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        某封閉式路塹U 型槽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算

        2014-11-09 12:44:42李家穩(wěn)
        山西建筑 2014年23期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        張 恒 李家穩(wěn)

        (北方工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,北京 100144)

        封閉式路塹U型槽結(jié)構(gòu)是一種較新的結(jié)構(gòu)形式,隨著我國(guó)交通事業(yè)的快速發(fā)展,地鐵的修建與公鐵立交的不斷增多,其應(yīng)用也越來越多。但是,目前這種結(jié)構(gòu)的計(jì)算還沒有公認(rèn)的好方法,也沒有設(shè)計(jì)規(guī)范。一般采用較簡(jiǎn)單的倒梁法或者經(jīng)驗(yàn)類比法來對(duì)底板內(nèi)力進(jìn)行估算或者計(jì)算,得出來的結(jié)果自然與實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn),甚至?xí)?dǎo)致工程事故的發(fā)生。因此探索一種較為合理的計(jì)算方法是十分有必要的。通過對(duì)封閉式路塹U型槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì),能夠?yàn)榻窈蠓忾]式路塹U型槽的設(shè)計(jì)提供一定的借鑒意義。

        1 工程概況

        某工程位于富嫩鐵路與齊齊哈爾某市政道路的交口,道路下穿既有富嫩鐵路。地勢(shì)整體北高南低,地表植被發(fā)育。根據(jù)地質(zhì)資料地下水位于地面下5.0 m、對(duì)應(yīng)高程261.40 m處,槽內(nèi)邊墻凈高為5 m~9 m,邊墻間凈寬度為14 m。

        1.1 工程地質(zhì)

        本區(qū)段主要地層如下:

        ①耕土:場(chǎng)地表層覆蓋土,主要由粘性土及大量植物根系組成,層厚1.00 m ~1.20 m。

        ②粉質(zhì)粘土:褐色,硬可塑~硬塑,含鐵質(zhì)氧化物,粘性較好,無搖震反應(yīng)、稍有光滑、干強(qiáng)度中等、韌性中等,屬中等壓縮性土,分布普遍,厚度為2.30 m ~3.00 m。

        ③粗砂:黃色,稍濕,中密,顆粒均勻,磨圓度良好。層面埋深0.50 m ~2.00 m。層厚1.50 m,分布連續(xù)。

        ④礫砂:褐色,顆粒不均,中密,飽和,未揭穿,揭露厚度14.50 m~15.00 m,分布連續(xù)。K=50 m/d。

        1.2 地層承載力

        地層承載力見表1。

        表1 地層承載力

        1.3 場(chǎng)地土類型和場(chǎng)地類型

        本區(qū)為季節(jié)性凍土地區(qū),標(biāo)準(zhǔn)凍深為2.30 m,②粉質(zhì)粘土為強(qiáng)凍脹土,場(chǎng)地為Ⅱ類場(chǎng)地。

        2 封閉式路塹結(jié)構(gòu)形式的選擇

        橫斷面設(shè)計(jì)成U型槽整體結(jié)構(gòu),其基本部分分為邊墻和底板兩部分。

        2.1 邊墻

        邊墻的橫斷面形式一般包括矩形、梯形和階梯形,其中矩形和梯形在工程上有較多應(yīng)用,特別是梯形邊墻受到最廣泛的應(yīng)用,一般把邊墻高度和地下水位作為依據(jù),來確定邊墻頂部寬度、外側(cè)坡率。挖深較大或邊墻受力較大的路段一般采用梯形邊墻。矩形邊墻因?yàn)橛性O(shè)計(jì)及施工簡(jiǎn)單的特點(diǎn),所以一般用于挖深較小或邊墻受力較小的路段。它的缺點(diǎn)是當(dāng)路段有較大的挖深、受到較大的力時(shí),如果上、下端都采用一樣的截面寬度,勢(shì)必浪費(fèi)材料,或者當(dāng)邊墻的寬度受到限制而不能滿足邊墻受力所需要的截面寬度時(shí),都不能采用。階梯形邊墻雖然能夠節(jié)省材料,但是集中應(yīng)力容易在其截面寬度變化直角處產(chǎn)生,在受到較大的外力作用時(shí)邊墻容易發(fā)生斷裂,因此此種形式的邊墻應(yīng)用的較少。梯形邊墻又被稱作漸變形邊墻,一般頂部有較小的寬度,同時(shí)沒有以上兩種形式的缺點(diǎn),而且它上小下大的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)。

        2.2 底板

        底板一般采用矩形斷面,其兩端可以適當(dāng)伸出一定的長(zhǎng)度,此長(zhǎng)度根據(jù)邊界寬度的限制或抗浮計(jì)算來確定。如果用底板增重的方法來滿足抗浮條件,那么在同等條件下,伸出一定的長(zhǎng)度可以比兩端不伸出時(shí)減少一定的底板厚度。

        2.3 U型槽結(jié)構(gòu)選擇

        本工程U型槽橫斷面詳見圖1,其中邊墻頂寬取0.3 m,內(nèi)坡直立,外坡坡度為 1∶0.1。底板厚取 0.8 m。

        圖1 U型槽橫斷面圖(單位:m)

        U型槽結(jié)構(gòu)采用抗?jié)B等級(jí)不小于P6的C40混凝土,受力鋼筋選用HRB335,其他鋼筋選用HPB300。槽內(nèi)路面采用0.2 m厚鋼纖維混凝土+0.20 m水泥穩(wěn)定砂礫,U型槽內(nèi)路面下部鋪填0.3 m摻入10%灰土+素土夯填,U型槽下部鋪0.1 m厚的C15素混凝土墊層,保證基礎(chǔ)在路面以下2.3 m。每隔20 m設(shè)沉降縫一道。

        3 U型槽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算

        根據(jù)U型槽結(jié)構(gòu)的組成,U型槽的計(jì)算也分為兩部分即邊墻計(jì)算和底板計(jì)算。

        3.1 邊墻計(jì)算

        1)自重。

        根據(jù)材料容重和初定的截面尺寸計(jì)算結(jié)構(gòu)自重。當(dāng)邊墻截面為梯形時(shí),要計(jì)算上部三角形土體的重力。

        2)活載。

        墻頂外側(cè)活載(邊墻外側(cè)頂部有輔道時(shí))是邊墻受力計(jì)算需要考慮的主要活載;通常用一個(gè)均布荷載來代替墻頂外側(cè)活載,并將其換算成等效的土壓力。

        3)墻背土壓力和水壓力。

        除了墻頂外側(cè)活載,作用在邊墻上的荷載還有土壓力和地下水的水壓力。邊墻土壓力和水壓力是進(jìn)行邊墻、底板斷面尺寸設(shè)計(jì)以及驗(yàn)算其穩(wěn)定性和強(qiáng)度的重要依據(jù)。

        土壓力主要有靜止土壓力和主動(dòng)土壓力兩種,因?yàn)閁型槽結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),其在墻后填土的推力作用下,邊墻不發(fā)生任何變形和位移,即邊墻絕對(duì)不動(dòng),墻后填土由于墻背的側(cè)限作用而處于彈性平衡狀態(tài)。此時(shí),作用在邊墻上的土壓力就是靜止土壓力。邊墻計(jì)算模型的選擇見表2。

        表2 邊墻計(jì)算模型[1]

        4)邊墻結(jié)構(gòu)的計(jì)算。

        邊墻一般按受彎構(gòu)件或偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行內(nèi)力、變形及配筋計(jì)算。

        本結(jié)構(gòu)基坑開挖后,換填砂類滲水土,采用水土分算來計(jì)算側(cè)向壓力。邊墻受力見圖2(取9 m邊墻分析)。

        圖2 邊墻受力分析(單位:kPa)

        按照GB 50010-2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中的受彎構(gòu)件對(duì)其進(jìn)行內(nèi)力、截面計(jì)算并驗(yàn)算。

        3.2 底板計(jì)算

        1)活載。

        槽內(nèi)上部車輛荷載和人群荷載是底板計(jì)算時(shí)要考慮的主要活載。計(jì)算時(shí),汽車荷載按等效集中荷載考慮,人群按均布荷載考慮。

        2)槽內(nèi)填土。

        槽內(nèi)填土按均布荷載考慮。

        3)邊墻固端彎矩。

        固端彎矩是由水壓力和土壓力在邊墻底部產(chǎn)生的,是作為集中彎矩施加在底板上的。

        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。

        5)地下水浮力。

        地下水對(duì)水位以下的結(jié)構(gòu)不僅有靜水壓力的作用,而且有浮力產(chǎn)生。必須對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算。

        6)底板結(jié)構(gòu)的計(jì)算。

        根據(jù)抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算,確定本結(jié)構(gòu)底板厚度0.8 m滿足要求。底板受力見圖3。

        圖3 底板受力分析

        底板的計(jì)算一般采用彈性地基梁法,但是彈性地基的解法有很多種[2]。通過對(duì)這些解法的分析,可以得出以下規(guī)律:除了文克爾地基只能使用文克爾假定法,加載方式為邊荷載時(shí),只能用鏈桿法和蔡氏法外,其他情況下,都可以用簡(jiǎn)單冪級(jí)數(shù)法。

        進(jìn)行配筋,必要時(shí)可改變底板的厚度。結(jié)合本工程的地基條件,底板采用彈性地基梁法,解法選用簡(jiǎn)單冪級(jí)數(shù)法,參考相關(guān)文獻(xiàn)[3][4]進(jìn)行計(jì)算。

        4 結(jié)語

        本文通過一個(gè)實(shí)例,簡(jiǎn)單的闡述了U型槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算的一般方法,立足于各個(gè)環(huán)節(jié)上,對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。為同類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了參考。實(shí)際上還有很多問題沒有考慮到。對(duì)于邊墻與底板、框架橋與U型槽之間的防水防滲問題,基坑工程中的防水、排水問題等,都需要進(jìn)一步的研究。

        [1]李 虹.公路U形封閉式路塹優(yōu)化設(shè)計(jì)方法探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2011(9):27-29.

        [2]孫愛斌,吳連海.天津某U型槽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2006(7):49-53.

        [3]巖土工程手冊(cè)編委會(huì).巖土工程手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工程出版社,1994.

        [4]楊維加.彈性地基梁的三角基數(shù)解法[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2007.

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