封閉式路塹U型槽結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

孫毅力，李勝勇，王維理

（北京市勘察設(shè)計研究院有限公司，北京100038）

封閉式路塹U型槽結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

孫毅力*，李勝勇，王維理

（北京市勘察設(shè)計研究院有限公司，北京100038）

結(jié)合某封閉式路塹U型槽的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，根據(jù)封閉式路塹U型槽的特點，對其結(jié)構(gòu)型式、計算模型、抗浮計算及地基承載力計算，特別是邊墻、底板及頂板結(jié)構(gòu)計算中關(guān)鍵問題進(jìn)行了深入的探討，對其結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。

U型槽結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)型式；內(nèi)力計算；結(jié)構(gòu)設(shè)計

1　概述

近年來，城市道路的交叉處往往成為了交通不暢的主要原因［1］。目前，我國城市道路與既有高速公路的立交形式主要有上跨橋梁及下穿通道2種方式。受景觀、用地及城市規(guī)劃等條件的限制，上跨橋梁越來越少被選用；而下穿通道由于用地少，城市景觀較好，能充分發(fā)揮市政工程良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益，目前被大量采用，其中封閉式路塹U型槽是典型的結(jié)構(gòu)型式。

封閉式路塹U型槽結(jié)構(gòu)具有剛度大、變形小、防水效果優(yōu)良等優(yōu)點，尤其在地下水位較高，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。

主要結(jié)合北京某封閉式路塹U型槽的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況，分析其結(jié)構(gòu)的設(shè)計和計算方法。

2　工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

某工程沿現(xiàn)狀城市道路建設(shè)，沿線交通流量大，并在環(huán)島區(qū)域需下穿現(xiàn)狀城市立交橋。線路整體上呈北西向，地勢整體上自西北向東南逐漸降低。道路為雙向4車道，邊墻間凈寬度約14m。槽內(nèi)邊墻凈高為6m。基坑最大挖深約22m，結(jié)構(gòu)頂板上覆土厚度約1.0～10.0m，估計豐水期最高地下水位埋深在自然地面下4.00m左右［2］。

2.1工程地質(zhì)

本區(qū)段主要地層物理及力學(xué)性質(zhì)如下：

①填土層，主要為房渣土，雜色，厚度一般為0.5～3.0m，含建筑垃圾及生活垃圾等。人工填土層以下為第四紀(jì)沉積層。

②碎石、碎石混粘性土層，雜色，稍密—中密，稍濕，重型動力觸探擊數(shù)N63.5=21～63，含細(xì)砂、粘性土各約20%，剪切波速值221～306m/s，屬于中—中低壓縮性土。厚度一般為3～5m，該大層具有賦存地下水的條件。

③粉質(zhì)粘土層，褐黃—褐黃（暗），濕—很濕，可塑—軟塑，含風(fēng)化碎石、碎石屑，屬中高—中壓縮性土。厚度一般為4～5m。

④碎石、碎石混粘性土層，雜色，中密，濕，含粉質(zhì)粘土約10%～25%，局部含細(xì)砂約25%，剪切波速值378～403m/s，屬中低—低壓縮性土。厚度一般為5～6m。

⑤碎石、碎石混粘性土層，雜色，中密—密實，稍濕—濕—飽和，含粉質(zhì)粘土約10%～30%，局部含細(xì)砂約20%，剪切波速值344～485m/s，屬中低—低壓縮性土。厚度一般為8～12m。

⑥粉質(zhì)粘土層，褐黃，濕—很濕，可塑，含風(fēng)化碎石屑，屬中低壓縮性土。厚度一般為2～3m。

⑦碎石、碎石混粘性土層，雜色，密實，濕，含粉質(zhì)粘土約10%～25%，局部含塊石，剪切波速值450～554m/s，屬低壓縮性土。厚度一般為5～6m。

⑧碎石、碎石混粘性土層，雜色，密實，飽和，含粉質(zhì)粘土約10%～30%，剪切波速值587m/s，屬低壓縮性土。厚度一般為6～10m。

上述各土層的地基承載力基本允許值見表1。

2.2場地土類型及場地類別

該場區(qū)為不液化場區(qū)，場地類別為Ⅱ類。

2.3水文地質(zhì)

表1　地基承載力基本容許值

為查明擬建線路沿線地下水分布情況，準(zhǔn)確量測地下水穩(wěn)定水位，沿線布置并完成了5組地下水（第四系孔隙水）水位監(jiān)測孔；為查明相關(guān)含水層的水文地質(zhì)參數(shù)，水文地質(zhì)勘察工作對擬建路段沿線30.0m深度范圍內(nèi)的各主要含水層進(jìn)行了現(xiàn)場提水試驗（共8孔次），根據(jù)Hvorslev的分析方法，滲透系數(shù)計算公式為：

式中：Rc——井管半徑；

L——進(jìn)水管長度；

Rw——濾水管半徑；

T0——基本滯后時間［即（H-h）/（H-H0）=e-1= 0.37所對應(yīng)的時間］。

由提水試驗及原狀土樣室內(nèi)滲透試驗的結(jié)果得到相應(yīng)賦水土層的滲透系數(shù)［3］。

30.0m深度范圍內(nèi)第四系地下水以透鏡體形式分布，賦存于埋深5.50～30.0m之間的碎石土、碎石混粘性土、粉土中，其類型應(yīng)屬上層滯水，該路段沿線第四系含水層巖性復(fù)雜。區(qū)域第四系孔隙水水位多年來變化不大，基本在多年平均水位上下波動，一般7～10月份受集中降水影響，地下水位較高，其它月份水位較低，水位年變幅較大，一般在5～8m。

擬建路段主要穿越第四系地層，其頂板附近分布有第四系含水層透鏡體，雖然透鏡體厚度較小且不連續(xù)，但為施工安全，在施工過程中需采取有效的地下水控制措施。

3　封閉式路塹U型槽結(jié)構(gòu)型式選擇

U型槽整體結(jié)構(gòu)分為邊墻、底板及頂板3部分。

3.1邊墻

邊墻常見的橫斷面型式主要有階梯形、矩形和梯形等，其中梯形邊墻在工程上應(yīng)用較廣泛，尤其適用在挖深較大或邊墻受力較大的地段。

通常把邊墻高度、邊墻范圍內(nèi)的工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件作為依據(jù)，來確定邊墻頂部寬度、外側(cè)坡率。階梯形邊墻能夠節(jié)省材料，但在其截面寬度變化直角處容易產(chǎn)生集中應(yīng)力，在較大的外力作用下邊墻容易斷裂，形成安全隱患，此種型式的邊墻在工程上應(yīng)用較少；矩形邊墻設(shè)計及施工簡單，適用于邊墻受力較小或挖深較小的路段，當(dāng)路段挖深較大時，其上、下端截面寬度一樣，造成材料浪費，或者當(dāng)邊墻的寬度不能滿足邊墻受力所需要的截面寬度時，此種結(jié)構(gòu)型式不能采用。梯形邊墻沒有以上2種型式的缺點，其截面形式能夠很好地與土壓力和水壓力的應(yīng)力分布相適應(yīng)。

本工程U型槽邊墻較高（凈高約6m左右），并且側(cè)壁以碎石及碎石混粘性土等粗顆粒巖土為主，地下水埋深較深，邊墻受力較大，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時宜采用梯形邊墻型式。

3.2底板

U型槽工程底板通常采用的斷面型式為矩形，其兩端可以不伸出邊墻外側(cè)，也可以伸出一定長度，此長度的確定原則主要由抗浮計算來確定。

U型槽結(jié)構(gòu)豎向荷重較小，在場區(qū)地下水歷史水位較高且動態(tài)變化規(guī)律較復(fù)雜時，須仔細(xì)研究和校核基礎(chǔ)抗浮穩(wěn)定性、地下水壓力作用下外墻和基礎(chǔ)底板的承載力問題，如果抗浮能力存在不足時，可根據(jù)U型槽具體設(shè)計條件采取加大底板自重或采用錨桿（抗拔樁）將結(jié)構(gòu)錨固于下臥地層中等設(shè)計措施以提高其抗浮能力。

在滿足抗浮的條件下，底板兩側(cè)伸出邊墻外1m左右的長度，可以比兩端不伸出時減小一定的底板厚度［4］，針對具體工程可以分段進(jìn)行抗浮計算，由此確定底板的厚度及底板兩端伸出邊墻的長度。

4　封閉式路塹U型結(jié)構(gòu)計算模型

封閉式U型槽結(jié)構(gòu)的荷載計算時，應(yīng)考慮邊墻自重、底板自重、頂板自重、邊墻墻背土壓力和水壓力、地下水浮力和頂板上活載。上述各種荷載及外力，并非同時作用于U型槽結(jié)構(gòu)上，它們發(fā)生的概率也各不相同。設(shè)計分析時，應(yīng)考慮多種組合形式，且根據(jù)不同的極限狀態(tài)和荷載組合，給出各種工況下的荷載安全系數(shù)。

U型槽結(jié)構(gòu)分析計算也主要由邊墻、底板及頂板等3方面考慮。

4.1計算模型

U型槽結(jié)構(gòu)整體上為北西向，線路較長約4km，屬于平面應(yīng)力問題，可沿線路方向每延米按彈性理論進(jìn)行簡化計算，并應(yīng)對其底板和邊墻分別計算，底板可按彈性地基梁考慮，邊墻可按懸臂式擋墻考慮［4］。

4.2邊墻計算

4.2.1邊墻自重

根據(jù)結(jié)構(gòu)擬定的斷面尺寸及土體容重來計算梯形邊墻截面上三角土體的重力。

4.2.2邊墻墻背土壓力及水壓力

作用在邊墻上的荷載主要有土壓力和水壓力。土壓力和水壓力是邊墻設(shè)計、底板斷面尺寸及驗算其穩(wěn)定性和強(qiáng)度的主要荷載。

由于U型槽為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其在墻后土體的壓力作用下，邊墻不發(fā)生任何變形和位移，墻后土體受墻背的側(cè)限作用而處于彈性平衡狀態(tài)。作用在邊墻上的土壓力為靜止土壓力。

本工程線路較長，底板埋深差異較大，邊墻的圍巖主要為滲透系數(shù)較大的碎石土，可采用浮容重計算土壓力，按靜水壓力計算水壓力，然后兩者相加即為總側(cè)壓力；當(dāng)部分地段的邊墻圍巖為粘性土等弱透水性土體時，可根據(jù)現(xiàn)場情況和工程經(jīng)驗，采用土的飽和容重來計算總的水、土壓力。

4.2.3邊墻活荷載

當(dāng)邊墻外側(cè)頂部有輔道時，車輛通行是邊墻活載計算需要考慮的主要活載；可以用一個均布荷載來代替墻頂外側(cè)活載，并將其換算成等效的土壓力。

4.3底板計算

4.3.1底板活荷載

底板計算需要考慮的活載主要包括槽內(nèi)底板及頂板上的汽車荷載和人群荷載。槽內(nèi)的車輛荷載按等效集中力計算，人群荷載按照均布荷載計算。

4.3.2邊墻與底板連接處的集中彎矩

邊墻底部與底板相連接處可視為剛性連接，土、水壓力作用在邊墻上產(chǎn)生的彎矩附加在邊墻與底板的連接處，可作為底板的集中彎矩考慮。

4.3.3槽內(nèi)土體及頂板自重

槽內(nèi)土體及頂板自重可按均布荷載考慮。

4.3.4邊墻對底板的壓力

邊墻對底板的壓力就是邊墻的結(jié)構(gòu)自重以及上部三角形土體的重力之和。

4.3.5地下水浮力

地下水的水位變化主要與氣候、水文、地質(zhì)、人類活動等因素有關(guān)。地下水對水位以下的巖土體和結(jié)構(gòu)有靜水壓力及浮力雙重作用。

本工程的U型槽結(jié)構(gòu)主要位于碎石土中，應(yīng)按設(shè)計水位計算浮力；部分U型槽結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)持力層為粘性土，其浮力難以計算，可以結(jié)合地區(qū)的實際工程經(jīng)驗引入一個適當(dāng)?shù)恼蹨p系數(shù)，并在折減時適當(dāng)?shù)靥岣呖垢“踩禂?shù)。

4.3.6地基承載力驗算

當(dāng)U型槽結(jié)構(gòu)位于填土、軟弱土層之上時，應(yīng)對地基承載力進(jìn)行驗算，驗算公式如下：

式中：Pz——底板底面處的附加應(yīng)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。

5　結(jié)語

（1）封閉式U型槽結(jié)構(gòu)涉及的計算荷載類型較多，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)不同的極限狀態(tài)和荷載組合，給出各種工況下的荷載安全系數(shù)。

（2）U型槽結(jié)構(gòu)計算屬于平面應(yīng)力問題，沿線路方向每延米按彈性理論進(jìn)行簡化，邊墻按懸臂式擋墻考慮，底板按彈性地基梁考慮，并采用共同變形模型計算。

（3）在邊墻結(jié)構(gòu)計算中，墻后土壓力和水壓力根據(jù)邊墻圍巖類型采用適宜的計算方法，土壓力按靜止土壓力考慮。

（4）U型槽結(jié)構(gòu)豎向荷重較小，須仔細(xì)研究和校核基礎(chǔ)抗浮穩(wěn)定性、地下水壓力作用下外墻和基礎(chǔ)底板的承載力問題。

（5）U型槽結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)持力層為軟弱層時，應(yīng)對地基承載力、變形及穩(wěn)定性進(jìn)行驗算。如地基承載力不能滿足設(shè)計要求，應(yīng)對地基進(jìn)行加固處理。

［1］周恒，王立波，等.下穿既有高速公路工程方案比選及探討［J］.現(xiàn)代交通技術(shù)，2013（10）：15.

［2］北京市勘察設(shè)計研究院有限公司.北京市上莊路南延（閔莊路～黑龍?zhí)堵罚┑缆饭こ蹋ê魃剿淼溃╅]合框架與U型槽工程地質(zhì)勘察報告［R］.北京：北京市勘察設(shè)計研究院有限公司，2014.

［3］孟美麗，高海彬.封閉式路塹U形槽結(jié)構(gòu)的設(shè)計和計算［J］.鐵道建筑，2011（8）：82.

［4］馬濤，鄧帥.封閉式路塹U形槽結(jié)構(gòu)設(shè)計分析［J］.鐵路勘察，2013（1）：37.

U213

A

1004-5716（2016）07-0009-03

2016-03-25

2016-03-30

孫毅力（1983-），男（漢族），山東海陽人，工程師，現(xiàn)從事巖土工程勘察、地質(zhì)災(zāi)害評估等方面的工作。