封閉式路塹U形槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

馬　濤　鄧　帥

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京　100055)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，鐵路及公路等交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)得到了極大的發(fā)展，出現(xiàn)了大量的下穿式立交引道工程。U形槽結(jié)構(gòu)具有剛度大、變形小、防水效果優(yōu)良等特點(diǎn)[1]，在地下水位較高，地層滲透系數(shù)較大，或者地下水排除困難的地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。目前，對(duì)于U形槽結(jié)構(gòu)還沒(méi)有一種公認(rèn)的、成熟的設(shè)計(jì)方法，也沒(méi)有相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范可供參考，有必要對(duì)其計(jì)算理論和方法進(jìn)行深入的分析和探討。

1　U形槽結(jié)構(gòu)形式

U形槽結(jié)構(gòu)邊墻一般采用梯形形式，其截面上小下大，可以很好的適應(yīng)土壓力和水壓力在邊墻上的分布，節(jié)約材料；底板一般采用矩形斷面。

實(shí)際工程中，根據(jù)線路平面設(shè)計(jì)及立交孔跨的不同，U形槽結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)單孔、雙孔、三孔等橋涵立交時(shí)，可分別采用圖1、圖2所示的結(jié)構(gòu)圖[2]。

圖1　單孔及雙孔橋涵U形槽結(jié)構(gòu)橫斷面

圖2　三孔橋涵U形槽結(jié)構(gòu)橫斷面

2　U形槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

2.1　結(jié)構(gòu)計(jì)算力系和方法

U形槽結(jié)構(gòu)的計(jì)算力系包括：邊墻自重、邊墻墻背土壓力及水壓力、底板自重、地下水浮力和活載。上述各種荷載及外力，并非同時(shí)作用于U形槽結(jié)構(gòu)上，它們發(fā)生的概率也各不相同。設(shè)計(jì)分析時(shí)，應(yīng)考慮它們同時(shí)作用的多種可能性，進(jìn)而進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合，且根據(jù)不同的極限狀態(tài)和荷載組合，給出不同的荷載安全系數(shù)[3]。

2.2　計(jì)算模型

在U形槽結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，完全按照實(shí)際情況進(jìn)行力學(xué)分析是非常復(fù)雜的，也是不必要的。根據(jù)U形槽結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，可知屬于平面應(yīng)力問(wèn)題，可取線路方向1延米按彈性理論進(jìn)行簡(jiǎn)化，同時(shí)對(duì)U形槽的邊墻和底板分別計(jì)算，邊墻按懸臂式擋墻考慮，底板按彈性地基梁考慮。

2.3　抗浮計(jì)算

當(dāng)U形槽結(jié)構(gòu)所處位置的地下水位較高時(shí)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算，其抗浮穩(wěn)定系數(shù)不宜小于1.05。通過(guò)調(diào)整U形槽結(jié)構(gòu)尺寸以滿足抗浮要求，可以初步確定U形槽結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸。

抗浮穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算公式如下

(1)

式中Kf——抗浮穩(wěn)定系數(shù)；

G——U形槽結(jié)構(gòu)及附屬設(shè)施自重；

Ff——U形槽結(jié)構(gòu)所受浮力/kN，不考慮折減；

[Kf]——抗浮安全系數(shù)。

2.4　邊墻設(shè)計(jì)

邊墻按浸水地區(qū)懸臂式擋墻考慮，邊墻受力主要包括邊墻自重，邊墻墻背土壓力、水壓力及墻頂外側(cè)活載。在邊墻的計(jì)算分析中，有兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題需要明確：①在計(jì)算土壓力時(shí)，采用主動(dòng)土壓力還是靜止土壓力；②計(jì)算土壓力和水壓力時(shí)，是采用水土分算還是水土合算。

(1)主動(dòng)土壓力和靜止土壓力

邊墻的位移大小決定著墻厚土體的應(yīng)力狀態(tài)和土壓力的性質(zhì)，根據(jù)大量的試驗(yàn)觀測(cè)和研究，極限平衡狀態(tài)所需的位移量如表1所示[4]。

表1　產(chǎn)生主動(dòng)土壓力所需的位移量

U形槽結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，剛度大，變形小，邊墻頂繞邊墻與底板的交點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)位移一般小于產(chǎn)生主動(dòng)土壓力所需的位移量，因此邊墻墻背土體土壓力采用靜止土壓力更為合理。

(2)水土合算和水土分算

水土分算是指水壓力和土壓力分開(kāi)計(jì)算，即有效應(yīng)力對(duì)邊墻產(chǎn)生土壓力，而孔隙水壓力對(duì)邊墻產(chǎn)生水壓力；水土合算是指計(jì)算土壓力時(shí)考慮土體的總應(yīng)力，不再單獨(dú)考慮水壓力的影響。

水土分算是基于有效應(yīng)力原理，假設(shè)土體中顆粒是分散的，孔隙水完全流通。因此，水土分算應(yīng)用于非黏性土一般不存在異議；但對(duì)于黏性土，因顆粒表面存在著結(jié)合水膜，孔隙水壓力是否等于靜止土壓力，仍有待研究[5]。

水土分算與水土合算計(jì)算時(shí)的區(qū)別在于：水壓力需不需要土壓力系數(shù)K。水土分算時(shí)，水壓力不需要乘以土壓力系數(shù)，而水土合算時(shí)，水壓力則需要乘以土壓力系數(shù)，由于土壓力系數(shù)小于1，所以作用在邊墻上的側(cè)壓力在采用水土合算時(shí)要比采用水土分算時(shí)小一些。在本文中，對(duì)于黏性土按不利的情況進(jìn)行計(jì)算，因此黏性土和非黏性土均采用水土分算。

2.5　底板設(shè)計(jì)

底板按彈性地基梁考慮，底板受力主要包括底板自重、邊墻自重、端部彎矩、車輛及人群活載和浮力作用。同樣，在底板的計(jì)算分析中，也有兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題需要明確：①底板的計(jì)算方法；②車輛及人群活載的確定。

(1)底板計(jì)算方法

文克勒地基模型：假定地基中某點(diǎn)的變形與該點(diǎn)的壓力成正比，實(shí)質(zhì)上是把連續(xù)的地基分割為側(cè)面無(wú)摩擦聯(lián)系的獨(dú)立土柱，每一土柱的變形僅與作用在土柱上的豎向荷載有關(guān)，并與之成正比，即相當(dāng)于一個(gè)彈簧的受力變形。文克爾地基上基底壓力的分布與地基沉降具有相同的形式，地基中不存在應(yīng)力的擴(kuò)散[6]。

共同變形模型：假定地基中任意一點(diǎn)的沉陷變形不僅與該點(diǎn)的壓力有關(guān)，還與其他各點(diǎn)的壓力都有關(guān)。顯然，共同變形模型更符合工程實(shí)際情況。

在實(shí)際工作中，如果按共同變形模型考慮，會(huì)遇到非常大的計(jì)算問(wèn)題。一般情況下按郭氏查表法進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，如果配合有關(guān)結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件可選用鏈桿法[2]。

(2)車輛及人群活載的確定

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范(JTGD60—2004)》4.3.1中對(duì)車輛荷載的規(guī)定，車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)值取后軸軸載140 kN[7]。不考慮輪胎接地面積，按集中力考慮。車輛荷載在橫向作用位置的不同會(huì)對(duì)底板內(nèi)力產(chǎn)生影響，參考《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范(JTGD60—2004)》中車輛荷載橫向布置的規(guī)定，如圖3所示[7]，應(yīng)選取不同的作用位置，對(duì)底板進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。

圖3　車輛荷載橫向布置(單位：m)

因此，在底板結(jié)構(gòu)計(jì)算中，需要綜合考慮外力組合的多種情況和車輛荷載在橫向上作用位置的影響，分別計(jì)算不同工況下的內(nèi)力，從中選出最大正彎矩、最大負(fù)彎矩和剪力最大值，以此對(duì)底板進(jìn)行配筋計(jì)算。

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范(JTGD60—2004)》4.3.5的規(guī)定，人群荷載標(biāo)準(zhǔn)值取3.0 kN/m2，按照均布荷載考慮，作用在人行道上[7]。

2.6　配筋計(jì)算

當(dāng)?shù)叵滤惠^高、無(wú)車輛活載時(shí)，在浮力作用下，底板會(huì)出現(xiàn)較大的負(fù)彎矩，因此U形槽底板按受彎構(gòu)件雙筋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)，邊墻按受彎構(gòu)件單筋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)[8]。

2.7　地基承載力

U形槽建于軟土、松軟土土層之上時(shí)，應(yīng)對(duì)地基承載力進(jìn)行驗(yàn)算，檢算公式如下

Pz<[faz]

(1)

式中Pz——底板底面處的附加壓力/kPa；

[faz]——底板底面處經(jīng)深度修正后的地基承載力特征值/kPa。

如地基承載力不能滿足設(shè)計(jì)要求，可根據(jù)軟土、松軟土土層的厚度，采用換填、水泥攪拌樁、CFG樁等工程措施對(duì)地基進(jìn)行加固處理。

3　結(jié)論

(1)根據(jù)U形槽結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，可知其屬于平面應(yīng)力問(wèn)題，取線路方向1延米按彈性理論進(jìn)行簡(jiǎn)化，邊墻按懸臂式擋墻考慮，底板按彈性地基梁考慮。

(2)在邊墻結(jié)構(gòu)計(jì)算中，墻后土壓力和水壓力采用水土分算的計(jì)算方法，土壓力按靜止土壓力考慮。

(3)在底板結(jié)構(gòu)的計(jì)算中，將底板按彈性地基梁考慮，應(yīng)采用共同變形模型進(jìn)行計(jì)算。

(4)作用于底板的活載包括車輛荷載和人群荷載，車輛荷載按等效集中力考慮，人群荷載按照均布荷載考慮。

(5)在底板結(jié)構(gòu)計(jì)算中，需要綜合考慮外力組合的多種情況和車輛荷載在橫向上作用位置的影響，分別計(jì)算不同工況下的內(nèi)力，從中選出最大正彎矩、最大負(fù)彎矩和剪力最大值，以此對(duì)底板進(jìn)行配筋計(jì)算。

(6)在配筋計(jì)算中，U形槽邊墻應(yīng)按受彎構(gòu)件單筋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)，底板按受彎構(gòu)件雙筋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(7)建于松軟土層之上的U形槽結(jié)構(gòu)，應(yīng)對(duì)地基承載力進(jìn)行驗(yàn)算。如地基承載力不能滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)采用換填、水泥攪拌樁、CFG樁等工程措施對(duì)地基進(jìn)行加固處理。

[1]崔俊杰，宋緒國(guó).封閉式路塹設(shè)計(jì)及有關(guān)問(wèn)題的探討[J].鐵道建筑技術(shù)，2001(6)

[2]孫愛(ài)斌，吳連海.天津某封閉式路塹U形槽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2006(10)

[3]丁兆鋒，吳沛沛.U形槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2009(4)

[4]劉成宇.土力學(xué)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2002

[5]蔡忠河，馮啟軍，等.公鐵立交下穿引道及排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2009

[6]莫海鴻，楊小平.基礎(chǔ)工程[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008

[7]JTGD60—2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S]

[8]GB50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[9]周革.U形槽結(jié)構(gòu)在龍廈鐵路某地下水發(fā)育路塹中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用{J}.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2009(3):27-29