狭小净空和侧向空间条件下的U型槽结构设计与应用

姜 爽,王 乔

(徐州市交通规划设计研究院,江苏 徐州 221000)

随着我国经济建设的发展,新建公路、城市道路与既有铁路、高速公路等的交叉越来越多,“平改立”的工程也屡见不鲜[1-3]。U型槽结构具有刚度大、变形小、稳定性与防水性能好等优点,而被广泛应用于下挖引道工程中[4-6]。近年来,关于U型槽结构设计、施工的研究已逐步开展,但对于净空小、侧向空间受限等特殊工况下的U型槽结构设计研究尚少[7-9]。以睢宁中山路下穿徐淮高速公路工程为背景,针对高速公路桥下净空狭小,侧向施工空间受限等特点,分析U型槽结构设计、防水、抗浮设计及基坑支护结构设计等技术问题,并对施工过程中桥梁的监测及桩顶位移的验算进行介绍。

1 工程背景

1.1 下穿节点概况

睢宁中山路下穿徐淮高速公路,下穿位置为淮徐高速一中桥自西向东第二跨中间位置。该中桥上部结构为4×20 m空心板,下部为柱式墩台、桩基础,下穿夹角70°,桥墩直径1.5 m,道路下穿路线方向净宽17.29 m,见图1。该城市道路路面净宽12 m,根据道路设计,该节点路面设计标高距桥梁底板距离为4.5 m。考虑U型槽两侧墙厚度,桥下U型槽结构侧墙外距高速公路桥墩净距离仅2 m左右,桥下净空为2～3 m,道路施工净空和侧向空间均非常受限。如何在保证桥梁安全运营的前提下开展狭小净空及侧向空间条件下的U型槽结构设计及基坑支护设计成为技术难点。

图1 下穿节点平面位置图(单位:m)

1.2 工程地质、水文地质

下穿节点主要地层及物理力学指标见表1。

表1 下穿节点土层物理力学指标

地下水主要为第四系孔隙潜水。孔隙潜水主要赋存于第四系全新统粉土中,水位埋深1.2～2.2 m。地下水主要受大气降水和地表水渗流补给影响,水位年变化幅度不大。

2 U型槽结构设计

2.1 一般结构形式分析

U型槽结构主要由钢筋混凝土底板和钢筋混凝土侧墙构成,常见的结构形式主要有三种[10-11],见图2。

图2 U型槽典型结构形式

此三种形式下,侧墙可认为是刚性构件的悬臂结构,侧墙在外侧土压力作用下于墙体截面形成正的剪力和向内的弯矩,并于墙底位置弯矩最大。

底板产生负的剪力和向上的弯矩。图2中,形式(a)侧墙内外均为直立,结构简单、施工方便。形式(b)侧墙内侧为直立,外侧有向外的斜率。由于侧墙外土压力存在向下的分力,使得此种形式有利于U型槽的抗浮稳定性,同时,由于侧墙外侧土压力对墙底的力矩变小,使得墙底弯矩减小,有利于结构的稳定,具有更好的适用性。形式(c)于侧墙外侧增加一定宽度的墙踵,此形式除具备形式(b)的优点外,还可以通过墙踵上部土体的重量提高结构的抗浮稳定性,相较于传统的采用抗拔桩抗浮具有一体化施工、抗浮效果好、造价低等优点,且此形式可降低基底平均压力,有利于基底稳定。但此种形式由于墙踵的加宽,导致基坑开挖宽度加大,要求具有较大的施工空间。

运营期间,抗浮设计应选择路面上车辆荷载与设计水位的最不利工况组合并按公式(1)、公式(2)进行验算[12]。

(1)

NW=γW·Vk

(2)

式中:∑W为U型槽结构自重、静荷载、作用在U型槽结构的有效配重及抗拔措施提供的抗力,kN;NW为作用在U型槽结构上的浮力,地下水位应采用抗浮设计水位,kN;γW为地下水重度,kN/m3;Vk为U型槽结构排开地下水体积,m3;Kf为抗浮安全系数,施工期、运营期分别不小于1.05、1.10。

2.2 采用结构形式及设计计算

由于U型槽侧向空间狭小,只能选用图2(a)或者图2(b)结构形式。U型槽侧墙外侧距高速桥墩距离约2 m,为最大程度地保护高架桥桥墩,按支护结构紧贴U型槽侧墙外侧进行设计,不预留侧墙外的作业空间,因此,U型槽采用图2(a)侧墙外侧直立的结构形式。U型槽侧墙厚度取0.5 m,侧墙外壁距桥墩净距离为2.15 m,此方案可最大限度地预留桥墩的保护距离,保证桩基周围土体的稳定。断面形式见图3。

图3 U型槽断面设计(单位:cm)

底板按弹性地基梁考虑,荷载主要考虑侧向土压力、水压力、行车荷载、结构自重,以此建立计算模型[13],见图4。土压力按主动土压力计算并乘以1.25的修正系数,水压力按静水压力考虑,取断面1 m 长度进行计算。通过计算得到边墙所受最大弯矩为 268.206 kN·m,最大剪力为173.272 kN。抗浮安全系数为kf=519.8/533=0.975<1.1,不满足抗浮设计要求,需增加抗浮措施。底板所受最大弯矩为268.206 kN·m,最大剪力为62.400 kN。

图4 U型槽结构计算简图(单位:kN)

根据图4结构计算结果,为满足边墙与底板的抗弯、抗剪稳定性要求,边墙、底板外侧纵筋采用Φ20 mm的HRB400钢筋,除按照模型计算的最大弯矩、最大剪力设计主筋外,还需要在结构中合理配置构造筋和分布筋。为保证墙底与底板连接位置的抗弯、抗剪稳定性,一般还应在边墙底部内侧设肋角加强筋。根据计算结果及构造要求,U型槽钢筋布置见图5。

图5 U型槽结构钢筋布置(单位:mm)

3 U型槽结构防水、抗浮设计

3.1 U型槽结构防水设计

U型槽结构长期工作在地下水位以下,为保证U型槽的稳定,需对其防水、防渗进行重点设计。一般U型槽的防水、防渗设计主要包括混凝土自身的抗渗设计、U型槽外侧迎水面的全包防水设计及沉降缝、施工缝等重点部位的专门防水设计。混凝土自身的抗渗一般通过在混凝土中掺外加剂实现;全包防水一般有喷涂防水涂料、背贴式止水材料、石油沥青粘接防水材料等形式,接缝位置的防水设计一般需要结合多种防水、阻水材料等共同实现[13]。

U型槽采用C35抗渗混凝土,抗渗等级P8,U型槽沉降缝设钢剪销连接,并采用沥青浸制木板填塞,中间为钢边橡胶止水带,外侧为外贴式橡胶止水带,U型槽外侧涂聚氨酯防水涂料,见图6。U型槽施工缝设遇水膨胀止水条、钢板止水带,见图7。

图6 U型槽沉降缝防水设计

图7 U型槽施工缝防水设计

3.2 U型槽结构抗浮设计

由于抗浮稳定性不满足要求,需采取抗浮措施来增加抗浮力。受净宽限制,结构自重已无法进一步增大,因此采用设抗拔桩,通过抗拔桩的侧摩阻力增加抗浮力。抗拔桩需提供摩阻力每延米F=533×1.1-519.8=66.5 kN,按U型槽结构10 m一节,每节U型槽需要增加抗浮力665 kN。每节U型槽的抗拔桩按4根Φ1.0 m的混凝土灌注桩进行设计,则每根抗拔桩需提供抗拔力665/4=166.25 kN。通过公式(3)对桩长进行反算。

Tuk=∑λi·quki·μi·li

(3)

式中:Tuk为单桩抗拔极限承载力,kN;λi为抗拔系数,取0.5;quki为土层的极限侧阻应力,kPa;μi为桩身周长,m;li为土层厚度,m。

由此反算得到抗拔桩长l=5 m。初步确定抗拔桩各参数后需按公式(4)进行抗拔桩单桩破坏验算[12]。

Nuk≤Tuk/2+GP

(4)

式中:Nuk为单桩上拔力计算值,kN;GP为单桩自重,地下水位以下采用浮重度,kN。每根桩受到的上拔力为Nuk=665/4=166.25 kN,下拉力Tuk/2+GP=223.725 kN,抗拔桩单桩破坏验算满足要求。以上确定的抗拔桩各参数满足规范要求。

4 基坑设计

由于施工空间狭小,无法展开高大机械施工,桥下支护结构、止水帷幕施工严重受限,钻孔灌注桩等桩体类支护结构无法施工,且施工期间需严格控制基坑开挖引起的桥梁位移、沉降,确保高速公路的正常运营。因此,设计采用钢板桩+钢管支撑+钢围檩的组合型式进行基坑支护,并对钢管施加一定的预应力,见图8。

图8 基坑支护结构设计

U型槽紧贴侧墙设置,且钢板桩作为永久支护, 可使桩基具有最大保护距离, 保证基坑的稳定性,控制基坑顶部位移,并具有良好的止水效果。根据所在区域工程地质特点,钢板桩采用静压方式压入土体, 确保围护结构施工对桥梁运营的影响最小。同时,采用钢桩焊接工艺,降低施工净空要求,解决狭小净空、净宽条件下围护结构的施工难题。

5 桩体位移监测及方案的可行性

5.1 监测的目的

根据规范[14-15]及高速公路管理部门要求,为避免基坑工程施工影响桥梁基础稳定性,避免墩台变形影响桥梁结构的安全,通过对该桥梁两个桥台及三个桥墩进行竖向位移监测及倾斜度监测,以提供可靠的监测数据和信息,并达到以下目的。

(1)及时发现墩台结构是否发生异常挠度或变形。

(2)掌握基坑施工过程中墩台结构的变形规律。

(3)通过分析监测数据,为桥梁今后养护等工作提供基础性数据。

5.2 监测的内容

以睢宁中山路下穿徐淮高速公路为背景,墩台变形的主要监测内容包括墩台、立柱竖向位移及墩台、立柱倾斜度变化。竖向位移采用水准仪进行监测,倾斜度采用小角法进行监测,测点各16处,测点布设如图9所示。

图9 测点布设示意图

5.3 监测的技术参数

5.3.1 监测精度与频率

选用二等水准监测、二等位移监测进行测量,相应精度要求参照《建筑变形测量规范》(JGJ 8—2016)。监测频率考虑基坑开挖深度及结构施工进程分别设置,如表2所示。

表2 现场仪器监测频率

5.3.2 预警值及预警机制

在确保监测对象安全的前提下,参照《建筑基坑工程监测技术标准》(GB 50497—2019)、《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)等规范[14-15]相关要求,墩台监测预警值如表3所示。

表3监测项目预警值

墩台竖向位移累计值或每日变化值达到监测预警值时,应立即预警并停止施工,通知有关各方分析原因并排除安全隐患方可恢复施工。

墩台倾斜度累计值达到预警值或每日变化值连续3 d大于预警值时,应立即预警并停止施工,通知有关各方分析原因并排除安全隐患方可恢复施工。

5.4 设计方案的可行性

重点对基坑开挖工况下的桩顶位移进行验算,主要考虑高速公路桥面制动力、温度影响力、竖向荷载及基坑开挖期间引起的土压力。根据规范及地质情况,上述应力取值分别为386.1、312.7、2 477.8、136 kN。

采用《桥梁博士》进行建模计算,得出地面处桩柱水平位移为0.000 9 m,倾斜度为-0.000 1 rad。根据《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008),桩顶水平位移应≤10 mm,敏感建筑≤6 mm。桩顶水平位移远低于规范控制值。因此,设计方案满足规范及高速公路管理部门要求。

6 结 语

(1)U型槽的常见结构形式各有其优缺点,应根据工程实际进行选择,在侧向空间受限条件下为保护桥墩,结合基坑支护结构设计,侧墙内外侧均可采用竖直式,且不设墙踵。

(2)除通过U型槽结构计算确定U型槽结构主筋外,还应根据需要配置构造筋、分布筋及肋角加强筋。

(3)U型槽防水设计除结构自防水及外侧全包防水,沉降缝、施工缝为防水关键部位,采用止水带+中埋式钢边橡胶止水带+外贴式止水带结合防水涂料具有较好的防水效果。

(4)U型槽结构无法满足抗浮稳定性要求时,应采取适当措施增加抗浮力,采用抗拔桩抗浮时,应进行桩体稳定性验算。

(5)采用钢板桩+钢管支撑+钢围檩+预应力的组合型式,钢板桩紧贴U型槽侧墙并作为永久支护,采用静压压入、焊接工艺施工,可解决桥下净空狭小、侧向净空受限条件下深大基坑支护问题。

(6)通过对桥梁墩台及立柱的监测,为基坑开挖安全提供可靠信息,保证基坑开挖过程中高速公路的安全运营,监测频率应根据施工进程分别设定。

(7)桥下近距离开挖深基坑,应对桥梁桩基位移、变形进行验算,当位移、变形值满足规范要求时,基坑开挖及支护方案才可施行。