U型槽結(jié)構(gòu)及抗浮樁受力分析

王寶軍

中國鐵路設(shè)計集團有限公司 天津 300142

正文：

1、概述

目前U型槽結(jié)構(gòu)廣泛用于下沉式城市地道兩端敞口式引道路段。根據(jù)《城市道路路基設(shè)計規(guī)范》，當挖方路基部分地下水進入路基時，可采用將兩側(cè)混凝土支擋結(jié)構(gòu)與防水底板相結(jié)合的混凝土U型槽。U型槽沿道路的縱向設(shè)置范圍宜滿足地下水位的最高歷史記錄和遠景年的估計最高水位的要求。U型槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計及防水設(shè)計應(yīng)符合混凝土結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范的要求。

2、U型槽設(shè)計作用分析

U型槽結(jié)構(gòu)承受的主要作用見下表：

作用分類表表1

荷載計算：

①結(jié)構(gòu)重力：按結(jié)構(gòu)實際重量計算；

②土（水）側(cè)壓力：對于黏性土宜采取水土合算，對透水性土宜采取水土分算；

根據(jù)U型槽結(jié)構(gòu)受力特點，兩側(cè)邊墻可采用靜止土壓力計算。

③水浮力

按作用水頭高，作用于底板上；

④混凝土收縮、徐變作用

根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》4.4.5規(guī)定，混凝土收縮的影響，可以按降低溫度的方法來計算。對于整體灌注的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相當于降溫15℃。

⑤溫度（均勻溫度和梯度溫度）作用

依據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》，結(jié)合項目所處地區(qū)選用。梯度溫度，考慮到具體結(jié)構(gòu)形式，計入5℃升溫溫差。

⑥汽車荷載按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》規(guī)定，按車道荷載考慮。

3、U型槽結(jié)構(gòu)設(shè)計

①抗浮設(shè)計

U型槽抗浮設(shè)計一般采用主體結(jié)構(gòu)自重抗浮，抗浮安全系數(shù)不宜小于1.05，當主體結(jié)構(gòu)自重不滿足抗浮要求時，宜設(shè)置抗浮樁或抗浮錨桿等設(shè)施，設(shè)置抗浮設(shè)施時抗浮安全系數(shù)不宜小于1.1；

②設(shè)計抗浮力＝1.1×浮力－結(jié)構(gòu)自重；

③計算模型

采用有限元分析軟件建立U型槽結(jié)構(gòu)模型，底板及側(cè)墻均采用板單元模擬，結(jié)構(gòu)模型圖如圖2；

圖2 結(jié)構(gòu)模型

④邊界條件

按照彈性地基的方法采用面彈性支撐來模擬底部土對U型結(jié)構(gòu)底板的約束作用，節(jié)點的有效面積與反力系數(shù)的乘積作為節(jié)點彈性支撐的剛度值。

一般節(jié)點按受壓彈簧支撐模擬，設(shè)置抗浮樁處按線性支撐彈簧模擬，線性彈簧剛度根據(jù)結(jié)構(gòu)位移計算結(jié)果選取，建議豎向位移控制在5mm以內(nèi)。

支點接地彈簧剛度與圍巖基床系數(shù)和彈簧所覆圍巖面積有關(guān)，計算公式為

基床系數(shù)可依據(jù)地勘報告實驗數(shù)據(jù)選取，當無實驗數(shù)據(jù)時，可依據(jù)表2中數(shù)據(jù)選用。

地基基床系數(shù)m參考值表2

4、典型案例

某工程為一級公路，雙向四車道，路基斷面寬26.5m，采用U型槽結(jié)構(gòu)下沉，主體C40防水混凝土，防水等級二級，抗?jié)B等級P8。邊墻高7.0m，地層為粉質(zhì)黏土，邊墻及底板均采用1.2m厚，底板與地基間采用節(jié)點彈性支撐模擬，彈簧剛度取20000kN/m，設(shè)置抗浮樁處節(jié)點采用線性彈簧模擬，彈簧剛度取300000kN/m。底板水浮力82kN/m2，土壓力系數(shù)0.6，設(shè)置30根抗浮樁。采用有限元計算，共計劃分1043個單元，1353個節(jié)點。按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進行結(jié)構(gòu)配筋計算。計算結(jié)果見表3、4：

計算結(jié)果表3

配筋計算結(jié)果表4

5、結(jié)語

U型槽結(jié)構(gòu)應(yīng)用比較普遍，目前尚無規(guī)范的計算方法。本案例中浮力為45428kN，結(jié)構(gòu)重力為25020kN，設(shè)置抗浮樁30根，平均單樁抗拔力681kN，由于抗拔力與浮力、重力和邊墻側(cè)壓力的共同作用有關(guān)，計算抗拔力最大748kN，較平均值大10%，最小623kN，如按平均抗拔力設(shè)置抗浮樁，有可能造成局部抗拔力不足引起抗浮樁破壞，從而造成整個結(jié)構(gòu)上浮破壞。采用有限元模型能夠?qū)Y(jié)構(gòu)進行整體受力分析，比較切合工程實際。本案例可以為U型槽結(jié)構(gòu)設(shè)計提供借鑒。