孫毅力，李勝勇，王維理

（北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100038）

封閉式路塹U型槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

孫毅力*，李勝勇，王維理

（北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100038）

結(jié)合某封閉式路塹U型槽的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，根據(jù)封閉式路塹U型槽的特點(diǎn)，對(duì)其結(jié)構(gòu)型式、計(jì)算模型、抗浮計(jì)算及地基承載力計(jì)算，特別是邊墻、底板及頂板結(jié)構(gòu)計(jì)算中關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了深入的探討，對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

U型槽結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)型式；內(nèi)力計(jì)算；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1　概述

近年來(lái)，城市道路的交叉處往往成為了交通不暢的主要原因［1］。目前，我國(guó)城市道路與既有高速公路的立交形式主要有上跨橋梁及下穿通道2種方式。受景觀、用地及城市規(guī)劃等條件的限制，上跨橋梁越來(lái)越少被選用；而下穿通道由于用地少，城市景觀較好，能充分發(fā)揮市政工程良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，目前被大量采用，其中封閉式路塹U型槽是典型的結(jié)構(gòu)型式。

封閉式路塹U型槽結(jié)構(gòu)具有剛度大、變形小、防水效果優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，尤其在地下水位較高，地層滲透系數(shù)較大或者地下水排除困難的地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。

主要結(jié)合北京某封閉式路塹U型槽的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況，分析其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算方法。

2　工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

某工程沿現(xiàn)狀城市道路建設(shè)，沿線交通流量大，并在環(huán)島區(qū)域需下穿現(xiàn)狀城市立交橋。線路整體上呈北西向，地勢(shì)整體上自西北向東南逐漸降低。道路為雙向4車道，邊墻間凈寬度約14m。槽內(nèi)邊墻凈高為6m?；幼畲笸谏罴s22m，結(jié)構(gòu)頂板上覆土厚度約1.0～10.0m，估計(jì)豐水期最高地下水位埋深在自然地面下4.00m左右［2］。

2.1工程地質(zhì)

本區(qū)段主要地層物理及力學(xué)性質(zhì)如下：

①填土層，主要為房渣土，雜色，厚度一般為0.5～3.0m，含建筑垃圾及生活垃圾等。人工填土層以下為第四紀(jì)沉積層。

②碎石、碎石混粘性土層，雜色，稍密—中密，稍濕，重型動(dòng)力觸探擊數(shù)N63.5=21～63，含細(xì)砂、粘性土各約20%，剪切波速值221～306m/s，屬于中—中低壓縮性土。厚度一般為3～5m，該大層具有賦存地下水的條件。

③粉質(zhì)粘土層，褐黃—褐黃（暗），濕—很濕，可塑—軟塑，含風(fēng)化碎石、碎石屑，屬中高—中壓縮性土。厚度一般為4～5m。

④碎石、碎石混粘性土層，雜色，中密，濕，含粉質(zhì)粘土約10%～25%，局部含細(xì)砂約25%，剪切波速值378～403m/s，屬中低—低壓縮性土。厚度一般為5～6m。

⑤碎石、碎石混粘性土層，雜色，中密—密實(shí)，稍濕—濕—飽和，含粉質(zhì)粘土約10%～30%，局部含細(xì)砂約20%，剪切波速值344～485m/s，屬中低—低壓縮性土。厚度一般為8～12m。

⑥粉質(zhì)粘土層，褐黃，濕—很濕，可塑，含風(fēng)化碎石屑，屬中低壓縮性土。厚度一般為2～3m。

⑦碎石、碎石混粘性土層，雜色，密實(shí)，濕，含粉質(zhì)粘土約10%～25%，局部含塊石，剪切波速值450～554m/s，屬低壓縮性土。厚度一般為5～6m。

⑧碎石、碎石混粘性土層，雜色，密實(shí)，飽和，含粉質(zhì)粘土約10%～30%，剪切波速值587m/s，屬低壓縮性土。厚度一般為6～10m。

上述各土層的地基承載力基本允許值見(jiàn)表1。

2.2場(chǎng)地土類型及場(chǎng)地類別

該場(chǎng)區(qū)為不液化場(chǎng)區(qū)，場(chǎng)地類別為Ⅱ類。

2.3水文地質(zhì)

表1　地基承載力基本容許值

為查明擬建線路沿線地下水分布情況，準(zhǔn)確量測(cè)地下水穩(wěn)定水位，沿線布置并完成了5組地下水（第四系孔隙水）水位監(jiān)測(cè)孔；為查明相關(guān)含水層的水文地質(zhì)參數(shù)，水文地質(zhì)勘察工作對(duì)擬建路段沿線30.0m深度范圍內(nèi)的各主要含水層進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)提水試驗(yàn)（共8孔次），根據(jù)Hvorslev的分析方法，滲透系數(shù)計(jì)算公式為：

式中：Rc——井管半徑；

L——進(jìn)水管長(zhǎng)度；

Rw——濾水管半徑；

T0——基本滯后時(shí)間［即（H-h）/（H-H0）=e-1= 0.37所對(duì)應(yīng)的時(shí)間］。

由提水試驗(yàn)及原狀土樣室內(nèi)滲透試驗(yàn)的結(jié)果得到相應(yīng)賦水土層的滲透系數(shù)［3］。

30.0m深度范圍內(nèi)第四系地下水以透鏡體形式分布，賦存于埋深5.50～30.0m之間的碎石土、碎石混粘性土、粉土中，其類型應(yīng)屬上層滯水，該路段沿線第四系含水層巖性復(fù)雜。區(qū)域第四系孔隙水水位多年來(lái)變化不大，基本在多年平均水位上下波動(dòng)，一般7～10月份受集中降水影響，地下水位較高，其它月份水位較低，水位年變幅較大，一般在5～8m。

擬建路段主要穿越第四系地層，其頂板附近分布有第四系含水層透鏡體，雖然透鏡體厚度較小且不連續(xù)，但為施工安全，在施工過(guò)程中需采取有效的地下水控制措施。

3　封閉式路塹U型槽結(jié)構(gòu)型式選擇

U型槽整體結(jié)構(gòu)分為邊墻、底板及頂板3部分。

3.1邊墻

邊墻常見(jiàn)的橫斷面型式主要有階梯形、矩形和梯形等，其中梯形邊墻在工程上應(yīng)用較廣泛，尤其適用在挖深較大或邊墻受力較大的地段。

通常把邊墻高度、邊墻范圍內(nèi)的工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件作為依據(jù)，來(lái)確定邊墻頂部寬度、外側(cè)坡率。階梯形邊墻能夠節(jié)省材料，但在其截面寬度變化直角處容易產(chǎn)生集中應(yīng)力，在較大的外力作用下邊墻容易斷裂，形成安全隱患，此種型式的邊墻在工程上應(yīng)用較少；矩形邊墻設(shè)計(jì)及施工簡(jiǎn)單，適用于邊墻受力較小或挖深較小的路段，當(dāng)路段挖深較大時(shí)，其上、下端截面寬度一樣，造成材料浪費(fèi)，或者當(dāng)邊墻的寬度不能滿足邊墻受力所需要的截面寬度時(shí)，此種結(jié)構(gòu)型式不能采用。梯形邊墻沒(méi)有以上2種型式的缺點(diǎn)，其截面形式能夠很好地與土壓力和水壓力的應(yīng)力分布相適應(yīng)。

本工程U型槽邊墻較高（凈高約6m左右），并且側(cè)壁以碎石及碎石混粘性土等粗顆粒巖土為主，地下水埋深較深，邊墻受力較大，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)宜采用梯形邊墻型式。

3.2底板

U型槽工程底板通常采用的斷面型式為矩形，其兩端可以不伸出邊墻外側(cè)，也可以伸出一定長(zhǎng)度，此長(zhǎng)度的確定原則主要由抗浮計(jì)算來(lái)確定。

U型槽結(jié)構(gòu)豎向荷重較小，在場(chǎng)區(qū)地下水歷史水位較高且動(dòng)態(tài)變化規(guī)律較復(fù)雜時(shí)，須仔細(xì)研究和校核基礎(chǔ)抗浮穩(wěn)定性、地下水壓力作用下外墻和基礎(chǔ)底板的承載力問(wèn)題，如果抗浮能力存在不足時(shí)，可根據(jù)U型槽具體設(shè)計(jì)條件采取加大底板自重或采用錨桿（抗拔樁）將結(jié)構(gòu)錨固于下臥地層中等設(shè)計(jì)措施以提高其抗浮能力。

在滿足抗浮的條件下，底板兩側(cè)伸出邊墻外1m左右的長(zhǎng)度，可以比兩端不伸出時(shí)減小一定的底板厚度［4］，針對(duì)具體工程可以分段進(jìn)行抗浮計(jì)算，由此確定底板的厚度及底板兩端伸出邊墻的長(zhǎng)度。

4　封閉式路塹U型結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

封閉式U型槽結(jié)構(gòu)的荷載計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮邊墻自重、底板自重、頂板自重、邊墻墻背土壓力和水壓力、地下水浮力和頂板上活載。上述各種荷載及外力，并非同時(shí)作用于U型槽結(jié)構(gòu)上，它們發(fā)生的概率也各不相同。設(shè)計(jì)分析時(shí)，應(yīng)考慮多種組合形式，且根據(jù)不同的極限狀態(tài)和荷載組合，給出各種工況下的荷載安全系數(shù)。

U型槽結(jié)構(gòu)分析計(jì)算也主要由邊墻、底板及頂板等3方面考慮。

4.1計(jì)算模型

U型槽結(jié)構(gòu)整體上為北西向，線路較長(zhǎng)約4km，屬于平面應(yīng)力問(wèn)題，可沿線路方向每延米按彈性理論進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，并應(yīng)對(duì)其底板和邊墻分別計(jì)算，底板可按彈性地基梁考慮，邊墻可按懸臂式擋墻考慮［4］。

4.2邊墻計(jì)算

4.2.1邊墻自重

根據(jù)結(jié)構(gòu)擬定的斷面尺寸及土體容重來(lái)計(jì)算梯形邊墻截面上三角土體的重力。

4.2.2邊墻墻背土壓力及水壓力

作用在邊墻上的荷載主要有土壓力和水壓力。土壓力和水壓力是邊墻設(shè)計(jì)、底板斷面尺寸及驗(yàn)算其穩(wěn)定性和強(qiáng)度的主要荷載。

由于U型槽為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其在墻后土體的壓力作用下，邊墻不發(fā)生任何變形和位移，墻后土體受墻背的側(cè)限作用而處于彈性平衡狀態(tài)。作用在邊墻上的土壓力為靜止土壓力。

本工程線路較長(zhǎng)，底板埋深差異較大，邊墻的圍巖主要為滲透系數(shù)較大的碎石土，可采用浮容重計(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；當(dāng)部分地段的邊墻圍巖為粘性土等弱透水性土體時(shí)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和工程經(jīng)驗(yàn)，采用土的飽和容重來(lái)計(jì)算總的水、土壓力。

4.2.3邊墻活荷載

當(dāng)邊墻外側(cè)頂部有輔道時(shí)，車輛通行是邊墻活載計(jì)算需要考慮的主要活載；可以用一個(gè)均布荷載來(lái)代替墻頂外側(cè)活載，并將其換算成等效的土壓力。

4.3底板計(jì)算

4.3.1底板活荷載

底板計(jì)算需要考慮的活載主要包括槽內(nèi)底板及頂板上的汽車荷載和人群荷載。槽內(nèi)的車輛荷載按等效集中力計(jì)算，人群荷載按照均布荷載計(jì)算。

4.3.2邊墻與底板連接處的集中彎矩

邊墻底部與底板相連接處可視為剛性連接，土、水壓力作用在邊墻上產(chǎn)生的彎矩附加在邊墻與底板的連接處，可作為底板的集中彎矩考慮。

4.3.3槽內(nèi)土體及頂板自重

槽內(nèi)土體及頂板自重可按均布荷載考慮。

4.3.4邊墻對(duì)底板的壓力

邊墻對(duì)底板的壓力就是邊墻的結(jié)構(gòu)自重以及上部三角形土體的重力之和。

4.3.5地下水浮力

地下水的水位變化主要與氣候、水文、地質(zhì)、人類活動(dòng)等因素有關(guān)。地下水對(duì)水位以下的巖土體和結(jié)構(gòu)有靜水壓力及浮力雙重作用。

本工程的U型槽結(jié)構(gòu)主要位于碎石土中，應(yīng)按設(shè)計(jì)水位計(jì)算浮力；部分U型槽結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)持力層為粘性土，其浮力難以計(jì)算，可以結(jié)合地區(qū)的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)引入一個(gè)適當(dāng)?shù)恼蹨p系數(shù)，并在折減時(shí)適當(dāng)?shù)靥岣呖垢“踩禂?shù)。

4.3.6地基承載力驗(yàn)算

當(dāng)U型槽結(jié)構(gòu)位于填土、軟弱土層之上時(shí)，應(yīng)對(duì)地基承載力進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算公式如下：

式中：Pz——底板底面處的附加應(yīng)力，kPa；

［faz］——底板底面處經(jīng)深度修正后的地基承載力特征值，kPa。

5　結(jié)語(yǔ)

（1）封閉式U型槽結(jié)構(gòu)涉及的計(jì)算荷載類型較多，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)不同的極限狀態(tài)和荷載組合，給出各種工況下的荷載安全系數(shù)。

（2）U型槽結(jié)構(gòu)計(jì)算屬于平面應(yīng)力問(wèn)題，沿線路方向每延米按彈性理論進(jìn)行簡(jiǎn)化，邊墻按懸臂式擋墻考慮，底板按彈性地基梁考慮，并采用共同變形模型計(jì)算。

（3）在邊墻結(jié)構(gòu)計(jì)算中，墻后土壓力和水壓力根據(jù)邊墻圍巖類型采用適宜的計(jì)算方法，土壓力按靜止土壓力考慮。

（4）U型槽結(jié)構(gòu)豎向荷重較小，須仔細(xì)研究和校核基礎(chǔ)抗浮穩(wěn)定性、地下水壓力作用下外墻和基礎(chǔ)底板的承載力問(wèn)題。

（5）U型槽結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)持力層為軟弱層時(shí)，應(yīng)對(duì)地基承載力、變形及穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。如地基承載力不能滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)對(duì)地基進(jìn)行加固處理。

［1］周恒，王立波，等.下穿既有高速公路工程方案比選及探討［J］.現(xiàn)代交通技術(shù)，2013（10）：15.

［2］北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司.北京市上莊路南延（閔莊路～黑龍?zhí)堵罚┑缆饭こ蹋ê魃剿淼溃╅]合框架與U型槽工程地質(zhì)勘察報(bào)告［R］.北京：北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，2014.

［3］孟美麗，高海彬.封閉式路塹U形槽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算［J］.鐵道建筑，2011（8）：82.

［4］馬濤，鄧帥.封閉式路塹U形槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析［J］.鐵路勘察，2013（1）：37.

U213

A

1004-5716（2016）07-0009-03

2016-03-25

2016-03-30

孫毅力（1983-），男（漢族），山東海陽(yáng)人，工程師，現(xiàn)從事巖土工程勘察、地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估等方面的工作。