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        某明洞基礎(chǔ)設(shè)計(jì)探討

        2018-05-09 07:56:53
        四川建筑 2018年2期
        關(guān)鍵詞:樁基混凝土結(jié)構(gòu)

        王 亮

        (中鐵二院貴陽(yáng)勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司, 貴州貴陽(yáng) 550002)

        1 工程概況

        某鐵路線路穿過(guò)某機(jī)場(chǎng)回填區(qū)域,該區(qū)地處相對(duì)較高的溶蝕殘丘上,大部為削坡形成,局部溶槽部位及地勢(shì)低洼部位分布覆蓋層,出露地層主要為三疊系下統(tǒng)羅樓組灰?guī)r,該區(qū)東西向溶蝕裂隙較為發(fā)育。

        鐵路軌面設(shè)計(jì)標(biāo)高為1 100.00 m左右,機(jī)場(chǎng)設(shè)計(jì)回填標(biāo)高為1 124.00 m左右。線路經(jīng)過(guò)地段為溝谷地形,主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為以隧道明洞形式穿過(guò),設(shè)計(jì)要求該段地基承載力不小于500 kPa,工后沉降不大于15 mm。該段線路經(jīng)過(guò)地段主體結(jié)構(gòu)下地層有10 m左右可塑及軟塑狀黏土,地基承載力僅達(dá)到100 kPa左右,施工圖設(shè)計(jì)采用挖除換填C15片石混凝土處理。施工單位進(jìn)場(chǎng)施工時(shí),右側(cè)邊坡塹頂堆積大量人工棄渣,邊坡高達(dá)20~27 m左右,且塹頂有施工用鋼筋棚及已經(jīng)施工完成的橋墩,施工邊界條件發(fā)生較大變化,施工單位已不能自然放坡施工主體工程,若繼續(xù)采用挖除換填10 m左右的軟弱地基,將危及施工安全和塹頂鋼筋棚、施工便道及橋墩的安全。經(jīng)多方案研究比較,決定對(duì)該段明洞結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)進(jìn)行變更設(shè)計(jì),采用獨(dú)立墩柱式樁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行變更設(shè)計(jì)處理。

        2 基礎(chǔ)受力特點(diǎn)分析

        明洞基礎(chǔ)荷載設(shè)計(jì)值由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專業(yè)提供,隧道結(jié)構(gòu)傳遞到承載板上的荷載為500 kN/m2。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)和本工程特點(diǎn),并通過(guò)試算,初步擬定樁板結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土承載板厚1.5 m,長(zhǎng)44 m,寬7.6 m,承載板縱向設(shè)置9排樁、橫向設(shè)置2排樁,樁基直徑為1.5 m,承載板及樁身均采用C35混凝土灌注。要求樁端進(jìn)入完整巖層W2不小于5 m(圖1)。

        圖1 明洞及基礎(chǔ)示意

        根據(jù)以上條件建立明洞和樁板結(jié)構(gòu)的三維有限元模型進(jìn)行分析(圖1),目的在于得出上部荷載作用下,明洞和基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)變形受力特點(diǎn),為工程設(shè)計(jì)提供參考。 圖2~圖5是樁板結(jié)構(gòu)縱向受力圖和不同樁間距情況下樁板結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)。

        圖2 結(jié)構(gòu)縱向應(yīng)力分布(注:樁間距5 m)

        圖3 4.6 m橫向樁間距時(shí)應(yīng)力分布(注:變形放大500倍)

        圖4 5.0 m橫向樁間距時(shí)應(yīng)力分布(注:變形放大500倍)

        圖5 5.3 m橫向樁間距時(shí)應(yīng)力分布(注:變形放大500倍)

        從圖2可以看出托梁頂面豎向應(yīng)力在樁頂及附近區(qū)域明顯集中,并向四周逐漸擴(kuò)散,至跨中處應(yīng)力趨近于零,分析原因除了明洞結(jié)構(gòu)傳遞的荷載合力作用點(diǎn)在樁頂附近外,還有一個(gè)重要的因素就是樁和板連接的位置是整個(gè)結(jié)構(gòu)剛度最大的位置,自然會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中。從圖3~圖5可以看出當(dāng)樁間距在5 m附近時(shí)樁以承受壓力為主,結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)有利,故最終采用樁間距5 m的設(shè)計(jì)方案。

        3 板結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)

        從上述軟件模擬的結(jié)果來(lái)看,承載板受力呈現(xiàn)樁頂向跨中逐漸減小的模式,但承載板配筋設(shè)計(jì)時(shí)考慮到本工程條件設(shè)計(jì)較為復(fù)雜,板頂荷載很大,且可供借鑒的成熟工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不多,故采用更為保守和成熟的“代替框架法”[1]進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算?!按婵蚣芊ā钡脑硎菍⒊信_(tái)板劃分為相互垂直的縱向及橫向板帶,連同其下的樁基作為平面桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算,這樣設(shè)計(jì)的結(jié)果偏于保守和安全。

        設(shè)計(jì)中所用鋼筋及混凝土材料的標(biāo)號(hào)及屬性如表1、表2所示[2]。

        表1 所用鋼筋標(biāo)號(hào)及其屬性 N/mm2

        表2 所用混凝土標(biāo)號(hào)及其屬性 N/mm2

        本案例中基底巖土層分布較為均為,樁長(zhǎng)變化不大,樁基以受壓為主,所受彎矩很小,承載板的配筋設(shè)計(jì)如下[3]:

        設(shè):h0=h-a=1500-72.5=1427.5 mm

        則:

        16.7×3800×1427.5×1427.5]=0.03061

        所以:

        As=M/(fyγsh0)=3958.33/(360×

        0.98445×1427.5)=78.242 cm2

        設(shè)計(jì)實(shí)際采用38Φ25,As=186.50 cm2,滿足要求。

        根據(jù)GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》驗(yàn)算,承載板斜截面承載力、混凝土的抗剪強(qiáng)度、裂縫寬度、撓度等均滿足要求。

        4 獨(dú)立墩柱式樁板結(jié)構(gòu)適用條件及施工技術(shù)要求

        該明洞獨(dú)立墩柱式樁板結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)位于設(shè)計(jì)場(chǎng)坪以下約20 m,投入使用后周圍環(huán)境溫度基本保持恒定,因此設(shè)計(jì)中未考慮溫度應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。另外考慮到本工點(diǎn)地層分布較為均勻,設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)變化不大,因此在設(shè)計(jì)中采用了長(zhǎng)約40 m,連續(xù)8跨的結(jié)構(gòu)形式。在獨(dú)立墩柱式樁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行地基處理設(shè)計(jì)時(shí),要綜合分析荷載、溫度及地質(zhì)變化情況合理確定結(jié)構(gòu)尺寸,建議每聯(lián)連續(xù)跨數(shù)不宜過(guò)多,每聯(lián)的樁基長(zhǎng)度盡量保持統(tǒng)一。

        本工程設(shè)計(jì)要求結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中混凝土不能一次澆筑完成,嚴(yán)格控制施工質(zhì)量,提高混凝土結(jié)構(gòu)的均勻程度,降低混凝土裂縫的離散型和隨機(jī)性,采用設(shè)置后澆帶等措施避免產(chǎn)生過(guò)大的溫度應(yīng)力以及可能產(chǎn)生過(guò)大的有害裂縫。

        5 結(jié)論與建議

        (1)本案例中承載板配筋設(shè)計(jì)時(shí)假設(shè)設(shè)計(jì)荷載均布在承載板上,設(shè)計(jì)的結(jié)果偏于保守和安全。根據(jù)有限元分析結(jié)果,承載板受力采用樁頂向跨中逐漸減小的分布模式更符合實(shí)際受力情況。

        (2)在樁板結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中盡量減少溫度應(yīng)力的影響,在有條件時(shí)結(jié)構(gòu)連續(xù)跨數(shù)不宜過(guò)多,特別對(duì)樁基長(zhǎng)度及地基條件變化較大的位置應(yīng)將結(jié)構(gòu)斷開,以免造成短樁處應(yīng)力集中,此外還要嚴(yán)格控制施工質(zhì)量,減少溫度應(yīng)力和有害裂縫的產(chǎn)生。

        [1] 李海光.新型支擋結(jié)構(gòu)與工程實(shí)例[M].北京:人民交通出版社,2011:453-485.

        [2] 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).GB 50010-2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.

        [3] 王鐵成.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].天津:天津大學(xué)出版社,2002:60-66.

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