封闭式路堑U型槽结构设计分析

孙毅力，李胜勇，王维理

（北京市勘察设计研究院有限公司，北京100038）

封闭式路堑U型槽结构设计分析

孙毅力*，李胜勇，王维理

（北京市勘察设计研究院有限公司，北京100038）

结合某封闭式路堑U型槽的工程地质和水文地质条件，根据封闭式路堑U型槽的特点，对其结构型式、计算模型、抗浮计算及地基承载力计算，特别是边墙、底板及顶板结构计算中关键问题进行了深入的探讨，对其结构设计提供依据。

U型槽结构；结构型式；内力计算；结构设计

1　概述

近年来，城市道路的交叉处往往成为了交通不畅的主要原因［1］。目前，我国城市道路与既有高速公路的立交形式主要有上跨桥梁及下穿通道2种方式。受景观、用地及城市规划等条件的限制，上跨桥梁越来越少被选用；而下穿通道由于用地少，城市景观较好，能充分发挥市政工程良好的社会和经济效益，目前被大量采用，其中封闭式路堑U型槽是典型的结构型式。

封闭式路堑U型槽结构具有刚度大、变形小、防水效果优良等优点，尤其在地下水位较高，地层渗透系数较大或者地下水排除困难的地区得到了广泛应用。

主要结合北京某封闭式路堑U型槽的工程地质和水文地质情况，分析其结构的设计和计算方法。

2　工程地质及水文地质概况

某工程沿现状城市道路建设，沿线交通流量大，并在环岛区域需下穿现状城市立交桥。线路整体上呈北西向，地势整体上自西北向东南逐渐降低。道路为双向4车道，边墙间净宽度约14m。槽内边墙净高为6m。基坑最大挖深约22m，结构顶板上覆土厚度约1.0～10.0m，估计丰水期最高地下水位埋深在自然地面下4.00m左右［2］。

2.1工程地质

本区段主要地层物理及力学性质如下：

①填土层，主要为房渣土，杂色，厚度一般为0.5～3.0m，含建筑垃圾及生活垃圾等。人工填土层以下为第四纪沉积层。

②碎石、碎石混粘性土层，杂色，稍密—中密，稍湿，重型动力触探击数N63.5=21～63，含细砂、粘性土各约20%，剪切波速值221～306m/s，属于中—中低压缩性土。厚度一般为3～5m，该大层具有赋存地下水的条件。

③粉质粘土层，褐黄—褐黄（暗），湿—很湿，可塑—软塑，含风化碎石、碎石屑，属中高—中压缩性土。厚度一般为4～5m。

④碎石、碎石混粘性土层，杂色，中密，湿，含粉质粘土约10%～25%，局部含细砂约25%，剪切波速值378～403m/s，属中低—低压缩性土。厚度一般为5～6m。

⑤碎石、碎石混粘性土层，杂色，中密—密实，稍湿—湿—饱和，含粉质粘土约10%～30%，局部含细砂约20%，剪切波速值344～485m/s，属中低—低压缩性土。厚度一般为8～12m。

⑥粉质粘土层，褐黄，湿—很湿，可塑，含风化碎石屑，属中低压缩性土。厚度一般为2～3m。

⑦碎石、碎石混粘性土层，杂色，密实，湿，含粉质粘土约10%～25%，局部含块石，剪切波速值450～554m/s，属低压缩性土。厚度一般为5～6m。

⑧碎石、碎石混粘性土层，杂色，密实，饱和，含粉质粘土约10%～30%，剪切波速值587m/s，属低压缩性土。厚度一般为6～10m。

上述各土层的地基承载力基本允许值见表1。

2.2场地土类型及场地类别

该场区为不液化场区，场地类别为Ⅱ类。

2.3水文地质

表1　地基承载力基本容许值

为查明拟建线路沿线地下水分布情况，准确量测地下水稳定水位，沿线布置并完成了5组地下水（第四系孔隙水）水位监测孔；为查明相关含水层的水文地质参数，水文地质勘察工作对拟建路段沿线30.0m深度范围内的各主要含水层进行了现场提水试验（共8孔次），根据Hvorslev的分析方法，渗透系数计算公式为：

式中：Rc——井管半径；

L——进水管长度；

Rw——滤水管半径；

T0——基本滞后时间［即（H-h）/（H-H0）=e-1= 0.37所对应的时间］。

由提水试验及原状土样室内渗透试验的结果得到相应赋水土层的渗透系数［3］。

30.0m深度范围内第四系地下水以透镜体形式分布，赋存于埋深5.50～30.0m之间的碎石土、碎石混粘性土、粉土中，其类型应属上层滞水，该路段沿线第四系含水层岩性复杂。区域第四系孔隙水水位多年来变化不大，基本在多年平均水位上下波动，一般7～10月份受集中降水影响，地下水位较高，其它月份水位较低，水位年变幅较大，一般在5～8m。

拟建路段主要穿越第四系地层，其顶板附近分布有第四系含水层透镜体，虽然透镜体厚度较小且不连续，但为施工安全，在施工过程中需采取有效的地下水控制措施。

3　封闭式路堑U型槽结构型式选择

U型槽整体结构分为边墙、底板及顶板3部分。

3.1边墙

边墙常见的横断面型式主要有阶梯形、矩形和梯形等，其中梯形边墙在工程上应用较广泛，尤其适用在挖深较大或边墙受力较大的地段。

通常把边墙高度、边墙范围内的工程地质条件和水文地质条件作为依据，来确定边墙顶部宽度、外侧坡率。阶梯形边墙能够节省材料，但在其截面宽度变化直角处容易产生集中应力，在较大的外力作用下边墙容易断裂，形成安全隐患，此种型式的边墙在工程上应用较少；矩形边墙设计及施工简单，适用于边墙受力较小或挖深较小的路段，当路段挖深较大时，其上、下端截面宽度一样，造成材料浪费，或者当边墙的宽度不能满足边墙受力所需要的截面宽度时，此种结构型式不能采用。梯形边墙没有以上2种型式的缺点，其截面形式能够很好地与土压力和水压力的应力分布相适应。

本工程U型槽边墙较高（净高约6m左右），并且侧壁以碎石及碎石混粘性土等粗颗粒岩土为主，地下水埋深较深，边墙受力较大，在结构设计时宜采用梯形边墙型式。

3.2底板

U型槽工程底板通常采用的断面型式为矩形，其两端可以不伸出边墙外侧，也可以伸出一定长度，此长度的确定原则主要由抗浮计算来确定。

U型槽结构竖向荷重较小，在场区地下水历史水位较高且动态变化规律较复杂时，须仔细研究和校核基础抗浮稳定性、地下水压力作用下外墙和基础底板的承载力问题，如果抗浮能力存在不足时，可根据U型槽具体设计条件采取加大底板自重或采用锚杆（抗拔桩）将结构锚固于下卧地层中等设计措施以提高其抗浮能力。

在满足抗浮的条件下，底板两侧伸出边墙外1m左右的长度，可以比两端不伸出时减小一定的底板厚度［4］，针对具体工程可以分段进行抗浮计算，由此确定底板的厚度及底板两端伸出边墙的长度。

4　封闭式路堑U型结构计算模型

封闭式U型槽结构的荷载计算时，应考虑边墙自重、底板自重、顶板自重、边墙墙背土压力和水压力、地下水浮力和顶板上活载。上述各种荷载及外力，并非同时作用于U型槽结构上，它们发生的概率也各不相同。设计分析时，应考虑多种组合形式，且根据不同的极限状态和荷载组合，给出各种工况下的荷载安全系数。

U型槽结构分析计算也主要由边墙、底板及顶板等3方面考虑。

4.1计算模型

U型槽结构整体上为北西向，线路较长约4km，属于平面应力问题，可沿线路方向每延米按弹性理论进行简化计算，并应对其底板和边墙分别计算，底板可按弹性地基梁考虑，边墙可按悬臂式挡墙考虑［4］。

4.2边墙计算

4.2.1边墙自重

根据结构拟定的断面尺寸及土体容重来计算梯形边墙截面上三角土体的重力。

4.2.2边墙墙背土压力及水压力

作用在边墙上的荷载主要有土压力和水压力。土压力和水压力是边墙设计、底板断面尺寸及验算其稳定性和强度的主要荷载。

由于U型槽为钢筋混凝土结构，其在墙后土体的压力作用下，边墙不发生任何变形和位移，墙后土体受墙背的侧限作用而处于弹性平衡状态。作用在边墙上的土压力为静止土压力。

本工程线路较长，底板埋深差异较大，边墙的围岩主要为渗透系数较大的碎石土，可采用浮容重计算土压力，按静水压力计算水压力，然后两者相加即为总侧压力；当部分地段的边墙围岩为粘性土等弱透水性土体时，可根据现场情况和工程经验，采用土的饱和容重来计算总的水、土压力。

4.2.3边墙活荷载

当边墙外侧顶部有辅道时，车辆通行是边墙活载计算需要考虑的主要活载；可以用一个均布荷载来代替墙顶外侧活载，并将其换算成等效的土压力。

4.3底板计算

4.3.1底板活荷载

底板计算需要考虑的活载主要包括槽内底板及顶板上的汽车荷载和人群荷载。槽内的车辆荷载按等效集中力计算，人群荷载按照均布荷载计算。

4.3.2边墙与底板连接处的集中弯矩

边墙底部与底板相连接处可视为刚性连接，土、水压力作用在边墙上产生的弯矩附加在边墙与底板的连接处，可作为底板的集中弯矩考虑。

4.3.3槽内土体及顶板自重

槽内土体及顶板自重可按均布荷载考虑。

4.3.4边墙对底板的压力

边墙对底板的压力就是边墙的结构自重以及上部三角形土体的重力之和。

4.3.5地下水浮力

地下水的水位变化主要与气候、水文、地质、人类活动等因素有关。地下水对水位以下的岩土体和结构有静水压力及浮力双重作用。

本工程的U型槽结构主要位于碎石土中，应按设计水位计算浮力；部分U型槽结构基础持力层为粘性土，其浮力难以计算，可以结合地区的实际工程经验引入一个适当的折减系数，并在折减时适当地提高抗浮安全系数。

4.3.6地基承载力验算

当U型槽结构位于填土、软弱土层之上时，应对地基承载力进行验算，验算公式如下：

式中：Pz——底板底面处的附加应力，kPa；

［faz］——底板底面处经深度修正后的地基承载力特征值，kPa。

5　结语

（1）封闭式U型槽结构涉及的计算荷载类型较多，设计时应根据不同的极限状态和荷载组合，给出各种工况下的荷载安全系数。

（2）U型槽结构计算属于平面应力问题，沿线路方向每延米按弹性理论进行简化，边墙按悬臂式挡墙考虑，底板按弹性地基梁考虑，并采用共同变形模型计算。

（3）在边墙结构计算中，墙后土压力和水压力根据边墙围岩类型采用适宜的计算方法，土压力按静止土压力考虑。

（4）U型槽结构竖向荷重较小，须仔细研究和校核基础抗浮稳定性、地下水压力作用下外墙和基础底板的承载力问题。

（5）U型槽结构的基础持力层为软弱层时，应对地基承载力、变形及稳定性进行验算。如地基承载力不能满足设计要求，应对地基进行加固处理。

［1］周恒，王立波，等.下穿既有高速公路工程方案比选及探讨［J］.现代交通技术，2013（10）：15.

［2］北京市勘察设计研究院有限公司.北京市上庄路南延（闵庄路～黑龙潭路）道路工程（含西山隧道）闭合框架与U型槽工程地质勘察报告［R］.北京：北京市勘察设计研究院有限公司，2014.

［3］孟美丽，高海彬.封闭式路堑U形槽结构的设计和计算［J］.铁道建筑，2011（8）：82.

［4］马涛，邓帅.封闭式路堑U形槽结构设计分析［J］.铁路勘察，2013（1）：37.

U213

A

1004-5716（2016）07-0009-03

2016-03-25

2016-03-30

孙毅力（1983-），男（汉族），山东海阳人，工程师，现从事岩土工程勘察、地质灾害评估等方面的工作。