高 健,陳 丹,馮佳佳
(南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)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(tái)設(shè)計(jì)方案分析
高 健,陳 丹,馮佳佳
(南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)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(diǎn)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(duì)河道中道路平臺(tái)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(tái)從建設(shè)到運(yùn)用的各個(gè)階段,平臺(tái)底板的沉降相對(duì)比較均勻,沒有明顯的差異沉降;此外,道路平臺(tái)的基底應(yīng)力值分布相對(duì)不均,底板兩側(cè)及柱端基底應(yīng)力相對(duì)較大,底板中部基底應(yīng)力相對(duì)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(tái)的設(shè)計(jì)方案是可行的。
河道;道路平臺(tái);沉降;基底應(yīng)力
城市中日益增多的各類車輛對(duì)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(duì)緊張,伴隨著拆遷難、移民難等一系列社會(huì)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(duì)較小,河道中道路平臺(tái)的建設(shè),對(duì)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(duì)較多,天然河道中涉水工程建設(shè)時(shí),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(tái)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(duì)這一問題開展了研究[5-7],大量結(jié)果表明不同的設(shè)計(jì)方案往往會(huì)帶來不同的影響,因此,很有必要針對(duì)具體的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行具體的分析。
1.1工程概況
本文研究項(xiàng)目位于江蘇省淮安市一景觀河道上,該研究項(xiàng)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(gè)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(tái),停車平臺(tái)采用現(xiàn)澆的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。河道中停車平臺(tái)的設(shè)計(jì)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(tái)底板厚1 m,每隔16 m設(shè)置一個(gè)分縫,每段設(shè)置4個(gè)0.8 m× 0.8 m的立柱,支撐上部平臺(tái)。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(jì)算模型
為了研究分析道路平臺(tái)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(jì)算軟件,對(duì)該河道中的道路平臺(tái)進(jìn)行了模擬分析。根據(jù)設(shè)計(jì)典型斷面圖,選取了道路平臺(tái)兩個(gè)分縫中間的一個(gè)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(tái)的框架結(jié)構(gòu)如圖3中所示。由于該工程設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)斷面圖構(gòu)建。
1.3材料參數(shù)
為了真實(shí)地分析結(jié)構(gòu)的受力及位移情況,計(jì)算過程中根據(jù)地質(zhì)勘測資料對(duì)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(jì)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(jì)斷面圖(單位:mm)
圖2 整體三維模型圖
圖3 道路平臺(tái)框架模型圖
表1 計(jì)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(jì)工況,即道路平臺(tái)非正常(施工期或竣工期)運(yùn)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(jì)使用年限為50年,結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí),汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)采用公路—Ⅱ級(jí)。
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(shí)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(gè)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(jì)算時(shí)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(gè)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(jì)算過程
與前文的兩個(gè)方案計(jì)算過程類似,計(jì)算過程中,充分考慮到整個(gè)工程的建設(shè)過程,分4個(gè)步驟進(jìn)行:第一步,計(jì)算道路平臺(tái)施工后道路平臺(tái)整體沉降及基底應(yīng)力情況;第二步,計(jì)算道路平臺(tái)兩側(cè)土體回填后道路平臺(tái)整體沉降及基底應(yīng)力情況;第三步,計(jì)算車輛荷載施加后道路平臺(tái)整體沉降及基底應(yīng)力情況;第四步,計(jì)算河道過水后道路平臺(tái)整體沉降及基底應(yīng)力情況。
2.1沉降分析
通過數(shù)值計(jì)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(tái)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(tái)左岸頂部位置,道路平臺(tái)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(tái)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(tái)左側(cè)的沉降最大,但是在整個(gè)建設(shè)過程中,從道路平臺(tái)建成、土體回填、道路平臺(tái)運(yùn)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(duì)道路平臺(tái)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(huì)對(duì)導(dǎo)致停車平臺(tái)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(jì)算,可以得到不同階段平臺(tái)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(duì)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(duì)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(duì)較小。由圖中數(shù)據(jù)分析可知,從停車平臺(tái)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(gè)過程中,道路平臺(tái)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(tái)基底應(yīng)力云圖(單位:kPa)
河道中涉水工程的建設(shè),由于河底地基及工程受力特點(diǎn)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(duì)河道中道路平臺(tái)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(tái)從建設(shè)到運(yùn)用的各個(gè)階段,平臺(tái)底板的沉降相對(duì)比較均勻,沒有明顯的差異沉降;此外,道路平臺(tái)的基底應(yīng)力值分布相對(duì)不均,底板兩側(cè)及柱端基底應(yīng)力相對(duì)較大,底板中部基底應(yīng)力相對(duì)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(tái)的設(shè)計(jì)方案是可行的。
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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(yùn)等設(shè)計(jì)工作。