封閉式路塹U形槽結構設計分析

馬　濤　鄧　帥

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京　100055)

隨著我國經濟的迅猛發展，鐵路及公路等交通基礎設施建設得到了極大的發展，出現了大量的下穿式立交引道工程。U形槽結構具有剛度大、變形小、防水效果優良等特點[1]，在地下水位較高，地層滲透系數較大，或者地下水排除困難的地區得到了廣泛應用。目前，對于U形槽結構還沒有一種公認的、成熟的設計方法，也沒有相應的設計規范可供參考，有必要對其計算理論和方法進行深入的分析和探討。

1　U形槽結構形式

U形槽結構邊墻一般采用梯形形式，其截面上小下大，可以很好的適應土壓力和水壓力在邊墻上的分布，節約材料；底板一般采用矩形斷面。

實際工程中，根據線路平面設計及立交孔跨的不同，U形槽結構對應單孔、雙孔、三孔等橋涵立交時，可分別采用圖1、圖2所示的結構圖[2]。

圖1　單孔及雙孔橋涵U形槽結構橫斷面

圖2　三孔橋涵U形槽結構橫斷面

2　U形槽結構設計方法

2.1　結構計算力系和方法

U形槽結構的計算力系包括：邊墻自重、邊墻墻背土壓力及水壓力、底板自重、地下水浮力和活載。上述各種荷載及外力，并非同時作用于U形槽結構上，它們發生的概率也各不相同。設計分析時，應考慮它們同時作用的多種可能性，進而進行適當的組合，且根據不同的極限狀態和荷載組合，給出不同的荷載安全系數[3]。

2.2　計算模型

在U形槽結構計算時，完全按照實際情況進行力學分析是非常復雜的，也是不必要的。根據U形槽結構的受力特點，可知屬于平面應力問題，可取線路方向1延米按彈性理論進行簡化，同時對U形槽的邊墻和底板分別計算，邊墻按懸臂式擋墻考慮，底板按彈性地基梁考慮。

2.3　抗浮計算

當U形槽結構所處位置的地下水位較高時，應對其進行抗浮穩定性驗算，其抗浮穩定系數不宜小于1.05。通過調整U形槽結構尺寸以滿足抗浮要求，可以初步確定U形槽結構的結構尺寸。

抗浮穩定系數計算公式如下

(1)

式中Kf——抗浮穩定系數；

G——U形槽結構及附屬設施自重；

Ff——U形槽結構所受浮力/kN，不考慮折減；

[Kf]——抗浮安全系數。

2.4　邊墻設計

邊墻按浸水地區懸臂式擋墻考慮，邊墻受力主要包括邊墻自重，邊墻墻背土壓力、水壓力及墻頂外側活載。在邊墻的計算分析中，有兩個關鍵問題需要明確：①在計算土壓力時，采用主動土壓力還是靜止土壓力；②計算土壓力和水壓力時，是采用水土分算還是水土合算。

(1)主動土壓力和靜止土壓力

邊墻的位移大小決定著墻厚土體的應力狀態和土壓力的性質，根據大量的試驗觀測和研究，極限平衡狀態所需的位移量如表1所示[4]。

表1　產生主動土壓力所需的位移量

U形槽結構為鋼筋混凝土結構，剛度大，變形小，邊墻頂繞邊墻與底板的交點轉動位移一般小于產生主動土壓力所需的位移量，因此邊墻墻背土體土壓力采用靜止土壓力更為合理。

(2)水土合算和水土分算

水土分算是指水壓力和土壓力分開計算，即有效應力對邊墻產生土壓力，而孔隙水壓力對邊墻產生水壓力；水土合算是指計算土壓力時考慮土體的總應力，不再單獨考慮水壓力的影響。

水土分算是基于有效應力原理，假設土體中顆粒是分散的，孔隙水完全流通。因此，水土分算應用于非黏性土一般不存在異議；但對于黏性土，因顆粒表面存在著結合水膜，孔隙水壓力是否等于靜止土壓力，仍有待研究[5]。

水土分算與水土合算計算時的區別在于：水壓力需不需要土壓力系數K。水土分算時，水壓力不需要乘以土壓力系數，而水土合算時，水壓力則需要乘以土壓力系數，由于土壓力系數小于1，所以作用在邊墻上的側壓力在采用水土合算時要比采用水土分算時小一些。在本文中，對于黏性土按不利的情況進行計算，因此黏性土和非黏性土均采用水土分算。

2.5　底板設計

底板按彈性地基梁考慮，底板受力主要包括底板自重、邊墻自重、端部彎矩、車輛及人群活載和浮力作用。同樣，在底板的計算分析中，也有兩個關鍵問題需要明確：①底板的計算方法；②車輛及人群活載的確定。

(1)底板計算方法

文克勒地基模型：假定地基中某點的變形與該點的壓力成正比，實質上是把連續的地基分割為側面無摩擦聯系的獨立土柱，每一土柱的變形僅與作用在土柱上的豎向荷載有關，并與之成正比，即相當于一個彈簧的受力變形。文克爾地基上基底壓力的分布與地基沉降具有相同的形式，地基中不存在應力的擴散[6]。

共同變形模型：假定地基中任意一點的沉陷變形不僅與該點的壓力有關，還與其他各點的壓力都有關。顯然，共同變形模型更符合工程實際情況。

在實際工作中，如果按共同變形模型考慮，會遇到非常大的計算問題。一般情況下按郭氏查表法進行簡化計算，如果配合有關結構計算軟件可選用鏈桿法[2]。

(2)車輛及人群活載的確定

根據《公路橋涵設計通用規范(JTGD60—2004)》4.3.1中對車輛荷載的規定，車輛荷載標準值取后軸軸載140 kN[7]。不考慮輪胎接地面積，按集中力考慮。車輛荷載在橫向作用位置的不同會對底板內力產生影響，參考《公路橋涵設計通用規范(JTGD60—2004)》中車輛荷載橫向布置的規定，如圖3所示[7]，應選取不同的作用位置，對底板進行結構計算。

圖3　車輛荷載橫向布置(單位：m)

因此，在底板結構計算中，需要綜合考慮外力組合的多種情況和車輛荷載在橫向上作用位置的影響，分別計算不同工況下的內力，從中選出最大正彎矩、最大負彎矩和剪力最大值，以此對底板進行配筋計算。

根據《公路橋涵設計通用規范(JTGD60—2004)》4.3.5的規定，人群荷載標準值取3.0 kN/m2，按照均布荷載考慮，作用在人行道上[7]。

2.6　配筋計算

當地下水位較高、無車輛活載時，在浮力作用下，底板會出現較大的負彎矩，因此U形槽底板按受彎構件雙筋梁進行設計，邊墻按受彎構件單筋梁進行設計[8]。

2.7　地基承載力

U形槽建于軟土、松軟土土層之上時，應對地基承載力進行驗算，檢算公式如下

Pz<[faz]

(1)

式中Pz——底板底面處的附加壓力/kPa；

[faz]——底板底面處經深度修正后的地基承載力特征值/kPa。

如地基承載力不能滿足設計要求，可根據軟土、松軟土土層的厚度，采用換填、水泥攪拌樁、CFG樁等工程措施對地基進行加固處理。

3　結論

(1)根據U形槽結構的受力特點，可知其屬于平面應力問題，取線路方向1延米按彈性理論進行簡化，邊墻按懸臂式擋墻考慮，底板按彈性地基梁考慮。

(2)在邊墻結構計算中，墻后土壓力和水壓力采用水土分算的計算方法，土壓力按靜止土壓力考慮。

(3)在底板結構的計算中，將底板按彈性地基梁考慮，應采用共同變形模型進行計算。

(4)作用于底板的活載包括車輛荷載和人群荷載，車輛荷載按等效集中力考慮，人群荷載按照均布荷載考慮。

(5)在底板結構計算中，需要綜合考慮外力組合的多種情況和車輛荷載在橫向上作用位置的影響，分別計算不同工況下的內力，從中選出最大正彎矩、最大負彎矩和剪力最大值，以此對底板進行配筋計算。

(6)在配筋計算中，U形槽邊墻應按受彎構件單筋梁進行設計，底板按受彎構件雙筋梁進行設計。

(7)建于松軟土層之上的U形槽結構，應對地基承載力進行驗算。如地基承載力不能滿足設計要求，應采用換填、水泥攪拌樁、CFG樁等工程措施對地基進行加固處理。

[1]崔俊杰，宋緒國.封閉式路塹設計及有關問題的探討[J].鐵道建筑技術，2001(6)

[2]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(10)

[3]丁兆鋒，吳沛沛.U形槽結構設計與分析[J].鐵道工程學報，2009(4)

[4]劉成宇.土力學[M].北京：中國鐵道出版社，2002

[5]蔡忠河，馮啟軍，等.公鐵立交下穿引道及排水系統的設計與應用[M].北京：中國水利水電出版社，2009

[6]莫海鴻，楊小平.基礎工程[M].北京：中國建筑工業出版社，2008

[7]JTGD60—2004公路橋涵設計通用規范[S]

[8]GB50010—2010混凝土結構設計規范[S]

[9]周革.U形槽結構在龍廈鐵路某地下水發育路塹中的設計與應用{J}.鐵道標準設計,2009(3):27-29