西寧機(jī)場(chǎng)道面下涵洞的設(shè)計(jì)實(shí)踐

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

2、機(jī)場(chǎng)道面,濕陷性黃土,排水涵洞,強(qiáng)夯處理分類號(hào):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(jī)場(chǎng)地處平安盆地中部北側(cè),湟水北岸的三級(jí)階地上。地勢(shì)西北高,東南低,南東傾斜。三級(jí)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(jí)階地,將整個(gè)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(chǎng)區(qū)內(nèi)大部分為 級(jí)(部分為 級(jí)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(duì)高差達(dá)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(jī)場(chǎng)在建設(shè)中最突出的問(wèn)題是場(chǎng)區(qū)的排水和 級(jí)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(rèn)為是工程成敗的關(guān)鍵之一。1涵洞設(shè)計(jì)的基本思想為了減少或避免橫穿升降帶的沖溝,故設(shè)計(jì)時(shí)盡量將場(chǎng)外水改道或截入圍場(chǎng)溝排出場(chǎng)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(qiáng)度和較好的防滲性,是涵

7、洞設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。圖1涵洞相對(duì)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(guò)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(diǎn)的鋼筋混凝土箱涵。112過(guò)水?dāng)嗝媸G溝、大堿溝的設(shè)計(jì)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(guò)水?dāng)嗝媸疽鈭D條沖溝的設(shè)計(jì)流量和洪水在涵前的壅水高度,并參考沖溝下游橋(涵的過(guò)水?dāng)嗝?經(jīng)綜合分析、計(jì)算后確定涵洞的過(guò)水?dāng)嗝嫒鐖D2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(jì)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(guò)程中,移動(dòng)面上受到原狀溝壁上一個(gè)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(jiàn)圖3,則作用于涵洞上的土荷圖3垂直荷載計(jì)算示意圖圖4水平荷載計(jì)算示意圖載G T ,可按式(2計(jì)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(dòng)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(dòng)土壓力公式計(jì)算(見(jiàn)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(jì)算水平壓力時(shí),對(duì)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(wú)限體中壓力分布的方法,計(jì)算涵洞上的垂直壓力。集中荷載按布辛涅斯克公式計(jì)算,見(jiàn)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(shí)(3堆放荷載。堆放荷載指地面堆放的建筑材料或土料,應(yīng)按實(shí)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(dòng)土壓力系數(shù)。即24西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào)1997年圖5活荷載計(jì)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(jì)算時(shí)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(shí)壓實(shí)機(jī)械產(chǎn)生的壓力。所以,若按最大覆土壓力進(jìn)行計(jì)算時(shí),可不再計(jì)入施工荷載。(6雙孔間的水壓力。為便于人員對(duì)涵洞進(jìn)行清理、維護(hù),同時(shí)平衡雙孔間的水流壓力,在中隔墻開(kāi)設(shè)孔洞(如圖6所示。石窯溝全長(zhǎng)開(kāi)設(shè)了3個(gè)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(jì)算簡(jiǎn)圖圖8計(jì)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(duì)涵洞影響甚小的荷載,略去不計(jì)。2涵洞設(shè)計(jì)211計(jì)算原則及計(jì)算簡(jiǎn)圖(1涵洞在內(nèi)力計(jì)算時(shí),沿縱向截取單位長(zhǎng)度,并按彈性地基上的閉合框架計(jì)算。(2作用于雙孔框架上的荷載為對(duì)稱荷載,并采用力法計(jì)算。(3計(jì)算簡(jiǎn)圖(如圖7。對(duì)整體現(xiàn)澆截面,板與墻的連接點(diǎn)均視為剛結(jié)點(diǎn)。取構(gòu)件截面重心線,底板計(jì)算長(zhǎng)度取外邊緣長(zhǎng)度。212設(shè)計(jì)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(wú)地下水,回填土干容重=119g c m 3;混凝土標(biāo)號(hào)為250#,均采用 級(jí)鋼筋。截面計(jì)算中,除滿足強(qiáng)度要求外,需控制

12、裂縫寬度小于012mm 。213內(nèi)力計(jì)算(力法(1根據(jù)擬定的涵洞截面尺寸,選取在對(duì)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(kāi),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(duì)稱的,故變形及內(nèi)力也是對(duì)稱的,未知力也是對(duì)稱的。x 1、x 3分別為a 點(diǎn),b 點(diǎn)的彎矩,x 2為f 點(diǎn)的軸力,該點(diǎn)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(biāo)“1”,為對(duì)上部結(jié)構(gòu)引起的位移;“2”為對(duì)下部結(jié)構(gòu)引起的位移。用圖乘法計(jì)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(jì)算結(jié)果疊架,得內(nèi)34第1期譚曉剛:西寧機(jī)場(chǎng)道面下涵洞的設(shè)計(jì)實(shí)踐圖9內(nèi)力示意圖力圖形(如圖9所示。214計(jì)算結(jié)果根據(jù)疊加后的計(jì)算結(jié)果以及擬定的截面尺寸,進(jìn)行配筋設(shè)計(jì),并對(duì)強(qiáng)度及裂縫寬度進(jìn)行復(fù)核。驗(yàn)算結(jié)果強(qiáng)度及裂縫寬度均滿足設(shè)計(jì)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(jì)時(shí),雖然對(duì)涵洞進(jìn)行了裂縫寬度的限制。但考慮到施工時(shí),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(duì)涵洞外圍先用二灰土(石灰、粉煤灰包裹(如圖11,再進(jìn)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(shí),以外用瀝青泡制木板填實(shí) 。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(yǔ)(1在大部分為 級(jí)濕陷性黃土丘陵地區(qū)修建機(jī)場(chǎng),關(guān)鍵的問(wèn)題是治水。不論是設(shè)計(jì),還是施工都要抓好治水、防水這個(gè)關(guān)鍵。而機(jī)場(chǎng)的排水就是這個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。特別是道面下涵洞的排水,即是機(jī)場(chǎng)排水的一部分,又是保證上部土基穩(wěn)定的重點(diǎn)之一。因此,要特別重視涵洞的強(qiáng)度及防滲。(2西寧曹家堡機(jī)場(chǎng)道面下的涵洞,在當(dāng)時(shí)尚無(wú)機(jī)場(chǎng)工程可以借鑒的情況下,在做好調(diào)查研究的同時(shí),參考國(guó)內(nèi)其它行業(yè)有關(guān)的設(shè)計(jì)資料,分析后采用了具有整體性、抗?jié)B性好等特點(diǎn)的鋼筋混凝土箱涵。并對(duì)涵洞可能滲水的部位采取了有效的防滲措施。對(duì)涵洞的土基采用了150