公路U型封閉式路塹在軟土地區(qū)的應(yīng)用

□文 /肖健英

公路U型封閉式路塹在軟土地區(qū)的應(yīng)用

□文 /肖健英

封閉式路塹是一種新型的支擋結(jié)構(gòu)，在穿越既有鐵路時(shí)呈現(xiàn)出諸多優(yōu)越性，尤其在北方軟土地區(qū)被廣泛采用。文章介紹了封閉式路塹的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及適用條件，剖析封閉式路塹設(shè)計(jì)中的理論計(jì)算模型、截面尺寸確定、荷載及工況組合等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題并介紹了施工注意事項(xiàng)。

封閉式路塹；U型槽；軟土地基；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為提高通行效率和確保通行安全，大量鐵路與公路相交叉改為立交形式，一些線路不可避免的以路塹下鉆的方式通過(guò)地下水水位較高的地段[1]。U型封閉式路塹結(jié)構(gòu)剛度大、變形小、穩(wěn)定性好、收坡支擋防水效果優(yōu)良[2]，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地下水豐富、地下水位較高、放坡條件受到限制的挖方路基地段。

近年來(lái)，我國(guó)北方地區(qū)修建了大量的U型封閉式路塹，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，也為設(shè)計(jì)及施工工作積累了寶貴的工程經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，U型封閉式路塹結(jié)構(gòu)屬于新型的支擋結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)理論還在不斷完善與發(fā)展中，比如其結(jié)構(gòu)的計(jì)算模式未見(jiàn)公認(rèn)的最優(yōu)方法，目前普遍采用的經(jīng)驗(yàn)公式得出的結(jié)果與工程實(shí)際有一定出入，相關(guān)的規(guī)范尚在編制過(guò)程中。本文將總結(jié)封閉式路塹的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及適用條件，探討U型槽設(shè)計(jì)中的計(jì)算模型、斷面尺寸確定、荷載及工況組合等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

1 特點(diǎn)

U型封閉式路塹是一種特殊的下穿方式，具有對(duì)環(huán)境影響小，占用耕地少等特點(diǎn)[5]。U型槽結(jié)構(gòu)主要由鋼筋混凝土底板和邊墻組成。其主要工作機(jī)理是利用邊墻支撐山坡土體，通過(guò)邊墻、底板自重以及附屬設(shè)施自重抵抗地下水的浮力保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，達(dá)到確保鐵路安全運(yùn)營(yíng)的目的。

1）封閉式路塹已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地下水埋深較淺的區(qū)域，尤其是北方地區(qū)。

2）此種結(jié)構(gòu)類(lèi)型外形呈U形狀，邊墻與底板直接相連。

3）穿越鐵路位置往往采用框式結(jié)構(gòu)，框構(gòu)兩邊連接封閉式路塹，共同形成下穿通道。

4）此種結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的防水、排水功能且配備相應(yīng)的交通安全設(shè)施。

2 結(jié)構(gòu)形式選擇

封閉式路塹結(jié)構(gòu)通常由邊墻及底板組成，其橫斷面被設(shè)計(jì)成U型槽整體結(jié)構(gòu)，采用具有一定抗?jié)B等級(jí)的防水鋼筋混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑而成。

2.1 邊墻

邊墻橫截面型式通常有矩形、階梯形及梯形3種截面形式[1]。

矩形橫斷面寬度不隨深度而變化，一般用于挖深較小或邊墻受力較小的路段。其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)及施工簡(jiǎn)單；但缺點(diǎn)是當(dāng)挖深較大或受力較大時(shí)，上下端都采用較大的截面寬度，容易造成材料浪費(fèi)，另外當(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(wú)法采用。

由于邊墻下部受到的土壓力及水壓力較上部大，而階梯形邊墻尺寸隨深度呈階梯型加大，故階梯形結(jié)構(gòu)可使邊墻下部剛度相應(yīng)提高，這樣可避免矩形截面上部材料浪費(fèi)和頂部過(guò)大占用橫向距離的缺點(diǎn)。但該形式也有自身的缺點(diǎn)，如截面寬度變化處直角的存在易產(chǎn)生應(yīng)力集中，受力鋼筋不好布置，邊墻外側(cè)的防水層施工質(zhì)量難以保證且折角處容易破壞。

梯形橫斷面邊墻頂部寬度較小，同時(shí)可以避免以上兩種形式的缺點(diǎn)且因其上小下大的截面形式也能很好地適應(yīng)土壓力和水壓力的應(yīng)力分布。工程中，往往根據(jù)邊墻高度和地下水位的高低，確定邊墻頂部的寬度。邊墻內(nèi)側(cè)坡度一般直立，但有時(shí)為了開(kāi)闊視野并減小深巷的壓抑感也可考慮設(shè)立一定坡度。

2.2 底板

底板一般采用矩形斷面，根據(jù)邊界寬度的限制及抗浮計(jì)算的需要，確定其兩端伸出邊墻外側(cè)或者不伸出。如果通過(guò)底板增重的方法來(lái)滿足抗浮條件時(shí)，通過(guò)實(shí)際計(jì)算可知，在同樣滿足抗浮的條件下，伸出一定的長(zhǎng)度，可以比兩端不伸出時(shí)減少一定底板厚度。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1 計(jì)算模式與邊界條件

在U型槽結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，通常采取簡(jiǎn)化的計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算[2]。針對(duì)U型槽結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，可取縱向一延米按彈性理論進(jìn)行簡(jiǎn)化。U形槽受地下水浮力、自重及上部車(chē)輛荷載、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[3]。封閉式路塹設(shè)計(jì)和計(jì)算中將底板視作彈性地基梁進(jìn)行內(nèi)力和變形計(jì)算分析，邊墻按一般的剛性擋墻考慮。采用共同變形理論，將地基假定為半無(wú)限彈性體，用彈性理論來(lái)計(jì)算地基的沉陷，從而確定底板所受地基反力的大小及分布規(guī)律，以此確定底板和邊墻的結(jié)構(gòu)尺寸和配筋設(shè)計(jì)。

3.2 荷載及組合

U型槽承受荷載主要包括：結(jié)構(gòu)自重、汽車(chē)活載、地基載力、地下水壓力以及邊墻土壓力。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。

地下水壓力按靜止水壓力考慮。水壓力與地下水的水位、補(bǔ)給來(lái)源、季節(jié)變化、邊墻高度、排水處理方法等因素有關(guān)。地下水位以下的水、土壓力的計(jì)算一般分“水土分算”和“水土合算”兩種方法。對(duì)砂性土和粉土，可按水土分算原則進(jìn)行計(jì)算；對(duì)粘性土可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和工程經(jīng)驗(yàn)，按水土分算或水土合算進(jìn)行計(jì)算。水土分算法是采用浮重度計(jì)算土壓力，按靜水壓力計(jì)算水壓力，然后兩者相加即為總側(cè)壓力。水土合算法是采用土的飽和重度計(jì)算總的水、土壓力。

邊墻土壓力應(yīng)根據(jù)邊墻剛度的大小按靜止壓力或主動(dòng)土壓力考慮。具體操作：首先將邊墻部固定，按靜止土壓力計(jì)算作用在懸臂端的荷載，后釋放懸臂端頂部約束，施加荷載，計(jì)算邊墻頂繞邊墻與底板節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)位移，如果此位移大于產(chǎn)生主動(dòng)土壓力邊墻所需要的位移量則邊墻土壓力按主動(dòng)土壓力考慮，否則按靜止土壓力考慮。

邊墻頂繞邊墻與底板節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)位移一般小于產(chǎn)生主動(dòng)土壓力邊墻可能需要的位移量。但是根據(jù)實(shí)踐證明對(duì)于剛性支擋結(jié)構(gòu)，按靜止土壓力設(shè)計(jì)偏于保守。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的特性，考慮它們同時(shí)作用的多種可能性進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合且根據(jù)不同的極限狀態(tài)和荷載組合，給出不同的荷載安全系數(shù)。

3.3 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

土壓力確定之后，由計(jì)算模型可求得結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，U型槽的底板和邊墻的最大彎矩均發(fā)生在底板與側(cè)墻相連接的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)位置。當(dāng)?shù)叵滤惠^高，無(wú)列車(chē)活載時(shí)，在地下水壓力作用下，底板會(huì)出現(xiàn)較大的負(fù)彎矩。但隨著地下水位的降低以及列車(chē)活載通過(guò)時(shí)，底板在自重、列車(chē)活載以及土壓力作用下會(huì)產(chǎn)生較大的正彎矩。另外，對(duì)于埋深較大的U型槽結(jié)構(gòu)，其底板的最大正彎矩小于或等于于邊墻最大正彎矩，由此埋深較大的U型槽結(jié)構(gòu)，其底板受力狀態(tài)主要取決于邊墻土壓力及水壓力。而列車(chē)活載以及附屬設(shè)施自重對(duì)底板受力狀態(tài)影響較小[2]。

U型槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制截面分別為底板懸臂段根部截面，底板固結(jié)段根部截面、跨中截面，邊墻根部截面。邊墻與底板固結(jié)的左右兩個(gè)節(jié)點(diǎn)不僅是控制截面集中的地方，而且是易出現(xiàn)應(yīng)力集中的地方，是U型槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，配筋時(shí)也應(yīng)對(duì)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)予以加強(qiáng)。

4 抗浮設(shè)計(jì)

4.1 抗浮方案

抗浮設(shè)計(jì)的目的在于使設(shè)計(jì)的U型槽結(jié)構(gòu)在設(shè)防水位的浮力作用下能保持穩(wěn)定?？垢≡O(shè)計(jì)的常用方法：結(jié)構(gòu)物下設(shè)抗拔樁；增加結(jié)構(gòu)配重以及降水抵抗浮力等[6]?？拱螛妒抢脴秱?cè)摩阻力和自身重度來(lái)抵抗浮力。當(dāng)基礎(chǔ)持力層較弱或者結(jié)構(gòu)自重與浮力相差較大時(shí)，可以選用抗拔樁形式進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)。反之，地基承載力較高、壓縮模量大、地質(zhì)條件較好或者結(jié)構(gòu)自重與浮力相差不大，則宜選用擴(kuò)大基礎(chǔ)加配重的方法，可有效降低工程造價(jià)。

4.2 抗浮驗(yàn)算

抗浮設(shè)計(jì)必須進(jìn)行抗浮驗(yàn)算。若抗浮穩(wěn)定系數(shù)＜1.05時(shí)，應(yīng)考慮增加結(jié)構(gòu)自重、U型槽底板設(shè)置抗拔樁或底板下設(shè)置倒濾層泄水引流等抗浮措施進(jìn)行處理。采用抗拔樁抗浮措施時(shí)，抗浮穩(wěn)定系數(shù)不宜＜2.0[2]。

5 施工注意事項(xiàng)

1）施工前必須做好降排水工作，一般應(yīng)將地下水降至墊層以下 0.5 m左右[3～4]。

2）基坑開(kāi)挖后，邊坡加強(qiáng)臨時(shí)支護(hù)，防止坍塌，回填必須密實(shí)。

3）應(yīng)嚴(yán)格遵守防水混凝土細(xì)則，通過(guò)試驗(yàn)選定配合比成分，確保防水混凝土的施工質(zhì)量。

4）伸縮縫止水帶位置應(yīng)端正，止水帶的中心線與伸縮縫中軸線應(yīng)重合，防止扭曲、偏斜或被鋼筋釘割破，水平伸縮縫止水帶下的混凝土應(yīng)特別搗固密實(shí)，保證無(wú)空隙以免漏水。

5）邊墻及底板應(yīng)一次性整體澆筑，不應(yīng)設(shè)置施工縫，避免透水。

6）內(nèi)外模間不得用螺栓拉桿或鐵絲穿透，以免形成滲水通路。

6 結(jié)語(yǔ)

1）分析了U型封閉式路塹的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)要點(diǎn)等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，可為今后北方軟土地區(qū)修建類(lèi)似結(jié)構(gòu)提供借鑒。

2）偏于保守的封閉式路塹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雖然確保了結(jié)構(gòu)安全，但是無(wú)形中提高了工程造價(jià)。在今后的路塹設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)選擇合理的計(jì)算模型，優(yōu)化截面尺寸，既要確保結(jié)構(gòu)安全，又要提高經(jīng)濟(jì)性。

[1]孫愛(ài)斌，吳連海.天津某封閉式路塹U型槽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2006，（7）：49-53.

[2]丁兆鋒，吳沛沛.U型槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2009，（4）：13-16.

[3]張勁松，吳連海.公路下穿式立交引道U形封閉式路塹結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2005，（1）：41-42.

[4]梁 雄，周建庭，楊圣超.濕軟土基地段U型槽式結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，26（6）：55-59.

[5]李 虹.公路U形封閉式路塹優(yōu)化設(shè)計(jì)方法探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011，（9）：27-29.

[6]姚曉勵(lì).某U型槽路塹結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析及施工要點(diǎn)[J].特種結(jié)構(gòu)，2011，（2）：98-102.

U416.13

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1008-3197（2012）03-53-02

2012-03-19

肖健英/女，1974年出生，工程師，天津?yàn)I海新區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資有限公司，從事路橋工程建設(shè)管理工作。