淤泥地層鐵路U型槽設(shè)計(jì)方案研究

霍思遜

（中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308）

0 引言

鐵路U 型槽一般應(yīng)用于地表環(huán)境條件復(fù)雜的城市深挖路塹中。在某高鐵工程中，U 型槽設(shè)置于城市隧道出口，地表為深厚淤泥質(zhì)土，地下水位高，工程場地條件較差，為滿足工程實(shí)施需求，結(jié)構(gòu)受力性能及使用功能需要，通過模型計(jì)算等方式，確定結(jié)構(gòu)方案。

1 工程概況

該高速鐵路工程位于廣東省湛江市，設(shè)計(jì)速度250km/h，U 型槽為隧道出口與路基間的接線工程，結(jié)構(gòu)段落總長380m。為保證鐵路出地面段與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)，U 型槽段基坑開挖最大深度10.3m。結(jié)構(gòu)縱向每20m 為一板，由深至淺依次為B1、B2、B3……B19，共19 板。U 型槽臨近道路及城市排洪渠，地下水位接近地表。地表向下依次為淤泥（5-1）、松軟土（5-3），可塑～硬塑狀粉質(zhì)黏土（5-4）等地層，地震基本裂度為Ⅶ度。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 U 型槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

埋深較淺的U 型槽段落采用常規(guī)的兩邊側(cè)墻與底板組成的靜定結(jié)構(gòu)。該工程中U 型槽結(jié)構(gòu)最大埋深達(dá)10m，且由于所在地層為淤泥質(zhì)地層，土體的側(cè)壓力較大，懸壁高度高，為控制結(jié)構(gòu)變形，側(cè)向土壓力按靜止土壓力計(jì)算。結(jié)合鐵路接觸懸掛高度要求，側(cè)墻背后回填土高度超過8m（即實(shí)際側(cè)墻懸壁高度h），采用側(cè)墻頂部帶橫撐的U 型槽，由于結(jié)構(gòu)為超靜定結(jié)構(gòu)，可優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力。兩種U 型槽結(jié)構(gòu)見圖1、圖2。

圖1 一般U 型槽結(jié)構(gòu)圖（單位：cm）

圖2 帶橫撐U 型槽結(jié)構(gòu)圖（單位：cm）

由于邊墻為靜定懸壁梁，其墻底彎矩與實(shí)際側(cè)墻懸壁高度h 的三次方成正比；在側(cè)墻厚度隨高度線性變化的情況下，側(cè)墻承載力及計(jì)算受拉區(qū)裂縫寬度所需要的鋼筋應(yīng)力與實(shí)際側(cè)墻懸壁高度（h）的平方成正比，因此側(cè)墻采用單斜率的U 型槽，在側(cè)墻受拉區(qū)通常配筋的情況下，僅計(jì)算側(cè)墻底的配筋即可滿足側(cè)墻全高的承載要求。為優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸，便于結(jié)構(gòu)兩側(cè)回填施工，U 型槽側(cè)墻斜率設(shè)計(jì)為1∶0.125，墻頂寬度設(shè)計(jì)為0.5m。U 型槽側(cè)墻頂應(yīng)平順過渡，保證側(cè)墻外側(cè)連續(xù)過渡，沒有錯(cuò)臺(tái)。U 型槽底板兩側(cè)設(shè)有腳趾，可起到抗浮作用，同時(shí)可減小側(cè)墻底的彎矩，改善受力。

2.2 U 型槽結(jié)構(gòu)豎向變形控制

在U 型槽結(jié)構(gòu)底部設(shè)置樁基礎(chǔ)，在U 型槽埋深較淺段落，其基底附加應(yīng)力可起到控制沉降的作用；當(dāng)U 型槽埋深逐漸加深，地下水位較高時(shí)，樁基礎(chǔ)可起到抗浮作用。考慮到該工程場地地表范圍為深厚的淤泥，厚度達(dá)12m，在長期附加荷載或列車振動(dòng)的作用下，淤泥土有發(fā)生蠕變或觸變的可能，因此通過對(duì)比分析，U 型槽底部采用樁基礎(chǔ)，樁基上部荷載取高水位與低水位兩種工況的基底附加荷載的最大值。經(jīng)計(jì)算，U 型槽底部樁基采用直徑1m 的灌注樁，樁基橫向間距5m，每個(gè)斷面布置3 根，縱向間距4m，樁長見表1?？梢姡瑸榭刂芔 型槽的沉降，淤泥質(zhì)地層中底板樁基礎(chǔ)長度較長，工程實(shí)施難度大。

表1 U 型槽樁基統(tǒng)計(jì)表

板號(hào)B1～B6 B7～B13 B14～B16 B17～B19段落長度/m 120 140 60 60樁長/m 33 39 36 41

2.3 U 型槽結(jié)構(gòu)計(jì)算

2.3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

（1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

U 型槽放坡段基坑最大深度為8.7m，提前降水后采用放坡開挖方式進(jìn)行施工，邊坡坡率1∶1.5。邊坡坡面為網(wǎng)噴錨防護(hù)，錨桿長度4m，噴射混凝土厚度0.1m。由于邊坡土層為淤泥及松軟土，地層條件較差，在邊坡設(shè)置水泥土攪拌樁，加固范圍為坡腳至坡頂外側(cè)5m，加固至基底以下1m，水泥土攪拌樁直徑0.5m，間距1m，正三角形布置，攪拌樁28 天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)不小于1MPa。圍護(hù)結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 U 型槽圍護(hù)結(jié)構(gòu)斷面圖

加固后邊坡土樁復(fù)合地基的抗剪強(qiáng)度按現(xiàn)行《鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10035—2018）中的方法計(jì)算，土樁復(fù)合地基的等效強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算，見公式（1）、公式（2）。

式（1）中：

c

為復(fù)合地基的黏聚力（kPa）；

m

為復(fù)合地基置換率；

c

為樁體的抗剪強(qiáng)度（kPa），可取室內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的0.2～0.3 倍；

c

為樁間土天然抗剪內(nèi)摩擦角（）。

式（2）中：

φ

為復(fù)合地基的內(nèi)摩擦角（）；

φ

為樁間土天然抗剪內(nèi)摩擦角（）。

（2）有限元分析

采用MIDAS GTS 有限元軟件進(jìn)行模擬，基坑邊坡穩(wěn)定性分析采用強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。土體按直剪固結(jié)快剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。對(duì)邊坡攪拌樁加固區(qū)的每層土進(jìn)行劃分，加固后強(qiáng)度指標(biāo)按上節(jié)提供公式計(jì)算，土體結(jié)構(gòu)采用摩爾·庫倫模型。材料具體參數(shù)見表2。

表2 材料參數(shù)表

材料5-1：淤泥5-3：松軟土5-1：淤泥5-3：松軟土5-4：粉質(zhì)黏土網(wǎng)噴混凝土錨桿土層厚度/m 3.5 3.5內(nèi)摩擦角/°4 5 9 6 9 6 9 1 8黏聚力/kPa 11 14 11 14 26復(fù)合地基摩擦角/°46.4 48.8 46.4 48.8 58.6 0.1重度/（kN/m3）18 18 18 18 19 25 78.5彈性模量/kPa 5850 9510 5850 9510 15000 28000000 200000000泊松比0.42 0.41 0.42 0.41 0.3 0.2 0.25

按工程實(shí)際施工順序，先進(jìn)行邊坡加固、基坑開挖，再進(jìn)行有限元靜力分析、基于強(qiáng)度折減法分析邊坡安全系數(shù)。

對(duì)于不進(jìn)行邊坡加固的工況，基坑開挖的有限元計(jì)算不能收斂，說明該工況下邊坡變形過大，計(jì)算難于收斂，所以采取邊坡加固是必要的。采取邊坡加固措施后，基坑開挖完成后的位移情況見圖4。

圖4 基坑邊坡位移矢量圖

通過邊坡加固及坡面防護(hù)措施，坡面加固范圍可形成抵抗變形的整體，擴(kuò)大邊坡發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)的抵抗范圍，提高邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。其中坡腳有明顯的應(yīng)力集中，變形最大，實(shí)際施工時(shí)應(yīng)注意坡腳的穩(wěn)定性，若出現(xiàn)變形過大的情況，可對(duì)坡腳進(jìn)行加固處理。

2.3.2 兩種U 型槽結(jié)構(gòu)計(jì)算

（1）一般U 型槽

一般U 型槽考慮將側(cè)墻及底板作為整體進(jìn)行有限元計(jì)算，采用SAP84 有限元軟件，將之簡化為平面應(yīng)變桿系，按荷載—結(jié)構(gòu)模型計(jì)算。結(jié)構(gòu)計(jì)算需選取合適的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，同時(shí)分析有無列車荷載、地下水位高低、樁基礎(chǔ)的組合影響，并計(jì)算抗震等特殊工況。

以深埋U 型槽為例，有限元模型考慮樁基礎(chǔ)的約束作用后，底板彎矩有顯著減小的趨勢(shì)。因此，計(jì)算底板配筋時(shí)，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型中不需要考慮樁基礎(chǔ)的約束作用。

另外，由于U 型槽側(cè)墻相當(dāng)于靜定懸壁梁結(jié)構(gòu)，受兩側(cè)水土壓力作用，沿側(cè)墻高度方向所受彎矩的大小只與側(cè)墻后土體壓力有關(guān)，與U 型槽截面等其他因素?zé)o關(guān)。

鐵路列車荷載施加與否及地下水位高低需結(jié)合計(jì)算斷面的實(shí)際受力形式取最不利工況，而深埋、淺埋對(duì)U 型槽的實(shí)際受力形式有較大影響。

通過計(jì)算，列車荷載單獨(dú)作用時(shí)，底板結(jié)構(gòu)下側(cè)受拉。側(cè)墻背后水位越高，底板下部受拉越明顯。比較側(cè)墻高度為2.5m 的淺埋U 型槽及側(cè)墻高度為10m的深埋U 型槽可知，淺埋U 型槽結(jié)構(gòu)主要受兩側(cè)側(cè)墻的自重壓力，底板上側(cè)受拉，該工況下列車荷載及水壓力為有利荷載。而深埋U 型槽結(jié)構(gòu)，底板下側(cè)受拉，列車荷載及水壓力為不利荷載。因此，在計(jì)算U型槽結(jié)構(gòu)底板彎矩時(shí)，應(yīng)對(duì)有無列車荷載及高、低水位的工況分別驗(yàn)算，并取最不利組合。

（2）帶橫撐U 型槽

該工程中帶橫撐U 型槽主要用于實(shí)際側(cè)墻懸壁高度（h）大于8m 的段落，橫撐縱向間距4m，每板U型槽縱向長度20m，均勻布置5 根鋼筋混凝土橫撐。U 型槽的受力計(jì)算，采用MIDAS-GEN 建立三維模型，將側(cè)墻及底板簡化為板單元，橫撐簡化為梁單元。有限元模型如圖5 所示。

圖5 帶橫撐U 型槽有限元模型圖

通過計(jì)算，對(duì)深埋U 型槽設(shè)置橫撐后，變?yōu)槌o定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的安全性有所提高，且側(cè)墻底部彎矩大幅度減小，最大為1282kN·m，僅為同樣懸壁高度U型槽側(cè)墻最大彎矩的一半。因此，在滿足接觸網(wǎng)等使用功能的條件下，應(yīng)盡量對(duì)深埋U 型槽設(shè)置橫撐，改善結(jié)構(gòu)受力狀況。

2.4 U 型槽防、排水設(shè)計(jì)

2.4.1 防水設(shè)計(jì)

U 型槽防水等級(jí)按一級(jí)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)外包帶自粘層的1mm 厚反粘式防水板，側(cè)墻防水板外側(cè)設(shè)置磚砌保護(hù)層，防止回填土?xí)r破壞防水板（見圖6）。

圖6 U 型槽防水?dāng)嗝鎴D

2.4.2 排水設(shè)計(jì)

U 型槽槽頂應(yīng)高出百年洪水位及內(nèi)澇水位，綜合考慮水位及未來城市發(fā)展，該工程U 型槽槽頂比現(xiàn)狀地面高出約1.5m，同時(shí)保證與U 型槽銜接的路基填高不低于U 型槽側(cè)墻高度，并在U 型槽與路基分界處設(shè)置擋水坎，防止地表水從路基段倒灌入U(xiǎn) 型槽。

3 結(jié)論

經(jīng)上述分析，得出如下結(jié)論：第一，設(shè)置于淤泥等地層較差段落的U 型槽，如果埋深較深，則側(cè)墻所受側(cè)壓力較大，在滿足接觸網(wǎng)等使用功能的條件下，可以考慮設(shè)置橫撐，改善結(jié)構(gòu)受力情況。第二，深厚淤泥地層下，在U 型槽結(jié)構(gòu)底部設(shè)置樁基礎(chǔ)較為合理，在埋深較淺段落，樁基礎(chǔ)可起控制沉降作用；當(dāng)U 型槽埋深逐漸加深，地下水位較高時(shí)，樁基礎(chǔ)可起抗浮作用，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)分情況進(jìn)行驗(yàn)算。第三，深厚淤泥地層基坑采用放坡開挖方式時(shí)，邊坡可采用混凝土樁加固，形成復(fù)合地基，提高邊坡的黏聚力，有利于邊坡穩(wěn)定。第四，U 型槽結(jié)構(gòu)的受力驗(yàn)算工況較多，需合理選取結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，分析有無列車荷載、地下水位高低、樁基礎(chǔ)的組合影響，取最不利荷載組合進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力驗(yàn)算。