單孔箱涵在南美濱海軟土地基中的受力分析

何壯志

（中國(guó)水利水電第十二工程局有限公司國(guó)際工程公司， 浙江 杭州 310006）

1 工程背景

圭亞那謝里夫-曼德拉道路升級(jí)拓寬項(xiàng)目是中國(guó)電建集團(tuán)在圭亞那的首個(gè)公路項(xiàng)目，工程位于圭亞那首都喬治敦市內(nèi)，涉及居民眾多，對(duì)優(yōu)化首都市區(qū)環(huán)境、減緩交通壓力、改善居民生活條件有重要意義。項(xiàng)目主要涉及沿線近7km 的道路改造和沿線兩側(cè)排水系統(tǒng)的重建，其中包括7 個(gè)過(guò)路涵洞的建設(shè)。工程秉承一貫的高標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量要求，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際尋找工程創(chuàng)新點(diǎn)，為國(guó)際項(xiàng)目積累寶貴經(jīng)驗(yàn)。

2 工程概況

圭亞那謝里夫-曼德拉道路升級(jí)拓寬項(xiàng)目CH 3+195 單孔箱涵，位于首都喬治敦市區(qū)曼德拉大道與普林賽斯路交叉口，是市區(qū)內(nèi)重要的交通樞紐，交通壓力大、周邊居民眾多。新建單孔箱涵除了面臨施工難度大的問(wèn)題，還必須保證涵洞的建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，否則將對(duì)首都交通產(chǎn)生極大影響。

箱涵總長(zhǎng)度13.74m，凈跨長(zhǎng)2.52m，為單孔過(guò)路箱涵，箱涵設(shè)計(jì)為C50 強(qiáng)度等級(jí)混凝土，設(shè)計(jì)鋼筋等級(jí)為HRB400，箍筋配筋按T12@100，縱筋配筋按T16@150。

涵洞內(nèi)設(shè)計(jì)水深為1.7m，洪水深2.7m，初步勘察兩側(cè)地下水標(biāo)高1.5m。箱涵上部填土，包括路基路面，總厚度為1m，填土綜合容重取18kN/m2，飽和重度20kN/m2。

通過(guò)初步計(jì)算箱涵自重為425.67kN，汽車(chē)荷載按規(guī)范要求取3.52kN/m，均布荷載作用于涵頂。同時(shí)箱涵各部位各自承受土壓力、內(nèi)外水壓力，并需要考慮一定的活荷載。各項(xiàng)荷載的基本組合系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 荷載基本組合系數(shù)表

三種荷載組合按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010-2010)設(shè)定，分別對(duì)應(yīng)了基本荷載組合、偶然荷載和標(biāo)準(zhǔn)荷載組合。組合其中需要結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件進(jìn)行水土分算，即所提及豎向荷載和水平荷載為除水壓力以外的其他荷載。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 穩(wěn)定性驗(yàn)算

根據(jù)表1 中的荷載基本組合系數(shù)，對(duì)三種組合下產(chǎn)生的基底壓力進(jìn)行計(jì)算，分別得到組合1、2、3 對(duì)應(yīng)的基底壓力為36.21kPa、33.94kPa 及46.47kPa，而根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG-D63-2007），天然含水率40%的軟土地基承載力基本容許值fa0 為90kPa，故可知結(jié)構(gòu)滿足地基承載力需要。

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗浮驗(yàn)算可知抗浮穩(wěn)定性系數(shù)K=3.2＞1.1，故滿足規(guī)范要求。

3.2 內(nèi)力計(jì)算

按彈性地基模型對(duì)三種荷載組合形式進(jìn)行計(jì)算，得到三種組合形式下箱涵受力圖，三種荷載組合下箱涵各部分受力規(guī)律不同：

基本荷載組合下，活荷載以外未考慮土壓力及外側(cè)水壓力，結(jié)構(gòu)僅受自重及內(nèi)部水壓影響。故箱涵側(cè)墻受水平向力作用與水位以下，且自水面以下呈線性增長(zhǎng)，從水面處起均速增長(zhǎng)至墻腳位置達(dá)最大值21.59kPa。頂板受壓力9kPa，底板受壓力30.59kPa，均布向下作用。

基本荷載組合下，活荷載以外未考慮內(nèi)部水壓。箱涵兩側(cè)側(cè)墻既受外部土壓力作用，又受外部地下水壓力作用。故在地下水位以上部分受到主動(dòng)土壓力呈線性遞增，由8.76kPa 均速增長(zhǎng)至16.99kPa。其下為土壓力與水壓力共同作用，至墻底作用力為39.85kPa。且側(cè)墻受豎向壓力19.17kPa，頂板受壓力36.3kPa，底板受壓力9kPa，均布向下作用。

標(biāo)準(zhǔn)荷載組合下，綜合考慮了自重、土壓力、內(nèi)外水壓力以及其他各項(xiàng)活荷載。側(cè)墻受力規(guī)律與偶然荷載組合相似，最大荷載39.85kPa，發(fā)生在墻角位置。且側(cè)墻受豎向壓力19.17kPa，頂板受壓力36.3kPa，底板受壓力30.59kPa，均布向下作用。

3.3 裂縫驗(yàn)算

混凝土構(gòu)件因其結(jié)構(gòu)構(gòu)造，在過(guò)分受壓或者受拉的情況下會(huì)產(chǎn)生裂縫，當(dāng)裂縫發(fā)展到一定程度即會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件的破壞[1]。而裂縫的發(fā)展與裂縫大小有緊密關(guān)系，參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，構(gòu)件處于受拉或受彎或偏心受壓時(shí)，應(yīng)按作用效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)荷載組合控制裂縫寬度。

箱涵整體發(fā)生裂縫最大寬度在0.13mm，發(fā)生在底板內(nèi)側(cè)中部。底板兩端外側(cè)可能產(chǎn)生的裂縫最大寬度為0.11mm，反映出底板受力規(guī)律。箱涵兩側(cè)側(cè)墻產(chǎn)生的最大裂縫寬度0.1mm，作用在與底板相接處的墻腳位置，且箱涵兩側(cè)側(cè)墻的裂縫分布一致，與受力情況相符。頂板位置產(chǎn)生的最大裂縫寬度為0.09mm，位于頂板中部?jī)?nèi)側(cè)，兩端可能發(fā)生最大裂縫寬度0.06mm，相互對(duì)稱(chēng)，符合受力規(guī)律。

綜上所述，裂縫的產(chǎn)生與箱涵受力方式有關(guān)，且裂縫寬度也與受力大小有關(guān)。在此工程中所產(chǎn)生的裂縫較小，能保證箱涵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生貫通縫導(dǎo)致箱涵滲水，也不會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞。

3.4 樁基承載力計(jì)算

為提高結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，針對(duì)濱海高水位軟土地基對(duì)過(guò)路箱涵下加設(shè)樁基。秉承“因地制宜”的思想，采用當(dāng)?shù)氐木G芯木作為樁基材料。綠芯木是南美洲圭亞那特有的一種木材，其質(zhì)地堅(jiān)韌，防水防蛀，具有很好的力學(xué)性能，在當(dāng)?shù)貜V泛應(yīng)用于施工建設(shè)中。

將其與不同標(biāo)號(hào)混凝土進(jìn)行比較可知：綠芯木材料的抗壓強(qiáng)度及抗彎強(qiáng)度均遠(yuǎn)超各標(biāo)號(hào)混凝土，彈性模量與C50 混凝土相近。這說(shuō)明同尺寸的綠芯木樁在受力變形規(guī)律上與C50 素混凝土樁可能相近，而極限承載力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于混凝土樁。以下可根據(jù)力學(xué)原理對(duì)綠芯木樁的單樁承載力進(jìn)行C50 素混凝土樁的類(lèi)比計(jì)算。

考慮到富水軟土地基可能存在的地基土液化情況，取合理范圍內(nèi)液化折減系數(shù)為0.7。通過(guò)計(jì)算可知其極限側(cè)摩為570.2kN。根據(jù)地層條件地基樁屬于摩擦樁，摩擦樁的所有承載力都來(lái)自于其側(cè)摩阻力，即單樁豎向極限承載力為570.2kN。再根據(jù)《樁基規(guī)范》可計(jì)算得出樁身受壓承載力為1224.63kN，實(shí)際同樣尺寸的綠芯木樁的樁身受壓承載力約為3466kN。

而通過(guò)上文計(jì)算可知，新建箱涵連同內(nèi)部水體自重475.67kN/m，整體構(gòu)件總重約6783kN，一根單樁顯然達(dá)不到結(jié)構(gòu)要求，還會(huì)造成斷樁。由數(shù)據(jù)約至少采用12 根綠芯木樁作為單樁作用，可保證樁基穩(wěn)定。各樁應(yīng)均布分散于基底全長(zhǎng)布置，樁間距不宜過(guò)小以免產(chǎn)生群樁效應(yīng)降低單樁平均承載力。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)圭亞那謝里夫-曼德拉道路升級(jí)拓寬項(xiàng)目CH 3+195 單孔箱涵，通過(guò)力學(xué)計(jì)算分析得其受力結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生大的裂縫且結(jié)構(gòu)安全。并通過(guò)類(lèi)比驗(yàn)證的方法，分析了至少使用12 根符合設(shè)計(jì)規(guī)范的綠芯木樁作為單樁基礎(chǔ)才能保證基底穩(wěn)定，從而滿足結(jié)構(gòu)整體性穩(wěn)定要求。為國(guó)際工程施工提供了分析與解決的思路。