河道中擬建整體式道路平臺設(shè)計方案分析

高 健，陳 丹，馮佳佳

（南京市水利規(guī)劃設(shè)計院責(zé)任有限公司，江蘇 南京 210006）

河道中擬建整體式道路平臺設(shè)計方案分析

高 健，陳 丹，馮佳佳

（南京市水利規(guī)劃設(shè)計院責(zé)任有限公司，江蘇 南京 210006）

河道中涉水工程的建設(shè)，由于河底地基及工程受力特點的特殊性，極易發(fā)生不均勻沉降及基底應(yīng)力過大的情況。借助三維有限元數(shù)值分析軟件，針對河道中道路平臺的沉降及基底應(yīng)力情況進(jìn)行了模擬分析。結(jié)果表明：河道中道路平臺從建設(shè)到運用的各個階段，平臺底板的沉降相對比較均勻，沒有明顯的差異沉降；此外，道路平臺的基底應(yīng)力值分布相對不均，底板兩側(cè)及柱端基底應(yīng)力相對較大，底板中部基底應(yīng)力相對較小，但是基底應(yīng)力在地基承載能力范圍之內(nèi)。因此，河道中該種整體型的道路平臺的設(shè)計方案是可行的。

河道；道路平臺；沉降；基底應(yīng)力

0　引　言

城市中日益增多的各類車輛對傳統(tǒng)的城市道路不斷提出挑戰(zhàn)。為了緩解城市中交通擁堵的情況，城市道路不得不在原有的基礎(chǔ)上不斷拓寬。但是，城市中建筑用地相對緊張，伴隨著拆遷難、移民難等一系列社會問題，導(dǎo)致很多情況下城市道路不得不向道路沿線的河道“要空間”。

在過水能力方面，城市中河道寬度一般相對較小，河道中道路平臺的建設(shè)，對河道原始斷面影響較小，河道的過水與行洪能力變化不大，一般可以不予考慮。然而，河道中常年過水，河底地基在浸水條件下，河底地基往往比較松軟，淤泥質(zhì)材料也相對較多，天然河道中涉水工程建設(shè)時，很難做到大范圍完整地清理換填地基。因此，河道中涉水工程極易產(chǎn)生差異沉降及基底應(yīng)力分布不均等情況[1-4]。尤其是河道中道路平臺上車輛荷載較大，河底軟弱地基的差異沉降容易導(dǎo)致路面開裂乃至沉陷。國內(nèi)外很多學(xué)者針對這一問題開展了研究[5-7]，大量結(jié)果表明不同的設(shè)計方案往往會帶來不同的影響，因此，很有必要針對具體的設(shè)計方案進(jìn)行具體的分析。

1　工程概況及計算模型

1.1工程概況

本文研究項目位于江蘇省淮安市一景觀河道上，該研究項目位于貫穿城市的一條河流中部位置。該河流自東向西貫穿整個城區(qū)，在河道底部2.5 m的位置，順著河流流向布置了一條有壓排水管道?，F(xiàn)由于城市規(guī)劃建設(shè)的需要，要在河道左岸建設(shè)一寬約5 m的道路平臺，停車平臺采用現(xiàn)澆的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。河道中停車平臺的設(shè)計斷面如圖1所示，河道左右兩岸開挖后采用錨桿支護(hù)，表面采用素混凝土噴護(hù)，筏板式道路平臺底板厚1 m，每隔16 m設(shè)置一個分縫，每段設(shè)置4個0.8 m× 0.8 m的立柱，支撐上部平臺。河道底部圓管為供水管道，管徑為1.8 m，管壁厚0.5 m，河道底部寬15 m，河道中常年水深為1.1 m。

1.2計算模型

為了研究分析道路平臺建設(shè)在河底之后整體的沉降情況及基底應(yīng)力的情況，借助三維有限元計算軟件，對該河道中的道路平臺進(jìn)行了模擬分析。根據(jù)設(shè)計典型斷面圖，選取了道路平臺兩個分縫中間的一個典型的河段，構(gòu)建了有限元三維模型,如圖2所示，其中道路平臺的框架結(jié)構(gòu)如圖3中所示。由于該工程設(shè)計河底縱坡i=0.000 9，就結(jié)構(gòu)分縫所在單一河段而言，河底高程變化較小，因此，本文為了簡化計算，假定河底高程保持不變，其余細(xì)部結(jié)構(gòu)尺寸均根據(jù)設(shè)計斷面圖構(gòu)建。

1.3材料參數(shù)

為了真實地分析結(jié)構(gòu)的受力及位移情況，計算過程中根據(jù)地質(zhì)勘測資料對河底地基進(jìn)行了分層，從上到下大致分為三層，每層的層厚依次為1.5 m、7 m、2 m，框架結(jié)構(gòu)整體采用C25鋼筋混凝土材料。由于土體材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)明顯的非線性特性，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)明顯的線性，因此本文在計算過程中，土體材料采用摩爾—庫倫本構(gòu)模型，鋼筋混凝土材料采用線彈性本構(gòu)模型，各種材料的參數(shù)選取見表1。

圖1　河道典型設(shè)計斷面圖（單位：mm）

圖2　整體三維模型圖

圖3　道路平臺框架模型圖

表1　計算主要材料參數(shù)表

1.4邊界條件

在該工程中，主要分兩種工況進(jìn)行研究分析。工況一位設(shè)計工況，即道路平臺非正常（施工期或竣工期）運用河道無水的情況，工況二位校核工況，即河道過水的情況。該停車平場設(shè)計使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)采用公路—Ⅱ級。

因此，在荷載施加方面，除了結(jié)構(gòu)本身的自重外，還有水壓力、車輛荷載等外部荷載的作用。因此，根據(jù)實際情況在框架底板、擋墻臨水側(cè)以及護(hù)底頂面均定義了1 m靜水壓力；在框架結(jié)構(gòu)的頂部施加8 kN/m2的均布活荷載，每個柱的頂部施加3 000 kN的集中荷載；在管道內(nèi)壁施加0.9 MPa的內(nèi)水壓力，荷載施加情況如圖4所示。

圖4　邊界條件施加情況圖

計算時在模型的周邊需要設(shè)置約束以及外部荷載等邊界條件，在該模型的4個側(cè)面分別施加了垂直側(cè)面的固定約束，在模型的底部施加了豎直方向的固定約束。

1.5計算過程

與前文的兩個方案計算過程類似，計算過程中，充分考慮到整個工程的建設(shè)過程，分4個步驟進(jìn)行：第一步，計算道路平臺施工后道路平臺整體沉降及基底應(yīng)力情況；第二步，計算道路平臺兩側(cè)土體回填后道路平臺整體沉降及基底應(yīng)力情況；第三步，計算車輛荷載施加后道路平臺整體沉降及基底應(yīng)力情況；第四步，計算河道過水后道路平臺整體沉降及基底應(yīng)力情況。

2　沉降及基底應(yīng)力分析

2.1沉降分析

通過數(shù)值計算，可以得到不同階段河道中各建筑物整體的沉降位移云圖，如圖5所示。由圖中數(shù)據(jù)分析可知，道路平臺施工后整體沉降量約為18.9 mm，最大沉降發(fā)生在道路平臺左岸頂部位置，道路平臺兩側(cè)土體回填后整體沉降為24.1 mm，車輛荷載施加后整體沉降為36.3 mm，河道過水后道路平臺整體沉降為40.1 mm。由不同階段的沉降位移云圖不難看出，河道中道路平臺左側(cè)的沉降最大，但是在整個建設(shè)過程中，從道路平臺建成、土體回填、道路平臺運用，到河道過水，地基土中的沉降等值線大致呈現(xiàn)平行的趨勢，說明在底板以下并未有明顯的差異沉降，對道路平臺底板而言發(fā)生更多的是均勻沉降，這表明軟土地基及河底管道不會對導(dǎo)致停車平臺產(chǎn)生差異沉降。

圖5　不同階段整體沉降量云圖（單位：m）

2.2基底應(yīng)力分析

通過數(shù)值計算，可以得到不同階段平臺底板部位的豎向應(yīng)力云圖，如圖6所示。由多組豎向應(yīng)力云圖對比分析可知，由于框架柱的荷載傳遞作用，底板兩端及支撐柱部位基底應(yīng)力相對較大，基底應(yīng)力最大值發(fā)生在底板的左側(cè)部位，底板中部基底應(yīng)力相對較小。由圖中數(shù)據(jù)分析可知，從停車平臺建成之后：在第一階段底板基底應(yīng)力最大值為99.9 kPa，最小值為9.0kPa，基底應(yīng)力均值為54.5kPa；在第二階段底板基底應(yīng)力最大值為119.0 kPa，最小值為5.6 kPa，基底應(yīng)力均值為62.3 kPa；在第三階段底板基底應(yīng)力最大值為199.0 kPa，最小值為5.3 kPa，基底應(yīng)力均值為102.2 kPa；在第四階段底板基底應(yīng)力最大值為220.0 kPa，最小值為19.0 kPa，基底應(yīng)力均值為119.5 kPa。整個過程中，道路平臺基底應(yīng)力不斷增大，但是基底應(yīng)力的均值并未超過地基的承載力值。

圖6　不同階段道路平臺基底應(yīng)力云圖（單位：kPa）

3　結(jié)論

河道中涉水工程的建設(shè)，由于河底地基及工程受力特點的特殊性，極易發(fā)生不均勻沉降及基底應(yīng)力過大的情況。本文借助三維有限元數(shù)值分析軟件，針對河道中道路平臺的沉降及基底應(yīng)力情況進(jìn)行了模擬分析。結(jié)果表明：河道中道路平臺從建設(shè)到運用的各個階段，平臺底板的沉降相對比較均勻，沒有明顯的差異沉降；此外，道路平臺的基底應(yīng)力值分布相對不均，底板兩側(cè)及柱端基底應(yīng)力相對較大，底板中部基底應(yīng)力相對較小，但是基底應(yīng)力在地基承載能力范圍之內(nèi)。因此，河道中該種整體型的道路平臺的設(shè)計方案是可行的。

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TV85

B

1009-7716（2016）04-0053-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.04.018

2015-12-28

高?。?982-），男，江蘇南京人，工程師，從事水工、水運等設(shè)計工作。