某封閉式路塹U 型槽結構的設計與計算

張 恒 李家穩(wěn)

(北方工業(yè)大學建筑工程學院，北京 100144)

封閉式路塹U型槽結構是一種較新的結構形式，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，其應用也越來越多。但是，目前這種結構的計算還沒有公認的好方法，也沒有設計規(guī)范。一般采用較簡單的倒梁法或者經驗類比法來對底板內力進行估算或者計算，得出來的結果自然與實際情況相差甚遠，甚至會導致工程事故的發(fā)生。因此探索一種較為合理的計算方法是十分有必要的。通過對封閉式路塹U型槽結構的優(yōu)化設計，能夠為今后封閉式路塹U型槽的設計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。根據地質資料地下水位于地面下5.0 m、對應高程261.40 m處，槽內邊墻凈高為5 m～9 m，邊墻間凈寬度為14 m。

1.1 工程地質

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粉質粘土:褐色，硬可塑～硬塑，含鐵質氧化物，粘性較好，無搖震反應、稍有光滑、干強度中等、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)，標準凍深為2.30 m，②粉質粘土為強凍脹土，場地為Ⅱ類場地。

2 封閉式路塹結構形式的選擇

橫斷面設計成U型槽整體結構，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用，特別是梯形邊墻受到最廣泛的應用，一般把邊墻高度和地下水位作為依據，來確定邊墻頂部寬度、外側坡率。挖深較大或邊墻受力較大的路段一般采用梯形邊墻。矩形邊墻因為有設計及施工簡單的特點，所以一般用于挖深較小或邊墻受力較小的路段。它的缺點是當路段有較大的挖深、受到較大的力時，如果上、下端都采用一樣的截面寬度，勢必浪費材料，或者當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，都不能采用。階梯形邊墻雖然能夠節(jié)省材料，但是集中應力容易在其截面寬度變化直角處產生，在受到較大的外力作用時邊墻容易發(fā)生斷裂，因此此種形式的邊墻應用的較少。梯形邊墻又被稱作漸變形邊墻，一般頂部有較小的寬度，同時沒有以上兩種形式的缺點，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力分布相適應。

2.2 底板

底板一般采用矩形斷面，其兩端可以適當伸出一定的長度，此長度根據邊界寬度的限制或抗浮計算來確定。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減少一定的底板厚度。

2.3 U型槽結構選擇

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型槽結構采用抗?jié)B等級不小于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，保證基礎在路面以下2.3 m。每隔20 m設沉降縫一道。

3 U型槽結構的設計計算

根據U型槽結構的組成，U型槽的計算也分為兩部分即邊墻計算和底板計算。

3.1 邊墻計算

1)自重。

根據材料容重和初定的截面尺寸計算結構自重。當邊墻截面為梯形時，要計算上部三角形土體的重力。

2)活載。

墻頂外側活載(邊墻外側頂部有輔道時)是邊墻受力計算需要考慮的主要活載;通常用一個均布荷載來代替墻頂外側活載，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行邊墻、底板斷面尺寸設計以及驗算其穩(wěn)定性和強度的重要依據。

土壓力主要有靜止土壓力和主動土壓力兩種，因為U型槽結構為鋼筋混凝土結構，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，墻后填土由于墻背的側限作用而處于彈性平衡狀態(tài)。此時，作用在邊墻上的土壓力就是靜止土壓力。邊墻計算模型的選擇見表2。

表2 邊墻計算模型［1］

4)邊墻結構的計算。

邊墻一般按受彎構件或偏心受壓構件進行內力、變形及配筋計算。

本結構基坑開挖后，換填砂類滲水土，采用水土分算來計算側向壓力。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混凝土結構設計規(guī)范中的受彎構件對其進行內力、截面計算并驗算。

3.2 底板計算

1)活載。

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

2)槽內填土。

槽內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構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構不僅有靜水壓力的作用，而且有浮力產生。必須對結構進行抗浮穩(wěn)定性驗算。

6)底板結構的計算。

根據抗浮穩(wěn)定性驗算，確定本結構底板厚度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，只能用鏈桿法和蔡氏法外，其他情況下，都可以用簡單冪級數法。

進行配筋，必要時可改變底板的厚度。結合本工程的地基條件，底板采用彈性地基梁法，解法選用簡單冪級數法，參考相關文獻［3］［4］進行計算。

4 結語

本文通過一個實例，簡單的闡述了U型槽結構設計和計算的一般方法，立足于各個環(huán)節(jié)上，對其進行優(yōu)化設計。為同類結構的設計提供了參考。實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，都需要進一步的研究。

［1］李 虹.公路U形封閉式路塹優(yōu)化設計方法探討［J］.鐵道標準設計，2011(9):27-29.

［2］孫愛斌，吳連海.天津某U型槽結構的設計與計算［J］.鐵道工程學報，2006(7):49-53.

［3］巖土工程手冊編委會.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解法［M］.北京:中國水利水電出版社，2007.