封闭式路堑U形槽结构设计分析

马　涛　邓　帅

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)

随着我国经济的迅猛发展，铁路及公路等交通基础设施建设得到了极大的发展，出现了大量的下穿式立交引道工程。U形槽结构具有刚度大、变形小、防水效果优良等特点[1]，在地下水位较高，地层渗透系数较大，或者地下水排除困难的地区得到了广泛应用。目前，对于U形槽结构还没有一种公认的、成熟的设计方法，也没有相应的设计规范可供参考，有必要对其计算理论和方法进行深入的分析和探讨。

1　U形槽结构形式

U形槽结构边墙一般采用梯形形式，其截面上小下大，可以很好的适应土压力和水压力在边墙上的分布，节约材料；底板一般采用矩形断面。

实际工程中，根据线路平面设计及立交孔跨的不同，U形槽结构对应单孔、双孔、三孔等桥涵立交时，可分别采用图1、图2所示的结构图[2]。

图1　单孔及双孔桥涵U形槽结构横断面

图2　三孔桥涵U形槽结构横断面

2　U形槽结构设计方法

2.1　结构计算力系和方法

U形槽结构的计算力系包括：边墙自重、边墙墙背土压力及水压力、底板自重、地下水浮力和活载。上述各种荷载及外力，并非同时作用于U形槽结构上，它们发生的概率也各不相同。设计分析时，应考虑它们同时作用的多种可能性，进而进行适当的组合，且根据不同的极限状态和荷载组合，给出不同的荷载安全系数[3]。

2.2　计算模型

在U形槽结构计算时，完全按照实际情况进行力学分析是非常复杂的，也是不必要的。根据U形槽结构的受力特点，可知属于平面应力问题，可取线路方向1延米按弹性理论进行简化，同时对U形槽的边墙和底板分别计算，边墙按悬臂式挡墙考虑，底板按弹性地基梁考虑。

2.3　抗浮计算

当U形槽结构所处位置的地下水位较高时，应对其进行抗浮稳定性验算，其抗浮稳定系数不宜小于1.05。通过调整U形槽结构尺寸以满足抗浮要求，可以初步确定U形槽结构的结构尺寸。

抗浮稳定系数计算公式如下

(1)

式中Kf——抗浮稳定系数；

G——U形槽结构及附属设施自重；

Ff——U形槽结构所受浮力/kN，不考虑折减；

[Kf]——抗浮安全系数。

2.4　边墙设计

边墙按浸水地区悬臂式挡墙考虑，边墙受力主要包括边墙自重，边墙墙背土压力、水压力及墙顶外侧活载。在边墙的计算分析中，有两个关键问题需要明确：①在计算土压力时，采用主动土压力还是静止土压力；②计算土压力和水压力时，是采用水土分算还是水土合算。

(1)主动土压力和静止土压力

边墙的位移大小决定着墙厚土体的应力状态和土压力的性质，根据大量的试验观测和研究，极限平衡状态所需的位移量如表1所示[4]。

表1　产生主动土压力所需的位移量

U形槽结构为钢筋混凝土结构，刚度大，变形小，边墙顶绕边墙与底板的交点转动位移一般小于产生主动土压力所需的位移量，因此边墙墙背土体土压力采用静止土压力更为合理。

(2)水土合算和水土分算

水土分算是指水压力和土压力分开计算，即有效应力对边墙产生土压力，而孔隙水压力对边墙产生水压力；水土合算是指计算土压力时考虑土体的总应力，不再单独考虑水压力的影响。

水土分算是基于有效应力原理，假设土体中颗粒是分散的，孔隙水完全流通。因此，水土分算应用于非黏性土一般不存在异议；但对于黏性土，因颗粒表面存在着结合水膜，孔隙水压力是否等于静止土压力，仍有待研究[5]。

水土分算与水土合算计算时的区别在于：水压力需不需要土压力系数K。水土分算时，水压力不需要乘以土压力系数，而水土合算时，水压力则需要乘以土压力系数，由于土压力系数小于1，所以作用在边墙上的侧压力在采用水土合算时要比采用水土分算时小一些。在本文中，对于黏性土按不利的情况进行计算，因此黏性土和非黏性土均采用水土分算。

2.5　底板设计

底板按弹性地基梁考虑，底板受力主要包括底板自重、边墙自重、端部弯矩、车辆及人群活载和浮力作用。同样，在底板的计算分析中，也有两个关键问题需要明确：①底板的计算方法；②车辆及人群活载的确定。

(1)底板计算方法

文克勒地基模型：假定地基中某点的变形与该点的压力成正比，实质上是把连续的地基分割为侧面无摩擦联系的独立土柱，每一土柱的变形仅与作用在土柱上的竖向荷载有关，并与之成正比，即相当于一个弹簧的受力变形。文克尔地基上基底压力的分布与地基沉降具有相同的形式，地基中不存在应力的扩散[6]。

共同变形模型：假定地基中任意一点的沉陷变形不仅与该点的压力有关，还与其他各点的压力都有关。显然，共同变形模型更符合工程实际情况。

在实际工作中，如果按共同变形模型考虑，会遇到非常大的计算问题。一般情况下按郭氏查表法进行简化计算，如果配合有关结构计算软件可选用链杆法[2]。

(2)车辆及人群活载的确定

根据《公路桥涵设计通用规范(JTGD60—2004)》4.3.1中对车辆荷载的规定，车辆荷载标准值取后轴轴载140 kN[7]。不考虑轮胎接地面积，按集中力考虑。车辆荷载在横向作用位置的不同会对底板内力产生影响，参考《公路桥涵设计通用规范(JTGD60—2004)》中车辆荷载横向布置的规定，如图3所示[7]，应选取不同的作用位置，对底板进行结构计算。

图3　车辆荷载横向布置(单位：m)

因此，在底板结构计算中，需要综合考虑外力组合的多种情况和车辆荷载在横向上作用位置的影响，分别计算不同工况下的内力，从中选出最大正弯矩、最大负弯矩和剪力最大值，以此对底板进行配筋计算。

根据《公路桥涵设计通用规范(JTGD60—2004)》4.3.5的规定，人群荷载标准值取3.0 kN/m2，按照均布荷载考虑，作用在人行道上[7]。

2.6　配筋计算

当地下水位较高、无车辆活载时，在浮力作用下，底板会出现较大的负弯矩，因此U形槽底板按受弯构件双筋梁进行设计，边墙按受弯构件单筋梁进行设计[8]。

2.7　地基承载力

U形槽建于软土、松软土土层之上时，应对地基承载力进行验算，检算公式如下

Pz<[faz]

(1)

式中Pz——底板底面处的附加压力/kPa；

[faz]——底板底面处经深度修正后的地基承载力特征值/kPa。

如地基承载力不能满足设计要求，可根据软土、松软土土层的厚度，采用换填、水泥搅拌桩、CFG桩等工程措施对地基进行加固处理。

3　结论

(1)根据U形槽结构的受力特点，可知其属于平面应力问题，取线路方向1延米按弹性理论进行简化，边墙按悬臂式挡墙考虑，底板按弹性地基梁考虑。

(2)在边墙结构计算中，墙后土压力和水压力采用水土分算的计算方法，土压力按静止土压力考虑。

(3)在底板结构的计算中，将底板按弹性地基梁考虑，应采用共同变形模型进行计算。

(4)作用于底板的活载包括车辆荷载和人群荷载，车辆荷载按等效集中力考虑，人群荷载按照均布荷载考虑。

(5)在底板结构计算中，需要综合考虑外力组合的多种情况和车辆荷载在横向上作用位置的影响，分别计算不同工况下的内力，从中选出最大正弯矩、最大负弯矩和剪力最大值，以此对底板进行配筋计算。

(6)在配筋计算中，U形槽边墙应按受弯构件单筋梁进行设计，底板按受弯构件双筋梁进行设计。

(7)建于松软土层之上的U形槽结构，应对地基承载力进行验算。如地基承载力不能满足设计要求，应采用换填、水泥搅拌桩、CFG桩等工程措施对地基进行加固处理。

[1]崔俊杰，宋绪国.封闭式路堑设计及有关问题的探讨[J].铁道建筑技术，2001(6)

[2]孙爱斌，吴连海.天津某封闭式路堑U形槽结构的设计与计算[J].铁道工程学报，2006(10)

[3]丁兆锋，吴沛沛.U形槽结构设计与分析[J].铁道工程学报，2009(4)

[4]刘成宇.土力学[M].北京：中国铁道出版社，2002

[5]蔡忠河，冯启军，等.公铁立交下穿引道及排水系统的设计与应用[M].北京：中国水利水电出版社，2009

[6]莫海鸿，杨小平.基础工程[M].北京：中国建筑工业出版社，2008

[7]JTGD60—2004公路桥涵设计通用规范[S]

[8]GB50010—2010混凝土结构设计规范[S]

[9]周革.U形槽结构在龙厦铁路某地下水发育路堑中的设计与应用{J}.铁道标准设计,2009(3):27-29