某封闭式路堑U 型槽结构的设计与计算

张 恒 李家稳

(北方工业大学建筑工程学院，北京 100144)

封闭式路堑U型槽结构是一种较新的结构形式，随着我国交通事业的快速发展，地铁的修建与公铁立交的不断增多，其应用也越来越多。但是，目前这种结构的计算还没有公认的好方法，也没有设计规范。一般采用较简单的倒梁法或者经验类比法来对底板内力进行估算或者计算，得出来的结果自然与实际情况相差甚远，甚至会导致工程事故的发生。因此探索一种较为合理的计算方法是十分有必要的。通过对封闭式路堑U型槽结构的优化设计，能够为今后封闭式路堑U型槽的设计提供一定的借鉴意义。

1 工程概况

某工程位于富嫩铁路与齐齐哈尔某市政道路的交口，道路下穿既有富嫩铁路。地势整体北高南低，地表植被发育。根据地质资料地下水位于地面下5.0 m、对应高程261.40 m处，槽内边墙净高为5 m～9 m，边墙间净宽度为14 m。

1.1 工程地质

本区段主要地层如下:

①耕土:场地表层覆盖土，主要由粘性土及大量植物根系组成，层厚1.00 m ～1.20 m。

②粉质粘土:褐色，硬可塑～硬塑，含铁质氧化物，粘性较好，无摇震反应、稍有光滑、干强度中等、韧性中等，属中等压缩性土，分布普遍，厚度为2.30 m ～3.00 m。

③粗砂:黄色，稍湿，中密，颗粒均匀，磨圆度良好。层面埋深0.50 m ～2.00 m。层厚1.50 m，分布连续。

④砾砂:褐色，颗粒不均，中密，饱和，未揭穿，揭露厚度14.50 m～15.00 m，分布连续。K=50 m/d。

1.2 地层承载力

地层承载力见表1。

表1 地层承载力

1.3 场地土类型和场地类型

本区为季节性冻土地区，标准冻深为2.30 m，②粉质粘土为强冻胀土，场地为Ⅱ类场地。

2 封闭式路堑结构形式的选择

横断面设计成U型槽整体结构，其基本部分分为边墙和底板两部分。

2.1 边墙

边墙的横断面形式一般包括矩形、梯形和阶梯形，其中矩形和梯形在工程上有较多应用，特别是梯形边墙受到最广泛的应用，一般把边墙高度和地下水位作为依据，来确定边墙顶部宽度、外侧坡率。挖深较大或边墙受力较大的路段一般采用梯形边墙。矩形边墙因为有设计及施工简单的特点，所以一般用于挖深较小或边墙受力较小的路段。它的缺点是当路段有较大的挖深、受到较大的力时，如果上、下端都采用一样的截面宽度，势必浪费材料，或者当边墙的宽度受到限制而不能满足边墙受力所需要的截面宽度时，都不能采用。阶梯形边墙虽然能够节省材料，但是集中应力容易在其截面宽度变化直角处产生，在受到较大的外力作用时边墙容易发生断裂，因此此种形式的边墙应用的较少。梯形边墙又被称作渐变形边墙，一般顶部有较小的宽度，同时没有以上两种形式的缺点，而且它上小下大的截面形式能够很好地与土压力和水压力的应力分布相适应。

2.2 底板

底板一般采用矩形断面，其两端可以适当伸出一定的长度，此长度根据边界宽度的限制或抗浮计算来确定。如果用底板增重的方法来满足抗浮条件，那么在同等条件下，伸出一定的长度可以比两端不伸出时减少一定的底板厚度。

2.3 U型槽结构选择

本工程U型槽横断面详见图1，其中边墙顶宽取0.3 m，内坡直立，外坡坡度为 1∶0.1。底板厚取 0.8 m。

图1 U型槽横断面图（单位:m）

U型槽结构采用抗渗等级不小于P6的C40混凝土，受力钢筋选用HRB335，其他钢筋选用HPB300。槽内路面采用0.2 m厚钢纤维混凝土+0.20 m水泥稳定砂砾，U型槽内路面下部铺填0.3 m掺入10%灰土+素土夯填，U型槽下部铺0.1 m厚的C15素混凝土垫层，保证基础在路面以下2.3 m。每隔20 m设沉降缝一道。

3 U型槽结构的设计计算

根据U型槽结构的组成，U型槽的计算也分为两部分即边墙计算和底板计算。

3.1 边墙计算

1)自重。

根据材料容重和初定的截面尺寸计算结构自重。当边墙截面为梯形时，要计算上部三角形土体的重力。

2)活载。

墙顶外侧活载(边墙外侧顶部有辅道时)是边墙受力计算需要考虑的主要活载;通常用一个均布荷载来代替墙顶外侧活载，并将其换算成等效的土压力。

3)墙背土压力和水压力。

除了墙顶外侧活载，作用在边墙上的荷载还有土压力和地下水的水压力。边墙土压力和水压力是进行边墙、底板断面尺寸设计以及验算其稳定性和强度的重要依据。

土压力主要有静止土压力和主动土压力两种，因为U型槽结构为钢筋混凝土结构，其在墙后填土的推力作用下，边墙不发生任何变形和位移，即边墙绝对不动，墙后填土由于墙背的侧限作用而处于弹性平衡状态。此时，作用在边墙上的土压力就是静止土压力。边墙计算模型的选择见表2。

表2 边墙计算模型［1］

4)边墙结构的计算。

边墙一般按受弯构件或偏心受压构件进行内力、变形及配筋计算。

本结构基坑开挖后，换填砂类渗水土，采用水土分算来计算侧向压力。边墙受力见图2(取9 m边墙分析)。

图2 边墙受力分析（单位:kPa）

按照GB 50010-2010混凝土结构设计规范中的受弯构件对其进行内力、截面计算并验算。

3.2 底板计算

1)活载。

槽内上部车辆荷载和人群荷载是底板计算时要考虑的主要活载。计算时，汽车荷载按等效集中荷载考虑，人群按均布荷载考虑。

2)槽内填土。

槽内填土按均布荷载考虑。

3)边墙固端弯矩。

固端弯矩是由水压力和土压力在边墙底部产生的，是作为集中弯矩施加在底板上的。

4)边墙对底板的压力。

边墙对底板的压力就是边墙的结构自重以及上部三角形土体的重力之和。

5)地下水浮力。

地下水对水位以下的结构不仅有静水压力的作用，而且有浮力产生。必须对结构进行抗浮稳定性验算。

6)底板结构的计算。

根据抗浮稳定性验算，确定本结构底板厚度0.8 m满足要求。底板受力见图3。

图3 底板受力分析

底板的计算一般采用弹性地基梁法，但是弹性地基的解法有很多种［2］。通过对这些解法的分析，可以得出以下规律:除了文克尔地基只能使用文克尔假定法，加载方式为边荷载时，只能用链杆法和蔡氏法外，其他情况下，都可以用简单幂级数法。

进行配筋，必要时可改变底板的厚度。结合本工程的地基条件，底板采用弹性地基梁法，解法选用简单幂级数法，参考相关文献［3］［4］进行计算。

4 结语

本文通过一个实例，简单的阐述了U型槽结构设计和计算的一般方法，立足于各个环节上，对其进行优化设计。为同类结构的设计提供了参考。实际上还有很多问题没有考虑到。对于边墙与底板、框架桥与U型槽之间的防水防渗问题，基坑工程中的防水、排水问题等，都需要进一步的研究。

［1］李 虹.公路U形封闭式路堑优化设计方法探讨［J］.铁道标准设计，2011(9):27-29.

［2］孙爱斌，吴连海.天津某U型槽结构的设计与计算［J］.铁道工程学报，2006(7):49-53.

［3］岩土工程手册编委会.岩土工程手册［M］.北京:中国建筑工程出版社，1994.

［4］杨维加.弹性地基梁的三角基数解法［M］.北京:中国水利水电出版社，2007.