某城市軌道交通工程中U型槽式擋土墻的受力分析及結構設計

段明石

(北京全路通信信號研究設計院集團有限公司,北京 100070)

0 前 言

U型槽式擋土墻[1-3]主要由鋼筋混凝土邊墻和鋼筋混凝土底板組成，其通過邊墻支擋兩側土體，通過邊墻、底板及附屬設施的自重抵抗地下水壓力，從而確保穩定性。目前在城市軌道交通工程中，U型槽式擋土墻的應用實例較多，但還沒有公認的有效方法，也沒有對應的設計規范。因此，有一種方法對U型槽結構進行合理分析與設計是很有必要的。本文將對某U型槽式擋土墻進行受力分析和結構設計，希望能夠為今后U型槽結構設計提供一定的借鑒意義。

1 工程概況

該段線路以路塹通過，長度263 m，最大挖深7.8 m，擬采用U型槽式擋土墻設計方案。該U型槽地段主要地層如下：①素填土：雜色，稍濕，稍密，主要由粉質黏土、植物根系等組成，含少量小礫石；該層層厚1.00～1.20 m。②粉質黏土：黃褐色，硬塑，稍有光澤反映，無搖振反應，干強度及韌性中等，土質均一，層厚12.4 m，層底最大埋深13.6 m。地下水位位于地表以下5.0 m處，地下水對混凝土結構具微腐蝕，對鋼筋混凝土結構中鋼筋具微腐蝕。

2 結構設計

2.1 U型槽斷面選取

本工程U型槽斷面如圖1所示，其中邊墻頂寬0.5 m，槽內邊墻凈高7.0 m，內墻直立，外墻坡度1∶0.2，邊墻間凈寬度8.0 m，底板厚取0.8 m。該斷面基礎挖深7.8 m，基礎位于粉質黏土層內。U型槽內均勻分布有填土，折算為土柱得到均布荷載q1=23.7 kPa，列車荷載q2=30 kPa。

2.2 設計方法

U型槽式擋土墻結構主要由兩側的邊墻及底部的底板組成，分別對邊墻和底板進行結構受力分析，再按承載能力極限狀態及正常使用極限狀態進行配筋計算、裂縫檢算及抗浮驗算，得到比較可靠的工程數據。

2.3 荷載分析

U型槽式擋土墻受荷載分為結構永久荷載和結構可變荷載。結構永久荷載包括：結構自重、邊墻土壓力、槽內填土壓力、地下水壓力等；可變荷載包括：列車荷載。其中列車荷載按換算土柱考慮,地下水壓力按靜止水壓力考慮。

圖1 U型槽結構計算斷面

3 內力計算

3.1 邊墻內力計算

邊墻可視為固定在底板上的懸壁墻，假設邊墻在背后土體的推力作用下，不發生變形和位移，即邊墻絕對不動，背后土體處于彈性平衡狀態。邊墻按受彎構件計算，得到其內力。墻后回填土重度為γ=20 kN/m3，粘聚力c=25 kPa，摩擦角φ=15°，擋土墻墻背與水平地面夾角為78.69°。根據《建筑邊坡工程技術規范》(GB 50330-2013)中第6.2.3條，根據庫倫理論計算得到邊墻根部主動土壓力Ea=94.23 kN/m，彎矩M=223.38 kN·m。

3.2 底板內力計算

底板可視為支撐于地基上的梁體，按彈性地基梁進行考慮，采用半無限體彈性地基模型，選用初參數法[4]計算，得到底板的內力分布。將上步計算得到的邊墻內力傳遞到底板結構上，得到底板彈性地基梁計算圖如圖2所示，圖中均布荷載值均為U型槽結構自重減去地下水壓力得到，彎矩為邊墻內力計算得到的根部彎矩。

圖2 底板彈性地基梁計算簡圖

U型槽式擋土墻結構底部為第四系粉質黏土地基，底板與地基剛度相差較大，故可按溫克爾地基模型考慮地基反力，取基床系數k=60 MN/m3。

由底板左端邊界條件可知M0=0，Q0=0，其他兩個初參數y0，θ0可由底板右側邊界條件ML=0，QL=0確定。根據彈性地基梁初參數法公式得到計算結果如下。

1)當U型槽內無列車荷載作用時，得到初參數y0= 0.00173468 m，θ0=-0.00018138,得到無列車荷載作用時底板的彎矩及剪力分布圖，如圖3所示。

圖3 無列車荷載作用時的彎矩及剪力圖

2)當U型槽內單側列車荷載作用時，得到初參數y0= 0.00185373 m，θ0=-0.00013756，得到單側列車荷載作用時底板的彎矩及剪力分布圖，如圖4所示。

圖4 單側列車荷載作用時的彎矩及剪力圖

3)當U型槽內雙側列車荷載作用時，得到初參數y0=0.00178184 m，θ0=-0.00008425，得到雙側列車荷載作用時底板的彎矩及剪力分布圖，如圖5所示。

圖5 雙側列車荷載作用時的彎矩及剪力圖

當U型槽內無列車荷載作用時，底板最大負彎矩出現在跨中位置，為-184.00 kN·m，最大正彎矩出現在邊墻根部位置，為184.38 kN·m，最大剪力出現在邊墻根部位置，為159.91 kN/m。但隨著列車荷載作用于底板上，底板在自重、列車荷載以及土壓力作用下，跨中位置負彎矩明顯減小，邊墻根部位置剪力及彎矩變化不大。因此，選取無列車荷載作用工況下的內力(彎矩及剪力)進行結構設計，設計控制截面包括邊墻根部截面及底板跨中截面。

4 結構設計

4.1 配筋計算及裂縫驗算

U型槽結構邊墻、底板均可按單筋矩形截面受彎構件正截面受彎承載力[5]計算，以底板跨中位置(彎矩設計值M=220.80 kN·m)計算為例，將底板截面尺寸(800 mm)、C40混凝土及HRB335鋼筋強度設計值、保護層厚度50 mm帶入，按式(1)、式(2)計算：

α1fcbx=fyAs

(1)

(2)

式中，α1為等效矩形應力圖系數，取α1=1.0；x為受壓區高度，mm；As為受拉鋼筋面積，mm。

計算得到As=885.3 mm2，可選用3Φ22(As=1141.0mm2)。需要注意的是，底板跨中位置彎矩為負彎矩，邊墻根部彎矩為正彎矩，因此，在底板跨中截面的上側設置受拉鋼筋，在邊墻根部的下側設置鋼筋；U型槽結構還應在正常使用極限狀態下進行受拉邊緣裂縫寬度驗算，具體過程此處不再贅述。

4.2 裂縫驗算

U型槽結構應在正常使用極限狀態下進行受拉邊緣裂縫寬度驗算，按式(3)計算：

(3)

式中，αcr為構件受力特征系數，取αcr=2.1；ψ為裂縫間受拉鋼筋應變不均勻系數；σsk為按準永久組合計算的鋼筋混凝土構件縱向受拉鋼筋應力；Es為鋼筋彈性模量；cs為最外側鋼筋外邊緣至受拉區底邊的距離；deq為受拉區縱向鋼筋的等效直徑；ρte為按有效受拉混凝土截面面積計算的縱向受拉鋼筋配筋率。

將3Φ22(As=1141.0 mm2)帶入上式得到ωmax=0.36mm>0.2mm，不能滿足結構抗裂要求。通過增加受拉鋼筋數量，增至4Φ22(As=1520.0 mm2)，得到ωmax=0.19mm<0.2mm，滿足結構抗裂要求。

4.3 抗浮驗算

由于該U型槽結構位置處地下水位較高，因此需要對其進行抗浮穩定性驗算?？垢》€定性[6]應符合式(4)要求：

(4)

式中，Gk為U型槽結構自重與底板以上填土自重之和，kN；Nw,k為地下水浮力作用值，kN；Kw為抗浮穩定性安全系數，一般情況下取1.05。

經驗算，抗浮穩定性安全系數Kw=2.58>1.05，因此，抗浮穩定性滿足設計要求。

5 結 語

本文通過對某城市軌道交通工程中U型槽式擋土墻實例，主要對邊墻及底板進行受力分析，再按承載能力極限狀態及正常使用極限狀態進行配筋計算、裂縫檢算及抗浮驗算，最終得到比較可靠的結構設計結果，希望能對后續的U型槽結構設計提供一定的參考與借鑒。

[ID:009055]