高水位下U 型槽結(jié)構(gòu)受力計(jì)算與抗浮設(shè)計(jì)

閆坤伐

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

0 引言

伴隨著城市交通基礎(chǔ)設(shè)施的快速推進(jìn)，道路相交往往成為了交通不暢的主要因素，為了保證快速路行車的速度、安全且為滿足城市規(guī)劃及景觀要求，很多地區(qū)在道路交叉處由常規(guī)平交口、上跨形式轉(zhuǎn)為修建下穿地道橋穿越既有路口的結(jié)構(gòu)形式，而當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)通常U槽作為下穿地道橋的過渡。特別是珠三角水系發(fā)達(dá)、地下水位較高的地區(qū)，軟土分布廣泛，其特性為大孔隙比、含水量高、強(qiáng)度低、高壓縮性，因U 型槽結(jié)構(gòu)受到地下水浮力作用致使抗浮穩(wěn)定性也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必不可少的重要部分。

隨著U 型槽結(jié)構(gòu)在工程實(shí)際中應(yīng)用越來越廣泛，國內(nèi)外學(xué)者也對(duì)其結(jié)構(gòu)受力分析及抗浮設(shè)計(jì)開展了一系列分析[1-2]。劉海濤[3]通過空間有限元構(gòu)建空間板單元模型分析U 槽的受力狀態(tài)，從而指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。費(fèi)文燕[4]認(rèn)為U型槽在結(jié)構(gòu)受力分析時(shí)采用彈性理論計(jì)算的結(jié)果，可作為設(shè)計(jì)人員控制因素。本文通過搜集多個(gè)工程實(shí)例總結(jié)了U 型槽的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并在滿足國標(biāo)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，分析和探討了肇慶某快速路下穿U 型槽結(jié)構(gòu)的計(jì)算及抗浮設(shè)計(jì)，從而為今后類似工程提供參考借鑒。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

肇慶某道路提級(jí)改造項(xiàng)目，道路現(xiàn)狀為城市主干路，雙向4 車道，道路寬度25m。道路提級(jí)改造后規(guī)劃為快速路，雙向六車道，紅線寬60m。輔路等級(jí)規(guī)劃為城市道路次干路，單向雙車道。新提級(jí)改造項(xiàng)目在某路口交叉處為新建地道橋整體下穿既有道路，兩端引道采用U 槽結(jié)構(gòu)過渡。

1.2 工程與水文地質(zhì)

項(xiàng)目所在地地貌單元為沖洪積平原，現(xiàn)狀地勢較平。場地巖土層劃分為：人工堆積層、第四系沖洪積層。地下水主要為第四系上層滯水、潛水、承壓水、基巖裂隙水和巖溶水。勘察期為枯水期，穩(wěn)定水位埋深為0.9～4.2m，高程為1.22～5.93m，年變幅為0.50～2.0m。

1.3 U 型槽設(shè)計(jì)方案

U 槽在地道橋兩段總長度為365m，根據(jù)現(xiàn)狀條件共設(shè)置15 節(jié)，其中地道橋東側(cè)為7 節(jié)、西側(cè)為8 節(jié)，每隔20～30m 設(shè)一道變形縫。U 型槽側(cè)墻高度為3～10m（含底板厚度），側(cè)壁與底板厚度根據(jù)埋深設(shè)為0.6～1.3m 不等。U型槽側(cè)壁與底板均采用C40 防水鋼筋混凝土，抗?jié)B等級(jí)為P8。建筑限界：12.90m=0.20m 裝修層+0.25m 安全帶+0.5m 路緣帶+2×3.75m 行車道+3.5m 行車道+0.5m 路緣帶+0.25m 安全帶+0.20m 裝修層。U 型槽橫斷面設(shè)計(jì)圖見圖1，效果圖見圖2。

圖1 U 型槽橫斷面設(shè)計(jì)圖

圖2 U 型槽效果圖

2 U 型槽抗浮設(shè)計(jì)

2.1 抗浮設(shè)計(jì)水位的選取

抗浮設(shè)計(jì)水位的選取應(yīng)綜合考慮施工期、使用期水位，一般根據(jù)結(jié)構(gòu)使用年限、安全等級(jí)、勘察報(bào)告提供數(shù)據(jù)及當(dāng)?shù)仡愃乒こ探?jīng)驗(yàn)綜合考慮確定。結(jié)合本場區(qū)地勘水文資料，本次勘察在枯水期地下水位為4.1m，抗浮設(shè)計(jì)水位高程為穩(wěn)定地下水+水位變幅。

2.2 抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算

抗浮設(shè)計(jì)原則：施工階段考慮在底板下采用降水措施來滿足抗浮要求；運(yùn)營階段：考慮結(jié)構(gòu)自重加設(shè)置抗浮措施滿足設(shè)計(jì)抗浮要求，結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定系數(shù)KW不小于1.1。抗浮穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算式為：

式中：Gk—建筑物自重及壓重之和（kN）；

Nw，k—U 型槽浮力作用值（kN）；

Kw—抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)。

本次抗浮設(shè)計(jì)計(jì)算以第7 節(jié)即與地道橋相銜接處為例，其中本節(jié)長度為20m，U 槽寬度15.4m，側(cè)壁最大高度為10m，截面積為42.8m2，抗浮計(jì)算水深為8.9m。

U 型槽結(jié)構(gòu)總重G1=21400kN；

U 型槽內(nèi)覆土G2=4800kN；

U 型槽結(jié)構(gòu)受到水浮力Nw，k=27412kN；

依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.4.3 條進(jìn)行驗(yàn)算：

Gk/Nw，k=0.96＜1.1。

本項(xiàng)目U 型槽結(jié)構(gòu)單憑結(jié)構(gòu)自重及結(jié)構(gòu)內(nèi)填土的重量，抗浮不滿足規(guī)范要求，應(yīng)對(duì)U 槽采取抗浮加固措施。

2.3 抗浮樁（兼承載樁）設(shè)計(jì)

U 型槽結(jié)構(gòu)常規(guī)抗浮措施主要有增加自重（底板設(shè)置挑臂、加大結(jié)構(gòu)尺寸）、設(shè)置抗浮樁等方案，在選取抗浮設(shè)計(jì)方案時(shí)應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟(jì)性。本項(xiàng)目因U槽底部存在較厚淤泥，為保證地基承載力滿足要求，經(jīng)過多方案比選后，本次設(shè)計(jì)采用鉆孔灌注樁作為抗浮兼承載樁，U 型槽結(jié)構(gòu)分別計(jì)算在受到較高水位與較低水位時(shí)所傳遞的力。計(jì)算出，抗浮兼承載樁采用樁直徑為800mm，C30水下混凝土，樁長20m，該斷面共布置樁根數(shù)為16 根，縱橫向布置形式為4×4，橫向間距4.5m，縱向間距5m。樁長按抗浮計(jì)算控制，同時(shí)考慮受壓承載作用，樁長穿透淤泥進(jìn)入持力層一定深度。

抗浮驗(yàn)算：根據(jù)規(guī)范要求按照樁基整體破壞與非整體破壞，計(jì)算單樁豎向抗壓承載力Rta=300kN。

U 型槽總重Gk=G1+G2+16×300=31000kN；

Gk/Nw，k=1.131＞1.1 滿足抗浮要求。

地基承載力驗(yàn)算：

單樁平均豎向壓力Nk=732.8kN；

根據(jù)地勘資料計(jì)算單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值Quk：

單樁極限承載力特征值Ra=793.8kN＞Nk=732.8kN。地基承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

3 U 型槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算原則及荷載計(jì)算

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件、U 槽埋置深度、U型槽結(jié)構(gòu)形式、所受不利荷載組合等工況，采用工程類比的方法選用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行內(nèi)力分析。結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)綜合選取施工階段和使用階段最不利荷載組合，按承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)的要求，分別進(jìn)行U 型槽結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性驗(yàn)算。

地層土壓力：水平壓力按靜止土壓力計(jì)算；墻外水土壓力：粘性土施工期采用水土合算，運(yùn)營期采用水土分算；砂性土按水土分算。

計(jì)算時(shí)應(yīng)接近結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況，能真實(shí)地模擬出結(jié)構(gòu)與接觸地質(zhì)條件的相互關(guān)系。

3.2 計(jì)算假定及計(jì)算程序

U 型槽沿道路行車方向取每延米為一個(gè)計(jì)算單元。假定U 型槽支護(hù)措施與U 型槽主體結(jié)構(gòu)只傳遞徑向力。

在結(jié)構(gòu)各個(gè)節(jié)點(diǎn)上通過設(shè)置彈簧單元來模擬出結(jié)構(gòu)間的影響及約束；且假設(shè)設(shè)置的彈簧沒有拉力影響；假定作用到彈簧上壓力的反作用力作為地層對(duì)結(jié)構(gòu)作用的彈性抗力。

U 型槽結(jié)構(gòu)計(jì)算模型選用荷載—結(jié)構(gòu)，假定U 型槽底板支承在彈性地基上的框架結(jié)構(gòu)，采用邁達(dá)斯GTS 模塊通過建立數(shù)值模型進(jìn)行有限元受力分析。

3.3 計(jì)算模型簡圖

選取計(jì)算模型時(shí)，以結(jié)構(gòu)中線作為簡化模型；在荷載計(jì)算時(shí)，按照實(shí)際側(cè)墻高度計(jì)算；以布置于各節(jié)點(diǎn)上的彈簧單元來模擬圍巖主體結(jié)構(gòu)的相互約束，U 型槽底板受到水的作用力按照均布荷載考慮。如圖3 所示。

圖3 U 槽計(jì)算模型與荷載示意圖

3.4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.4.1 土層參數(shù)的選取

數(shù)值模擬時(shí)參數(shù)的選取對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性有較大影響，因此，結(jié)果是否可靠的關(guān)鍵因素是如何確定參數(shù)的選取。本次計(jì)算采用材料的力學(xué)參數(shù)從詳勘報(bào)告中選取。

3.4.2 內(nèi)力計(jì)算

將荷載進(jìn)行組合后，并考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1，在邁達(dá)斯GTS 中進(jìn)行受力分析，以第7 節(jié)為例，側(cè)壁最大高度為10m，結(jié)果如圖4、圖5 所示。

圖4 基本組合彎矩圖

圖5 標(biāo)準(zhǔn)組合彎矩圖

3.4.3 斷面配筋設(shè)計(jì)

根據(jù)圖4、圖5 計(jì)算結(jié)果分析U 型槽受力情況可知，側(cè)墻底板以上凈高/3 處、側(cè)墻支座（底板）處與底板跨中、底板距邊墻凈跨/3 處、底板支座處為五個(gè)危險(xiǎn)特征單元，按照正截面受彎構(gòu)件進(jìn)行配筋驗(yàn)算。配筋計(jì)算結(jié)果為側(cè)墻：基本組合彎矩468.9kN·m，基本組合彎矩468.9kN·m，實(shí)際配筋Φ32@100，裂縫寬度0.024mm。底板跨中：基本組合彎矩345.3kN·m，基本組合彎矩302.5kN·m，實(shí)際配筋Φ32@100，裂縫寬度0.022mm。底板距邊墻凈跨/3 處：基本組合彎矩653kN·m，基本組合彎矩541kN·m，實(shí)際配筋Φ32@100，裂縫寬度0.039mm。底板支座：基本組合彎矩1845kN·m，基本組合彎矩1462kN·m，實(shí)際配筋Φ32@100+Φ32@100，裂縫寬度0.068mm。因標(biāo)準(zhǔn)組合最大裂縫寬度0.068mm，滿足0.2mm 控制要求。

4 結(jié)論

本文依托于肇慶某快速路下穿U 槽項(xiàng)目為工程實(shí)例，通過對(duì)U 型槽進(jìn)行抗浮計(jì)算及利用數(shù)值模擬軟件邁達(dá)斯GTS 對(duì)U 槽進(jìn)行內(nèi)力分析得出幾點(diǎn)主要結(jié)論：①當(dāng)采用U 型槽方案時(shí)抗浮設(shè)計(jì)是必不可少的一步。而抗浮設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際情況選擇合理的措施，對(duì)工程的安全及經(jīng)濟(jì)至關(guān)重要。②在抗浮計(jì)算的時(shí)候，抗浮設(shè)計(jì)水位為整個(gè)結(jié)構(gòu)計(jì)算提供基礎(chǔ)資料，為保證工程安全在確定抗浮水位時(shí)應(yīng)采用地勘報(bào)告的穩(wěn)定地下水+水位變幅。③當(dāng)U型槽的持力層位于較厚淤泥的地層時(shí)，應(yīng)對(duì)基地承載能力及沉降分別進(jìn)行核算。④結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件、U 槽埋置深度、U 型槽結(jié)構(gòu)形式、所受不利荷載組合等工況，采用工程類比的方法選用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行內(nèi)力分析。結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)綜合選取施工階段和使用階段最不利荷載組合，按承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)的要求，分別進(jìn)行U 型槽結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性驗(yàn)算。