U型槽结构及抗浮桩受力分析

王宝军

中国铁路设计集团有限公司 天津 300142

正文：

1、概述

目前U型槽结构广泛用于下沉式城市地道两端敞口式引道路段。根据《城市道路路基设计规范》，当挖方路基部分地下水进入路基时，可采用将两侧混凝土支挡结构与防水底板相结合的混凝土U型槽。U型槽沿道路的纵向设置范围宜满足地下水位的最高历史记录和远景年的估计最高水位的要求。U型槽的结构设计及防水设计应符合混凝土结构相关规范的要求。

2、U型槽设计作用分析

U型槽结构承受的主要作用见下表：

作用分类表表1

荷载计算：

①结构重力：按结构实际重量计算；

②土（水）侧压力：对于黏性土宜采取水土合算，对透水性土宜采取水土分算；

根据U型槽结构受力特点，两侧边墙可采用静止土压力计算。

③水浮力

按作用水头高，作用于底板上；

④混凝土收缩、徐变作用

根据《铁路桥涵设计基本规范》4.4.5规定，混凝土收缩的影响，可以按降低温度的方法来计算。对于整体灌注的钢筋混凝土结构相当于降温15℃。

⑤温度（均匀温度和梯度温度）作用

依据《公路桥涵设计通用规范》，结合项目所处地区选用。梯度温度，考虑到具体结构形式，计入5℃升温温差。

⑥汽车荷载按《公路桥涵设计通用规范》规定，按车道荷载考虑。

3、U型槽结构设计

①抗浮设计

U型槽抗浮设计一般采用主体结构自重抗浮，抗浮安全系数不宜小于1.05，当主体结构自重不满足抗浮要求时，宜设置抗浮桩或抗浮锚杆等设施，设置抗浮设施时抗浮安全系数不宜小于1.1；

②设计抗浮力＝1.1×浮力－结构自重；

③计算模型

采用有限元分析软件建立U型槽结构模型，底板及侧墙均采用板单元模拟，结构模型图如图2；

图2 结构模型

④边界条件

按照弹性地基的方法采用面弹性支撑来模拟底部土对U型结构底板的约束作用，节点的有效面积与反力系数的乘积作为节点弹性支撑的刚度值。

一般节点按受压弹簧支撑模拟，设置抗浮桩处按线性支撑弹簧模拟，线性弹簧刚度根据结构位移计算结果选取，建议竖向位移控制在5mm以内。

支点接地弹簧刚度与围岩基床系数和弹簧所覆围岩面积有关，计算公式为

基床系数可依据地勘报告实验数据选取，当无实验数据时，可依据表2中数据选用。

地基基床系数m参考值表2

4、典型案例

某工程为一级公路，双向四车道，路基断面宽26.5m，采用U型槽结构下沉，主体C40防水混凝土，防水等级二级，抗渗等级P8。边墙高7.0m，地层为粉质黏土，边墙及底板均采用1.2m厚，底板与地基间采用节点弹性支撑模拟，弹簧刚度取20000kN/m，设置抗浮桩处节点采用线性弹簧模拟，弹簧刚度取300000kN/m。底板水浮力82kN/m2，土压力系数0.6，设置30根抗浮桩。采用有限元计算，共计划分1043个单元，1353个节点。按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行结构配筋计算。计算结果见表3、4：

计算结果表3

配筋计算结果表4

5、结语

U型槽结构应用比较普遍，目前尚无规范的计算方法。本案例中浮力为45428kN，结构重力为25020kN，设置抗浮桩30根，平均单桩抗拔力681kN，由于抗拔力与浮力、重力和边墙侧压力的共同作用有关，计算抗拔力最大748kN，较平均值大10%，最小623kN，如按平均抗拔力设置抗浮桩，有可能造成局部抗拔力不足引起抗浮桩破坏，从而造成整个结构上浮破坏。采用有限元模型能够对结构进行整体受力分析，比较切合工程实际。本案例可以为U型槽结构设计提供借鉴。