膨脹土地區(qū)U型槽的力學分析
摘要：U型槽是一種通過路塹地段較為新型的結構型式，能達到節(jié)約征地和隔離地下水等效果。膨脹土(巖)地段的U型槽計算力系包括結構自重、列車荷載、道床荷載、墻背土壓力、墻背及基底膨脹力、墻背水壓力、地下水浮力等。針對膨脹土力學特點，結合工程實例，闡述U型槽結構的力學分析過程。
關鍵詞：U型槽,抗浮,膨脹力
1 概述
U型槽是一種較新型的結構型式，多用于地下水位較淺及受地形控制的路塹地段。本文針對西南某城市軌道工程路基段U型槽結構進行討論。
采用U型槽結構的必要性分析：線間距及高差控制;沉降要求,本段采用無砟軌道設計，沉降要求嚴格，采用剛性底板加上樁基礎，能很好地控制路基沉降及沉降差;防水需要，本段路基面位于地下水位以下，為防止地下水對路基工程的破壞，采用封閉的U型槽結構。
2 工程地質(zhì)
2.1基本地質(zhì)情況
場地范圍內(nèi)上覆第四系人工填土層(Q4ml)和第四系中、下更新統(tǒng)冰水沉積(Q2-1fgl)，下伏基巖為白堊系上統(tǒng)夾關組(k2j)和白堊系下統(tǒng)天馬山組(k1t)地層。主要地層如下：(1)黏土：黃、褐黃色，局部地段下部為紫紅色。硬塑～堅硬，局部可塑。含鐵、錳質(zhì)氧化物結核，少量鈣質(zhì)結核。該層頂板埋深0.6～10.9m,層厚0.6～6.7m;(2)含卵石黏土：黃、黃紅色。硬塑。含鐵、錳質(zhì)氧化物結核，含15～30%的弱～強風化卵石及巖屑。該層呈透鏡體狀分布于粘土層下部，層厚0.9～5.4m;(3)含黏土卵石：褐黃、黃色。稍密，濕。卵石成分主要為巖漿巖、變質(zhì)巖、砂巖等硬質(zhì)巖組成。厚度0.7～1.1m;(4)全風化砂巖：紅褐、紫紅色。全風化呈砂狀，硬塑。巖質(zhì)很軟，巖芯遇水大部分泥化。該層頂板埋深1.4～10.0m，局部缺失，厚度0.4～9.0m;(5)強風化砂巖：紅褐、紫紅色，柱狀結構，中—厚層狀構造，節(jié)理裂隙發(fā)育，夾泥質(zhì)團塊。該層頂板埋深4.8～20.2m，厚度2.1～28.3m，夾薄層全風化砂巖;(6)中等風化砂巖：紅褐、紫紅色，柱狀結構，巖質(zhì)較硬。節(jié)理裂隙較發(fā)育。該層頂板埋深11.8～41.5m。
2.2特殊巖土
本段特殊巖土為膨脹土
區(qū)間內(nèi)(1)黏土自由膨脹率(FS)=42～62%，平均值為49%;蒙脫石含量M=8.6～18.4%，平均值為12.1%;陽離子交換量CEC(NH4+)=184～289mmol/kg，平均值為224 mmol/kg。黏土判定為弱膨脹土，地基脹縮等級為Ⅰ級。黏土的膨脹力為8～220kPa, 標準值為133kPa。區(qū)間內(nèi)(2)含卵石黏土自由膨脹率(FS)=40～44%，平均值為41%;蒙脫石含量M=8.5～11.2%，平均值為9.9%;陽離子交換量CEC(NH4+)=179～205mmol/kg，平均值為192 mmol/kg。含卵石黏土判定為弱膨脹土。含卵石黏土的膨脹力為43～75kPa, 平均值為57kPa。
3 U型槽結構型式的選擇
根據(jù)受力情況、施工條件、配套設置布置需要等因素，U型槽可以采用多種結構型式。其中，抗浮計算是確定U型槽截面型式的重要計算內(nèi)容。
3.1初步擬定
本段為雙線路基，線間距5m，該U型槽側墻高6m，根據(jù)限界要求，線路中心距U型槽側墻距離不小于2.5m，因此確定結構內(nèi)凈寬為B=2.5×2+5=10m，結構內(nèi)凈高為H=6m。
邊墻截面型式主要有三種(1)梯形：該截面型式頂部寬度較小，其上小下大的截面型式能較好的適應土壓力和水壓力的應力分布。其缺點是施工比較困難;矩形：該截面型式寬度不隨深度變化，其主要優(yōu)點是設計施工簡單，缺點是當邊墻受力較大時，上下采用相同寬度浪費材料。
因本段U形槽不是很長，梯形結構的優(yōu)勢不明顯。同時，因為接觸網(wǎng)專業(yè)要求將其支柱基礎置于邊墻上，考慮到墻頂截面寬度需要，本段采用矩形截面結構型式。初步確定邊墻寬度為0.8m。
初步確定底板厚度為0.8m。
3.2抗浮檢算
抗浮檢算中，上浮力應包括水浮力和膨脹力，抗浮力包含結構自重、覆土等，不應包含如列車荷載等活荷載。按地鐵設計規(guī)范進行抗浮檢算，不考慮側墻摩阻力影響的抗浮必須滿足安全系數(shù)K≥1.05。
U型槽浸水深度h=3.6m
水壓力б水=ρgh=36kpa
膨脹力б膨=50 kpa
F浮=(б水+б膨)×B=(36+50)×(0.8×2+2.5×2+5)=997.6KN
F抗=A×p=(6.8×0.8×2+10.0×0.8)×23=434.2KN
安全系數(shù)=F抗/ F浮=0.44<1.05。不滿足抗浮要求。
其中B為U型槽截面底寬，A為U型槽截面積，p為混凝土重度。
解決抗浮問題的措施包括增加結構自重，增加覆土，采用抗拔樁等，本工點因底板位于承載力較低的軟弱土層中，地基處理措施必須同時解決抗浮和承載力的問題，因此擬采用抗拔樁。
4 結構力學分析
4.1 U型槽計算力系包括結構自重、列車荷載、道床荷載、墻背土壓力、墻背及基底膨脹力、墻背水壓力、地下水浮力等。
(1)列車荷載按等效集中力計算，道床荷載按均布荷載計算。
(2)墻背土壓力的大小和分布與土的性質(zhì)、擋土物類型、土體與墻體之間的位移有關。U型槽邊墻結構一般需要較大截面，采用鋼筋混凝土材料的U型槽結構剛度較大，并且結構本身的位移是不允許的，因此采用靜止土壓力方法是合適的，根據(jù)地質(zhì)參數(shù)，計算出三角形分布的土壓力。
(3)本工程位于膨脹土(巖)地層，部分段落墻身及底板位于膨脹性地層。墻背采用換填改良土的措施及設置緩沖層后不考慮膨脹力的作用，基底考慮膨脹力。
4.2荷載考慮有無基底膨脹力、有無列車荷載等多項組合，采用最不利荷載組合。工程邊墻與底板連接處截面較大且配置鋼筋，因此認為是剛性連接。邊界條件方面，底板與地基之間認為是彈性連接，底板與樁基之間為剛性連接。以下為各種荷載組合得到的結構彎矩圖(示意)。
由圖可見，因為列車荷載等效集中力的位置剛好在基底樁的地方，因此是否施加此集中力對U型槽身的內(nèi)力沒有明顯的影響;膨脹力的施加主要影響底板與樁連接處的彎矩。結構剪力圖等在此不詳述。
4.3根據(jù)相關規(guī)范和行業(yè)規(guī)定確定合適的安全系數(shù)，結合正截面強度計算、斜截面抗剪強度檢算、裂縫寬度檢算等配備受力鋼筋，并最終確定合理的截面尺寸。
5 基底抗拔樁(挖孔樁)設計
抗拔樁，也叫抗浮樁，是指當建筑工程地下結構如果有在低于周邊土壤水位的部分時，為了抵消土壤中水對結構產(chǎn)生的上浮力而打的樁。本工程基底膨脹土(巖)產(chǎn)生向上的膨脹力，U型槽結構自身重力不能完全抵抗膨脹力，因此在槽底設置抗拔樁�？拱螛吨饕繕渡砼c土層的摩擦力來受力，以抵抗軸向拉力。
同時，因為基底黏土及全風化砂巖不能滿足地基承載力要求，設置樁基可達到增強地基承載力、減小路基沉降的目的，提高結構的穩(wěn)定性和安全系數(shù)。
抗拔樁的設計力系包括列車荷載、道床荷載、U型槽及樁本身自重、膨脹力、摩阻力及端阻力等。樁抗壓設計時，應考慮樁與地基土的協(xié)調(diào)共同作用�？拱卧O計時，主要考慮樁與周圍土層的摩擦力，U型槽墻背的摩擦力作為安全儲備。
根據(jù)各種荷載組合，取最不利組合計算樁截面及長度。
6 結論
6.1 隨著城市化進程加快，城市軌道交通必將起到至關重要的作用。能夠有效減少用地和具有防水功能的U型槽結構被較多利用。本文闡述了膨脹土地段U型槽結構的力學分析過程，為今后類似工程環(huán)境的設計提供借鑒。
6.2 膨脹土地段U型槽，抗浮計算是確定結構型式的重要因素。抗拔樁能夠在軟弱膨脹土地層中同時起到抗拔和抗壓作用，比改變槽身形狀增加覆土更加安全，比加厚槽身尺寸增加槽體自重更加經(jīng)濟，因此采用抗拔樁抗浮是一種較為可行的有效措施。
6.3 將U型槽自重和外部荷載進行多項組合，采用最不利組合進行結構設計�？拱螛吨糜诰�路中心下，因此列車荷載的施加對槽身截面彎矩的影響不大，僅在抗拔樁身的設計中需要考慮。地基膨脹力的施加主要影響底板與樁連接處的彎矩。底板與樁連接處的彎矩，邊墻與底板連接處的彎矩，是截面設計的控制部分，這些部位可采用加樁頂承臺和設置加腋鋼筋等方式特別加強。
