張 恒 李家穩(wěn)

(北方工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100144)

封閉式路塹U型槽結(jié)構(gòu)是一種較新的結(jié)構(gòu)形式，隨著我國交通事業(yè)的快速發(fā)展，地鐵的修建與公鐵立交的不斷增多，其應(yīng)用也越來越多。但是，目前這種結(jié)構(gòu)的計(jì)算還沒有公認(rèn)的好方法，也沒有設(shè)計(jì)規(guī)范。一般采用較簡單的倒梁法或者經(jīng)驗(yàn)類比法來對底板內(nèi)力進(jìn)行估算或者計(jì)算，得出來的結(jié)果自然與實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn)，甚至?xí)?dǎo)致工程事故的發(fā)生。因此探索一種較為合理的計(jì)算方法是十分有必要的。通過對封閉式路塹U型槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠?yàn)榻窈蠓忾]式路塹U型槽的設(shè)計(jì)提供一定的借鑒意義。

1 工程概況

某工程位于富嫩鐵路與齊齊哈爾某市政道路的交口，道路下穿既有富嫩鐵路。地勢整體北高南低，地表植被發(fā)育。根據(jù)地質(zhì)資料地下水位于地面下5.0 m、對應(yīng)高程261.40 m處，槽內(nèi)邊墻凈高為5 m～9 m，邊墻間凈寬度為14 m。

1.1 工程地質(zhì)

本區(qū)段主要地層如下:

①耕土:場地表層覆蓋土，主要由粘性土及大量植物根系組成，層厚1.00 m ～1.20 m。

②粉質(zhì)粘土:褐色，硬可塑～硬塑，含鐵質(zhì)氧化物，粘性較好，無搖震反應(yīng)、稍有光滑、干強(qiáng)度中等、韌性中等，屬中等壓縮性土，分布普遍，厚度為2.30 m ～3.00 m。

③粗砂:黃色，稍濕，中密，顆粒均勻，磨圓度良好。層面埋深0.50 m ～2.00 m。層厚1.50 m，分布連續(xù)。

④礫砂:褐色，顆粒不均，中密，飽和，未揭穿，揭露厚度14.50 m～15.00 m，分布連續(xù)。K=50 m/d。

1.2 地層承載力

地層承載力見表1。

表1 地層承載力

1.3 場地土類型和場地類型

本區(qū)為季節(jié)性凍土地區(qū)，標(biāo)準(zhǔn)凍深為2.30 m，②粉質(zhì)粘土為強(qiáng)凍脹土，場地為Ⅱ類場地。

2 封閉式路塹結(jié)構(gòu)形式的選擇

橫斷面設(shè)計(jì)成U型槽整體結(jié)構(gòu)，其基本部分分為邊墻和底板兩部分。

2.1 邊墻

邊墻的橫斷面形式一般包括矩形、梯形和階梯形，其中矩形和梯形在工程上有較多應(yīng)用，特別是梯形邊墻受到最廣泛的應(yīng)用，一般把邊墻高度和地下水位作為依據(jù)，來確定邊墻頂部寬度、外側(cè)坡率。挖深較大或邊墻受力較大的路段一般采用梯形邊墻。矩形邊墻因?yàn)橛性O(shè)計(jì)及施工簡單的特點(diǎn)，所以一般用于挖深較小或邊墻受力較小的路段。它的缺點(diǎn)是當(dāng)路段有較大的挖深、受到較大的力時(shí)，如果上、下端都采用一樣的截面寬度，勢必浪費(fèi)材料，或者當(dāng)邊墻的寬度受到限制而不能滿足邊墻受力所需要的截面寬度時(shí)，都不能采用。階梯形邊墻雖然能夠節(jié)省材料，但是集中應(yīng)力容易在其截面寬度變化直角處產(chǎn)生，在受到較大的外力作用時(shí)邊墻容易發(fā)生斷裂，因此此種形式的邊墻應(yīng)用的較少。梯形邊墻又被稱作漸變形邊墻，一般頂部有較小的寬度，同時(shí)沒有以上兩種形式的缺點(diǎn)，而且它上小下大的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)。

2.2 底板

底板一般采用矩形斷面，其兩端可以適當(dāng)伸出一定的長度，此長度根據(jù)邊界寬度的限制或抗浮計(jì)算來確定。如果用底板增重的方法來滿足抗浮條件，那么在同等條件下，伸出一定的長度可以比兩端不伸出時(shí)減少一定的底板厚度。

2.3 U型槽結(jié)構(gòu)選擇

本工程U型槽橫斷面詳見圖1，其中邊墻頂寬取0.3 m，內(nèi)坡直立，外坡坡度為 1∶0.1。底板厚取 0.8 m。

圖1 U型槽橫斷面圖（單位:m）

U型槽結(jié)構(gòu)采用抗?jié)B等級(jí)不小于P6的C40混凝土，受力鋼筋選用HRB335，其他鋼筋選用HPB300。槽內(nèi)路面采用0.2 m厚鋼纖維混凝土+0.20 m水泥穩(wěn)定砂礫，U型槽內(nèi)路面下部鋪填0.3 m摻入10%灰土+素土夯填，U型槽下部鋪0.1 m厚的C15素混凝土墊層，保證基礎(chǔ)在路面以下2.3 m。每隔20 m設(shè)沉降縫一道。

3 U型槽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)U型槽結(jié)構(gòu)的組成，U型槽的計(jì)算也分為兩部分即邊墻計(jì)算和底板計(jì)算。

3.1 邊墻計(jì)算

1)自重。

根據(jù)材料容重和初定的截面尺寸計(jì)算結(jié)構(gòu)自重。當(dāng)邊墻截面為梯形時(shí)，要計(jì)算上部三角形土體的重力。

2)活載。

墻頂外側(cè)活載(邊墻外側(cè)頂部有輔道時(shí))是邊墻受力計(jì)算需要考慮的主要活載;通常用一個(gè)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。

3)墻背土壓力和水壓力。

除了墻頂外側(cè)活載，作用在邊墻上的荷載還有土壓力和地下水的水壓力。邊墻土壓力和水壓力是進(jìn)行邊墻、底板斷面尺寸設(shè)計(jì)以及驗(yàn)算其穩(wěn)定性和強(qiáng)度的重要依據(jù)。

土壓力主要有靜止土壓力和主動(dòng)土壓力兩種，因?yàn)閁型槽結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其在墻后填土的推力作用下，邊墻不發(fā)生任何變形和位移，即邊墻絕對不動(dòng)，墻后填土由于墻背的側(cè)限作用而處于彈性平衡狀態(tài)。此時(shí)，作用在邊墻上的土壓力就是靜止土壓力。邊墻計(jì)算模型的選擇見表2。

表2 邊墻計(jì)算模型［1］

4)邊墻結(jié)構(gòu)的計(jì)算。

邊墻一般按受彎構(gòu)件或偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行內(nèi)力、變形及配筋計(jì)算。

本結(jié)構(gòu)基坑開挖后，換填砂類滲水土，采用水土分算來計(jì)算側(cè)向壓力。邊墻受力見圖2(取9 m邊墻分析)。

圖2 邊墻受力分析（單位:kPa）

按照GB 50010-2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中的受彎構(gòu)件對其進(jìn)行內(nèi)力、截面計(jì)算并驗(yàn)算。

3.2 底板計(jì)算

1)活載。

槽內(nèi)上部車輛荷載和人群荷載是底板計(jì)算時(shí)要考慮的主要活載。計(jì)算時(shí)，汽車荷載按等效集中荷載考慮，人群按均布荷載考慮。

2)槽內(nèi)填土。

槽內(nèi)填土按均布荷載考慮。

3)邊墻固端彎矩。

固端彎矩是由水壓力和土壓力在邊墻底部產(chǎn)生的，是作為集中彎矩施加在底板上的。

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。

5)地下水浮力。

地下水對水位以下的結(jié)構(gòu)不僅有靜水壓力的作用，而且有浮力產(chǎn)生。必須對結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算。

6)底板結(jié)構(gòu)的計(jì)算。

根據(jù)抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算，確定本結(jié)構(gòu)底板厚度0.8 m滿足要求。底板受力見圖3。

圖3 底板受力分析

底板的計(jì)算一般采用彈性地基梁法，但是彈性地基的解法有很多種［2］。通過對這些解法的分析，可以得出以下規(guī)律:除了文克爾地基只能使用文克爾假定法，加載方式為邊荷載時(shí)，只能用鏈桿法和蔡氏法外，其他情況下，都可以用簡單冪級(jí)數(shù)法。

進(jìn)行配筋，必要時(shí)可改變底板的厚度。結(jié)合本工程的地基條件，底板采用彈性地基梁法，解法選用簡單冪級(jí)數(shù)法，參考相關(guān)文獻(xiàn)［3］［4］進(jìn)行計(jì)算。

4 結(jié)語

本文通過一個(gè)實(shí)例，簡單的闡述了U型槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算的一般方法，立足于各個(gè)環(huán)節(jié)上，對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。為同類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了參考。實(shí)際上還有很多問題沒有考慮到。對于邊墻與底板、框架橋與U型槽之間的防水防滲問題，基坑工程中的防水、排水問題等，都需要進(jìn)一步的研究。

［1］李 虹.公路U形封閉式路塹優(yōu)化設(shè)計(jì)方法探討［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011(9):27-29.

［2］孫愛斌，吳連海.天津某U型槽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2006(7):49-53.

［3］巖土工程手冊編委會(huì).巖土工程手冊［M］.北京:中國建筑工程出版社，1994.

［4］楊維加.彈性地基梁的三角基數(shù)解法［M］.北京:中國水利水電出版社，2007.