優化截面尺寸，既要確保結構安全，又要提高經濟性。

[1]孫愛斌，吳連海.天津某封閉式路塹U型槽結構的設計與計算[J].鐵道工程學報，2006，（7）：49-53.

[2]丁兆鋒，吳沛沛.U型槽結構設計與分析[J].鐵道工程學報，2009，（4）：13-16.

[3]張勁松，吳連海.公路下穿式立交引道U形封閉式路塹結構的設計[J].鐵道標準設計，2005，（1）：41-42.

[4]梁 雄，周建庭，楊圣超.濕軟土基地段U型槽式結構應用技術[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2007，26（6）：55-59.

[5]李 虹.公路U形封閉式路塹優化設計方法探討[J].鐵道標準設計，2011，（9）：27-29.

[6]姚曉勵.某U型槽路塹結構的設計分析及施工要點[J].特種結構，2011，（2）：98-102.

U416.13

C

1008-3197（2012）03-53-02

2012-03-19

肖健英/女，1974年出生，工程師，天津濱海新區基礎設施建設投資有限公司，從事路橋工程建設管理工作。