U型槽結(jié)構(gòu)及抗浮樁受力分析

王寶軍

中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)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(jì)規(guī)范》，當(dāng)挖方路基部分地下水進(jìn)入路基時(shí)，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(yuǎn)景年的估計(jì)最高水位的要求。U型槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及防水設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算：

①結(jié)構(gòu)重力：按結(jié)構(gòu)實(shí)際重量計(jì)算；

②土（水）側(cè)壓力：對(duì)于黏性土宜采取水土合算，對(duì)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(diǎn)，兩側(cè)邊墻可采用靜止土壓力計(jì)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(jì)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(jì)算。對(duì)于整體灌注的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相當(dāng)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(jì)通用規(guī)范》，結(jié)合項(xiàng)目所處地區(qū)選用。梯度溫度，考慮到具體結(jié)構(gòu)形式，計(jì)入5℃升溫溫差。

⑥汽車荷載按《公路橋涵設(shè)計(jì)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(jì)

①抗浮設(shè)計(jì)

U型槽抗浮設(shè)計(jì)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(dāng)主體結(jié)構(gòu)自重不滿足抗浮要求時(shí)，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(shí)抗浮安全系數(shù)不宜小于1.1；

②設(shè)計(jì)抗浮力＝1.1×浮力－結(jié)構(gòu)自重；

③計(jì)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(duì)U型結(jié)構(gòu)底板的約束作用，節(jié)點(diǎn)的有效面積與反力系數(shù)的乘積作為節(jié)點(diǎn)彈性支撐的剛度值。

一般節(jié)點(diǎn)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(jì)算結(jié)果選取，建議豎向位移控制在5mm以內(nèi)。

支點(diǎn)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(jì)算公式為

基床系數(shù)可依據(jù)地勘報(bào)告實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取，當(dāng)無實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，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(jí)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(jí)二級(jí)，抗?jié)B等級(jí)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(diǎn)彈性支撐模擬，彈簧剛度取20000kN/m，設(shè)置抗浮樁處節(jié)點(diǎn)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(jì)算，共計(jì)劃分1043個(gè)單元，1353個(gè)節(jié)點(diǎn)。按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表3、4：

計(jì)算結(jié)果表3

配筋計(jì)算結(jié)果表4

5、結(jié)語(yǔ)

U型槽結(jié)構(gòu)應(yīng)用比較普遍，目前尚無規(guī)范的計(jì)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(jì)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(gè)結(jié)構(gòu)上浮破壞。采用有限元模型能夠?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行整體受力分析，比較切合工程實(shí)際。本案例可以為U型槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供借鑒。