摘要：U型槽是一种通过路堑地段较为新型的结构型式，能达到节约征地和隔离地下水等效果。膨胀土(岩)地段的U型槽计算力系包括结构自重、列车荷载、道床荷载、墙背土压力、墙背及基底膨胀力、墙背水压力、地下水浮力等。针对膨胀土力学特点，结合工程实例，阐述U型槽结构的力学分析过程。
关键词：U型槽,抗浮,膨胀力
1 概述
U型槽是一种较新型的结构型式，多用于地下水位较浅及受地形控制的路堑地段。本文针对西南某城市轨道工程路基段U型槽结构进行讨论。
采用U型槽结构的必要性分析：线间距及高差控制;沉降要求,本段采用无砟轨道设计，沉降要求严格，采用刚性底板加上桩基础，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，为防止地下水对路基工程的破坏，采用封闭的U型槽结构。
2 工程地质
2.1基本地质情况
场地范围内上覆第四系人工填土层(Q4ml)和第四系中、下更新统冰水沉积(Q2-1fgl)，下伏基岩为白垩系上统夹关组(k2j)和白垩系下统天马山组(k1t)地层。主要地层如下：(1)黏土：黄、褐黄色，局部地段下部为紫红色。硬塑～坚硬，局部可塑。含铁、锰质氧化物结核，少量钙质结核。该层顶板埋深0.6～10.9m,层厚0.6～6.7m;(2)含卵石黏土：黄、黄红色。硬塑。含铁、锰质氧化物结核，含15～30%的弱～强风化卵石及岩屑。该层呈透镜体状分布于粘土层下部，层厚0.9～5.4m;(3)含黏土卵石：褐黄、黄色。稍密，湿。卵石成分主要为岩浆岩、变质岩、砂岩等硬质岩组成。厚度0.7～1.1m;(4)全风化砂岩：红褐、紫红色。全风化呈砂状，硬塑。岩质很软，岩芯遇水大部分泥化。该层顶板埋深1.4～10.0m，局部缺失，厚度0.4～9.0m;(5)强风化砂岩：红褐、紫红色，柱状结构，中—厚层状构造，节理裂隙发育，夹泥质团块。该层顶板埋深4.8～20.2m，厚度2.1～28.3m，夹薄层全风化砂岩;(6)中等风化砂岩：红褐、紫红色，柱状结构，岩质较硬。节理裂隙较发育。该层顶板埋深11.8～41.5m。
2.2特殊岩土
本段特殊岩土为膨胀土
区间内(1)黏土自由膨胀率(FS)=42～62%，平均值为49%;蒙脱石含量M=8.6～18.4%，平均值为12.1%;阳离子交换量CEC(NH4+)=184～289mmol/kg，平均值为224 mmol/kg。黏土判定为弱膨胀土，地基胀缩等级为Ⅰ级。黏土的膨胀力为8～220kPa, 标准值为133kPa。区间内(2)含卵石黏土自由膨胀率(FS)=40～44%，平均值为41%;蒙脱石含量M=8.5～11.2%，平均值为9.9%;阳离子交换量CEC(NH4+)=179～205mmol/kg，平均值为192 mmol/kg。含卵石黏土判定为弱膨胀土。含卵石黏土的膨胀力为43～75kPa, 平均值为57kPa。
3 U型槽结构型式的选择
根据受力情况、施工条件、配套设置布置需要等因素，U型槽可以采用多种结构型式。其中，抗浮计算是确定U型槽截面型式的重要计算内容。
3.1初步拟定
本段为双线路基，线间距5m，该U型槽侧墙高6m，根据限界要求，线路中心距U型槽侧墙距离不小于2.5m，因此确定结构内净宽为B=2.5×2+5=10m，结构内净高为H=6m。
边墙截面型式主要有三种(1)梯形：该截面型式顶部宽度较小，其上小下大的截面型式能较好的适应土压力和水压力的应力分布。其缺点是施工比较困难;矩形：该截面型式宽度不随深度变化，其主要优点是设计施工简单，缺点是当边墙受力较大时，上下采用相同宽度浪费材料。
因本段U形槽不是很长，梯形结构的优势不明显。同时，因为接触网专业要求将其支柱基础置于边墙上，考虑到墙顶截面宽度需要，本段采用矩形截面结构型式。初步确定边墙宽度为0.8m。
初步确定底板厚度为0.8m。
3.2抗浮检算
抗浮检算中，上浮力应包括水浮力和膨胀力，抗浮力包含结构自重、覆土等，不应包含如列车荷载等活荷载。按地铁设计规范进行抗浮检算，不考虑侧墙摩阻力影响的抗浮必须满足安全系数K≥1.05。
U型槽浸水深度h=3.6m
水压力б水=ρgh=36kpa
膨胀力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
安全系数=F抗/ F浮=0.44<1.05。不满足抗浮要求。
其中B为U型槽截面底宽，A为U型槽截面积，p为混凝土重度。
解决抗浮问题的措施包括增加结构自重，增加覆土，采用抗拔桩等，本工点因底板位于承载力较低的软弱土层中，地基处理措施必须同时解决抗浮和承载力的问题，因此拟采用抗拔桩。
4 结构力学分析
4.1 U型槽计算力系包括结构自重、列车荷载、道床荷载、墙背土压力、墙背及基底膨胀力、墙背水压力、地下水浮力等。
(1)列车荷载按等效集中力计算，道床荷载按均布荷载计算。
(2)墙背土压力的大小和分布与土的性质、挡土物类型、土体与墙体之间的位移有关。U型槽边墙结构一般需要较大截面，采用钢筋混凝土材料的U型槽结构刚度较大，并且结构本身的位移是不允许的，因此采用静止土压力方法是合适的，根据地质参数，计算出三角形分布的土压力。
(3)本工程位于膨胀土(岩)地层，部分段落墙身及底板位于膨胀性地层。墙背采用换填改良土的措施及设置缓冲层后不考虑膨胀力的作用，基底考虑膨胀力。
4.2荷载考虑有无基底膨胀力、有无列车荷载等多项组合，采用最不利荷载组合。工程边墙与底板连接处截面较大且配置钢筋，因此认为是刚性连接。边界条件方面，底板与地基之间认为是弹性连接，底板与桩基之间为刚性连接。以下为各种荷载组合得到的结构弯矩图(示意)。
由图可见，因为列车荷载等效集中力的位置刚好在基底桩的地方，因此是否施加此集中力对U型槽身的内力没有明显的影响;膨胀力的施加主要影响底板与桩连接处的弯矩。结构剪力图等在此不详述。
4.3根据相关规范和行业规定确定合适的安全系数，结合正截面强度计算、斜截面抗剪强度检算、裂缝宽度检算等配备受力钢筋，并最终确定合理的截面尺寸。
5 基底抗拔桩(挖孔桩)设计
抗拔桩，也叫抗浮桩，是指当建筑工程地下结构如果有在低于周边土壤水位的部分时，为了抵消土壤中水对结构产生的上浮力而打的桩。本工程基底膨胀土(岩)产生向上的膨胀力，U型槽结构自身重力不能完全抵抗膨胀力，因此在槽底设置抗拔桩。抗拔桩主要靠桩身与土层的摩擦力来受力，以抵抗轴向拉力。
同时，因为基底黏土及全风化砂岩不能满足地基承载力要求，设置桩基可达到增强地基承载力、减小路基沉降的目的，提高结构的稳定性和安全系数。
抗拔桩的设计力系包括列车荷载、道床荷载、U型槽及桩本身自重、膨胀力、摩阻力及端阻力等。桩抗压设计时，应考虑桩与地基土的协调共同作用。抗拔设计时，主要考虑桩与周围土层的摩擦力，U型槽墙背的摩擦力作为安全储备。
根据各种荷载组合，取最不利组合计算桩截面及长度。
6 结论
6.1 随着城市化进程加快，城市轨道交通必将起到至关重要的作用。能够有效减少用地和具有防水功能的U型槽结构被较多利用。本文阐述了膨胀土地段U型槽结构的力学分析过程，为今后类似工程环境的设计提供借鉴。
6.2 膨胀土地段U型槽，抗浮计算是确定结构型式的重要因素。抗拔桩能够在软弱膨胀土地层中同时起到抗拔和抗压作用，比改变槽身形状增加覆土更加安全，比加厚槽身尺寸增加槽体自重更加经济，因此采用抗拔桩抗浮是一种较为可行的有效措施。
6.3 将U型槽自重和外部荷载进行多项组合，采用最不利组合进行结构设计。抗拔桩置于线路中心下，因此列车荷载的施加对槽身截面弯矩的影响不大，仅在抗拔桩身的设计中需要考虑。地基膨胀力的施加主要影响底板与桩连接处的弯矩。底板与桩连接处的弯矩，边墙与底板连接处的弯矩，是截面设计的控制部分，这些部位可采用加桩顶承台和设置加腋钢筋等方式特别加强。
