公路U形封閉式路塹優(yōu)化設(shè)計(jì)方法探討

李 虹

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

隨著我國(guó)對(duì)公路、鐵路投資力度的加大，交通網(wǎng)絡(luò)日趨完善，網(wǎng)絡(luò)交叉節(jié)點(diǎn)越來越多，一般采用上跨、平交和下穿3種方式。由于下穿方式具有保護(hù)環(huán)境、占用耕地少等優(yōu)點(diǎn)，被逐步重視起來。其中，封閉式路塹作為下穿方式中的一種特殊形式，具有自身顯著的特點(diǎn):

(1)封閉式路塹一般設(shè)置在地下水埋深較淺或地下水露頭的路段;

(2)封閉式路塹呈U形，邊墻與底板直接相連;

(3)封閉式路塹一般與框構(gòu)相接，共同形成下穿通道;

(4)封閉式路塹須具有很強(qiáng)的防水、排水功能;

(5)封閉式路塹須有配套的交通安全設(shè)施。

對(duì)于公路下穿式立交引道U形封閉式路塹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各大設(shè)計(jì)單位都積累了豐富的經(jīng)驗(yàn):一部分專家及高校學(xué)者對(duì)封閉式路塹的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了論述分析，然而卻沒有一種公認(rèn)的最優(yōu)方法加以推廣使用。目前，封閉式路塹設(shè)計(jì)存在的問題主要包括:

(1)工程造價(jià)高，為了保證工程的安全性，留有過大的安全儲(chǔ)備，導(dǎo)致造價(jià)過高;

(2)計(jì)算和設(shè)計(jì)過程繁瑣，直接導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期過長(zhǎng);

(3)設(shè)計(jì)方法和計(jì)算模型的選擇不夠靈活，不分地質(zhì)差別使用統(tǒng)一的計(jì)算模型、選取同樣的參數(shù)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)不夠合理;

(4)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，與低等級(jí)道路相交時(shí)，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)過高，而高等級(jí)公路下穿時(shí)，安全儲(chǔ)備量不足;

(5)忽視附屬設(shè)施設(shè)計(jì)，封閉式路塹設(shè)計(jì)精細(xì)程度，包括交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)、路基、路面排水的銜接等問題處理不夠。

因此，通過對(duì)封閉式路塹進(jìn)行分級(jí)，從而選取合理的計(jì)算模型和設(shè)計(jì)參數(shù)，統(tǒng)一設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、完善細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，以達(dá)到保證工程安全、降低工程造價(jià)的目的。

1 封閉式路塹分級(jí)

由于不同等級(jí)的道路相交，其設(shè)計(jì)速度、安全要求等各不相同，因此可以針對(duì)不同道路交叉情況，規(guī)定封閉式路塹設(shè)計(jì)等級(jí)。

可按照安全、經(jīng)濟(jì)的原則，通過對(duì)不同等級(jí)的道(鐵)路交叉進(jìn)行分級(jí)，分級(jí)情況如表1所示。

表1 封閉式路塹分級(jí)

從表1可知，根據(jù)不同的道路交叉形式將封閉式路塹劃分為兩級(jí)，Ⅰ級(jí)封閉式路塹安全儲(chǔ)備量較大，設(shè)計(jì)年限為50～60年，安全系數(shù)為1.1;Ⅱ級(jí)封閉式路塹安全儲(chǔ)備量相對(duì)較小，設(shè)計(jì)年限為20～50年，安全系數(shù)為1.05。

2 封閉式路塹的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

2.1 邊墻優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

邊墻的橫斷面形式一般可分為3種:梯形、矩形和階梯形，其中梯形和矩形應(yīng)用較多，梯形邊墻應(yīng)用最為廣泛，根據(jù)邊墻高度和地下水位的高低，邊墻頂部寬度一般取0.5～1 m，邊墻內(nèi)側(cè)直立，外側(cè)坡率一般取1∶0.15～1∶0.2。一般適用于挖深較大或邊墻受力較大的路段。

矩形邊墻設(shè)計(jì)及施工簡(jiǎn)單，一般適用于挖深較小或邊墻受力較小的路段。缺點(diǎn)是當(dāng)挖深較大、受力較大時(shí)，上下端都采用較大的截面寬度，容易造成材料浪費(fèi)，或者當(dāng)線路平面布置該邊墻位置寬度有限制而小于邊墻受力所需要的截面寬度時(shí)，則無法采用。

階梯形邊墻雖然也節(jié)省材料，但是其截面寬度變化處直角的存在容易產(chǎn)生集中應(yīng)力，在受力較大時(shí)容易斷裂，因此此種形式的邊墻應(yīng)用較少。

作用在邊墻上的荷載主要包括:墻背活載、土壓力和水壓力。因此邊墻一般按受彎構(gòu)件或偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行內(nèi)力、變形及配筋計(jì)算。

(1)活載

邊墻受力計(jì)算需要考慮墻頂外側(cè)活載，如邊墻外側(cè)頂部有輔道時(shí);墻頂外側(cè)車輛荷載通常用一個(gè)均布荷載來代替，進(jìn)行相應(yīng)受力分析。

(2)墻背土壓力和水壓力

作用在邊墻上的荷載，除了土壓力外，還有地下水的水壓力。邊墻土壓力和水壓力是設(shè)計(jì)邊墻、底板斷面尺寸及驗(yàn)算其穩(wěn)定性和強(qiáng)度的主要荷載。

①土壓力

土壓力主要分為靜止土壓力和主動(dòng)土壓力，由于邊墻采用鋼筋混凝土澆筑，剛度較大，產(chǎn)生的撓度較小，因此一般采用靜止土壓力，其計(jì)算公式

E=0.5γH2Km，其中，Km=mKa+(1-m)Ko，這里的m可以根據(jù)邊墻側(cè)向變形的容許情況取1～0，Ka、Ko分別為土壓力系數(shù)、主動(dòng)土壓力系數(shù)和靜止土壓力系數(shù)，H為邊墻高度。

②水壓力

水壓力的計(jì)算比較簡(jiǎn)單，受力方向單一，與墻背法線的方向一致，其計(jì)算公式

③水土分算和水土合算

The observables of the wide-and narrow-lane ambiguities are defined as follows,respectively:

為了方便說明，假設(shè)墻后填土與墻背間摩擦系數(shù)δ=0:采用水土分算，作用在邊墻上的側(cè)壓力:E=Es+Et=0.5γsh2+0.5γtH2Km

采用水土合算，作用在邊墻上的側(cè)壓力:E=Es+Et=(0.5γsh2+0.5γtH2)K

比較計(jì)算結(jié)果，其主要區(qū)別在于:采用水土合算時(shí)，需要乘以土壓力系數(shù)K，因此水土分算的結(jié)果要大一些。

由此，對(duì)邊墻的設(shè)計(jì)優(yōu)化主要應(yīng)解決水土合算和水土分算的問題，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及上述理論分析得出邊墻設(shè)計(jì)模型的選取方法，如表2所示。

表2 邊墻設(shè)計(jì)模型的選取方法

2.2 底板優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

底板受地下水浮力、自重及上部車輛、邊墻處側(cè)向土壓力及摩擦力，底板地基反力共同作用，受力和變形計(jì)算是十分復(fù)雜的，其計(jì)算設(shè)計(jì)方法也存在較大爭(zhēng)議。一般情況下采用彈性地基梁法。

(1)計(jì)算模型的選取

表3 計(jì)算模型優(yōu)化方法

(2)斷面尺寸的選擇

封閉式路塹橫斷面尺寸的選擇，除要滿足結(jié)構(gòu)本身的受力要求外，還要考慮抗浮穩(wěn)定性。封閉式路塹整體抗浮穩(wěn)定檢算時(shí)，浮力應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)折減，抗浮穩(wěn)定系數(shù)

式中 Kf——抗浮穩(wěn)定系數(shù);

W——封閉式路塹的重力及其他抗浮力之和;

F——作用于封閉式路塹底板上的浮力;

B——浮力折減系數(shù)。

在滿足承載力極限狀態(tài)，正常使用極限狀態(tài)和抗浮穩(wěn)定的前提下，如何選取邊墻的頂寬、背坡的坡率以及底板的厚度，使得邊墻和底板的變形不致太大，且鋼筋混凝土的配筋率達(dá)到最優(yōu)，從而節(jié)省工程造價(jià)，需要反復(fù)計(jì)算，認(rèn)真比較。

2.3 其他設(shè)施優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

在進(jìn)行封閉式路塹設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮交通安全設(shè)施和排水設(shè)施。交通安全設(shè)施可以通過設(shè)置護(hù)欄、限高、限速標(biāo)志，限速標(biāo)線以及物理設(shè)施來保證行車安全;而排水設(shè)計(jì)主要存在U形槽雨水匯流時(shí)間短，水量大，易造成積水等特點(diǎn)，因此其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)較高，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮槽內(nèi)地下水和雨水的收集排放，提高一個(gè)等級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)封閉式路塹進(jìn)行分級(jí)，并合理選取設(shè)計(jì)參數(shù)，來達(dá)到降低工程造價(jià)、保證工程安全、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的目的。

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