□趙 斌

地下水位對彈性地基上箱涵內(nèi)力計算的影響

□趙 斌

目前，土基上箱涵內(nèi)力的計算主要有反力直線分布法和彈性地基梁法，大、中型箱涵設(shè)計一般采用彈性地基梁法。對于很多箱涵，外水壓力是結(jié)構(gòu)所受的主要荷載之一。工程區(qū)地下水位受到自然條件及人為因素的影響，變化情況較為復(fù)雜，設(shè)計中取用不同的地下水位可能會得到不同的計算結(jié)果。此文結(jié)合南水北調(diào)中線一期工程七里河渠道倒虹吸的工程實例，選取代表性工況對倒虹吸內(nèi)力進行計算、比較，分析地下水位對倒虹吸內(nèi)力的影響，對大型箱涵結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的借鑒意義。

1.工程概況

七里河倒虹吸是南水北調(diào)中線一期工程總干渠穿越七里河的大型河渠交叉建筑物，全長865m。倒虹吸上游設(shè)退水閘、排冰閘，進口設(shè)檢修閘、漸變段，出口設(shè)漸變段、節(jié)制閘，組成了以倒虹吸為主體的樞紐工程。

倒虹吸管身段包括進口斜管段、水平段、出口斜管段，每19～20m設(shè)一道橫向變形縫。管身段為三孔一聯(lián)的鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)，過水?dāng)嗝娉叽?.5m× 6.5m，斜管段、河床內(nèi)段管頂板厚1. 3m，中隔墻厚1.2m，邊墻厚1.3m，底板厚1.3m；堤下管段管頂板厚1.4m，中隔墻厚1.2m，邊墻厚1.4m，底板厚1.4m。

2.計算方法

倒虹吸管橫向結(jié)構(gòu)按彈性地基上的框架進行分析，取河堤處單寬管節(jié)作為研究對象，將頂板、底板、立墻簡化為桿件，內(nèi)力采用水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)計算。

基本計算參數(shù)如下：黏性土回填料內(nèi)摩擦角φ=20°（統(tǒng)計最大值為30.3°），天然容重γ=19.5kN/m3，浮容重γ’= 10kN/m3；砂卵石地基變形模量30MPa；倒虹吸管頂板頂高程75.4m；河堤頂高程83.1m；勘測地下水位75.4m；倒虹吸管承受的荷載主要包括自重、豎直土壓力、側(cè)向土壓力、內(nèi)水壓力、外水壓力、車輛荷載等。

3.成果分析

以施工完建、管內(nèi)無水工況為例，列出堤下管節(jié)計算成果。

當(dāng)?shù)购缥芡獾叵滤晃挥诠艿滓韵拢ê喎Q低地下水位）時，計算中不考慮外水壓力；當(dāng)管外地下水位與管頂齊平（簡稱高地下水位）時，兩側(cè)外水壓力按三角形分布荷載考慮，管底外水壓力按均布荷載考慮。兩種情況按荷載標(biāo)準(zhǔn)值計算的倒虹吸彎矩圖見圖1。

通過對比可以看出，管外無外水作用時比有外水作用時倒虹吸底板彎矩絕對值大15%～20%左右。這兩種情況倒虹吸上部荷載相同，兩側(cè)土壓力及水壓力的綜合作用效果也基本一致，為什么底板內(nèi)力會有這樣差別呢？這與彈性地基的特點有關(guān)。

圖1 倒虹吸管（單寬）彎矩圖（KN·m）

當(dāng)按地基反力直線分布法進行箱涵內(nèi)力計算時，地基反力及外水壓力均呈直線分布，作用于箱涵底面的總荷載也為直線分布，其數(shù)值與上部荷載平衡。在上部荷載相對穩(wěn)定的情況下，箱涵底面的總荷載（方向向上）也基本不變，其中地基反力及外水壓力所占的比例對箱涵彎矩影響不大。因此，當(dāng)?shù)叵滤坏陀陧敯甯餐粮叱虝r，地下水位的變化對作用于箱涵頂面及底面的總分布荷載影響不大，對彎矩計算值影響也較小。

彈性地基梁法認(rèn)為梁和地基都是彈性體，可依據(jù)變形協(xié)調(diào)和靜力平衡條件確定地基反力和梁的內(nèi)力，地基反力在垂直水流方向按曲線分布，即彈性分布。當(dāng)按彈性地基上的框架進行箱涵內(nèi)力計算時，地基反力不是直線分布，在上部荷載相對穩(wěn)定的情況下，箱涵底面的總荷載（方向向上）中地基反力及外水壓力所占的比例對箱涵彎矩有一定的影響。若箱涵外部沒有外水作用，其底板與彈性地基變形協(xié)調(diào)，整個框架內(nèi)力值反映出彈性地基的特點。若箱涵外部有外水作用，即箱涵底面有均布荷載時，框架內(nèi)力值的彈性地基特性將被削弱。均布荷載在箱涵底面的總荷載中所占比例越大，總荷載越趨向直線分布，框架內(nèi)力值的這種彈性地基特性就越不明顯。

可見，作用于倒虹吸底板的均布荷載削弱了彈性地基特性，這是管外無外水作用時比有外水作用時倒虹吸底板彎矩絕對值大的原因。

4.結(jié)語

分析不難看出，外水壓力對彈性地基上箱涵內(nèi)力是有一定影響的。在地下水位變動較大的地區(qū)，低水位比高水位的工況可能對結(jié)構(gòu)更不利。因此，本人建議：對于彈性地基上箱涵的結(jié)構(gòu)設(shè)計，當(dāng)外水水位不是很明朗時，應(yīng)充分考慮水位變化幅度，選取較不利工況進行分析，保證結(jié)構(gòu)安全?！?/p>

2014-06-12

陳金霞，女，漢族，河北省水利物資供應(yīng)站，助理工程師。

收稿日期:2014-05-14

作者簡介:趙斌，男，漢族，河北省水利水電第二勘測設(shè)計研究院，高級工程師。