单孔箱涵在南美滨海软土地基中的受力分析

何壮志

（中国水利水电第十二工程局有限公司国际工程公司， 浙江 杭州 310006）

1 工程背景

圭亚那谢里夫-曼德拉道路升级拓宽项目是中国电建集团在圭亚那的首个公路项目，工程位于圭亚那首都乔治敦市内，涉及居民众多，对优化首都市区环境、减缓交通压力、改善居民生活条件有重要意义。项目主要涉及沿线近7km 的道路改造和沿线两侧排水系统的重建，其中包括7 个过路涵洞的建设。工程秉承一贯的高标准质量要求，结合当地实际寻找工程创新点，为国际项目积累宝贵经验。

2 工程概况

圭亚那谢里夫-曼德拉道路升级拓宽项目CH 3+195 单孔箱涵，位于首都乔治敦市区曼德拉大道与普林赛斯路交叉口，是市区内重要的交通枢纽，交通压力大、周边居民众多。新建单孔箱涵除了面临施工难度大的问题，还必须保证涵洞的建筑结构稳定，否则将对首都交通产生极大影响。

箱涵总长度13.74m，净跨长2.52m，为单孔过路箱涵，箱涵设计为C50 强度等级混凝土，设计钢筋等级为HRB400，箍筋配筋按T12@100，纵筋配筋按T16@150。

涵洞内设计水深为1.7m，洪水深2.7m，初步勘察两侧地下水标高1.5m。箱涵上部填土，包括路基路面，总厚度为1m，填土综合容重取18kN/m2，饱和重度20kN/m2。

通过初步计算箱涵自重为425.67kN，汽车荷载按规范要求取3.52kN/m，均布荷载作用于涵顶。同时箱涵各部位各自承受土压力、内外水压力，并需要考虑一定的活荷载。各项荷载的基本组合系数见表1。

表1 荷载基本组合系数表

三种荷载组合按照《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010)设定，分别对应了基本荷载组合、偶然荷载和标准荷载组合。组合其中需要结合工程现场地质条件进行水土分算，即所提及竖向荷载和水平荷载为除水压力以外的其他荷载。

3 结构计算

3.1 稳定性验算

根据表1 中的荷载基本组合系数，对三种组合下产生的基底压力进行计算，分别得到组合1、2、3 对应的基底压力为36.21kPa、33.94kPa 及46.47kPa，而根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG-D63-2007），天然含水率40%的软土地基承载力基本容许值fa0 为90kPa，故可知结构满足地基承载力需要。

对结构进行抗浮验算可知抗浮稳定性系数K=3.2＞1.1，故满足规范要求。

3.2 内力计算

按弹性地基模型对三种荷载组合形式进行计算，得到三种组合形式下箱涵受力图，三种荷载组合下箱涵各部分受力规律不同：

基本荷载组合下，活荷载以外未考虑土压力及外侧水压力，结构仅受自重及内部水压影响。故箱涵侧墙受水平向力作用与水位以下，且自水面以下呈线性增长，从水面处起均速增长至墙脚位置达最大值21.59kPa。顶板受压力9kPa，底板受压力30.59kPa，均布向下作用。

基本荷载组合下，活荷载以外未考虑内部水压。箱涵两侧侧墙既受外部土压力作用，又受外部地下水压力作用。故在地下水位以上部分受到主动土压力呈线性递增，由8.76kPa 均速增长至16.99kPa。其下为土压力与水压力共同作用，至墙底作用力为39.85kPa。且侧墙受竖向压力19.17kPa，顶板受压力36.3kPa，底板受压力9kPa，均布向下作用。

标准荷载组合下，综合考虑了自重、土压力、内外水压力以及其他各项活荷载。侧墙受力规律与偶然荷载组合相似，最大荷载39.85kPa，发生在墙角位置。且侧墙受竖向压力19.17kPa，顶板受压力36.3kPa，底板受压力30.59kPa，均布向下作用。

3.3 裂缝验算

混凝土构件因其结构构造，在过分受压或者受拉的情况下会产生裂缝，当裂缝发展到一定程度即会导致构件的破坏[1]。而裂缝的发展与裂缝大小有紧密关系，参照《混凝土结构设计规范》，构件处于受拉或受弯或偏心受压时，应按作用效应的标准荷载组合控制裂缝宽度。

箱涵整体发生裂缝最大宽度在0.13mm，发生在底板内侧中部。底板两端外侧可能产生的裂缝最大宽度为0.11mm，反映出底板受力规律。箱涵两侧侧墙产生的最大裂缝宽度0.1mm，作用在与底板相接处的墙脚位置，且箱涵两侧侧墙的裂缝分布一致，与受力情况相符。顶板位置产生的最大裂缝宽度为0.09mm，位于顶板中部内侧，两端可能发生最大裂缝宽度0.06mm，相互对称，符合受力规律。

综上所述，裂缝的产生与箱涵受力方式有关，且裂缝宽度也与受力大小有关。在此工程中所产生的裂缝较小，能保证箱涵结构稳定，不会产生贯通缝导致箱涵渗水，也不会出现结构破坏。

3.4 桩基承载力计算

为提高结构整体稳定性，针对滨海高水位软土地基对过路箱涵下加设桩基。秉承“因地制宜”的思想，采用当地的绿芯木作为桩基材料。绿芯木是南美洲圭亚那特有的一种木材，其质地坚韧，防水防蛀，具有很好的力学性能，在当地广泛应用于施工建设中。

将其与不同标号混凝土进行比较可知：绿芯木材料的抗压强度及抗弯强度均远超各标号混凝土，弹性模量与C50 混凝土相近。这说明同尺寸的绿芯木桩在受力变形规律上与C50 素混凝土桩可能相近，而极限承载力将远远高于混凝土桩。以下可根据力学原理对绿芯木桩的单桩承载力进行C50 素混凝土桩的类比计算。

考虑到富水软土地基可能存在的地基土液化情况，取合理范围内液化折减系数为0.7。通过计算可知其极限侧摩为570.2kN。根据地层条件地基桩属于摩擦桩，摩擦桩的所有承载力都来自于其侧摩阻力，即单桩竖向极限承载力为570.2kN。再根据《桩基规范》可计算得出桩身受压承载力为1224.63kN，实际同样尺寸的绿芯木桩的桩身受压承载力约为3466kN。

而通过上文计算可知，新建箱涵连同内部水体自重475.67kN/m，整体构件总重约6783kN，一根单桩显然达不到结构要求，还会造成断桩。由数据约至少采用12 根绿芯木桩作为单桩作用，可保证桩基稳定。各桩应均布分散于基底全长布置，桩间距不宜过小以免产生群桩效应降低单桩平均承载力。

4 结束语

对圭亚那谢里夫-曼德拉道路升级拓宽项目CH 3+195 单孔箱涵，通过力学计算分析得其受力结构稳定，不会产生大的裂缝且结构安全。并通过类比验证的方法，分析了至少使用12 根符合设计规范的绿芯木桩作为单桩基础才能保证基底稳定，从而满足结构整体性稳定要求。为国际工程施工提供了分析与解决的思路。