大型地下綜合體抗浮設計方法研究

張思源

(中國中鐵隧道集團有限公司,河南洛陽 230000)

某地下綜合體是集下沉廣場、地鐵車站、地下停車場、地下商場于一體的大型綜合性多功能建筑物,共有四層組成。工程場區內地形平坦,地下水豐富。

本文擬根據該綜合體各層結構的抗浮特點,對抗拔樁的布置和設計進行研究,使該地下綜合體滿足整體抗浮要求。

1 模型及計算參數

1.1 計算范圍

某地下綜合體結構沿南北方向設立了一道變形縫,其中變形縫東側結構復雜,變形縫西側結構相對單一,本次分析的范圍取變形縫東側結構,即變形縫東側所有主體結構部分,尺寸范圍是 145m(東西方向)×170m(南北方向)。車站主體結構為地下四層多跨整體式現澆鋼筋混凝土框架結構,采用明挖順筑法施工,結構底板以下設抗拔樁輔助抗浮。

1.2 計算模型及參數

1.2.1 計算模型

某地下綜合體三維實體模型如圖 1所示。

體結構采用板殼單元 SHELL181模擬樓板(頂板、中板、底板)和側墻,采用梁單元 BEAM 189模擬結構梁、柱及抗拔樁。側墻、底板與基礎土層之間的作用采用只受壓力的桿單元 LINK 10模擬,抗拔樁端部與基礎土層之間的作用采用拉壓桿單元 LINK 8模擬。

1.2.2 計算參數

(1)荷載組合情況見表1所示。

圖1 計算模型

(2)地下水位。根據設計文件,地下水位考慮如下:擬建場地地形平坦,地貌上屬于岷江一級階地,地面標高變化在501.94～503.34m,地下水非常豐富,水位標高取為 2.5m。

(3)豎向荷載。豎向荷載主要考慮結構自重,覆土荷載按 2m土柱考慮。地面荷載按 20 kPa考慮,人群荷載按 4 kPa考慮,設備荷載按 8 kPa考慮,列車荷載按等效均布靜載20 kPa考慮。

(4)側壓力。計算側壓力時,地下水位以下部分,砂性土按水土分算,土體側壓力按靜止土壓力計算。側向壓力按100%作用在主體結構的側墻上。

(5)樁與土之間的摩擦力按極限側摩阻力計算結果施加在抗拔樁的節點上。極限樁側摩阻力按《建筑樁基技術規范》(JGJ94-94)第 5.2.18條確定。

(6)地下綜合體采用的材料為:C 35整體式鋼筋混凝土結構,C 50鋼筋混凝土立柱,防水混凝土抗滲等級:不小于S8。混凝土的力學參數取值見表2。

2 結構抗浮分析

某大型地下綜合體結構采用抗拔樁結合結構自重抗浮方案,抗浮分整體抗浮驗算和抗拔樁設計兩種工況。

2.1 結構整體抗浮分析

由于車站地下水位較高,為滿足結構抗浮的要求,結構底板下設置抗拔樁輔助抗浮,抗浮計算結果見表3。

由此計算出結構抗浮安全系數為 1.13,大于規范所要求的 1.05,滿足結構的整體抗浮要求。

2.2 抗拔樁受力分析

2.2.1 各層抗拔樁受力分析

第 1～4層抗拔樁受力范圍見表4所示。

由表4可知,第 1層抗拔樁最大受力為 2 080 kN,小于該層抗拔樁的極限側摩阻力(4152 kN),可見,第 1層抗拔樁能夠滿足抗浮要求,而且富裕量較大;第 2～4層抗拔樁最大受力為 5 910 kN,小于這 3層抗拔樁的極限側摩阻力(6 643 kN),可見,第 2～4層抗拔樁能夠滿足抗浮要求,而且有一定的富裕量。

2.2.2 各層抗拔樁受力綜合分析

對各層抗拔樁總受力進行統計,考慮其極限受力值,可以計算出理論樁數。但由于抗拔樁受力不均,減少樁數不是最優方法,可以采用減少樁長和樁徑的方法,由于抗拔樁為柱下樁,樁徑不宜變化,因此,可以根據抗拔樁受力改變樁長。

根據各樁的實際受力,計算在樁達到極限狀態時所需的長度,然后將各層設計總樁長和計算總樁長進行比較,結果見表5。

由表5可見,根據抗拔樁受力設計樁長,第一層樁長可減少 73.8%,第二層樁長可減少 42.8%,第三層樁長可減少30.3%,第四層樁長可減少 26.3%。

3 結論

(1)某地下綜合體整體抗浮安全系數為 1.13,結構設計方案能夠滿足整體抗浮要求。

(2)某地下綜合體抗拔樁承受的力分別為:第 4層抗拔樁承受力大小為 3 390 kN～5 910 kN;第 3層抗拔樁承受力大小為 2 490 kN～5 700 kN;第 2層抗拔樁承受力大小為2 370 kN～5 320 kN;第 1層抗拔樁承受力大小為 58 kN～2080 kN。第 2～4層抗拔樁承受的力較大,第一層底板下抗拔樁承受的力不大,其中部分樁并沒有起到抗拔的作用。

(3)各層樁數均有一定程度富裕,但由于抗拔樁為柱下樁,樁徑不宜變化,因此,可以根據抗拔樁受力改變樁長。根據抗拔樁受力設計樁長,第 1層樁長可減少 73.8%,第 2層樁長可減少 42.8%,第 3層樁長可減少 30.3%,第 4層樁長可減少 26.3%。

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