某地铁车站抗浮设计研究
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阶段临时抗浮措施和使用阶段永久抗浮措施。
浮措施
浮措施,可通过降低地下水位减小浮力。
在车站范围设置降水井和排板以下,从而降低水的浮力,降水减压时,应避免引起周围地层下沉。
置临时泄水孔等方法减小浮力。
也可以在底层结构内临时充水、填砂
浮措施
工程抗浮问题的方法基本有4种:
超重混凝土,以增大车站自重,达到抗浮目的。
这种处理方式简单,低,但给整个车站的受力增加难度,同时车站围护结构费用相应提高。
见图1(a))时,需增加开挖回填数量,周边可利用空间必须足够大,对覆土填实要求高。
1(b))是在车站顶板上方沿围护结构(钻孔灌注桩或地下连续墙)当车站在受水浮力上浮时,利用围护结构的自重及土体侧摩阻力,使站上方,对车站顶产生向下压力,达到抗浮目的。
该方法是地铁车站最常用的方法。
近年来大量应用的抗浮技术,采用设在底板和其下土层之间的拉杆,黏结摩擦力抗浮。
但地下水会对钢筋或钢绞线侵蚀,直接影响锚杆的
也有在底板纵梁)下设置抗拔桩(见图1(c)),利用桩体自重与桩,桩体承受拉力, 其受力大小随地下水位变化而变化,抗浮作用明显。
(b)压顶梁抗浮(c)抗拔桩抗浮
由于基坑深度较深,在地铁车站设计中多采用机械钻孔灌注桩,施工质量可以保证,桩耐久性较好,受地下水侵蚀较小。
3 工程分析
3.1 工程概况
某地铁车站是带配线侧式起点站。
车站主体部分为地下两层站,周边建筑物较少。
配线段为地下一层(局部有夹层),顶板覆土厚度约为3 ̄6m,底板埋深约13.8m;结构主体结构为地下两层(局部一层),覆土厚度约1.4m,车站底板埋深约7.30 ̄13.70m。
结合车站所处地层条件、埋置深度、周边控制条件(建筑、道路)等不同条件,车站配线段围护采用桩+内支撑支护结合的支护型式,主体结构典型段围护采用土钉支护型式。
车站底板座落在2-9-3、3-8-3密实卵石土层,局部坐落在2-9-2中密卵石层。
车站地下水主要为赋存在第四系砂卵石地层中的孔隙型潜水。
本站场地正常地下水位埋深较浅,必须重视地下水的影响,考虑地下水的浮托作用。
地勘建议抗浮设计水位为2.5m.
3.2 抗浮验算
由于车站分段采用不同的围护结构型式,且不同分段的结构尺寸也不同,有必要分别选择有代表型的断面,进行抗浮验算。
若不满足抗浮,选择有针对性的抗浮措施。
(1)配线段(采用桩+内支撑围护结构)抗浮验算
取每延米的横断面计算
顶板覆土重量: g1=19×3=57KN
顶板自重: g2=25×0.7=17.5KN
底板自重: g3=25×1.2 =30 kN
夹层板自重: g4=25×0.4 =10 kN
主体侧墙自重: g5=2×1×8.53/14.7=1.16 kN
通道侧墙自重: g6=2×0.7×3.15/7.4=0.60kN
则抗浮力:G1=g1+g2+g3+g4+g5=116.26kN
水浮力: F =10×(13.8-2.5)=113kN
G1/F=1.029<1.05,不满足抗浮要求。
需要采用抗浮措施。
表2 地层参数
建筑技术
分别进行底板配重抗浮和压顶梁抗浮分析:
若采用增加结构底板配重措施,当增加0.2m的板厚,抗浮安全系数达到了1.054>1.05,满足抗浮要求;采用压顶梁抗浮,考虑围护结构自重和侧摩阻力,抗浮安全系数达到了1.38>1.15,满足抗浮要求。
采用压顶梁抗浮相对于增加底板配重而言,工程量增加不多,但具有较好的经济性和安全性。
(2)主体结构段(采用土锚钉围护结构)抗浮验算
取每延米的横断面计算
顶板覆土重量: g1= 19×1.4×60=26.6×60=1596KN
顶板自重: g2=0.8×25×60=20×60=1200 KN
中板自重: g3=25×0.4×33.5=10×33.5=335kN
底板自重1: g4=25×0.8×(13.4+13.1)=20×26.5=530kN
底板自重2: g5=0.9×25×33.5=22.5×33.5=754kN
侧墙自重1: g6=0.7×25×4.15×2=145KN
侧墙自重2: g7=0.8×25×5.88×2=235KN
分段计算水浮力:
F1= 10×(13.53-2.5)×33.5=110.3×33.5 =3695kN
F2= 10×(7.14-2.5)×(13.4+13.1)=46.4×26.5=1230kN
验算:
抗浮力G1= g1+g2+g3+g4+g5+g6+g7=4795kN
浮力 F=F1+F2=4925kN
G1/F=0.973<1.05不满足抗浮要求。
需要采用抗浮措施。
由于本段围护结构采用的是放坡+土锚钉支护,无条件设置压顶梁,分别采用趾板反压抗浮和抗拔桩抗浮比较计算分析。
1)采用趾板反压
本断面宽度有60m,两侧的单层所占宽度有26.7m,中间地下二层结构部分所站宽度图2 趾板剖面布置图
建筑技术
33.3m。
经分部核对,典型横剖面中两侧的单层部分结构,抗浮要求是满足要求的,中间两层结构,由于深度较深,基坑宽度又比较大,抗浮是不够的。
抗浮趾板设置,可以在两侧地下一层设置,但这样边坡开挖支护需要往外扩,影响范围更大,且对结构顶板的内力分布不均影响较大。
故仅在地下二层底板外侧设置趾板。
抗浮趾板设置在底板外侧,与底板同厚,其上部土体重量与主体结构自重共同抵抗水反力(见图2)
根据地区经验,拟定抗浮趾板外伸长度L=1.5m。
取每延米宽的横断面计算。
外伸趾板和其上土体重量为:
G增=10×6.38×1.5×2=192kN
则向下的重力值为G=G1+G增=4795+192=4987kN,
向上的水反力为F=4925kN
则抗浮系数G/F=4987/4925=1.01<1.05 不满足抗浮要求
从计算可以看出,采用趾板抗浮,安全系数增加有限,起不到抗浮效果。
采用抗拔桩
考虑板底设置抗拔桩措施,抗拔桩桩长8m,直径1.2m(见图3),结合纵向轴距和横向宽度,采用9mx6m的间隔布置;
单根桩抗拔承载力特征值:Ra=3.14×1.2×(0.65×150)×8/2=1470kN ;
所需抗拔桩根数:n≥(1.15×F-G)/Ra=((1.15×4925-4795)×9-15×3.14×1.2×1.2/4×8×5)/5/1470=0.971根,即9mx6m范围内需设置1根抗拔桩。
所选择的桩的布置,满足抗浮要求。
同时对桩配筋计算,保证裂缝宽度满足规范要求;对底板进行抗冲切计算,保证底板不被破坏。
参考文献
[1] 周顺华.城市轨道交通结构设计与施工[M].北京:人民交通出版社,2011.
[2] 中华人民共和国国家标准.GB 50157-2013 地铁设计规范[M].北京:中国建筑工业出版社,2014.
[3] 张景花.地铁车站的抗浮设计[J].山西建筑,2010,36(8):122—123.
[4] 中华人民共和国建设部.JGJ94-2008 建筑桩基技术规范[s].北京.中国建筑工业出版社,2008.
[5] 叶俊能,刘干斌.考虑围护摩阻力的地铁车站结构抗浮安全设计[J].岩土力学,2010(s):279—283.
[6] 王平,杨其新,蒋雅君. 抗拔桩和压顶梁对明挖地铁车站内力影响分析[J].北京:铁道标准设计,2015.通过①和②的比较看出,设置趾板抗浮的效果没有抗拔桩,大跨度基坑,趾板抗浮对安全系数的增加是有限的。
抗拔桩的效果是明显的。
4结语
本文结合工程实例对地铁车站进行抗浮验算。
结果表明:
(1)各种抗浮措施有其一定的适用性,如在桩+内支撑的围护结构下,若采用复合结构型式,不太方便采用设置趾板抗浮;当采用大开挖+土锚钉支护时,不方便采用压顶梁抗浮。
需要配合围护结构有针对性的选择抗浮措施。
(2)压顶梁抗浮是地铁车站抗浮设计中经济适用且最常用的方法。
当地下结构仅考虑自重及顶板荷载,不能满足抗浮要求,采用增大结构尺寸厚度是不经济的;若计入围护结构重量及侧壁摩阻力能够满足抗浮要求时,应尽量采用压顶梁抗浮;
(3)当地下结构宽度较大且体形复杂抗浮不满足需要采用抗浮措施时,尽量采用抗拔桩抗浮。