维普资讯 http://www.cqvip.com 北京五环路圆明园西路Ｕ型槽设计与施工 吕嵩山吕敬之 （北京建达道桥咨询有限公司） 摘要本文以圆明园西路地下ｕ型槽的设计、 且具有透水性，不存在冻胀问题，是良好的天 然地基持力层。因设防地下水位标高接近地 表，不具备修建地下连续墙隔水层的不透水 土层，所以设计时采用封闭的ｕ型槽结构型 式。 该Ｕ型槽全长９３５ｍ，共分为１７个的 施工为背景，就建立ｕ型槽结构计算模型、大体积混 凝土裂缝控制方法以及地下工程防水设施等情况进 行了介绍。 关键词 弹性地基梁 补偿收缩 裂缝控制 防水分段浇注混凝土养护 、概述 块件，每段长４５ ６２ｍ，宽３２—６４ｍ，最大块件 ０．５ １．０５ｍ；侧壁厚度０．５一ｌｍ，高度２．１— ５．５ｍ，详见图１和图２。如此长大体积的钢筋 北京市北五环路圆明园西路立交为一座 ６２×６４ｍ，块件间设２ｅａ沉降缝。底板厚度 ｒ大型城市立交，此段五环路位于圆明园遗址 公园北侧，清河南侧，为保证圆明园遗址公园 处的景观和谐，设计采用深槽。 地质勘察报告表明该处地表２—３ｍ以下 土层为砂性土及卵石土层，地基承载力较高 混凝土构件应用在北京市的高速公路建设中 尚属首次，下面就其设计、施工中的难点问题 做一阐述。 图１ Ｕ型槽纵立面分块示意 卜——— 图２ Ｕ型槽横断面示意（单位：ｃｌｎ） 二、结构稳定性要求 １．抗浮 受浮力。 ２．抗滑 ｕ型槽为封闭“ｕ”字形断面，位于地下水 位以下的结构不可避免地受到水的浮力作 用，计算时浮力系数采用１．０，为此逐个计算 受道路纵坡影响，ｕ型槽底板不是水平 放置，在自重作用下会沿纵向产生滑动，因此 需进行滑动稳定性验算。抗滑动稳定性验算 每个块件（包括ｕ型槽与其上路面结构）在设 时应取设防水位。对于处于设防水位以下较 首先必须保证块件纵向两端，特别 防水位时所受的浮力，保证块件自重大于所 深的块件，１１ 维普资讯 http://www.cqvip.com 是低点处地基有一定的压力，然后根据底板 假设底板支撑在弹性地基上，并且板与 下地基土的分类正确选用摩擦系数，按照规 地基完全接触，则该计算属于弹性地基板的 范要求进行抗滑动稳定性验算。如果路线纵 范畴。关于地基顶面挠度与反力之间的关 坡较大，必要时可在块件纵向两端设置防滑 系，目前主要有两种不同的地基假说：（１）文 齿坎，如图３所示。 设 克尔地基假说：地基上任一点的反力同该点 的挠度成正比，而与其他点无关；（２）半空间 （半无限）地基假说：地基顶面任一点的挠度 不仅同该点的压力有关，也同顶面其它点上 的压力有关。半空间（半无限）地基假说要比 文克尔假说更符合地基的实际工作状况，但 是由于地基弹性模量的确定至今尚未得到妥 善解决，所以目前大多数工程中仍采用文克 图３齿坎设置不意 尔假说。本文中的ｕ型槽在侧向土压力及水 压力作用下，横向内力明显远大于纵向内力， 三、结构受力计算分析 ｕ型槽承受的荷载主要有侧壁承受的主 所以在建立计算模型时沿纵向取单位长度 将ｕ型结构视为弹性地基梁，采用文克尔 动土压力、水压力、超载产生的侧向土压力、底 ｌｍ，板承受的路面结构自重、汽车荷载以及浮力， 假定来计算，即将整个断面按照一个“ｕ”字形 计算时按照水、土分算的方法计算，其中对结 构件计算，应用平面杆系有限元程序进行受 力计算，其计算简图见图４。 构受力起控制作用的是侧壁承受的荷载。 超载 超载 水 压力 水浮力 图４计算简图 一 假设将地基视为连续的弹性介质，底板 支撑在若干个弹簧上，因此必须选择合理的 ３０００００ｋＮ／ｍ３。 设计要求侧壁后回填透水性能好的砂 计算时不计动水压力，按照库仑主动土压 弹簧弹性常数Ｋ。文克尔假定中的地基系数 砾，即梁底反力强度与梁竖向位移间的比例常 力计算。土层在受水浸泡时，土颗粒间摩擦 数，可以根据规范中非岩石类土的比例系数 系数降低，抗剪强度下降，计算时其内摩擦角 ｍ计算确定。相应于开挖深度ｈ处的坑底土 的地基系数Ｃｏ＝ｍｏｈ（ｃｏ单位：ｋＮ／ｍ３），当计算 宽度取ｌｍ，弹簧间距取ｌｍ时，弹簧弹性常数 值降低５。。 计算结果表明，侧壁与底板相接节点处 内力最大，并且内力与弹簧弹性常数Ｋ成正 Ｋ＝ｍｏ Ｘ ｈ Ｘ １ Ｘ １＝ｍｏｈ（Ｋ单位：ｋＮ／ｍ）。计算 比关系。侧壁内力分布与悬臂式挡土墙类 时采用规范中粗砂、卵石类土的比例系数ｍｏ 似，底板在两端及横向中点处弯矩出现最大 ３００００ｋＮ／ｍ４，又根据规范，当基坑深度小于 值。 １０ｍ时，Ｃ０《１０ｔｏｏ，所以取Ｃｏ＝１０ｔｏｏ＝ 由于地基弹簧只能承受压力，不能承受 ＝１ ２ 维普资讯 http://www.cqvip.com 拉力，所以应验算各荷载组合情况下底板横 及防水设计规范对有害裂缝的宽度均有明确 向中点附近的位移值，如果底板出现向上位 。 移，则表明此处底板已经脱空，必须取消此处 对结构裂缝的控制与设计、施工、养护都 的弹性约束，重新计算。ｕ型槽受力变形后 有关系，控制ｕ型槽裂缝应从以下几方面考 的位移示意见图５。 虑： １．结构受力角度 一 ＼ 经计算，ｕ型槽在各种荷载组合作用下， 最大裂缝宽度仅为０．１４ｍｍ，满足结构设计规 图５变形不意 对于底板埋深较大的块件，侧壁会承受 很大的侧向力，使得结构内力很大，此时可将 底板横向向外伸出一段，其作用与挡土墙踵 板类似，利用其上回填土的自重荷载平衡部 分内力（图６）。 ｊ Ｌ 图６踵板不意 四、防裂防渗漏措施 Ｕ型槽为明挖法施工的高速公路地下工 程，按照一级防水工程的要求设计，防水等级 ｓ６。不管何种防水等级，规范规定都应以结构 自防水混凝土为第一防线，辅以柔性防水层。 我们在设计时对Ｕ型槽柔性防水层的设 置如下：各块件间２ｅｍ断缝采用橡胶止水带 止水，底板下铺设膨润土防水板，侧壁外侧贴 覆ＳＢＳ防水卷材。 结构自防水是防水工程成败的根本所 在。结构自防水即钢筋混凝土结构自身的防 水性能，而钢筋混凝土结构防水成败的关键 在于有效控制结构有害裂缝的产生，结构不 产生有害裂缝，则堵住了漏、渗水的途径。判 断裂缝有害还是无害，首先看它是否有害于 结构的安全性和耐久性，其次是否影响结构 的使用功能（如防水、防潮）。结构设计规范 范及防水设计规范（允许值０．２ｍｍ）的要求， 不属于有害裂缝。 ２．混凝土结构材料自身特性 混凝土是脆性材料，抗拉性能差，因此钢 筋混凝土结构出现裂缝是不可避免的，在保 证结构安全和耐久性的前提下，裂缝是人们 可接受的材料特征。设计时结合材料特性， 我们采取了如下措施控制裂缝产生： （１）采用补偿收缩混凝土 《混凝土结构工程施工及验收规范》第 ４．５．３条规定：大体积 昆凝土浇筑后混凝土表 面和内部温差不宜大于２５℃。对于大体积混 凝土，水泥水化热造成的内、外部温差可高达 ２５℃以上，此时混凝土内部温度应力大于混 凝土的拉应力，使得混凝土结构出现裂缝。 这是大体积混凝土开裂的主要原因，对此我 们设计采用补偿收缩混凝土。 补偿收缩混凝土是一种水化热低且适度 膨胀的混凝土，其原理是：混凝土在湿养期间 膨胀时，钢筋对他的膨胀产生作用，钢筋 因与混凝土一起膨胀而产生拉应力，同时混 凝土受到钢筋作用的压应力，由此在混凝土中 建立预压应力，这一预压应力能够抵消导致混 凝土开裂的全部或大部分应力，与此同时，推 迟了混凝土收缩的产生过程，抗拉强度在此间 能获得较大幅度的增长，当混凝土收缩开始 时，其抗拉力已经增长到足以抵抗收缩应力， 从而减少和避免了收缩裂缝的出现。 对于ｕ型槽不同的部位，应采用不同的 膨胀率，侧壁采用不小于０．０２５％的 膨胀率，而底板埋于路面结构以下，受温度变 化的影响小于侧壁，因此采用不小于０．０２０％ 】３ 维普资讯 http://www.cqvip.com 的膨胀率。 （２）合理划分块件浇注区段 Ｕ型槽最大块件在长、宽两个方向均超 过了６０ｍ，厚度超过ｌｍ，为同类工程之最。混 凝土在硬化过程中要收缩，膨胀混凝土也不 例外。掺人膨胀剂可部分补偿混凝土硬化过 程中的干缩和冷缩，但不能完成阻止混凝土 的收缩。由混凝土收缩引起的裂缝在工程中 经常遇到，并且混凝土结构的收缩量与其尺 寸成正比，因此为减小混凝土收缩应减小块 件尺寸。但块件划分过小，施工会过于繁琐。 本次设计中采用两次浇注的方法，混凝土的 连续浇注长度仅为实际块件的１／２左右（图 ７）。施工缝处设钢板止水带，同时加密普通 钢筋。第二次浇注的加强带宽３ｍ，其膨 胀率可比第一次浇注的混凝土膨胀率大 ０．００５％。两次浇注混凝土龄期差不小于 ２８ｄ，以使第一次浇注的混凝土充分收缩，并 有助于提高对第二次浇注混凝土的膨胀 作用。 图７分段浇注示意 （３）侧壁锯假缝 侧壁完全暴露在自然环境中的墙体，根 据以往经验，在墙面板上极容易产生有规律 的上下贯通的竖向裂缝，间距一般在２ｍ左 右。此种裂缝主要是由混凝土的自应力引起 的，原因是混凝土在水泥水化热达到一定的 温度时，混凝土的膨胀应力开始消失而此时 混凝土开始收缩。这种收缩是均匀收缩，所 以裂缝呈现出有规律性。为保证墙体美观， １４ 在墙体养护完成后，在墙面上锯２ｍｍ宽５ｍｍ 深的假缝，间距２ｍ，目的是将墙面混凝土的 收缩应力在假缝处释放，使假缝间的墙面不 出现或少出现裂缝。 ３．施工、养护措施 （１）底板抹压 底板采用泵送混凝土浇注，由于泵送混 凝土流动性大，所以在底板浇注过程中极易 在顶面出现沉降裂缝，如图８所示。 图８沉降裂缝示意 混凝土是一种混合物，其中的粗骨料在 混凝土硬化前处于自由状态，位于钢筋下方 的粗骨料在自身重力作用下不断缓慢下沉， 混凝土也在缓慢下沉，钢筋上方的混凝土则 受到钢筋的支撑而不能下沉，因此在钢筋的 上表面沿着钢筋走向会有裂缝产生。此种裂 缝深度一般达到钢筋上表面即止。预防方法 是，除了充分全面振捣外，更重要的措施是要 在混凝土初凝前不断对底板顶面抹压。 （２）侧壁养护 由于墙体超长，混凝土浇注和养护比较 困难，加之受环境温度、湿度和风速的影响较 大，墙体由于收缩变形往往会出现垂直裂缝。 其防治措施是： ①浇注完后，混凝土水化温度不断升高， 第三天达到最高温度。与此同时，混凝土体 积也在膨胀，因此要在混凝土浇注完成后的 第二天松模，以解除模板对混凝土的约束。 为减少混凝土内外温差应力，减缓混凝土因 水分蒸发产生的干缩，应带模养护７ｄ，利用模 板起到保温保湿的目的。 （２）掺膨胀剂的混凝土要特别加强养护， （下转第】０页） 维普资讯 http://www.cqvip.com （５）及时办理竣工结算 集、整理竣工结算资料，包括工程竣工图、设计 变更通知、各种鉴证材料等。这些资料的收集 和取证必须注意其有效性，如设计变更通知书 作，是及时做好结算、决算的重要保证。 （６）对工程造价实行动态控制 投资Ｅｔ趋多元化的今天，迫切需要一批为投 要及时办理工程竣工决算，首先要及时收 资提供科学决策依据的造价工程师。 （２）鼓励工程造价咨询机构参与公路建 设项目全过程的造价管理 工程造价咨询主要是面向社会接受委 审核，对工程造价进行监控以及提供工程造 价信息资料等业务工作。 咨询机构在业主与承包商之间起中介作 用。对于由投资的工程，可通过咨 询机构达到对项目进行管理的目的。 （３）重视造价管理的基础工作 工程造价管理的基础工作是我们进行工 要有相关人员的认可手续。做好这些基础工 托，承担建设项目各阶段工程造价的编制和 其核心内容是以市场为中心对造价进行 动态控制和管理。 公路建设项目的复杂性决定了其计价的 多次性，与基本建设过程相对应的各阶段造 价动态地反映了项目的总造价，因此对工程 造价的控制也应该是动态的。特别是在工程 程造价管理的基础依据，对合理确定和有效 实施阶段，由于客观条件的影响，设计阶段未 控制造价起着决定性作用。其内容包括估算 考虑到的因素往往会暴露出来，造成设计及 指标、概预算定额、各项费用指标的制定，确 造价变更，这就需要造价工程师对造价计划 定工程量计算规则，项目划分，建材价格信息 执行中出现的问题及时研究分析，及时采取 造价动态控制最集中的体现。 ３．综合评价，科学管理 工程造价管理的法规、制度，采取有效的监督、 控制措施外，还应做好以下几方面的工作： 和有关价格指数系统的建立与定期发布，工 理等。这些工作的开展，要依靠建立必要的 行规，明确责任，以使造价管理的基础工 三、结语 纠正措施，保证目标顺利实现。这一阶段是 程造价资料的积累，对历史造价的分析与整 工程造价管理工作除了要建立健全有关 作规范化、制度化、科学化。 我国的工程造价管理已经从被动消极地 （１）培养一支高素质的造价工程师队伍 反映工程设计和施工的估价活动，发展到能 工程造价管理是一项性、技术性、经 动地影响工程设计和施工。随着我国加入世 济性和实践性都很强的工作。要求造价工程 贸组织的进程，为了更好地在工程造价领域 与国际接轨，我们应该在已有的工程造价管 应懂设计、懂施工技术、懂项目管理、懂法律 理的基础上，吸收国外的成功经验，结合我国 法规、懂计算机应用等多方面知识，应具有丰 的实际情况，建立一套适合我国国情科学合 富的实践经验。在市场经济逐步完善， （上接第１４页） 师除了对本专业的知识有很好的了解外，还 理的造价管理模式。 膨胀结晶体钙矾石的形成需要水，补偿收缩 温、保湿。整个养生过程不应少于１４ｄ。 混凝土浇筑后１—７ｄ内是膨胀变形的主要阶 五、结语 段，应特别加强浇水养护，７ １４ｄ仍需湿养 五环路于２００２年１Ｏ月通车，Ｕ型槽竣工 验收时混凝土外观质量良好，未发现有害裂 护，这样才能发挥膨胀效应。混凝土浇注后， 应立即在墙体顶面铺设塑料水管，管壁上每 缝，侧壁未见明显裂缝。实践证明，只要把握 隔２０ｅａ设一个出水孔，淋水养生。拆模后，ｒ 结构及材料特性，设计合理，养护到位，长大 及时在整个墙体范围内覆盖草帘或无纺布保 体积混凝土构件的质量是可以保证的。 １０
