高水位下U 型槽结构受力计算与抗浮设计

闫坤伐

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

0 引言

伴随着城市交通基础设施的快速推进，道路相交往往成为了交通不畅的主要因素，为了保证快速路行车的速度、安全且为满足城市规划及景观要求，很多地区在道路交叉处由常规平交口、上跨形式转为修建下穿地道桥穿越既有路口的结构形式，而当地下水位较高时通常U槽作为下穿地道桥的过渡。特别是珠三角水系发达、地下水位较高的地区，软土分布广泛，其特性为大孔隙比、含水量高、强度低、高压缩性，因U 型槽结构受到地下水浮力作用致使抗浮稳定性也是结构设计中必不可少的重要部分。

随着U 型槽结构在工程实际中应用越来越广泛，国内外学者也对其结构受力分析及抗浮设计开展了一系列分析[1-2]。刘海涛[3]通过空间有限元构建空间板单元模型分析U 槽的受力状态，从而指导结构设计。费文燕[4]认为U型槽在结构受力分析时采用弹性理论计算的结果，可作为设计人员控制因素。本文通过搜集多个工程实例总结了U 型槽的设计经验，并在满足国标及行业标准的基础上，分析和探讨了肇庆某快速路下穿U 型槽结构的计算及抗浮设计，从而为今后类似工程提供参考借鉴。

1 工程概况

1.1 项目概况

肇庆某道路提级改造项目，道路现状为城市主干路，双向4 车道，道路宽度25m。道路提级改造后规划为快速路，双向六车道，红线宽60m。辅路等级规划为城市道路次干路，单向双车道。新提级改造项目在某路口交叉处为新建地道桥整体下穿既有道路，两端引道采用U 槽结构过渡。

1.2 工程与水文地质

项目所在地地貌单元为冲洪积平原，现状地势较平。场地岩土层划分为：人工堆积层、第四系冲洪积层。地下水主要为第四系上层滞水、潜水、承压水、基岩裂隙水和岩溶水。勘察期为枯水期，稳定水位埋深为0.9～4.2m，高程为1.22～5.93m，年变幅为0.50～2.0m。

1.3 U 型槽设计方案

U 槽在地道桥两段总长度为365m，根据现状条件共设置15 节，其中地道桥东侧为7 节、西侧为8 节，每隔20～30m 设一道变形缝。U 型槽侧墙高度为3～10m（含底板厚度），侧壁与底板厚度根据埋深设为0.6～1.3m 不等。U型槽侧壁与底板均采用C40 防水钢筋混凝土，抗渗等级为P8。建筑限界：12.90m=0.20m 装修层+0.25m 安全带+0.5m 路缘带+2×3.75m 行车道+3.5m 行车道+0.5m 路缘带+0.25m 安全带+0.20m 装修层。U 型槽横断面设计图见图1，效果图见图2。

图1 U 型槽横断面设计图

图2 U 型槽效果图

2 U 型槽抗浮设计

2.1 抗浮设计水位的选取

抗浮设计水位的选取应综合考虑施工期、使用期水位，一般根据结构使用年限、安全等级、勘察报告提供数据及当地类似工程经验综合考虑确定。结合本场区地勘水文资料，本次勘察在枯水期地下水位为4.1m，抗浮设计水位高程为稳定地下水+水位变幅。

2.2 抗浮稳定性验算

抗浮设计原则：施工阶段考虑在底板下采用降水措施来满足抗浮要求；运营阶段：考虑结构自重加设置抗浮措施满足设计抗浮要求，结构抗浮稳定系数KW不小于1.1。抗浮稳定系数计算式为：

式中：Gk—建筑物自重及压重之和（kN）；

Nw，k—U 型槽浮力作用值（kN）；

Kw—抗浮稳定安全系数。

本次抗浮设计计算以第7 节即与地道桥相衔接处为例，其中本节长度为20m，U 槽宽度15.4m，侧壁最大高度为10m，截面积为42.8m2，抗浮计算水深为8.9m。

U 型槽结构总重G1=21400kN；

U 型槽内覆土G2=4800kN；

U 型槽结构受到水浮力Nw，k=27412kN；

依据《建筑地基基础设计规范》第5.4.3 条进行验算：

Gk/Nw，k=0.96＜1.1。

本项目U 型槽结构单凭结构自重及结构内填土的重量，抗浮不满足规范要求，应对U 槽采取抗浮加固措施。

2.3 抗浮桩（兼承载桩）设计

U 型槽结构常规抗浮措施主要有增加自重（底板设置挑臂、加大结构尺寸）、设置抗浮桩等方案，在选取抗浮设计方案时应综合考虑结构的安全性、经济性。本项目因U槽底部存在较厚淤泥，为保证地基承载力满足要求，经过多方案比选后，本次设计采用钻孔灌注桩作为抗浮兼承载桩，U 型槽结构分别计算在受到较高水位与较低水位时所传递的力。计算出，抗浮兼承载桩采用桩直径为800mm，C30水下混凝土，桩长20m，该断面共布置桩根数为16 根，纵横向布置形式为4×4，横向间距4.5m，纵向间距5m。桩长按抗浮计算控制，同时考虑受压承载作用，桩长穿透淤泥进入持力层一定深度。

抗浮验算：根据规范要求按照桩基整体破坏与非整体破坏，计算单桩竖向抗压承载力Rta=300kN。

U 型槽总重Gk=G1+G2+16×300=31000kN；

Gk/Nw，k=1.131＞1.1 满足抗浮要求。

地基承载力验算：

单桩平均竖向压力Nk=732.8kN；

根据地勘资料计算单桩极限承载力标准值Quk：

单桩极限承载力特征值Ra=793.8kN＞Nk=732.8kN。地基承载力满足设计要求。

3 U 型槽结构设计

3.1 结构计算原则及荷载计算

结构设计时应结合现场地质条件、U 槽埋置深度、U型槽结构形式、所受不利荷载组合等工况，采用工程类比的方法选用结构设计参数进行内力分析。结构构件应综合选取施工阶段和使用阶段最不利荷载组合，按承载能力极限状态及正常使用极限状态的要求，分别进行U 型槽结构强度、刚度、稳定性验算。

地层土压力：水平压力按静止土压力计算；墙外水土压力：粘性土施工期采用水土合算，运营期采用水土分算；砂性土按水土分算。

计算时应接近结构的实际受力情况，能真实地模拟出结构与接触地质条件的相互关系。

3.2 计算假定及计算程序

U 型槽沿道路行车方向取每延米为一个计算单元。假定U 型槽支护措施与U 型槽主体结构只传递径向力。

在结构各个节点上通过设置弹簧单元来模拟出结构间的影响及约束；且假设设置的弹簧没有拉力影响；假定作用到弹簧上压力的反作用力作为地层对结构作用的弹性抗力。

U 型槽结构计算模型选用荷载—结构，假定U 型槽底板支承在弹性地基上的框架结构，采用迈达斯GTS 模块通过建立数值模型进行有限元受力分析。

3.3 计算模型简图

选取计算模型时，以结构中线作为简化模型；在荷载计算时，按照实际侧墙高度计算；以布置于各节点上的弹簧单元来模拟围岩主体结构的相互约束，U 型槽底板受到水的作用力按照均布荷载考虑。如图3 所示。

图3 U 槽计算模型与荷载示意图

3.4 结构计算

3.4.1 土层参数的选取

数值模拟时参数的选取对计算结果的准确性有较大影响，因此，结果是否可靠的关键因素是如何确定参数的选取。本次计算采用材料的力学参数从详勘报告中选取。

3.4.2 内力计算

将荷载进行组合后，并考虑结构重要性系数1.1，在迈达斯GTS 中进行受力分析，以第7 节为例，侧壁最大高度为10m，结果如图4、图5 所示。

图4 基本组合弯矩图

图5 标准组合弯矩图

3.4.3 断面配筋设计

根据图4、图5 计算结果分析U 型槽受力情况可知，侧墙底板以上净高/3 处、侧墙支座（底板）处与底板跨中、底板距边墙净跨/3 处、底板支座处为五个危险特征单元，按照正截面受弯构件进行配筋验算。配筋计算结果为侧墙：基本组合弯矩468.9kN·m，基本组合弯矩468.9kN·m，实际配筋Φ32@100，裂缝宽度0.024mm。底板跨中：基本组合弯矩345.3kN·m，基本组合弯矩302.5kN·m，实际配筋Φ32@100，裂缝宽度0.022mm。底板距边墙净跨/3 处：基本组合弯矩653kN·m，基本组合弯矩541kN·m，实际配筋Φ32@100，裂缝宽度0.039mm。底板支座：基本组合弯矩1845kN·m，基本组合弯矩1462kN·m，实际配筋Φ32@100+Φ32@100，裂缝宽度0.068mm。因标准组合最大裂缝宽度0.068mm，满足0.2mm 控制要求。

4 结论

本文依托于肇庆某快速路下穿U 槽项目为工程实例，通过对U 型槽进行抗浮计算及利用数值模拟软件迈达斯GTS 对U 槽进行内力分析得出几点主要结论：①当采用U 型槽方案时抗浮设计是必不可少的一步。而抗浮设计应结合工程实际情况选择合理的措施，对工程的安全及经济至关重要。②在抗浮计算的时候，抗浮设计水位为整个结构计算提供基础资料，为保证工程安全在确定抗浮水位时应采用地勘报告的稳定地下水+水位变幅。③当U型槽的持力层位于较厚淤泥的地层时，应对基地承载能力及沉降分别进行核算。④结构设计时应结合现场地质条件、U 槽埋置深度、U 型槽结构形式、所受不利荷载组合等工况，采用工程类比的方法选用结构设计参数进行内力分析。结构构件应综合选取施工阶段和使用阶段最不利荷载组合，按承载能力极限状态及正常使用极限状态的要求，分别进行U 型槽结构强度、刚度、稳定性验算。