王亞坤
(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津市 300142)
U型槽結(jié)構(gòu)在某下穿鐵路通道的設(shè)計(jì)與應(yīng)用
王亞坤
(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津市 300142)
U型槽作為一種較新的結(jié)構(gòu)形式,廣泛應(yīng)用于城市地鐵、道路、鐵路、高速公路建設(shè)中,并收到了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。結(jié)合實(shí)際工程實(shí)例,對(duì)U型槽結(jié)構(gòu)防水抗?jié)B、抗浮設(shè)計(jì)、邊墻及底板受力進(jìn)行了分析和討論,針對(duì)工程的地質(zhì)、水文條件對(duì)封閉式U型槽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法、要點(diǎn)及設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題進(jìn)行了探討,可為此類(lèi)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。
U型槽;抗浮設(shè)計(jì);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);防水設(shè)計(jì)
近年來(lái),中國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力飛速發(fā)展,城市規(guī)模也在逐漸擴(kuò)大,城市布局和規(guī)劃不斷優(yōu)化調(diào)整,早期建成的既有鐵路成為許多城市建設(shè)的影響和控制要素,為了保證城市的發(fā)展以及行車(chē)的舒適、安全,大量城市道路交叉處需要將早期的平交改為立交穿越既有鐵路,這些公鐵立交的興建,不可避免地會(huì)出現(xiàn)一些公路以路塹下鉆的方式通過(guò)既有鐵路。當(dāng)下挖路塹沿線(xiàn)地下水水位較高,道路設(shè)計(jì)線(xiàn)低于地下水位,且周邊不能永久性降水時(shí),通常需設(shè)封閉式路塹U型槽結(jié)構(gòu)。U型槽結(jié)構(gòu)具有剛度大、變形小、穩(wěn)定性好、收坡支擋防水效果優(yōu)良,可廣泛應(yīng)用于公路、鐵路下挖引道工程中[1-7]。
某工程位于哈爾濱市濱江上行線(xiàn)鐵路與市區(qū)某道路交叉口處,現(xiàn)狀道路與既有鐵路平交,并且現(xiàn)場(chǎng)不具備道路上跨鐵路條件,道路需要以下穿方式通過(guò)既有鐵路。新建道路以U型槽加框構(gòu)形式下穿濱江上行線(xiàn)。工點(diǎn)范圍內(nèi)地下水為上層滯水及第四系孔隙水,主要靠大氣降水補(bǔ)給,并以地下徑流及蒸發(fā)方式排泄。上層滯水埋深3.2~4.5 m,分布不均,水位季節(jié)性變化幅度為1~2 m。
鉆探資料揭示該工點(diǎn)主要地層從上至下依次為:第四系全新統(tǒng)(Q4ml)人工填土,主要為路基填土,其下為第四系全新統(tǒng)沖積(Q4ml)粉質(zhì)黏土、粉砂、細(xì)砂、中砂、粉質(zhì)黏土、粗礫砂等。
式中:Fs為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù),運(yùn)營(yíng)階段不小于1.0;∑Gk為結(jié)構(gòu)自重,kN;∑Gpk為底板上面層自重及交通荷載,kN;Ffk為結(jié)構(gòu)所受浮力(kN),按式(2)計(jì)算;Pwy為U型槽處于承壓水層時(shí)所承受的承壓水層的水頭壓力,按式(3)計(jì)算;γw為水的重度,kN/m3;α為浮力折減系數(shù);A為結(jié)構(gòu)在地下水位以下的面積(m2);B為承壓水作用寬度。
根據(jù)以往設(shè)計(jì)工程經(jīng)驗(yàn),本項(xiàng)目U型槽左右側(cè)邊墻頂寬均取0.5 m,邊墻外側(cè)墻面坡率 1∶0.15,內(nèi)側(cè)墻面坡率1∶0。采用這種隨深度增加而邊墻尺寸逐漸增大的邊墻形式,可以更好的適應(yīng)邊墻外土壓力和水壓力的作用。U槽底板采用矩形斷面,底板厚度依據(jù)不同挖深結(jié)合水位確定。本項(xiàng)目采用的U型槽斷面形式見(jiàn)圖1。
2.1 抗浮檢算
對(duì)于U型槽,抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算是十分必要的。由于U型槽一般作為永久工程,使用周期較長(zhǎng),同時(shí)本項(xiàng)目在施工過(guò)程采用管井降水時(shí)施工階段地下水位低于基坑挖深0.5~1.0 m,因此本項(xiàng)目只對(duì)U型槽運(yùn)營(yíng)階段的抗浮穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。運(yùn)營(yíng)階段設(shè)計(jì)水位采用抗浮設(shè)計(jì)水位,抗浮荷載同時(shí)計(jì)入結(jié)構(gòu)自重、底板上面層自重以及交通荷載。采用的抗浮檢算公式如下:
圖1U型槽橫斷面設(shè)計(jì)圖
本項(xiàng)目以最大挖深的K0+740斷面作為典型斷面,經(jīng)過(guò)計(jì)算抗浮安全系數(shù)為:
故U型槽可以通過(guò)自重實(shí)現(xiàn)抗浮穩(wěn)定性要求,同時(shí)本項(xiàng)目對(duì)U型槽底板進(jìn)行換填處理,換填50 cm厚的碎石墊層。碎石墊層可以起到排水、消減水壓力以及提高地基承載力的作用。
2.2 邊墻設(shè)計(jì)
U型槽邊墻視為固定在底板的懸臂梁,主要受到邊墻自重及邊墻墻背水、土壓力。本項(xiàng)目中U型槽邊墻外回填碎石以減弱凍脹對(duì)邊墻主體結(jié)構(gòu)的影響,故對(duì)邊墻水土壓力采用分算法,同時(shí)考慮邊墻上護(hù)欄對(duì)邊墻的作用力,如果邊墻墻頂外存在輔道,則將輔道汽車(chē)荷載用均布土柱來(lái)代替。
按照以上荷載作用組合計(jì)算后得到邊墻各部分的最大剪力和彎矩,以此根據(jù)承載力極限狀態(tài)法按正截面受彎構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)邊墻配筋,同時(shí)由斜截面受剪承載力計(jì)算配置受剪鋼筋。另外鋼筋設(shè)計(jì)還要滿(mǎn)足正常使用極限狀態(tài)下裂縫寬度驗(yàn)算及相關(guān)構(gòu)造配筋要求。同時(shí)為了施工方便受力鋼筋間距必須滿(mǎn)足最小間距要求。經(jīng)過(guò)計(jì)算典型斷面處邊墻所受的最大剪力為251 kN,最大彎矩為493 kN/m2。邊墻縱橫向主筋采用20 mmHRB335鋼筋。
2.3 底板設(shè)計(jì)
U型槽底板可視為支撐于地基上的地基梁,按彈性地基梁進(jìn)行計(jì)算,作用在彈性梁上的荷載除了結(jié)構(gòu)自重、邊墻背側(cè)配重、地基反力、浮力外,還包括邊墻傳至底板的彎矩、剪力和豎向力以及行車(chē)荷載等,為了便于計(jì)算,將行車(chē)荷載按換算土柱考慮。結(jié)構(gòu)自重和邊墻背側(cè)配重根據(jù)U型槽結(jié)構(gòu)的斷面尺寸及材料容重計(jì)算,邊墻底部與底板相連接處視為剛性連接,邊墻底部截面的彎矩施加在邊墻與底板連接處,作為底板的集中彎矩考慮。本項(xiàng)目U型槽底板下?lián)Q填碎石,板與地基完全接觸,因此底板的計(jì)算可采用彈性地基梁中梁與地基共同作用。關(guān)于梁與地基共同作用中共有文克爾地基模型和郭氏表法,其中文克爾法適用于文克爾地基上的梁,可考慮不同的支撐條件:固定、鉸支和自由;可考慮集中力和分布力的共同作用;可計(jì)算不同支撐條件、不同荷載組合情況下的單跨和多跨地基梁;郭氏表法可計(jì)算單跨梁上的各種荷載,包括邊荷載,但查表有一定的限制范圍。因此本項(xiàng)目中底板計(jì)算采用文克爾法地基模型進(jìn)行計(jì)算分析,以K0+740斷面為例 ,計(jì)算底板的受力和彎矩見(jiàn)圖2。
圖2 彈性地基梁計(jì)算簡(jiǎn)圖
根據(jù)荷載組合求得的底板最大彎矩為319.5kN/m2,最大剪力為119.79 kN。底板縱橫向主筋采用φ18 mmHRB335鋼筋。為了保證U型槽結(jié)構(gòu)的正常使用和耐久性,除了按照計(jì)算的彎矩、剪力以及裂縫控制來(lái)設(shè)計(jì)主筋外,還需要在結(jié)構(gòu)中配置構(gòu)造鋼筋和分布鋼筋。根據(jù)本項(xiàng)目U型槽斷面形式及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果,邊墻和底板整體配筋見(jiàn)圖3。
圖3 U型槽鋼筋設(shè)計(jì)圖
U型槽在運(yùn)營(yíng)期間長(zhǎng)期處于地下水位以下,為了保證主體結(jié)構(gòu)本身的耐久性和堅(jiān)固性,必須進(jìn)行防水設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)防水設(shè)計(jì)遵循"以防為主、剛?cè)峤Y(jié)合、多道防線(xiàn)、因地制宜、綜合治理"的原則。本項(xiàng)目所在地區(qū)地下水位較高、補(bǔ)給來(lái)源豐富、地層滲透系數(shù)較大,本工程采用如下防水方案:封閉式路塹U型槽主體結(jié)構(gòu)采用防水混凝土現(xiàn)澆,結(jié)構(gòu)迎水面設(shè)附加防水層全包防水,同時(shí)針對(duì)伸縮縫(沉降縫)、變形縫等部位進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)防水設(shè)計(jì),并在結(jié)構(gòu)迎水側(cè)的縫外增設(shè)柔性加強(qiáng)層防水。
3.1 主體結(jié)構(gòu)防水設(shè)計(jì)
本工程中U型槽主體結(jié)構(gòu)防滲等級(jí)為二級(jí),U型槽結(jié)構(gòu)底板和邊墻均采用C40防水鋼筋混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑,防水混凝土抗?jié)B等級(jí)為P8,采用的水泥強(qiáng)度等級(jí)不低于P.O 42.5級(jí)。迎水面以及背水面鋼筋混凝土保護(hù)層凈厚度不小于一定厚度,以減少混凝土裂縫。背水面鋼筋混凝土保護(hù)層凈厚度不小于50 mm。為了增強(qiáng)主體結(jié)構(gòu)的防水性能,U型槽主體結(jié)構(gòu)迎水面(包括底板及邊墻外側(cè))均設(shè)附加防水層(全包防水層)。附加防水層采用自粘式高聚物改性瀝青防水卷材柔性防水層,單層卷材厚度不小于4 mm。采用的卷材應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)及材料招標(biāo)技術(shù)文件的有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
3.2 細(xì)部構(gòu)造防水設(shè)計(jì)
U型槽伸縮縫、變形縫等迎水面一側(cè)的縫外應(yīng)加強(qiáng)防水。加強(qiáng)層防水材料與外層全包防水層(即附加防水層)材料一致。加強(qiáng)層鋪設(shè)于伸縮縫(沉降縫)、變形縫等各縫的外側(cè),全包防水層(即附加防水層)的內(nèi)側(cè),并連續(xù)通鋪。其中點(diǎn)與相應(yīng)各縫的中點(diǎn)對(duì)齊。
U型槽防水混凝土應(yīng)連續(xù)澆筑,宜少留施工縫,水平施工縫不應(yīng)留在底板與邊墻的交接處,應(yīng)留在高出底板表面不小于300 mm的墻體上。垂直施工縫宜與變形縫設(shè)置在同一斷面。用于U型槽伸縮的變形縫應(yīng)滿(mǎn)足密封防水、適應(yīng)變形、施工方便等要求。每條變形縫位于邊墻和底板的位置應(yīng)連續(xù)、平順、不得有錯(cuò)位和偏移,結(jié)構(gòu)尺寸準(zhǔn)確。變形縫采用止水帶+防水材料+防水加強(qiáng)層。
U型槽后澆帶應(yīng)設(shè)在受力和變形較小的部位,其間距和位置按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求確定。施工時(shí)后澆帶部位和外貼式止水帶應(yīng)予以保護(hù),嚴(yán)防落入雜物和損傷外貼式止水帶;同時(shí)后澆帶混凝土應(yīng)該保證足夠的養(yǎng)護(hù)時(shí)間。
目前全國(guó)各地平改立項(xiàng)目開(kāi)展很多,U型槽結(jié)構(gòu)在下穿工程中應(yīng)用比較廣泛。本文通過(guò)哈爾濱市某下穿鐵路通道項(xiàng)目對(duì)U型槽的結(jié)構(gòu)、抗浮、防水設(shè)計(jì)等進(jìn)行了論述,并且提出了在U型槽設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題。
(1)U型槽的抗浮設(shè)計(jì)決定著U型槽主體結(jié)構(gòu)的尺寸,在抗浮設(shè)計(jì)中應(yīng)合理考慮各種荷載的綜合作用,另外在進(jìn)行浮力計(jì)算時(shí),抗浮設(shè)計(jì)水位的確定至關(guān)重要,抗浮設(shè)計(jì)水位應(yīng)該根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)資料確定。
(2)U型槽設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)是計(jì)算模型的簡(jiǎn)化,目前將邊墻視為懸臂結(jié)構(gòu),將底板視為地基梁,按照彈性理論對(duì)結(jié)構(gòu)主體進(jìn)行分析。
(3)在U型槽配筋過(guò)程中,對(duì)于結(jié)構(gòu)中容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的截面如邊墻底部、底板固結(jié)段根部截面以及跨中截面等應(yīng)加強(qiáng)配筋;另外U槽主體結(jié)構(gòu)除了應(yīng)該滿(mǎn)足受力配筋外,還應(yīng)配置必要的構(gòu)造鋼筋和分布鋼筋。
(4)U型槽防水設(shè)計(jì)應(yīng)以結(jié)構(gòu)自防水為根本,伸縮縫(沉降縫)、變形縫等接縫防水為重點(diǎn),輔以附加防水層加強(qiáng)防水,并應(yīng)根據(jù)水文地質(zhì)情況、施工方法、結(jié)構(gòu)型式、防水標(biāo)準(zhǔn)和使用要求、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)綜合確定有效、可靠、操作方便的防水方案,確?;炷?、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性、抗裂性和耐久性。
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U443.5
B
1009-7716(2017)03-0124-03
10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.034
2016-12-12
王亞坤(1988-),男,河南商丘人,工程師,從事道路勘察設(shè)計(jì)工作。