抗拔桩刚度对地下车站结构受力影响分析

分类：建筑工程论文发表 时间：2012-09-18 09:41 关注：(1)

　　摘要: 本文以设置抗浮梁的深圳地铁7号线田贝站为例，建立二维荷载结构模型重点分析浮力工况下抗拔桩刚度对地下车站的受力影响。建模综合考虑了围护结构及抗浮措施的作用，对地下结构计算的参数选择具有一定的参考意义。

　　关键词: 二维有限元模型;浮力工况;抗拔桩;刚度;

　　Abstract: this article with the setting of the float shenzhen metro line no. 7 TianBei stood as an example, establish a 2 d load structure model under the condition of buoyancy focuses on the analysis of tension piles of underground station stiffness the stress of the influence. Modeling considering the palisade structure and anti-uplift measures function, to underground structure calculation of the parameters of the choice to have the certain reference significance.

　　Keywords: 2 d finite element model. Buoyancy condition; Tension piles resistance; Stiffness;

　　中图分类号：U415.6 文献标识码：A 文章编号：

　　1 引言

　　随着社会经济的快速发展，地下工程的开发步伐逐渐加快，尤其是在一二线城市，大型地下工程基坑随处可见，而地下空间的开发会涉及到结构抗浮的问题，所以在这一背景下抗拔桩的使用常常会成为设计和施工面对的问题。对仅设置抗拔桩抗浮的地下结构来说，抗拔桩的刚度是无穷大的，如固定支座或铰支座一样，但对设置多样抗浮措施的地下结构，却是有区别的。本文以深圳地铁7号线田贝站浮力工况计算为例，针对抗拔桩在地下结构受力计算中的影响进行简要分析，进而阐明抗拔桩刚度的取值对地下结构受力的影响。

　　2 抗拔桩刚度计算

　　根据文献资料[1]，桩的刚度定义为桩土体系在桩顶位移s很小时,使桩顶产生一竖向单位位移所需要的竖向荷载,具体数值由下式确定，并用 表示，即

　　(1)

　　抗拔桩是主要靠桩身与土层的摩擦力来受力，并以抵抗轴向拉力为主的桩，其轴线刚度也可以根据式(1)计算。这里 取抗拔桩的单桩抗拔力特征值，可根据抗拔试验结果或桩侧各土层摩阻力逐层计算叠加求得; 取桩的竖向位移，一般情况下，抗浮的结构是不允许出现整体向上的位移的，只有结构在水压的作用下发生局部变形引起的较小位移，计算时应根据地下结构的实际情况对抗拔桩竖向位移做初步的假设或试算，计算得出结构位移后再反复修改抗拔桩刚度直到得到合理的结果为止。

　　3 工程实例：地铁车站

　　3.1 工程概况

　　深圳地铁7号线田贝站为12m宽岛式站台车站，地下三层双柱三跨复合墙结构，标准段结构宽21.3m，高22.27m。覆土东端低西端高，现状覆土平均约为2.8m。车站板墙厚度：顶板0.8m，顶板1.1m，侧墙负一负二层0.7m，负三层0.9m。车站围护结构采用1.0m厚的地下连续墙，嵌固深度7.0m。车站范围内上覆第四系人工堆积层(素填土、杂填土)、冲洪积层(淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土、黏土、粉质黏土、细砂、砾砂)、坡积层(黏土、粉质黏土)、残积层(砂质粘土)，下伏震旦系混合岩(全风化～微风化)。车站基坑底部大部分落在强、中风化混合岩上　　计算时按最不利地下水位情况进行抗浮安全性验算，在不考虑地下连续墙时，抗浮安全系数K=0.59<1.05，不满足抗浮要求。在结构顶板设置0.7m×1.0m的抗浮压顶梁，地下连续墙与主体结构一起抵抗浮力，考虑地连墙的侧摩阻力后，抗浮安全系数K=1.16>1.15，满足抗浮要求。但结构跨度大，浮力工况结构底板受力过大，在结构柱下设置抗拔桩改善结构受力。抗拔桩直径1.4m，长8.0m，基底以下主要为强、中风化混合岩，桩侧阻力特征值不小于90kPa，由于柱下抗拔桩桩间距较大，不会出现群桩破坏，故可不考虑群桩效应。记抗拔桩单桩极限抗拔力为 ，根据《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)有

　　(2)

　　取抗拔系数 ，考虑自重和各层岩土摩阻力叠加后计算求得 。为计算抗拔桩的轴线刚度，需求得抗拔桩的竖向位移。若将抗拔桩和结构底板视为一体，则底板的位移与抗拔桩的位移是一致的，而底板竖向位移也即挠度，根据《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)，限值不大于 。但计算中，不可以此作为底板的竖向位移，仅作试算值的约束范围参考。约束结构顶板边墙的竖向位移，将底板处抗拔桩的刚度设为无穷小，建模后首先试算该处底板竖向位移，从而可以初步确定抗拔桩的轴线刚度。

　　3.2 结构建模

　　结构建模采用迈达斯GTS，计算车站结构标准段的浮力工况的受力情况。计算尽量模拟结构的整体受力，将连续墙纳入结构受力计算体系。顶、底、中板、侧墙以及连续墙采用直线-梁单元模拟，柱子根据柱间距等效抗弯刚度折算成单位长度等厚梁单元体系。围护地下连续墙与车站侧墙结构之间通过连接-弹性连接建立仅受压的横向联系。划分网格时应注意使连续墙的网格单元长度和结构侧墙的单元长度一致且两侧节点在同一水平位置上，从而保证仅受压的横向链杆能够水平连接。

　　建立单元后，设置单元支座约束。地下车站结构与土体接触，施加支座时应尽量模拟土体与结构之间的约束状态。地连墙嵌入基底对结构形成横向约束，这里考虑添加横向土弹簧，选用曲面弹簧，弹簧/联接-弹性连接模拟。曲面弹簧的刚度可根据公式 计算， 为地连墙单元所在地层岩土基床系数， 为车站结构纵向计算宽度，一般可取 ， 为地连墙两相邻划分的网格单元长度之和的一半。浮力工况下，底板下土对结构基本没有约束，仅考虑抗拔桩对底板的约束，限制底板的大幅变形，这里可以用弹簧/联接-点弹性支承模拟抗拔桩。结构抗浮满足要求，结构整体不发生竖直向上的位移，故顶板压顶梁处应施加竖向约束，使其竖向位移为零。

　　b 车站二维结构计算模型

　　然后施加荷载。取纵向1.0m长的断面计算，结构自重计算程序自动考虑，浮力工况中板、底板不施加设备荷载对结构受力最不利，其它荷载计算：顶板只考虑覆土重，不考虑超载对结构计算有利;底板考虑水压，根据地勘报告确定地下水水位，按全水头水压计算;侧墙考虑水土压力，按水土分算，土压加到外侧连续墙上，水压加到里侧结构墙上。结构计算模型见图1b。

　　4 计算分析

　　将抗拔桩的刚度设为一接近零的数值，试算可得柱下抗拔桩竖向向上位移为1.43cm(小于底板挠度限值 )，纵向柱子间距9.12m，由式(1)首次求得抗拔桩单桩轴向抗拔刚度 ，反复迭代，修改计算模型的抗拔桩轴线刚度，得出计算结果如下表所示，最后抗拔桩的竖向位移收敛于1.049cm，对应底板的最大正弯矩为1631 ，弯矩见图2。

　　5 结论

　　(1)对设置抗拔桩的暗埋地下结构，抗拔桩除使结构满足抗浮要求外，还对结构底板的受力有利。

　　(2)设置抗拔桩的地下结构，结构底板的受力大小与抗拔桩的轴线刚度有关。抗拔桩的轴线刚度越大，对结构底板的约束作用越强，结构底板的受力越小。

　　(3)对设置多样抗浮措施抗浮的地下结构，抗拔桩的轴向刚度有限的，其刚度越大对结构受力越有利，但实际刚度并非无穷大，可以通过计算合理取值，最后实现结构的受力变形协调。

　　参考文献

　　[1] 潘时声，侯学渊.桩的刚度计算[J].岩土工程学报,1996,18 (1):1-6.