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地铁车站抗拔桩设计

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《工程与建设杂志》2014年第二期

1抗拔桩受力变形特点及模拟弹簧分析

(1)抗拔桩受力变形分析。抗拔桩是依靠桩侧土的摩阻力抵抗上拔荷载,当上部荷载较小时,受桩体弹性变形的影响,桩身上部位移较大,在桩-土荷载传递过程中,桩侧摩阻力的分布规律为首先在桩上部发挥。随着荷载的增加,桩身整体位移加大,桩侧摩阻力的分布逐渐向桩底方向延伸最终桩身全长范围内得以发挥。如继续加大荷载,桩-土变形超过土体的屈服变形数值,桩周土则会出现圆柱体剪切破坏导致抗拔桩失效。由此可得出,随着地下水位的变化,抗拔桩的受力状态是不断变化的,在桩周土体达到塑性状态之前,抗拔桩提供的抗拔力是随着桩-土变形的增加而增大的。这就决定了在地铁车站的整体结构内力计算时,应采用弹簧模拟抗拔桩作为边界条件。而从整体计算模型的弹簧节点反力则可验算抗拔桩的设计是否满足受力及变形的要求。

(2)抗拔桩弹簧模拟分析。由上述抗拔桩的变形受力分析可知,在上拔荷载作用下,抗拔桩变形分为两部分:桩体自身弹性变形和桩-土变形,所以抗拔桩模拟弹簧包含桩体弹簧和桩-土弹簧两部分。其中,桩体弹簧只与桩身混凝土弹性模量和抗拔桩截面有关,在具体模型计算时可代入抗拔桩的截面而得出结果,在此不再赘述。桩-土弹簧模型:本模型将桩侧土体简化为众多独立的弹簧,如图2所示,土的参数只需要桩侧土的弹簧刚度即可。从桩身脱离取一桩单元,考虑该单元垂直力的平衡可以得出其中,ks为土的剪切弹簧刚度;w(z)为单桩位移量。目前国内规范对土的剪切弹簧刚度未有理论依据,文献[7]中对单桩中的现场灌注桩(机械成孔)的剪切地基反力系数的计算分别规定为其中,D为桩端直径(m);Eo为地基变形系数(kN/m2),当通过标准贯入试验求得时,Eo=2500N,但N值很小时,应用其他试验方法推算;α为对Eo确定方法的修正系数,见表2所列。其中,k为抗拔桩模拟弹簧刚度;ksi为i层土的剪切基床系数;li为抗拔桩在i层土中的长度。

2计算过程及计算结果分析

(1)计算过程分析。抗浮计算工况中仅考虑车站结构自重和上覆路面荷载,顶板上覆汽车轮压荷载、中板上设备荷载等活荷载均不组合入抗浮计算工况。根据计算,车站主体结构抗浮远不满足1.05系数的要求。经与下穿路设计单位协调,可结合下穿路的人行检修平台于连续墙上设置压顶梁,考虑连续墙侧土体摩阻力的作用,主体结构满足1.15抗浮系数的要求。鉴于地下连续墙作为车站主体结构唯一的抗浮构件,所以结构整体计算时将地下连续墙底设置竖直方向的位移约束,仅采用地连墙作为抗浮措施的主体结构位移图和弯矩图如图2所示。由图2a可以看出,依靠地下连续墙的侧摩阻力可以控制车站结构整体的向上位移。但由于车站结构宽度较大,结构中部未采取控制结构变形的措施而产生较大的向上位移,车站底板位移值达到28mm,顶板位移值25mm。根据图2b中显示,车站底板呈整体单跨受力,底板中部未出现正值弯矩,底板与侧墙相接处产生较大的弯矩值。车站在使用阶段时,底板变形过大会影响行车2018注册送白菜网站,顶板过大的位移会造成上部下穿路路面的变形开裂,影响市政道路的正常使用。经与轨道专业和市政设计单位的讨论,轨道专业和市政设计单位要求车站顶板、底板向上变形均不得大于15mm。基于变形限制,首先考虑加大车站结构顶、中、底板尺寸,提高车站结构自重和自身刚度减小车站变形;但过小的顶板覆土造成结构柱无法起到减小底板跨度的作用,车站顶板、底板需加厚至1.8m方可满足变形和内力要求。经方案优缺点比选和造价分析,最终采用设置抗拔桩控制车站变形,并相应减小主体结构尺寸。

(2)计算结果分析。抗拔桩设计可分为两个步骤进行设计:首先基于满足结构位移和受力要求的条件,通过试算初步确定抗拔桩的参数,计算抗拔桩模拟弹簧刚度并带入车站结构模型进行整体计算得出弹簧节点力;然后通过桩基规范中对于抗拔桩抗拔力的计算公式得出单桩竖向承载力特征值,与之前试算的弹簧节点力进行比较,若抗拔桩竖向承载力特征值大于抗拔桩模拟弹簧的计算节点力,抗拔桩满足变形及受力要求,反之则需调整抗拔桩的参数。因抗拔桩下部处于中风化泥质砂岩⑤2层中,机械成孔较为困难,为减小施工难度,加快工程进度,采用?1.4m等直径钻孔灌注桩,设计桩长15m。抗拔桩设置于结构柱下及纵向柱跨的跨中位置。根据表1和(5)式计算得将地基剪切弹簧代入浮力控制工况模型(只组合恒载,不考虑顶板上汽车轮压荷载和中板、底板荷载),得出的内力及变形图如图3所示。根据图3a显示,结构最大位移为8.3mm,出现在结构中跨的跨中位置,可满足容许位移限制。图3b中显示抗拔桩处底板出现正值弯矩,但由于抗拔桩与地连墙的刚度差别,柱下弯矩远小于边支座弯矩,但结构配筋可满足内力要求。根据模型计算结果显示,抗拔桩下的弹簧拉力值为452kN。根据规范中抗拔力公式,结合抗拔桩所处土层进行计算,15m抗拔桩的抗拔力标准值。

3结束语

根据抗拔桩的实际受力机理,借鉴日本的规范公式,得出抗拔桩的剪切弹簧值,代入主体结构计算模型中可得出抗拔桩的实际受力,从而校核抗拔桩是否满足实际受力要求;且能真实反映抗拔桩在主体结构受力中的作用。对于主体结构与抗拔桩都是较为精确的算法。

作者:朱斌单位:安徽省综合交通研究院股份有限公司

工程与建设杂志责任编辑:田老师    阅读:人次

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