封闭式路堑U形槽结构的设计和计算

孟美丽，高海彬

(1.华北水利水电学院，郑州 450000;2.郑州大学，郑州 450011;3.中铁郑州勘测设计咨询院有限公司，郑州 450000)

封闭式路堑U形槽结构是一种较新的结构形式，随着我国铁路及公路等交通基础设施建设的快速发展，地铁的修建与公铁立交的增多，路堑U形槽应用也逐渐增多。但是，目前对于这种结构尤其是其底板的计算还未见公认的较优方法，也没有相应的设计规范可循。一般采用经验类比法估算底板内力，或者采用较简单的倒梁法加以计算，很多工程实例表明由此得出的结果与实际情况出入较大，甚至会发生工程事故。因此有必要探索一种较为合理的计算方法。本文即结合某U形槽设计实例，介绍和探讨U形槽结构的设计方法。

1 工程概况

某公路下穿既有京九铁路，道路为双向4车道，U形槽边墙间净宽度28 m，槽内边墙最大净高约8 m，基坑最大挖深 10 m。地下水位埋深2 m，水位升降幅1.0～1.5 m。

本区段的主要地层有:

①粉土(Qml4)，局部上部覆少量杂填土，下部为粉土，浅黄色，稍湿，中密，偶见黑色斑点，含铁质氧化物。

②粉质黏土(Qal4)，棕色，可塑，高压缩性，土质较均匀，偶见浅灰色斑块，韧性中等，稍有光滑，无摇振反应，干强度中等。

以下为第四系全新统冲积层粉土、粉质黏土、粉砂等。

2 封闭式路堑结构形式选择

2.1 边墙

1)矩形。横断面宽度不随深度而变化，一般用于挖深较小或边墙受力较小的路段。其优点是设计及施工简单，但缺点是挖深较大或受力较大时，上下端都采用较大的截面宽度，易造成材料浪费。当线路平面布置使边墙位置宽度有限且小于边墙受力所需要的截面宽度时，则无法采用。

2)阶梯形。由于边墙下部受到的土压力及水压力较上部大，而阶梯形边墙尺寸随深度呈阶梯形加大，故阶梯形结构可使边墙下部刚度相应提高，这样可避免矩形截面上部材料浪费和顶部过大占用横向距离的缺点。但阶梯形也有自身的缺点，如截面宽度变化处直角易产生应力集中，受力钢筋不好布置，边墙外侧的防水层施工质量难以保证且折角处容易破坏等。

3)梯形。又称渐变形，顶部宽度较小，同时可以避免以上两种形式的缺点，且因其上小下大的截面形式也能很好地适应土压力和水压力的应力分布。

2.2 底板

底板一般采用矩形断面，其两端适当伸出一定长度，此长度根据边界宽度的限制或抗浮计算来确定。如果通过底板增重的方法来满足抗浮条件，则由实际计算可知，在同样满足抗浮的条件下，伸出 1 m左右的长度，可以比两端不伸出时减少一定的底板厚度。

2.3 U形槽结构选择

本工程U形槽边墙选用梯形，底板选用矩形，横断面详见图1。

U形槽结构材料采用P6 C35混凝土和HRB335作为受力筋，其他钢筋采用 Q235。U形槽底部铺10 cm厚的垫层，垫层采用 C20素混凝土。边墙侧采用50 cm厚的黏土封闭。U形槽边墙涂热沥青两遍，U形槽与主体间设置防水伸缩缝(预埋止水带)。

为防止较大的不均匀沉降引起结构较大的次应力，原则上20～25 m设沉降缝一道，以消除不均匀沉降对结构造成的不利影响。

图1 U形槽横断面(单位:cm)

3 U形槽结构的设计计算

采用承载能力极限状态法进行设计。如果边墙外侧顶部还设有辅道尤其是铁路时，要考虑边墙在使用荷载下的疲劳，必要时可采用容许应力法进行校核，算出构件中各点在使用荷载作用下的应力值，要求任一点的应力不超过材料的容许应力。

作用在U形槽上的荷载，主要有边墙自重、底板自重、边墙墙背土压力和水压力、地下水浮力和活荷载等。分别取高水位有荷载、无荷载和低水位有荷载、无荷载等各种组合中最不利者进行边墙和底板的结构设计计算。在高烈度地震区，还应考虑地震力的作用。

3.1 边墙荷载计算

3.1.1 边墙自重

根据结构初步拟订的断面尺寸及材料重度计算。梯形边墙截面还应计算其上三角形土体的重力。

3.1.2 边墙墙背土压力及水压力

作用在边墙上的荷载，除了土压力外，还有地下水的水压力。边墙土压力和水压力是设计边墙底板断面尺寸及验算其稳定性和强度的主要荷载。

3.1.3 活载

边墙外侧顶部有辅道时，边墙计算需要考虑墙顶外侧车辆荷载，通常将车辆荷载简化为与之静力等效的均布载，然后再进行相应的土压力计算。

3.2 底板荷载计算

3.2.1 活载

底板计算需要考虑的活载是槽内底板上的汽车荷载和人群荷载，汽车荷载按等效集中力计算，人群荷载按照均布荷载计算。对汽车荷载根据 U形结构的分段长度，取最不利轴重荷载作为控制荷载计算内力，并转换为每延米范围内作用在底板上的等效集中力。

3.2.2 边墙固端弯距

本工程边墙底部与底板相连接处截面较大，视为刚性连接。因此将土、水压力作用在边墙上产生的弯距加在边墙与底板连接处，作为底板的集中弯距考虑。

3.2.3 地下水浮力

地下水位高于U形槽结构底部时，U形槽结构将受到水的上浮力作用，这将影响其稳定性。为保证结构的稳定性，必须增强结构抵抗竖向位移的能力，本工程设计中采用了增加结构重量的方法，并根据水的上浮力和结构总重量的关系计算底板的厚度。

3.3 底板支撑反力的计算

根据本工程的地基条件，底板的计算采用了弹性地基梁法，由MIDAS进行弹性地基梁计算分析。地基梁简化模型见图2。基底最大支反力为107.1 kN。

图2 弹性地基梁计算模型

3.4 U形槽的结构计算

根据U形槽结构所受的荷载和基底反力，本工程采用MIDAS程序进行了最不利荷载下的结构内力计算，弯矩分布见图3。在此基础上，根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》及相应的专业设计规范进行了正截面强度计算、斜截面抗剪计算、抗裂验算或裂缝宽度验算等，最终确定了钢筋配置方案，见图4。

图3 最不利工况下的弯矩分布(单位:kN·m)

4 结语

本文对U形槽结构的设计和计算进行了初步探讨和浅析，为该类结构的设计提供了技术参考。但实际上封闭式路堑U形槽结构还有很多问题，如边墙和地板防水防渗问题，基坑开挖支护问题以及伸缩缝、沉降缝设置及其防水问题等，都有待进一步研究和探讨。

图4 U形槽结构的配筋(单位:mm)

［1］孙爱斌，吴连海.天津某封闭式路堑U形槽结构的设计与计算［J］.铁道工程学报，2006(7):49-53.

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