單孔箱涵在南美濱海軟土地基中的受力分析

何壯志

（中國水利水電第十二工程局有限公司國際工程公司， 浙江 杭州 310006）

1 工程背景

圭亞那謝里夫-曼德拉道路升級拓寬項目是中國電建集團在圭亞那的首個公路項目，工程位于圭亞那首都喬治敦市內，涉及居民眾多，對優化首都市區環境、減緩交通壓力、改善居民生活條件有重要意義。項目主要涉及沿線近7km 的道路改造和沿線兩側排水系統的重建，其中包括7 個過路涵洞的建設。工程秉承一貫的高標準質量要求，結合當地實際尋找工程創新點，為國際項目積累寶貴經驗。

2 工程概況

圭亞那謝里夫-曼德拉道路升級拓寬項目CH 3+195 單孔箱涵，位于首都喬治敦市區曼德拉大道與普林賽斯路交叉口，是市區內重要的交通樞紐，交通壓力大、周邊居民眾多。新建單孔箱涵除了面臨施工難度大的問題，還必須保證涵洞的建筑結構穩定，否則將對首都交通產生極大影響。

箱涵總長度13.74m，凈跨長2.52m，為單孔過路箱涵，箱涵設計為C50 強度等級混凝土，設計鋼筋等級為HRB400，箍筋配筋按T12@100，縱筋配筋按T16@150。

涵洞內設計水深為1.7m，洪水深2.7m，初步勘察兩側地下水標高1.5m。箱涵上部填土，包括路基路面，總厚度為1m，填土綜合容重取18kN/m2，飽和重度20kN/m2。

通過初步計算箱涵自重為425.67kN，汽車荷載按規范要求取3.52kN/m，均布荷載作用于涵頂。同時箱涵各部位各自承受土壓力、內外水壓力，并需要考慮一定的活荷載。各項荷載的基本組合系數見表1。

表1 荷載基本組合系數表

三種荷載組合按照《混凝土結構設計規范》(GB 50010-2010)設定，分別對應了基本荷載組合、偶然荷載和標準荷載組合。組合其中需要結合工程現場地質條件進行水土分算，即所提及豎向荷載和水平荷載為除水壓力以外的其他荷載。

3 結構計算

3.1 穩定性驗算

根據表1 中的荷載基本組合系數，對三種組合下產生的基底壓力進行計算，分別得到組合1、2、3 對應的基底壓力為36.21kPa、33.94kPa 及46.47kPa，而根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG-D63-2007），天然含水率40%的軟土地基承載力基本容許值fa0 為90kPa，故可知結構滿足地基承載力需要。

對結構進行抗浮驗算可知抗浮穩定性系數K=3.2＞1.1，故滿足規范要求。

3.2 內力計算

按彈性地基模型對三種荷載組合形式進行計算，得到三種組合形式下箱涵受力圖，三種荷載組合下箱涵各部分受力規律不同：

基本荷載組合下，活荷載以外未考慮土壓力及外側水壓力，結構僅受自重及內部水壓影響。故箱涵側墻受水平向力作用與水位以下，且自水面以下呈線性增長，從水面處起均速增長至墻腳位置達最大值21.59kPa。頂板受壓力9kPa，底板受壓力30.59kPa，均布向下作用。

基本荷載組合下，活荷載以外未考慮內部水壓。箱涵兩側側墻既受外部土壓力作用，又受外部地下水壓力作用。故在地下水位以上部分受到主動土壓力呈線性遞增，由8.76kPa 均速增長至16.99kPa。其下為土壓力與水壓力共同作用，至墻底作用力為39.85kPa。且側墻受豎向壓力19.17kPa，頂板受壓力36.3kPa，底板受壓力9kPa，均布向下作用。

標準荷載組合下，綜合考慮了自重、土壓力、內外水壓力以及其他各項活荷載。側墻受力規律與偶然荷載組合相似，最大荷載39.85kPa，發生在墻角位置。且側墻受豎向壓力19.17kPa，頂板受壓力36.3kPa，底板受壓力30.59kPa，均布向下作用。

3.3 裂縫驗算

混凝土構件因其結構構造，在過分受壓或者受拉的情況下會產生裂縫，當裂縫發展到一定程度即會導致構件的破壞[1]。而裂縫的發展與裂縫大小有緊密關系，參照《混凝土結構設計規范》，構件處于受拉或受彎或偏心受壓時，應按作用效應的標準荷載組合控制裂縫寬度。

箱涵整體發生裂縫最大寬度在0.13mm，發生在底板內側中部。底板兩端外側可能產生的裂縫最大寬度為0.11mm，反映出底板受力規律。箱涵兩側側墻產生的最大裂縫寬度0.1mm，作用在與底板相接處的墻腳位置，且箱涵兩側側墻的裂縫分布一致，與受力情況相符。頂板位置產生的最大裂縫寬度為0.09mm，位于頂板中部內側，兩端可能發生最大裂縫寬度0.06mm，相互對稱，符合受力規律。

綜上所述，裂縫的產生與箱涵受力方式有關，且裂縫寬度也與受力大小有關。在此工程中所產生的裂縫較小，能保證箱涵結構穩定，不會產生貫通縫導致箱涵滲水，也不會出現結構破壞。

3.4 樁基承載力計算

為提高結構整體穩定性，針對濱海高水位軟土地基對過路箱涵下加設樁基。秉承“因地制宜”的思想，采用當地的綠芯木作為樁基材料。綠芯木是南美洲圭亞那特有的一種木材，其質地堅韌，防水防蛀，具有很好的力學性能，在當地廣泛應用于施工建設中。

將其與不同標號混凝土進行比較可知：綠芯木材料的抗壓強度及抗彎強度均遠超各標號混凝土，彈性模量與C50 混凝土相近。這說明同尺寸的綠芯木樁在受力變形規律上與C50 素混凝土樁可能相近，而極限承載力將遠遠高于混凝土樁。以下可根據力學原理對綠芯木樁的單樁承載力進行C50 素混凝土樁的類比計算。

考慮到富水軟土地基可能存在的地基土液化情況，取合理范圍內液化折減系數為0.7。通過計算可知其極限側摩為570.2kN。根據地層條件地基樁屬于摩擦樁，摩擦樁的所有承載力都來自于其側摩阻力，即單樁豎向極限承載力為570.2kN。再根據《樁基規范》可計算得出樁身受壓承載力為1224.63kN，實際同樣尺寸的綠芯木樁的樁身受壓承載力約為3466kN。

而通過上文計算可知，新建箱涵連同內部水體自重475.67kN/m，整體構件總重約6783kN，一根單樁顯然達不到結構要求，還會造成斷樁。由數據約至少采用12 根綠芯木樁作為單樁作用，可保證樁基穩定。各樁應均布分散于基底全長布置，樁間距不宜過小以免產生群樁效應降低單樁平均承載力。

4 結束語

對圭亞那謝里夫-曼德拉道路升級拓寬項目CH 3+195 單孔箱涵，通過力學計算分析得其受力結構穩定，不會產生大的裂縫且結構安全。并通過類比驗證的方法，分析了至少使用12 根符合設計規范的綠芯木樁作為單樁基礎才能保證基底穩定，從而滿足結構整體性穩定要求。為國際工程施工提供了分析與解決的思路。