地铁车站抗浮设计中抗拔桩的结构计算分析及应用

地铁车站抗浮设计中抗拔桩的结构计算分析及应用

摘要：我国地铁行业目前发展迅速，由于岩土性质、水文情况的复杂性、施工技术的多变性、设计理论的局限性，对于车站结构抗浮设计中并没有统一的计算方法。本文通过理论计算和有限元软件分别进行计算和模拟，证明了抗拔桩在地铁车站抗浮的可行性，并可为今后地铁车站抗浮设计提供参考。

关键词：地铁车站；抗浮；抗拔桩；安全设计

0 引言

有些地铁车站由于站位及水文地质情况限制，车站埋深较大，抗浮水位较高，顶板覆土相对较薄，抗浮问题也就成为了结构设计中的重要问题，是保证结构安全及正常使用的关键。虽然现行的设计规范中要求，在进行设计时需对所有地下结构物进行抗浮验算，然而规范并没有具体设计方法规定。

本文参考相关文献，采用桩体弹簧模型简化模拟抗拔桩受力，利用结构有限元分析软件SAP2000分析计算，证明了选用抗拔桩来保证地铁车站抗浮安全是可行的，并可为今后地铁车站抗浮设计提供参考。

1 工程概况

1.1车站结构概述

某地铁车站型式为地下三层（局部四层）双柱三跨钢筋混凝土箱型结构，车站总长148m，标准段宽21.4m，底板埋深约24.3~32.4m，覆土厚度约3.5m，依据勘察报告，抗浮设计水位取整平地面下1m，整个车站结构采用明挖顺做法施工。经初步估算，车站四层区域底板水浮力大于顶板覆土重量及结构恒载自重的总和，不满足现行设计规范中地铁抗浮安全要求，需要进行抗浮设计。

1.2工程地质水文概况

车站地处紫金山西麓，为堆积侵蚀岗地区，地势起伏较大，上部土层主要为Q3冲洪积的可塑～硬塑的粘性土及残坡积土，下部为燕山期的闪长岩。拟建场地岩土种类较多，不均匀，性质变化较大，地下水埋藏较浅。场地土按沉积时代、成因类型及物理力学性质各土层自上而下依次为：杂填土；素填土；粉质黏土；残积土；强风化闪长岩；中风化闪长岩。场地基坑底部为中风化闪长岩:青灰色,岩芯为长柱、短柱状,取芯率80-90%,矿物成分主要为角闪石和斜长石,含少量黑云母,斑状结构,块状构造,裂隙较发育,敲击声脆,为较硬岩,岩体基本质量等级为Ⅳ级。

本站地下水类型主要为潜水、微承压水及基岩裂隙水。潜水主要分布于浅

部填土层中，雨季有水，旱季无水；粉质粘土为隔水层；微承压水赋存于混合土及残积土中；基岩裂隙水主要储存在基岩风化带、断层破碎带和节理裂隙中，富水程度差异较大，连通性较差。

2 抗拔桩平面布置

抗拔桩布置的基本原则:抗拔桩布置时应避免出现群桩效应，应充分利用桩侧摩阻，因此其中心距及净距应严格按照规范规定。抗拔桩一般宜设置于柱下、底板梁下。当抗拔桩位于梁底时，应考虑其对底板梁受力的影响，当抗拔桩位于底板底时应验算底板的抗冲切、抗剪、抗弯承载力。抗拔桩根数及单根长度应根据结构防水及结构受力并考虑施工因素综合确定。

在综合考虑了各种因素后，根据车站各部分底板埋深、覆土厚度、抗浮水位情况，可以估算出结构所需的抗拔力，进行估算出抗拔桩的数量及桩长。初步确定桩长和数量后，在根据有限元计算结果对桩位置、长度和数量进行调整，做到经济性与安全兼顾。

3 车站结构的抗浮计算

3.1 车站结构单元有限元模型

本工程采用SAP2000软件对车站结构进行有限元计算，各层板及侧墙假设成单位长度的梁单元，将框架柱按刚度换算成单位长度的厚度，底板与地基间采用弹性假定，用竖向基床系数与底板单元长度的积作为地基弹簧刚度，采用桩体弹簧模型对抗拔桩进行假定，用荷载-结构模型按有限元法进行内力计算。车站结构有限元模型如图1所示。

图1 车站结构平面有限元模型

3.2 计算荷载及荷载组合

抗浮计算考虑的荷载主要有以下五种：①结构自重；②侧土压力；③顶板以上覆土及各层楼面恒载；④底板下水浮力；⑤作用在侧墙上的超载，计算一共采取4种荷载组合，如表所示。组合1用于考虑土体强度时的抗浮验算，组合2用于忽略土体强度时的抗浮验算，组合3和组合4分别用于抗拔桩的强度控制配筋和裂缝控制配筋。

表1 抗拔桩设计的荷载组合

3.3 抗拔桩等效刚度的模拟

在运用设计软件对地下结构进行抗浮设计时，要得到整体结构的内力图，同时应注重计算的效率，则需对抗拔桩进行简化模拟。目前运用较多的办法是对抗拔桩采用大刚度弹簧进行模拟。

本次计算对抗拔桩采用桩体弹簧模型简化处理。在SAP2000软件中，弹簧刚度的单位为KN/m3,由公式E/l可通过基床系数得出弹簧刚度大小，计入计算模型，根据计算结果进行修正，直至满足计算要求。

4 抗拔桩的抗拔承载力及算及配筋设计

4.1 桩的抗拔承载力计算

抗拔桩的竖向抗拔承载力包括两部分：抗拔桩及中风化闪长岩自重；破裂面岩石强度产生的抗力。

当采用抗浮验算组合1（K=1.2）时，抗拔桩竖向承载力计算考虑破裂面岩石强度产生的抗力；当采用抗浮验算组合2（K=1.1）时，抗拔桩竖向承载力仅考虑抗拔桩及破裂面内中风化闪长岩自重。

考虑破裂面岩石强度产生的抗力时，中风化闪长岩破坏模式有圆柱形剪切破坏、圆锥形剪切破坏和圆锥形冲切破坏三种。实际设计时取三种计算结果的最小值作为抗拔桩的抗拔承载力。计算公式如下：

抗拔桩圆柱形剪切破坏承载力

抗拔桩圆锥形破坏承载力

（1）剪切破坏

（2）冲切破坏

式中：Gp为桩岩自重；S为冲切破坏面表面积；qsik为桩侧表面抗压极限侧阻力标准值；τ为抗剪强度标准值；ftk为抗拉强度标准值；φ为内摩擦角。

4.2 抗拔桩配筋设计

根据荷载组合1和荷载组合2的内力计算结果，确定抗拔桩数量及长度，在荷载组合3和荷载组合4作用下，求得抗拔桩轴力设计值和标注值。分别计算强度控制和裂缝控制下的配筋面积，选取较大值作为计算结果。

5 结论

在地下结构抗浮设计中，采用增设抗拔桩来提高地铁车站抗浮安全系数是可行的，在抗拔桩设计过程中，除考虑其受力有利外，尚应考虑施工条件、施工安全等因素，如桩底扩大头侧壁角的设计，应有利于施工方便和安全。综合考虑以上各种因素对车站结构进行抗浮设计，才能保证车站结构的稳固安全。

参考文献：

【1】李镜培，孙文杰.地下结构的浮力计算与抗拔桩设计方法研究.结构工程师，2007;23(2):80-84

【2】JGJ94-2008,建筑桩基技术规范.北京:中国建筑工业出版社，2008

【3】GB50009-2012,建筑结构荷载规范. 北京:中国建筑工业出版社，2012 【4】孙晓立.抗拔桩承载力和变形计算方法研究.上海：同济大学,2007