狹小凈空和側向空間條件下的U型槽結構設計與應用

姜 爽,王 喬

(徐州市交通規劃設計研究院,江蘇 徐州 221000)

隨著我國經濟建設的發展,新建公路、城市道路與既有鐵路、高速公路等的交叉越來越多,“平改立”的工程也屢見不鮮[1-3]。U型槽結構具有剛度大、變形小、穩定性與防水性能好等優點,而被廣泛應用于下挖引道工程中[4-6]。近年來,關于U型槽結構設計、施工的研究已逐步開展,但對于凈空小、側向空間受限等特殊工況下的U型槽結構設計研究尚少[7-9]。以睢寧中山路下穿徐淮高速公路工程為背景,針對高速公路橋下凈空狹小,側向施工空間受限等特點,分析U型槽結構設計、防水、抗浮設計及基坑支護結構設計等技術問題,并對施工過程中橋梁的監測及樁頂位移的驗算進行介紹。

1 工程背景

1.1 下穿節點概況

睢寧中山路下穿徐淮高速公路,下穿位置為淮徐高速一中橋自西向東第二跨中間位置。該中橋上部結構為4×20 m空心板,下部為柱式墩臺、樁基礎,下穿夾角70°,橋墩直徑1.5 m,道路下穿路線方向凈寬17.29 m,見圖1。該城市道路路面凈寬12 m,根據道路設計,該節點路面設計標高距橋梁底板距離為4.5 m?？紤]U型槽兩側墻厚度,橋下U型槽結構側墻外距高速公路橋墩凈距離僅2 m左右,橋下凈空為2～3 m,道路施工凈空和側向空間均非常受限。如何在保證橋梁安全運營的前提下開展狹小凈空及側向空間條件下的U型槽結構設計及基坑支護設計成為技術難點。

圖1 下穿節點平面位置圖(單位:m)

1.2 工程地質、水文地質

下穿節點主要地層及物理力學指標見表1。

表1 下穿節點土層物理力學指標

地下水主要為第四系孔隙潛水?？紫稘撍饕x存于第四系全新統粉土中,水位埋深1.2～2.2 m。地下水主要受大氣降水和地表水滲流補給影響,水位年變化幅度不大。

2 U型槽結構設計

2.1 一般結構形式分析

U型槽結構主要由鋼筋混凝土底板和鋼筋混凝土側墻構成,常見的結構形式主要有三種[10-11],見圖2。

圖2 U型槽典型結構形式

此三種形式下,側墻可認為是剛性構件的懸臂結構,側墻在外側土壓力作用下于墻體截面形成正的剪力和向內的彎矩,并于墻底位置彎矩最大。

底板產生負的剪力和向上的彎矩。圖2中,形式(a)側墻內外均為直立,結構簡單、施工方便。形式(b)側墻內側為直立,外側有向外的斜率。由于側墻外土壓力存在向下的分力,使得此種形式有利于U型槽的抗浮穩定性,同時,由于側墻外側土壓力對墻底的力矩變小,使得墻底彎矩減小,有利于結構的穩定,具有更好的適用性。形式(c)于側墻外側增加一定寬度的墻踵,此形式除具備形式(b)的優點外,還可以通過墻踵上部土體的重量提高結構的抗浮穩定性,相較于傳統的采用抗拔樁抗浮具有一體化施工、抗浮效果好、造價低等優點,且此形式可降低基底平均壓力,有利于基底穩定。但此種形式由于墻踵的加寬,導致基坑開挖寬度加大,要求具有較大的施工空間。

運營期間,抗浮設計應選擇路面上車輛荷載與設計水位的最不利工況組合并按公式(1)、公式(2)進行驗算[12]。

(1)

NW=γW·Vk

(2)

式中:∑W為U型槽結構自重、靜荷載、作用在U型槽結構的有效配重及抗拔措施提供的抗力,kN;NW為作用在U型槽結構上的浮力,地下水位應采用抗浮設計水位,kN;γW為地下水重度,kN/m3;Vk為U型槽結構排開地下水體積,m3;Kf為抗浮安全系數,施工期、運營期分別不小于1.05、1.10。

2.2 采用結構形式及設計計算

由于U型槽側向空間狹小,只能選用圖2(a)或者圖2(b)結構形式。U型槽側墻外側距高速橋墩距離約2 m,為最大程度地保護高架橋橋墩,按支護結構緊貼U型槽側墻外側進行設計,不預留側墻外的作業空間,因此,U型槽采用圖2(a)側墻外側直立的結構形式。U型槽側墻厚度取0.5 m,側墻外壁距橋墩凈距離為2.15 m,此方案可最大限度地預留橋墩的保護距離,保證樁基周圍土體的穩定。斷面形式見圖3。

圖3 U型槽斷面設計(單位:cm)

底板按彈性地基梁考慮,荷載主要考慮側向土壓力、水壓力、行車荷載、結構自重,以此建立計算模型[13],見圖4。土壓力按主動土壓力計算并乘以1.25的修正系數,水壓力按靜水壓力考慮,取斷面1 m 長度進行計算。通過計算得到邊墻所受最大彎矩為 268.206 kN·m,最大剪力為173.272 kN?？垢“踩禂禐閗f=519.8/533=0.975<1.1,不滿足抗浮設計要求,需增加抗浮措施。底板所受最大彎矩為268.206 kN·m,最大剪力為62.400 kN。

圖4 U型槽結構計算簡圖(單位:kN)

根據圖4結構計算結果,為滿足邊墻與底板的抗彎、抗剪穩定性要求,邊墻、底板外側縱筋采用Φ20 mm的HRB400鋼筋,除按照模型計算的最大彎矩、最大剪力設計主筋外,還需要在結構中合理配置構造筋和分布筋。為保證墻底與底板連接位置的抗彎、抗剪穩定性,一般還應在邊墻底部內側設肋角加強筋。根據計算結果及構造要求,U型槽鋼筋布置見圖5。

圖5 U型槽結構鋼筋布置(單位:mm)

3 U型槽結構防水、抗浮設計

3.1 U型槽結構防水設計

U型槽結構長期工作在地下水位以下,為保證U型槽的穩定,需對其防水、防滲進行重點設計。一般U型槽的防水、防滲設計主要包括混凝土自身的抗滲設計、U型槽外側迎水面的全包防水設計及沉降縫、施工縫等重點部位的專門防水設計?；炷磷陨淼目節B一般通過在混凝土中摻外加劑實現;全包防水一般有噴涂防水涂料、背貼式止水材料、石油瀝青粘接防水材料等形式,接縫位置的防水設計一般需要結合多種防水、阻水材料等共同實現[13]。

U型槽采用C35抗滲混凝土,抗滲等級P8,U型槽沉降縫設鋼剪銷連接,并采用瀝青浸制木板填塞,中間為鋼邊橡膠止水帶,外側為外貼式橡膠止水帶,U型槽外側涂聚氨酯防水涂料,見圖6。U型槽施工縫設遇水膨脹止水條、鋼板止水帶,見圖7。

圖6 U型槽沉降縫防水設計

圖7 U型槽施工縫防水設計

3.2 U型槽結構抗浮設計

由于抗浮穩定性不滿足要求,需采取抗浮措施來增加抗浮力。受凈寬限制,結構自重已無法進一步增大,因此采用設抗拔樁,通過抗拔樁的側摩阻力增加抗浮力?？拱螛缎杼峁┠ψ枇γ垦用譌=533×1.1-519.8=66.5 kN,按U型槽結構10 m一節,每節U型槽需要增加抗浮力665 kN。每節U型槽的抗拔樁按4根Φ1.0 m的混凝土灌注樁進行設計,則每根抗拔樁需提供抗拔力665/4=166.25 kN。通過公式(3)對樁長進行反算。

Tuk=∑λi·quki·μi·li

(3)

式中:Tuk為單樁抗拔極限承載力,kN;λi為抗拔系數,取0.5;quki為土層的極限側阻應力,kPa;μi為樁身周長,m;li為土層厚度,m。

由此反算得到抗拔樁長l=5 m。初步確定抗拔樁各參數后需按公式(4)進行抗拔樁單樁破壞驗算[12]。

Nuk≤Tuk/2+GP

(4)

式中:Nuk為單樁上拔力計算值,kN;GP為單樁自重,地下水位以下采用浮重度,kN。每根樁受到的上拔力為Nuk=665/4=166.25 kN,下拉力Tuk/2+GP=223.725 kN,抗拔樁單樁破壞驗算滿足要求。以上確定的抗拔樁各參數滿足規范要求。

4 基坑設計

由于施工空間狹小,無法展開高大機械施工,橋下支護結構、止水帷幕施工嚴重受限,鉆孔灌注樁等樁體類支護結構無法施工,且施工期間需嚴格控制基坑開挖引起的橋梁位移、沉降,確保高速公路的正常運營。因此,設計采用鋼板樁+鋼管支撐+鋼圍檁的組合型式進行基坑支護,并對鋼管施加一定的預應力,見圖8。

圖8 基坑支護結構設計

U型槽緊貼側墻設置,且鋼板樁作為永久支護, 可使樁基具有最大保護距離, 保證基坑的穩定性,控制基坑頂部位移,并具有良好的止水效果。根據所在區域工程地質特點,鋼板樁采用靜壓方式壓入土體, 確保圍護結構施工對橋梁運營的影響最小。同時,采用鋼樁焊接工藝,降低施工凈空要求,解決狹小凈空、凈寬條件下圍護結構的施工難題。

5 樁體位移監測及方案的可行性

5.1 監測的目的

根據規范[14-15]及高速公路管理部門要求,為避免基坑工程施工影響橋梁基礎穩定性,避免墩臺變形影響橋梁結構的安全,通過對該橋梁兩個橋臺及三個橋墩進行豎向位移監測及傾斜度監測,以提供可靠的監測數據和信息,并達到以下目的。

(1)及時發現墩臺結構是否發生異常撓度或變形。

(2)掌握基坑施工過程中墩臺結構的變形規律。

(3)通過分析監測數據,為橋梁今后養護等工作提供基礎性數據。

5.2 監測的內容

以睢寧中山路下穿徐淮高速公路為背景,墩臺變形的主要監測內容包括墩臺、立柱豎向位移及墩臺、立柱傾斜度變化。豎向位移采用水準儀進行監測,傾斜度采用小角法進行監測,測點各16處,測點布設如圖9所示。

圖9 測點布設示意圖

5.3 監測的技術參數

5.3.1 監測精度與頻率

選用二等水準監測、二等位移監測進行測量,相應精度要求參照《建筑變形測量規范》(JGJ 8—2016)。監測頻率考慮基坑開挖深度及結構施工進程分別設置,如表2所示。

表2 現場儀器監測頻率

5.3.2 預警值及預警機制

在確保監測對象安全的前提下,參照《建筑基坑工程監測技術標準》(GB 50497—2019)、《建筑樁基技術規范》(JGJ 94—2008)等規范[14-15]相關要求,墩臺監測預警值如表3所示。

表3監測項目預警值

墩臺豎向位移累計值或每日變化值達到監測預警值時,應立即預警并停止施工,通知有關各方分析原因并排除安全隱患方可恢復施工。

墩臺傾斜度累計值達到預警值或每日變化值連續3 d大于預警值時,應立即預警并停止施工,通知有關各方分析原因并排除安全隱患方可恢復施工。

5.4 設計方案的可行性

重點對基坑開挖工況下的樁頂位移進行驗算,主要考慮高速公路橋面制動力、溫度影響力、豎向荷載及基坑開挖期間引起的土壓力。根據規范及地質情況,上述應力取值分別為386.1、312.7、2 477.8、136 kN。

采用《橋梁博士》進行建模計算,得出地面處樁柱水平位移為0.000 9 m,傾斜度為-0.000 1 rad。根據《建筑樁基技術規范》(JGJ 94—2008),樁頂水平位移應≤10 mm,敏感建筑≤6 mm。樁頂水平位移遠低于規范控制值。因此,設計方案滿足規范及高速公路管理部門要求。

6 結 語

(1)U型槽的常見結構形式各有其優缺點,應根據工程實際進行選擇,在側向空間受限條件下為保護橋墩,結合基坑支護結構設計,側墻內外側均可采用豎直式,且不設墻踵。

(2)除通過U型槽結構計算確定U型槽結構主筋外,還應根據需要配置構造筋、分布筋及肋角加強筋。

(3)U型槽防水設計除結構自防水及外側全包防水,沉降縫、施工縫為防水關鍵部位,采用止水帶+中埋式鋼邊橡膠止水帶+外貼式止水帶結合防水涂料具有較好的防水效果。

(4)U型槽結構無法滿足抗浮穩定性要求時,應采取適當措施增加抗浮力,采用抗拔樁抗浮時,應進行樁體穩定性驗算。

(5)采用鋼板樁+鋼管支撐+鋼圍檁+預應力的組合型式,鋼板樁緊貼U型槽側墻并作為永久支護,采用靜壓壓入、焊接工藝施工,可解決橋下凈空狹小、側向凈空受限條件下深大基坑支護問題。

(6)通過對橋梁墩臺及立柱的監測,為基坑開挖安全提供可靠信息,保證基坑開挖過程中高速公路的安全運營,監測頻率應根據施工進程分別設定。

(7)橋下近距離開挖深基坑,應對橋梁樁基位移、變形進行驗算,當位移、變形值滿足規范要求時,基坑開挖及支護方案才可施行。