西寧機場道面下涵洞的設(shè)計實踐

1、第17卷第1期1997年3月西安公路交通大學學報Jou rnal of X ian H ighw ay U n iversityV o l117N o11M ar11997西寧機場道面下涵洞的設(shè)計實踐譚曉剛民航西北機場建筑設(shè)計所,西安,710082;工程師摘要:濕陷性黃土地區(qū)機場道面下設(shè)置大型涵洞,國內(nèi)尚無成熟之方法可以借鑒。本文結(jié)合西寧曹家堡機場建設(shè)中遇到的排水涵洞設(shè)置問題,就涵洞的選型、涵洞的受力狀況、涵洞的結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工措施等諸方面進行了比較系統(tǒng)的分析討論。由于涵洞選型與設(shè)計合理,地基處理措施得力,該機場投入運行近5年來,涵洞的使用情況良好,為以后此類工程的建設(shè)打下了堅實的基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞:

2、機場道面,濕陷性黃土,排水涵洞,強夯處理分類號:U449The D esign for Culvert under X i n i ng A irportT anX iaog ungA rch itectu ral D esign In stitu te of Ch ina A vati on N o rth-W est A irpo rt,X ian,710082Abstract:In co llap sib le loess distrct,there is no m atu re m ethods now in Ch ina to u se fo r ref2 erence fo r i

3、n stalling large-scale cu lvert under runw ay.Com b ined w ith in stalling p rob lem s of drain cu lvert in the con structu re of X in ing Cao jiabu A irpo rt,th is p ap er p resen ted a sys2 tem atic analysis and discu ssi on s on m any asp ects of cu lvert in stall m en t,such as m odel se2 lectin

4、g,m echan is m p rop erties,strectu re design and con structi on m ethods etc.A s a resu lt ofrati onal m odel and design as w ell as effective ground treatm en t,the conditi on of op erati on ofthe cu lvert is still good after being u sed fo r abou t five years.T he success has laid a so lid founda

5、ti on fo r such k ind of p ro ject con structi on in the fu tu re.Key wrods:runw ay,co llap sib le loess,drain cu lvert,dynam ic com p acti on treatm en t西寧機場地處平安盆地中部北側(cè),湟水北岸的三級階地上。地勢西北高,東南低,南東傾斜。三級階地地面不連續(xù)、不平整,沖溝發(fā)育。白乃溝、石窯溝、大亨溝、大堿溝等大小沖溝,橫穿或斜穿三級階地,將整個階地分割得十分破碎,形成大小不同,高低不等的典型黃土峁地貌。場區(qū)內(nèi)大部分為 級(部分為 級自重濕陷性黃土

6、。不良地質(zhì)現(xiàn)象主要是崩塌、暗溝、暗穴、零星分布的落水洞以及四條較大的沖溝橫穿升降帶。沖溝溝壁陡立,寬520m,相對高差達316m。暴雨期間形成的流量主要匯集于這四條大的沖溝內(nèi)。所以,該機場在建設(shè)中最突出的問題是場區(qū)的排水和 級自重濕陷性黃土的處理。而如何妥善處理好這四條沖溝,在一定程度上可認為是工程成敗的關(guān)鍵之一。1涵洞設(shè)計的基本思想為了減少或避免橫穿升降帶的沖溝,故設(shè)計時盡量將場外水改道或截入圍場溝排出場外,使橫穿升本文1996年10月20日收到降帶的沖溝僅有石窯溝和大堿溝。并在兩條沖溝內(nèi)沿該溝的走向設(shè)置涵洞。位置示意如圖1。由于涵洞深埋于跑道之下,保證涵洞具有較高的強度和較好的防滲性,是涵

7、洞設(shè)計的主要任務(wù)。圖1涵洞相對位置111結(jié)構(gòu)型式根據(jù)涵洞所處的地質(zhì)條件以及道面下土基的要求,經(jīng)過與拱涵、蓋板涵比較后,確定采用具有整體性好、抗?jié)B、抗震、抗凍性能好等特點的鋼筋混凝土箱涵。112過水斷面石窯溝、大堿溝的設(shè)計流量分別為3818m 3 s和5510m 3 s ,涵底縱坡1188%和1145%。根據(jù)兩圖2過水斷面示意圖條沖溝的設(shè)計流量和洪水在涵前的壅水高度,并參考沖溝下游橋(涵的過水斷面,經(jīng)綜合分析、計算后確定涵洞的過水斷面如圖2所示。113涵洞的受力分析(1自重荷載G 1。涵洞的自重荷載可按下式計算G 1=S 1(kg m (1式中:S 1為涵洞截面積(m 2;為材料容重(kg m

8、3。(2垂直荷載G T 。由于涵洞屬于溝埋形式。在這種情況下,槽內(nèi)回填土體在下沉過程中,移動面上受到原狀溝壁上一個向上的摩擦力,使涵洞上的荷載小于槽內(nèi)回填土的重量(見圖3,則作用于涵洞上的土荷圖3垂直荷載計算示意圖圖4水平荷載計算示意圖載G T ,可按式(2計算。G T =C T s B H(2式中:C T =1-e -2k tg (H B 2k tg B H;tg 為回填土與槽壁間的摩擦系數(shù);k 為單位主動水平壓力與單位垂直壓力之比。(3水平荷載。地面深度h i 處的水平壓力,一般按郎金(R ank in 主動土壓力公式計算(見圖4,即q x =s h i (3式中:為土的側(cè)壓力系數(shù)。在上式

9、中未考慮內(nèi)聚力的影響,在計算水平壓力時,對一般粘性土可取內(nèi)摩擦角30°。(4地面活荷載。根據(jù)涵洞的埋置深度,采用彈性半無限體中壓力分布的方法,計算涵洞上的垂直壓力。集中荷載按布辛涅斯克公式計算,見圖5。q l =3P H 32(H 2+25 2(4作用于涵洞上的最大壓力為q l m ax =01478PH 2(=0時(3堆放荷載。堆放荷載指地面堆放的建筑材料或土料,應按實際堆放情況考慮。但一般至少要考慮110t m 的均布荷載?；詈奢d產(chǎn)生的水平荷載。地面下深度H 處,由活荷載產(chǎn)生的水平壓力為其垂直壓力乘以主動土壓力系數(shù)。即24西安公路交通大學學報1997年圖5活荷載計算示意圖P i

10、=q i (6由上述布辛涅斯克公式得知,覆土深度越大,活荷載的影響越小。所以,結(jié)合涵洞的具體埋置深度,在計算時略去了活載的影響。(5施工荷載。涵洞施工完成后,其頂部及兩側(cè)均采用分層回填、碾壓。經(jīng)比較,涵頂覆土產(chǎn)生的壓力大于回填時壓實機械產(chǎn)生的壓力。所以,若按最大覆土壓力進行計算時,可不再計入施工荷載。(6雙孔間的水壓力。為便于人員對涵洞進行清理、維護,同時平衡雙孔間的水流壓力,在中隔墻開設(shè)孔洞(如圖6所示。石窯溝全長開設(shè)了3個孔洞。114荷載組合根據(jù)上述荷載分析,結(jié)合涵洞的埋深情況, 該涵洞的主要荷載組合圖6中墻孔洞斷面圖7雙孔閉合剛架計算簡圖圖8計算示意圖為:自重、垂直荷載、水平荷載、堆放荷

11、載。其它如地面活荷載、施工荷載、溫度荷載及內(nèi)水壓力等,對涵洞影響甚小的荷載,略去不計。2涵洞設(shè)計211計算原則及計算簡圖(1涵洞在內(nèi)力計算時,沿縱向截取單位長度,并按彈性地基上的閉合框架計算。(2作用于雙孔框架上的荷載為對稱荷載,并采用力法計算。(3計算簡圖(如圖7。對整體現(xiàn)澆截面,板與墻的連接點均視為剛結(jié)點。取構(gòu)件截面重心線,底板計算長度取外邊緣長度。212設(shè)計條件雙孔鋼筋混凝土箱涵斷面2×210×310m ,地基形變模量E 0=200kg c m 2,無地下水,回填土干容重=119g c m 3;混凝土標號為250#,均采用 級鋼筋。截面計算中,除滿足強度要求外,需控制

12、裂縫寬度小于012mm 。213內(nèi)力計算(力法(1根據(jù)擬定的涵洞截面尺寸,選取在對稱荷載作用下的基本體系(如圖8。視圖中a 、b 、c 、d 為鉸接,ef 桿在下端與底板切開,將原結(jié)構(gòu)分成上部abecd 及下部af d 兩部分。由于結(jié)構(gòu)及荷載均為對稱的,故變形及內(nèi)力也是對稱的,未知力也是對稱的。x 1、x 3分別為a 點,b 點的彎矩,x 2為f 點的軸力,該點的彎矩及剪力為零。(2建立平衡方程。方程如下(111+211x 1+(112+212x 2+113x 3+(11P +21P =0(121+221x 1+(122+222x 2+123x 3+(12P +22P =0131x 1+232

13、x 2+133x 3+13P =0式中:及右上角標“1”,為對上部結(jié)構(gòu)引起的位移;“2”為對下部結(jié)構(gòu)引起的位移。用圖乘法計算和,然后將結(jié)果代入方程,解此方程,得x 1、x 2、x 3的解。再將計算結(jié)果疊架,得內(nèi)34第1期譚曉剛:西寧機場道面下涵洞的設(shè)計實踐圖9內(nèi)力示意圖力圖形(如圖9所示。214計算結(jié)果根據(jù)疊加后的計算結(jié)果以及擬定的截面尺寸,進行配筋設(shè)計,并對強度及裂縫寬度進行復核。驗算結(jié)果強度及裂縫寬度均滿足設(shè)計要求。石窯溝涵洞橫斷面如圖10所示。3涵洞的防滲處理(1為確保道面下土基的穩(wěn)定,在設(shè)計時,雖然對涵洞進行了裂縫寬度的限制。但考慮到施工時,底板與邊墻、頂板澆筑的連續(xù)性,防止接茬處可能

14、出現(xiàn)的滲水,對涵洞外圍先用二灰土(石灰、粉煤灰包裹(如圖11,再進行分層回填碾壓。(2沉降縫的處理。沉降縫寬均為210c m ,在迎水面510c m 深度內(nèi)采用聚氯乙烯焦泥嵌實,以外用瀝青泡制木板填實 。圖10石窯溝涵洞橫斷面及鋼筋布置圖圖11涵洞外圍及沉降縫處理4結(jié)語(1在大部分為 級濕陷性黃土丘陵地區(qū)修建機場,關(guān)鍵的問題是治水。不論是設(shè)計,還是施工都要抓好治水、防水這個關(guān)鍵。而機場的排水就是這個關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。特別是道面下涵洞的排水,即是機場排水的一部分,又是保證上部土基穩(wěn)定的重點之一。因此,要特別重視涵洞的強度及防滲。(2西寧曹家堡機場道面下的涵洞,在當時尚無機場工程可以借鑒的情況下,在做好調(diào)查研究的同時,參考國內(nèi)其它行業(yè)有關(guān)的設(shè)計資料,分析后采用了具有整體性、抗?jié)B性好等特點的鋼筋混凝土箱涵。并對涵洞可能滲水的部位采取了有效的防滲措施。對涵洞的土基采用了150