謝瑞豐

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

1 概述

線側(cè)下式站房［1］是鐵路站房中一種基本的站房形式。它是指站房位于站場的一側(cè)，站房首層地面高程低于站臺高程(圖1)。在城市附近，由于受到既有或規(guī)劃高程等因素的制約，導(dǎo)致車站所在廣場及路網(wǎng)無法與鐵路線網(wǎng)高程一致時，采取此類站房形式。

圖1 站房立面

由于線側(cè)下式站房和站臺存在高度差，而站房與站臺距離不能滿足站臺填方放坡的要求，所以需要在站臺設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)收坡。線側(cè)下式站房的支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計一直是鐵路路基設(shè)計中棘手的問題，站臺與通道的高差大，通道內(nèi)情況復(fù)雜，各種結(jié)構(gòu)物交錯。為保證人行通道空間，要求收坡的支擋結(jié)構(gòu)面坡平直，基礎(chǔ)尺寸不能太大，但有時車站地基條件不太好，尺寸受限，支擋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及承載力無法滿足設(shè)計要求。樁承扶壁式擋墻是扶壁式擋土板和樁的組合形式，由承臺連接。該種支擋形式底板尺寸較小，同時墻面平直，能夠很好地應(yīng)用于線側(cè)下式站房。結(jié)合工程實例，詳細(xì)論述樁承扶壁式擋墻的計算方法和在線側(cè)下式站房中的應(yīng)用。

2 計算分析

常規(guī)的扶壁式擋墻在外部穩(wěn)定性計算時，是按照平面應(yīng)變問題驗算每延米擋墻的抗滑移、抗傾覆穩(wěn)定以及地基承載力。對于墻身內(nèi)力計算是將空間結(jié)構(gòu)簡化為平面問題，用近似的方法將扶壁式擋墻分成各個構(gòu)件計算各自的內(nèi)力。而對于樁承扶壁式擋墻，上部擋土板、中部承臺及下部樁基連成整體，共同承擔(dān)水平荷載和豎向荷載［2］，受力較為復(fù)雜，目前沒有明確的計算方法。根據(jù)此類支擋結(jié)構(gòu)的受力特點，做必要的簡化，提出外部穩(wěn)定性驗算和結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算的方法。

2.1 外部穩(wěn)定驗算

樁承扶壁式擋墻的外部穩(wěn)定不再依靠擋墻墻身自重及墻后填土重力來保證。以灌注樁作為擋墻基礎(chǔ)后，是由樁基礎(chǔ)來抵抗擋墻的傾覆、滑移及豎向力。所以該支擋結(jié)構(gòu)外部穩(wěn)定性應(yīng)從樁基豎向承載力、樁頂水平位移控制兩個方面進(jìn)行考慮。

(1)荷載分析

樁承扶壁式擋墻受力主要包括:擋墻自重、墻后填土土重、填料土壓力、站臺人行和車行活載、地震力等，受力模式如圖2所示。其中后排樁(以填土側(cè)為后)樁后側(cè)水平向荷載是填土產(chǎn)生的水平土壓力。填料土壓力計算應(yīng)注意采用庫倫和朗肯土壓力時，墻后假想墻背不一樣。

(2)外部穩(wěn)定計算范圍

進(jìn)行整體穩(wěn)定計算時，上部扶壁式擋土板可視為普通的懸臂剛性結(jié)構(gòu)，僅僅起到傳遞上部土壓力和站臺人行、車行荷載的作用。由于沿線路方向一般荷載很小且縱向的延伸長度大，一般不存在穩(wěn)定問題，而橫向受力大小一般近似認(rèn)為沿線路方向是相同的，所以空間穩(wěn)定計算可簡化為平面穩(wěn)定計算。計算時取樁兩側(cè)各1/2的樁間距為計算寬度。計算應(yīng)考慮多個工況，取最不利工況的計算結(jié)果為設(shè)計結(jié)果［3］。

圖2 擋墻受力示意

(3)樁基穩(wěn)定計算

樁基豎向力計算時，由于線側(cè)下式站房建設(shè)場地有限，承臺尺寸不宜太大，同時由于擋墻高度大，上部彎矩大，有可能導(dǎo)致前排樁豎向軸力很大，后排樁軸力較小，這時應(yīng)盡量調(diào)整樁間距，優(yōu)化受力，同時也可以根據(jù)受力情況，采用樁底后壓漿等措施增加樁基的豎向承載力［4］。

由于此類結(jié)構(gòu)形式承受水平荷載。鋼筋混凝土樁在發(fā)生較大位移時，往往樁已經(jīng)開裂了，所以用樁基水平位移的計算來代替水平承載力的檢算［5］。當(dāng)場區(qū)地基條件為淤泥、軟土或者承載力較低的土質(zhì)地層，計算采用m法更為合適。樁頂水平位移控制值應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場樁的水平荷載試驗來確定，缺少試驗值時，本文建議采用以下經(jīng)驗公式計算

式中，m為土的水平反力系數(shù)的比例系數(shù)，MN/m4;c、φ分別為土的黏聚力和內(nèi)摩擦角，取直剪固結(jié)快剪的值;vb為樁在錨固面上的水平位移值，mm，一般取10 mm。［6］

采用該公式的優(yōu)勢是鐵路工程中土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)一般都會進(jìn)行試驗，樣本數(shù)大。該公式計算的m值，本文經(jīng)過鐵路工程多個地區(qū)試驗資料計算驗證，其值基本在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)。所以采用該公式能解決規(guī)范中地基系數(shù)取值范圍過大的問題。

樁的抗力計算寬度b0應(yīng)按式(2)、(3)計算。

對于圓形樁

當(dāng)d≤1 m時

當(dāng)d＞1 m時

式中，b0為抗力計算寬度，m;d為樁徑，m。

2.2 結(jié)構(gòu)計算

結(jié)構(gòu)計算主要包括三部分:上部擋土結(jié)構(gòu)面板和扶壁、承臺以及樁。內(nèi)力計算應(yīng)采用極限狀態(tài)法，按最不利組合進(jìn)行。

(1)墻面板和扶壁

墻面板和扶壁固結(jié)在承臺上，面板的計算仍可按照三向固結(jié)板考慮。墻面板計算時將面板沿墻高和墻長劃分為若干個單位寬度的水平和豎直板條，分別計算兩個方向的彎矩和剪力。扶壁計算時，扶壁承受相鄰兩跨墻面板中點之間的全部水平土壓力，內(nèi)力按懸臂式構(gòu)件計算［7］。扶壁豎向拉筋計算時，拉力不再包含地基反力。

(2)承臺

承臺計算相對復(fù)雜，承臺上部與擋土面板鉸接，與扶壁固接，承臺下部與樁固接，承臺起到連接樁基、增加樁頂約束的作用。承臺填土側(cè)的荷載有假想墻背與面板墻背的填土重(包含上部列車、汽車的活載)、自重、庫倫主動土壓力的豎直分力、地下水浮力(地下水埋藏淺時)、墻面板傳遞的豎向力、扶壁傳遞的水平力以及樁的豎向反力。非填土側(cè)的荷載有自重、樁的豎向力。

承臺內(nèi)力計算時從受力合理性和簡化計算的角度，將樁布置在扶壁位置。由于該結(jié)構(gòu)沒有沿線路方向的力系，所以可以將復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)簡化為平面問題。縱向受力計算時，將模型簡化為托梁式單向板［8］，將扶壁位置視為托梁，模型如圖3(a)水平陰影所示，受力如圖3(b)所示。

圖3 縱向計算模型及橫向荷載分布

橫向受力計算取樁間距范圍進(jìn)行計算，如圖3(a)斜杠陰影所示。圖中γk為混凝土重度;h1為承臺厚度;H1為立壁高度;σ1和σ2為墻頂和承臺邊緣由填土和荷載產(chǎn)生的豎直應(yīng)力。由于橫向體系有扶壁存在，所以底板扶壁處的橫向內(nèi)力可以不予計算，只計算面板前的懸挑內(nèi)力。

計算中發(fā)現(xiàn)承臺厚度對控制整體結(jié)構(gòu)位移有較大的幫助。為此建立一個簡單的平面框架模型如圖3所示。其中豎向桿件截面采用矩形截面，截面參數(shù)為:高度0.5 m，寬度0.3 m，長度10 m，連接桿件采用矩形截面，截面分別采用0.1 m×1 m，0.5 m×1，0.8 m×1 m，1.2 m ×1 m，2 m ×1 m，3 m ×1 m，5 m ×1 m。計算結(jié)果如圖4所示。從圖4中可看出，當(dāng)承臺厚度達(dá)1 m以后，對位移的影響急劇減弱。更換模型尺寸和水平荷載大小，其結(jié)果幾乎一致，所以，承載厚度在1.2～1.5 m是比較合適的。

圖4 承臺厚度與位移關(guān)系

(3)樁

受承臺尺寸控制，樁基礎(chǔ)在橫向上一般采用雙排鉆孔灌注樁。樁位布置時，樁間距應(yīng)滿足規(guī)范最小樁間距的要求［9］。樁的內(nèi)力計算可采用彈性支點法進(jìn)行分析計算［10-11］。計算采用的水平反力系數(shù)的比例系數(shù)如式(1)所示。但是計算時應(yīng)考慮后排樁受到的填土產(chǎn)生的側(cè)向壓力，同時還應(yīng)考慮前、后排樁間土對前排樁產(chǎn)生的側(cè)壓力。樁間土的水平剛度系數(shù)如式(4)所示

式中，Es為樁間土的壓縮模量，kPa;Sy為樁間距，m;d為樁直徑，m。

計算模型如圖5所示，豎向荷載取圖3的荷載分布，同時承臺上部應(yīng)包含扶壁傳遞的水平力。

3 工程實例

3.1 工程概況

鄭徐鐵路某車站地貌屬于沖積平原，地勢低平，場地高程61.500 m，場坪高程62.154 m，站臺設(shè)計高程為70.028 m，采用線側(cè)下式站房形式。站臺寬度為15 m，正線路基設(shè)計高程為68.043 m，人行通道內(nèi)需要修建樓扶梯及電梯井。支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計長度120 m，懸臂長度為8 m。該地區(qū)抗震烈度為6度。該場地內(nèi)第四系覆蓋層厚度30～50 m，其中表層多分布軟塑土。

圖5 計算模型(橫向)

3.2 支護(hù)方案的選擇和設(shè)計

(1)方案選擇

由于懸臂段長、水平土壓力大，采用傳統(tǒng)的扶壁式擋墻墻趾需較大的尺寸。但是車站通道內(nèi)需要設(shè)置樓扶梯和電梯井，且兩者靠近站臺一側(cè)，導(dǎo)致?lián)鯄Φ装逑蛲庋由斓拈L度有限。正線路基先已填筑完成，并已鋪設(shè)無砟軌道，為防止后期建設(shè)影響，擋墻設(shè)計不允許開挖既有正線路基。受限于通道結(jié)構(gòu)物和正線路基位置的要求，基底尺寸需嚴(yán)格控制，如圖6所示。

圖6 車站平面設(shè)計

該車站地下為厚度12 m左右的軟、可塑黏土，承載力較低，傳統(tǒng)扶壁式擋墻在該尺寸下抗滑移和傾覆穩(wěn)定性無法滿足要求，基底應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地基承載力。針對實際情況，本車站采用樁承扶壁式擋墻形式。

(2)支護(hù)設(shè)計方案

設(shè)計方案如圖7所示，擋墻面板高度8.5 m，寬度1 m，扶壁寬度0.8 m，扶壁凈間距3.2 m。承臺厚度1.3 m，底面尺寸為12 m×6 m。其中底板在面板前沿長度為0.5 m，以避開通道內(nèi)部各結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)。底板填土側(cè)長度不影響已建路基?；A(chǔ)采用鉆孔灌注樁，樁徑為1.2 m，縱向樁間距為4 m，橫向樁間距為3.6 m，樁長24 m。通道內(nèi)擋墻共10節(jié)，各節(jié)擋墻尺寸參數(shù)相同，每節(jié)擋墻之間設(shè)置伸縮縫。

(3)計算驗證

巖土參數(shù)由現(xiàn)場原位測試結(jié)合室內(nèi)試驗共同確定。墻后填料采用A、B組填料，填料參數(shù)為:重度19 kN/m3;綜合內(nèi)摩擦角35°;墻背間摩擦角17.5°;其余參數(shù)見表1。

圖7 擋墻平面和橫斷面設(shè)計(單位:m)

表1 土層參數(shù)

土壓力計算采用庫倫土壓力法，單節(jié)結(jié)構(gòu)受力計算結(jié)果如表2所示。

表2 受力計算(每延米)

外部穩(wěn)定性驗算結(jié)果如表3所示。內(nèi)部穩(wěn)定性計算結(jié)果如表4和表5所示。

表3 外部穩(wěn)定性驗算結(jié)果

表4 面板內(nèi)力計算結(jié)果

表5 肋板內(nèi)力計算結(jié)果

承臺和樁身的彎矩、剪力計算結(jié)果:其中承臺縱向剪力最大值為1 639 kN，最大正彎矩為334 kN·m，最大負(fù)彎矩為1 472 kN·m;承臺橫向懸挑剪力最大值為312 kN，最大正彎矩為78 kN·m;樁身最大彎矩為1 093 kN·m，最大剪力712 kN。

3.3 施工

(1)由于擋墻設(shè)計長度大，施工應(yīng)分片區(qū)施工，以充分利用人力和器械。施工工藝流程:片區(qū)劃分—片區(qū)內(nèi)樁基定位—開挖基坑—鉆孔—灌注樁澆筑—樁基檢測—承臺施工—墻面板和扶壁施工—墻后反濾層鋪設(shè)—填土分層填筑—墻頂位移監(jiān)測—位移穩(wěn)定后完成墻面及墻頂裝飾層［12］。

(2)為保證樁與承臺的連接，樁身應(yīng)進(jìn)入承臺不小于10 cm，同時樁身主筋伸入承臺的錨固長度應(yīng)滿足規(guī)范要求。

(3)墻后填土壓實度必須滿足設(shè)計要求。由于扶壁式擋墻有肋板影響，導(dǎo)致場地狹小，所以對不易壓實的部分應(yīng)采用人工夯填。

(4)由于車站內(nèi)部各種結(jié)構(gòu)物較多，所以施工前應(yīng)做好施工規(guī)劃，同一處建筑物基礎(chǔ)應(yīng)同時施工，如擋墻樁基和樓扶梯樁基應(yīng)同時施工，防止重復(fù)施工相互擾動、降低基礎(chǔ)承載性能。

(5)監(jiān)測布置:結(jié)構(gòu)的水平位移大小決定著結(jié)構(gòu)本身的承載性能，所以設(shè)計方案中分別在擋墻頂部、路基本體左線布置位移監(jiān)測樁。監(jiān)測結(jié)果:支擋結(jié)構(gòu)施工前路基本體填筑時間已超過13個月，在支擋結(jié)構(gòu)施工期間路基本體水平位移和豎向位移一直比較穩(wěn)定，說明擋墻施工沒有影響正線路基。擋墻墻頂位移從填土開始進(jìn)行監(jiān)測，至填土完成后2個月，最大水平位移為14 mm，方向朝向墻胸，之后水平位移趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)語

(1)線側(cè)下式站房支擋結(jié)構(gòu)高，通道內(nèi)部各種結(jié)構(gòu)物位置易沖突。采用樁基礎(chǔ)后，一方面可以縮小基礎(chǔ)尺寸，另一方面可以提供較大的豎向和水平向承載力，適合荷載較大或者地層條件較差的情況。對于通道內(nèi)受力簡單的結(jié)構(gòu)可與擋墻采用避讓、合建、共建的方式解決沖突矛盾。

(2)此結(jié)構(gòu)形式已在多個鐵路站房項目中施工使用，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好。

(3)承臺內(nèi)力及樁土相互作用較為復(fù)雜，本文計算采用簡化的方法，但仍需進(jìn)一步的研究，以得到更為真實的內(nèi)力分布，以便優(yōu)化結(jié)構(gòu)及配筋。

(4)當(dāng)?shù)鼗鶙l件差，懸臂段較長，且對位移要求較高時，應(yīng)建立健全的監(jiān)測體系，做到信息化施工，以保障工程的安全實施。

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