封閉式路塹U形槽結構的設計和計算

孟美麗，高海彬

(1.華北水利水電學院，鄭州 450000;2.鄭州大學，鄭州 450011;3.中鐵鄭州勘測設計咨詢院有限公司，鄭州 450000)

封閉式路塹U形槽結構是一種較新的結構形式，隨著我國鐵路及公路等交通基礎設施建設的快速發展，地鐵的修建與公鐵立交的增多，路塹U形槽應用也逐漸增多。但是，目前對于這種結構尤其是其底板的計算還未見公認的較優方法，也沒有相應的設計規范可循。一般采用經驗類比法估算底板內力，或者采用較簡單的倒梁法加以計算，很多工程實例表明由此得出的結果與實際情況出入較大，甚至會發生工程事故。因此有必要探索一種較為合理的計算方法。本文即結合某U形槽設計實例，介紹和探討U形槽結構的設計方法。

1 工程概況

某公路下穿既有京九鐵路，道路為雙向4車道，U形槽邊墻間凈寬度28 m，槽內邊墻最大凈高約8 m，基坑最大挖深 10 m。地下水位埋深2 m，水位升降幅1.0～1.5 m。

本區段的主要地層有:

①粉土(Qml4)，局部上部覆少量雜填土，下部為粉土，淺黃色，稍濕，中密，偶見黑色斑點，含鐵質氧化物。

②粉質黏土(Qal4)，棕色，可塑，高壓縮性，土質較均勻，偶見淺灰色斑塊，韌性中等，稍有光滑，無搖振反應，干強度中等。

以下為第四系全新統沖積層粉土、粉質黏土、粉砂等。

2 封閉式路塹結構形式選擇

2.1 邊墻

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。其優點是設計及施工簡單，但缺點是挖深較大或受力較大時，上下端都采用較大的截面寬度，易造成材料浪費。當線路平面布置使邊墻位置寬度有限且小于邊墻受力所需要的截面寬度時，則無法采用。

2)階梯形。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形加大，故階梯形結構可使邊墻下部剛度相應提高，這樣可避免矩形截面上部材料浪費和頂部過大占用橫向距離的缺點。但階梯形也有自身的缺點，如截面寬度變化處直角易產生應力集中，受力鋼筋不好布置，邊墻外側的防水層施工質量難以保證且折角處容易破壞等。

3)梯形。又稱漸變形，頂部寬度較小，同時可以避免以上兩種形式的缺點，且因其上小下大的截面形式也能很好地適應土壓力和水壓力的應力分布。

2.2 底板

底板一般采用矩形斷面，其兩端適當伸出一定長度，此長度根據邊界寬度的限制或抗浮計算來確定。如果通過底板增重的方法來滿足抗浮條件，則由實際計算可知，在同樣滿足抗浮的條件下，伸出 1 m左右的長度，可以比兩端不伸出時減少一定的底板厚度。

2.3 U形槽結構選擇

本工程U形槽邊墻選用梯形，底板選用矩形，橫斷面詳見圖1。

U形槽結構材料采用P6 C35混凝土和HRB335作為受力筋，其他鋼筋采用 Q235。U形槽底部鋪10 cm厚的墊層，墊層采用 C20素混凝土。邊墻側采用50 cm厚的黏土封閉。U形槽邊墻涂熱瀝青兩遍，U形槽與主體間設置防水伸縮縫(預埋止水帶)。

為防止較大的不均勻沉降引起結構較大的次應力，原則上20～25 m設沉降縫一道，以消除不均勻沉降對結構造成的不利影響。

圖1 U形槽橫斷面(單位:cm)

3 U形槽結構的設計計算

采用承載能力極限狀態法進行設計。如果邊墻外側頂部還設有輔道尤其是鐵路時，要考慮邊墻在使用荷載下的疲勞，必要時可采用容許應力法進行校核，算出構件中各點在使用荷載作用下的應力值，要求任一點的應力不超過材料的容許應力。

作用在U形槽上的荷載，主要有邊墻自重、底板自重、邊墻墻背土壓力和水壓力、地下水浮力和活荷載等。分別取高水位有荷載、無荷載和低水位有荷載、無荷載等各種組合中最不利者進行邊墻和底板的結構設計計算。在高烈度地震區，還應考慮地震力的作用。

3.1 邊墻荷載計算

3.1.1 邊墻自重

根據結構初步擬訂的斷面尺寸及材料重度計算。梯形邊墻截面還應計算其上三角形土體的重力。

3.1.2 邊墻墻背土壓力及水壓力

作用在邊墻上的荷載，除了土壓力外，還有地下水的水壓力。邊墻土壓力和水壓力是設計邊墻底板斷面尺寸及驗算其穩定性和強度的主要荷載。

3.1.3 活載

邊墻外側頂部有輔道時，邊墻計算需要考慮墻頂外側車輛荷載，通常將車輛荷載簡化為與之靜力等效的均布載，然后再進行相應的土壓力計算。

3.2 底板荷載計算

3.2.1 活載

底板計算需要考慮的活載是槽內底板上的汽車荷載和人群荷載，汽車荷載按等效集中力計算，人群荷載按照均布荷載計算。對汽車荷載根據 U形結構的分段長度，取最不利軸重荷載作為控制荷載計算內力，并轉換為每延米范圍內作用在底板上的等效集中力。

3.2.2 邊墻固端彎距

本工程邊墻底部與底板相連接處截面較大，視為剛性連接。因此將土、水壓力作用在邊墻上產生的彎距加在邊墻與底板連接處，作為底板的集中彎距考慮。

3.2.3 地下水浮力

地下水位高于U形槽結構底部時，U形槽結構將受到水的上浮力作用，這將影響其穩定性。為保證結構的穩定性，必須增強結構抵抗豎向位移的能力，本工程設計中采用了增加結構重量的方法，并根據水的上浮力和結構總重量的關系計算底板的厚度。

3.3 底板支撐反力的計算

根據本工程的地基條件，底板的計算采用了彈性地基梁法，由MIDAS進行彈性地基梁計算分析。地基梁簡化模型見圖2。基底最大支反力為107.1 kN。

圖2 彈性地基梁計算模型

3.4 U形槽的結構計算

根據U形槽結構所受的荷載和基底反力，本工程采用MIDAS程序進行了最不利荷載下的結構內力計算，彎矩分布見圖3。在此基礎上，根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》及相應的專業設計規范進行了正截面強度計算、斜截面抗剪計算、抗裂驗算或裂縫寬度驗算等，最終確定了鋼筋配置方案，見圖4。

圖3 最不利工況下的彎矩分布(單位:kN·m)

4 結語

本文對U形槽結構的設計和計算進行了初步探討和淺析，為該類結構的設計提供了技術參考。但實際上封閉式路塹U形槽結構還有很多問題，如邊墻和地板防水防滲問題，基坑開挖支護問題以及伸縮縫、沉降縫設置及其防水問題等，都有待進一步研究和探討。

圖4 U形槽結構的配筋(單位:mm)

［1］孫愛斌，吳連海.天津某封閉式路塹U形槽結構的設計與計算［J］.鐵道工程學報，2006(7):49-53.

［2］陳忠漢，晃書秩，程麗萍.深基坑工程(第二版)［M］.北京:機械工業出版社，2003.

［3］張建新，張陽，張淑朝，等.深基坑逆作開挖時地下連續墻側向變形分析［J］.鐵道建筑，2009(11):56-58.

［4］中華人民共和國交通部.JTG B01—2003 公路工程技術標準［S］.北京:人民交通出版社，2003.

［5］中華人民共和國交通部.JTG D60—2004 公路橋涵設計通用規范［S］.北京:人民交通出版社，2004.