大型地下综合体抗浮设计方法研究

张思源

(中国中铁隧道集团有限公司,河南洛阳 230000)

某地下综合体是集下沉广场、地铁车站、地下停车场、地下商场于一体的大型综合性多功能建筑物,共有四层组成。工程场区内地形平坦,地下水丰富。

本文拟根据该综合体各层结构的抗浮特点,对抗拔桩的布置和设计进行研究,使该地下综合体满足整体抗浮要求。

1 模型及计算参数

1.1 计算范围

某地下综合体结构沿南北方向设立了一道变形缝,其中变形缝东侧结构复杂,变形缝西侧结构相对单一,本次分析的范围取变形缝东侧结构,即变形缝东侧所有主体结构部分,尺寸范围是 145m(东西方向)×170m(南北方向)。车站主体结构为地下四层多跨整体式现浇钢筋混凝土框架结构,采用明挖顺筑法施工,结构底板以下设抗拔桩辅助抗浮。

1.2 计算模型及参数

1.2.1 计算模型

某地下综合体三维实体模型如图 1所示。

体结构采用板壳单元 SHELL181模拟楼板(顶板、中板、底板)和侧墙,采用梁单元 BEAM 189模拟结构梁、柱及抗拔桩。侧墙、底板与基础土层之间的作用采用只受压力的杆单元 LINK 10模拟,抗拔桩端部与基础土层之间的作用采用拉压杆单元 LINK 8模拟。

1.2.2 计算参数

(1)荷载组合情况见表1所示。

图1 计算模型

(2)地下水位。根据设计文件,地下水位考虑如下:拟建场地地形平坦,地貌上属于岷江一级阶地,地面标高变化在501.94～503.34m,地下水非常丰富,水位标高取为 2.5m。

(3)竖向荷载。竖向荷载主要考虑结构自重,覆土荷载按 2m土柱考虑。地面荷载按 20 kPa考虑,人群荷载按 4 kPa考虑,设备荷载按 8 kPa考虑,列车荷载按等效均布静载20 kPa考虑。

(4)侧压力。计算侧压力时,地下水位以下部分,砂性土按水土分算,土体侧压力按静止土压力计算。侧向压力按100%作用在主体结构的侧墙上。

(5)桩与土之间的摩擦力按极限侧摩阻力计算结果施加在抗拔桩的节点上。极限桩侧摩阻力按《建筑桩基技术规范》(JGJ94-94)第 5.2.18条确定。

(6)地下综合体采用的材料为:C 35整体式钢筋混凝土结构,C 50钢筋混凝土立柱,防水混凝土抗渗等级:不小于S8。混凝土的力学参数取值见表2。

2 结构抗浮分析

某大型地下综合体结构采用抗拔桩结合结构自重抗浮方案,抗浮分整体抗浮验算和抗拔桩设计两种工况。

2.1 结构整体抗浮分析

由于车站地下水位较高,为满足结构抗浮的要求,结构底板下设置抗拔桩辅助抗浮,抗浮计算结果见表3。

由此计算出结构抗浮安全系数为 1.13,大于规范所要求的 1.05,满足结构的整体抗浮要求。

2.2 抗拔桩受力分析

2.2.1 各层抗拔桩受力分析

第 1～4层抗拔桩受力范围见表4所示。

由表4可知,第 1层抗拔桩最大受力为 2 080 kN,小于该层抗拔桩的极限侧摩阻力(4152 kN),可见,第 1层抗拔桩能够满足抗浮要求,而且富裕量较大;第 2～4层抗拔桩最大受力为 5 910 kN,小于这 3层抗拔桩的极限侧摩阻力(6 643 kN),可见,第 2～4层抗拔桩能够满足抗浮要求,而且有一定的富裕量。

2.2.2 各层抗拔桩受力综合分析

对各层抗拔桩总受力进行统计,考虑其极限受力值,可以计算出理论桩数。但由于抗拔桩受力不均,减少桩数不是最优方法,可以采用减少桩长和桩径的方法,由于抗拔桩为柱下桩,桩径不宜变化,因此,可以根据抗拔桩受力改变桩长。

根据各桩的实际受力,计算在桩达到极限状态时所需的长度,然后将各层设计总桩长和计算总桩长进行比较,结果见表5。

由表5可见,根据抗拔桩受力设计桩长,第一层桩长可减少 73.8%,第二层桩长可减少 42.8%,第三层桩长可减少30.3%,第四层桩长可减少 26.3%。

3 结论

(1)某地下综合体整体抗浮安全系数为 1.13,结构设计方案能够满足整体抗浮要求。

(2)某地下综合体抗拔桩承受的力分别为:第 4层抗拔桩承受力大小为 3 390 kN～5 910 kN;第 3层抗拔桩承受力大小为 2 490 kN～5 700 kN;第 2层抗拔桩承受力大小为2 370 kN～5 320 kN;第 1层抗拔桩承受力大小为 58 kN～2080 kN。第 2～4层抗拔桩承受的力较大,第一层底板下抗拔桩承受的力不大,其中部分桩并没有起到抗拔的作用。

(3)各层桩数均有一定程度富裕,但由于抗拔桩为柱下桩,桩径不宜变化,因此,可以根据抗拔桩受力改变桩长。根据抗拔桩受力设计桩长,第 1层桩长可减少 73.8%,第 2层桩长可减少 42.8%,第 3层桩长可减少 30.3%,第 4层桩长可减少 26.3%。

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