U型槽结构联合围护桩在非对称抗浮中的应用

2019-10-26黄海松罗佳文

城市道桥与防洪 2019年10期

黄海松，戴阳，黄华，徐刚，罗佳文

（1.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东广州 510230；2.中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉 430010）

0 引言

在城市道路建设进程中，下穿通道因其自身优点（占地少、景观性好等），正被大量的设计工作者所选择。同时中国南部具有降雨量充沛，且富水区域分布较广，地下水位较高等特点。因此，在土地日趋紧张的情况下，具有变形小、刚度大、防止路面下沉和开裂、防水效果优良等优势的封闭式路堑U型槽结构形式被广泛应用于下穿通道的建设。

然而，下穿通道往往位于地表以下，除需满足其结构的地基承载力、工后沉降要求外，结构抗浮稳定性也是影响项目成败的重要因素之一。目前，工程界抗浮措施主要有配重抗浮（增加结构自重、增加外侧底板悬挑长度等）、降水抗浮、锚固抗浮（抗拔桩、抗浮锚杆等）、泄水引流抗浮（设置反滤层）。

鉴于此，笔者以某车辆段TOD（即公共交通为导向的开发）周边同步道路项目为实例，对在富水软土区域U型槽结构抗浮设计的受制因素进行初步探讨。同时，基于国内学者研究[1～5]的基础上，提出了U型槽结构联合基坑围护桩关于非对称抗浮的设计措施，以期为类似工程的设计有一定的指导意义和参考价值。

1 工程概况

项目位于广东省某市，车辆段TOD一级土地开发项目采用首层架空的框架结构上盖方案设计，首层主要为汽车停车库层；二层为车辆段层，三层盖体上为物业开发。周边同步道路包含一条城市主干路，红线宽36 m，行车速度40 km/h，双向6车道，南北向，U型槽结构设计里程范围k0+50～K0+270，受到道路线形的要求，U型槽结构横断面除标准段外，包括渐变段和加宽段。

根据车辆段岩土工程报告（详勘），地面高程在2.3～3.50 m，勘察期间初见水位埋深0.00～3.50 m；稳定地下水位埋深 0.10～4.10 m，水位高程-2.51～2.44 m，地下水年变化幅度约1.5 m。土层由上自下分层如下：＜1-1>素填土：湿，松散，均匀性差，平均层厚1.16 m。＜2-1A>淤泥：灰黑色，流塑状，平均层厚3.12 m，平均3.1击。＜2-2>淤泥质粉细砂：灰黑色，松散状，饱和状态，平均层厚4.78 m，平均7.0击。＜2-4>粉质黏土：灰黄色，主要为可塑状，局部软塑状，平均层厚3.39m，平均9.1击。＜5N-1>粉质黏土：黄褐色，可塑状，平均层厚3.69 m，平均11.2击。＜5N-2>粉质黏土：黄褐色，硬塑状，平均层厚3.44 m，平均21.3击。＜6>全风化泥质砂岩：灰白色，平均厚度4.01 m，平均35.5击，Ⅴ类。＜7-2-1>强风化泥质砂岩：紫红色，碎石状，平均厚度3.62m，平均52.7击，Ⅴ类。物理力学参数见表1。

2 受制因素分析

鉴于车辆段盖下段U型槽结构型式已经过专家评审，方案采用U型槽结构型式，且边墙横截面型式为阶梯型，抗浮除采用底板外侧悬挑外，还采用Φ100 cm钻孔灌注桩（L=30 m）进行抗拔。随着外部条件的变化，U型槽结构抗浮设计受到如下主要因素的影响：

表1 物理力学参数表

（1）车辆段TOD柱网

目前，车辆段TOD柱网方案已稳定，柱网沿着道路红线边及中间分隔带内布设。同时，道路正处二层车辆段进出线的“咽喉”区域，柱网无法进行变更设计，桩基承台及下部工程桩可做微调。道路与柱网布置关系平面见图1。

图1 道路与柱网布置关系平面图

需要提醒的是，在盖下段U型槽西侧（临近车辆段桩基承台），没有条件设置U型槽结构边墙的外侧悬挑。

（2）综合管廊

根据最新上位输入条件，该道路下面需增设综合管廊（尺寸净宽为3.2 m×3.0 m），覆土要求不少于3 m。目前盖下段综合管廊平面布设在道路右半幅（西侧），见图2。

图2 道路与综合管廊布置关系平面图

可见，因综合管廊的存在，原设计方案在盖下段采用Φ100 cm钻孔灌注桩（L=30 m）进行抗浮的设计方案显然不能适应现在的外部条件。

（3）基坑支护

本项目基坑支护范围包含综合管廊、U型槽结构、部分道路红线范围内的承台、雨水泵房、污水管基坑等内容，基坑深度约7.55～10.37 m，主要采用@1200Φ1000 mm灌注桩+钢筋混凝土支撑的支护型式，基坑外侧采用单排Φ850 mm三轴水泥搅拌桩作为止水帷幕，见图3。

图3 道路与基坑支护关系平面图

可见，围护桩的布设同样受制于车辆段柱网下承台及下部工程桩，原则上围护桩距承台的距离控制1.5 m范围外，但为了确保围护桩的尽可能的顺直，局部地方存在小于1.5m且大于1 m的情况。

3 抗浮稳定性验算

当地下水位较高时，应对建筑物基础或结构物进行抗浮稳定性验算，且抗浮稳定系数不宜小于1.05。抗浮稳定系数计算公式[6]如下：

式中：Kf为抗浮稳定系数；G为U型槽结构及附属设施自重；γ为荷载分项系数，一般取0.9；K为浮力折减系数；Ff为地下水压对U型槽结构的浮力。

其中，K可根据地方工程经验确定。无经验时，对于一般粘性土地基取0.9，对于砂类土、碎石类土及解理裂隙发育的岩石地基取1.0，解理裂隙不发育的岩石地基取0.5。

由式（1）不难发现，抗浮稳定性验算思路较为简洁明晰。结构抗浮验算按最不利情况，当不考虑侧壁摩阻力时，其抗浮安全系数应大于1.05。

在无上述受制因素的U型槽标准节段，U型槽为敞口结构，人行道标高为2.5 m，首层场坪标高为3.0 m，采用配重抗浮的设计方法，即在U型槽结构墙趾外侧悬挑，且设置C20素混凝土压重层，可满足抗浮要求。

但是，盖下段U槽结构西侧已无条件设置墙趾外侧悬挑措施。按最不利工况考虑，即地下水位取至场坪标高，考虑U型槽自重、素砼压重层、侧沟及盖板、路面层重、中央绿带填土重，东侧墙趾外侧悬挑的填土压重，但不考虑西侧结构设置墙趾，经计算，抗浮安全系数1.04小于1.05，故U型槽仍需要增加抗浮措施。

4 设计方案

基于以上受制因素的分析，设计思路为：东侧采用传统的墙趾向外悬挑配重抗浮，考虑U型槽边墙阶梯型断面，西侧则在阶梯处采用“倒扣”配重，即利用基坑围护桩自重进行抗浮，冠梁兼作压顶梁。考虑结构整体抗浮，U型槽脚趾外侧悬挑土配重远远小于围护桩自重，经计算，U型槽结构抗浮稳定系数Kf为1.072，满足大于1.05的抗浮要求。

“倒扣”配重的结构，即U型槽西侧外边墙与围护桩冠梁间采用素混凝土填充，与侧墙一同浇筑，填充厚度b随侧墙深度变化。非对称U型槽结构断面及A大样见图4。