公路U型封闭式路堑在软土地区的应用

□文 /肖健英

公路U型封闭式路堑在软土地区的应用

□文 /肖健英

封闭式路堑是一种新型的支挡结构，在穿越既有铁路时呈现出诸多优越性，尤其在北方软土地区被广泛采用。文章介绍了封闭式路堑的结构特点及适用条件，剖析封闭式路堑设计中的理论计算模型、截面尺寸确定、荷载及工况组合等关键技术问题并介绍了施工注意事项。

封闭式路堑；U型槽；软土地基；结构设计

为提高通行效率和确保通行安全，大量铁路与公路相交叉改为立交形式，一些线路不可避免的以路堑下钻的方式通过地下水水位较高的地段[1]。U型封闭式路堑结构刚度大、变形小、稳定性好、收坡支挡防水效果优良[2]，已经广泛应用于地下水丰富、地下水位较高、放坡条件受到限制的挖方路基地段。

近年来，我国北方地区修建了大量的U型封闭式路堑，取得了良好的经济效益与社会效益，也为设计及施工工作积累了宝贵的工程经验。同时，U型封闭式路堑结构属于新型的支挡结构，其设计理论还在不断完善与发展中，比如其结构的计算模式未见公认的最优方法，目前普遍采用的经验公式得出的结果与工程实际有一定出入，相关的规范尚在编制过程中。本文将总结封闭式路堑的结构特点及适用条件，探讨U型槽设计中的计算模型、断面尺寸确定、荷载及工况组合等关键技术问题。

1 特点

U型封闭式路堑是一种特殊的下穿方式，具有对环境影响小，占用耕地少等特点[5]。U型槽结构主要由钢筋混凝土底板和边墙组成。其主要工作机理是利用边墙支撑山坡土体，通过边墙、底板自重以及附属设施自重抵抗地下水的浮力保持结构的稳定性，达到确保铁路安全运营的目的。

1）封闭式路堑已经广泛应用于地下水埋深较浅的区域，尤其是北方地区。

2）此种结构类型外形呈U形状，边墙与底板直接相连。

3）穿越铁路位置往往采用框式结构，框构两边连接封闭式路堑，共同形成下穿通道。

4）此种结构具有很强的防水、排水功能且配备相应的交通安全设施。

2 结构形式选择

封闭式路堑结构通常由边墙及底板组成，其横断面被设计成U型槽整体结构，采用具有一定抗渗等级的防水钢筋混凝土现场浇筑而成。

2.1 边墙

边墙横截面型式通常有矩形、阶梯形及梯形3种截面形式[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；但缺点是当挖深较大或受力较大时，上下端都采用较大的截面宽度，容易造成材料浪费，另外当线路平面布置该边墙位置宽度有限制而小于边墙受力所需要的截面宽度时，则无法采用。

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型加大，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。但该形式也有自身的缺点，如截面宽度变化处直角的存在易产生应力集中，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。

梯形横断面边墙顶部宽度较小，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。工程中，往往根据边墙高度和地下水位的高低，确定边墙顶部的宽度。边墙内侧坡度一般直立，但有时为了开阔视野并减小深巷的压抑感也可考虑设立一定坡度。

2.2 底板

底板一般采用矩形断面，根据边界宽度的限制及抗浮计算的需要，确定其两端伸出边墙外侧或者不伸出。如果通过底板增重的方法来满足抗浮条件时，通过实际计算可知，在同样满足抗浮的条件下，伸出一定的长度，可以比两端不伸出时减少一定底板厚度。

3 结构计算分析

3.1 计算模式与边界条件

在U型槽结构计算时，通常采取简化的计算模型进行计算[2]。针对U型槽结构的特点，可取纵向一延米按弹性理论进行简化。U形槽受地下水浮力、自重及上部车辆荷载、边墙处侧向土压力及摩擦力，底板地基反力共同作用，受力和变形计算是十分复杂的[3]。封闭式路堑设计和计算中将底板视作弹性地基梁进行内力和变形计算分析，边墙按一般的刚性挡墙考虑。采用共同变形理论，将地基假定为半无限弹性体，用弹性理论来计算地基的沉陷，从而确定底板所受地基反力的大小及分布规律，以此确定底板和边墙的结构尺寸和配筋设计。

3.2 荷载及组合

U型槽承受荷载主要包括：结构自重、汽车活载、地基载力、地下水压力以及边墙土压力。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。

地下水压力按静止水压力考虑。水压力与地下水的水位、补给来源、季节变化、边墙高度、排水处理方法等因素有关。地下水位以下的水、土压力的计算一般分“水土分算”和“水土合算”两种方法。对砂性土和粉土，可按水土分算原则进行计算；对粘性土可根据现场情况和工程经验，按水土分算或水土合算进行计算。水土分算法是采用浮重度计算土压力，按静水压力计算水压力，然后两者相加即为总侧压力。水土合算法是采用土的饱和重度计算总的水、土压力。

边墙土压力应根据边墙刚度的大小按静止压力或主动土压力考虑。具体操作：首先将边墙部固定，按静止土压力计算作用在悬臂端的荷载，后释放悬臂端顶部约束，施加荷载，计算边墙顶绕边墙与底板节点的转动位移，如果此位移大于产生主动土压力边墙所需要的位移量则边墙土压力按主动土压力考虑，否则按静止土压力考虑。

边墙顶绕边墙与底板节点的转动位移一般小于产生主动土压力边墙可能需要的位移量。但是根据实践证明对于刚性支挡结构，按静止土压力设计偏于保守。设计时，应根据结构的特性，考虑它们同时作用的多种可能性进行适当的组合且根据不同的极限状态和荷载组合，给出不同的荷载安全系数。

3.3 结构内力分析

土压力确定之后，由计算模型可求得结构的内力。根据以往经验，U型槽的底板和边墙的最大弯矩均发生在底板与侧墙相连接的两个节点位置。当地下水位较高，无列车活载时，在地下水压力作用下，底板会出现较大的负弯矩。但随着地下水位的降低以及列车活载通过时，底板在自重、列车活载以及土压力作用下会产生较大的正弯矩。另外，对于埋深较大的U型槽结构，其底板的最大正弯矩小于或等于于边墙最大正弯矩，由此埋深较大的U型槽结构，其底板受力状态主要取决于边墙土压力及水压力。而列车活载以及附属设施自重对底板受力状态影响较小[2]。

U型槽结构设计的控制截面分别为底板悬臂段根部截面，底板固结段根部截面、跨中截面，边墙根部截面。边墙与底板固结的左右两个节点不仅是控制截面集中的地方，而且是易出现应力集中的地方，是U型槽结构设计的重点，配筋时也应对两个节点予以加强。

4 抗浮设计

4.1 抗浮方案

抗浮设计的目的在于使设计的U型槽结构在设防水位的浮力作用下能保持稳定。抗浮设计的常用方法：结构物下设抗拔桩；增加结构配重以及降水抵抗浮力等[6]。抗拔桩是利用桩侧摩阻力和自身重度来抵抗浮力。当基础持力层较弱或者结构自重与浮力相差较大时，可以选用抗拔桩形式进行抗浮设计。反之，地基承载力较高、压缩模量大、地质条件较好或者结构自重与浮力相差不大，则宜选用扩大基础加配重的方法，可有效降低工程造价。

4.2 抗浮验算

抗浮设计必须进行抗浮验算。若抗浮稳定系数＜1.05时，应考虑增加结构自重、U型槽底板设置抗拔桩或底板下设置倒滤层泄水引流等抗浮措施进行处理。采用抗拔桩抗浮措施时，抗浮稳定系数不宜＜2.0[2]。

5 施工注意事项

1）施工前必须做好降排水工作，一般应将地下水降至垫层以下 0.5 m左右[3～4]。

2）基坑开挖后，边坡加强临时支护，防止坍塌，回填必须密实。

3）应严格遵守防水混凝土细则，通过试验选定配合比成分，确保防水混凝土的施工质量。

4）伸缩缝止水带位置应端正，止水带的中心线与伸缩缝中轴线应重合，防止扭曲、偏斜或被钢筋钉割破，水平伸缩缝止水带下的混凝土应特别捣固密实，保证无空隙以免漏水。

5）边墙及底板应一次性整体浇筑，不应设置施工缝，避免透水。

6）内外模间不得用螺栓拉杆或铁丝穿透，以免形成渗水通路。

6 结语

1）分析了U型封闭式路堑的结构特点，设计要点等关键技术问题，可为今后北方软土地区修建类似结构提供借鉴。

2）偏于保守的封闭式路堑结构设计虽然确保了结构安全，但是无形中提高了工程造价。在今后的路堑设计中，应当选择合理的计算模型，优化截面尺寸，既要确保结构安全，又要提高经济性。

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

[2]丁兆锋，吴沛沛.U型槽结构设计与分析[J].铁道工程学报，2009，（4）：13-16.

[3]张劲松，吴连海.公路下穿式立交引道U形封闭式路堑结构的设计[J].铁道标准设计，2005，（1）：41-42.

[4]梁 雄，周建庭，杨圣超.湿软土基地段U型槽式结构应用技术[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2007，26（6）：55-59.

[5]李 虹.公路U形封闭式路堑优化设计方法探讨[J].铁道标准设计，2011，（9）：27-29.

[6]姚晓励.某U型槽路堑结构的设计分析及施工要点[J].特种结构，2011，（2）：98-102.

U416.13

C

1008-3197（2012）03-53-02

2012-03-19

肖健英/女，1974年出生，工程师，天津滨海新区基础设施建设投资有限公司，从事路桥工程建设管理工作。