李鐵柱

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

樁-土作用在大型旅客站房基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李鐵柱

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

當(dāng)大型旅客站房基礎(chǔ)與地下出站通道重疊時(shí),由于地下出站通道剛度大、結(jié)構(gòu)超長(zhǎng),且屬半露天地下結(jié)構(gòu),對(duì)溫度作用變化明顯,利用傳統(tǒng)的剛性固結(jié)模型對(duì)站房基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)較難得到合理的結(jié)果或造成巨大的浪費(fèi)。論述樁-土作用機(jī)理的復(fù)雜性,并對(duì)樁-土作用力學(xué)模型進(jìn)行分析。通過(guò)分布彈簧模型對(duì)旅客站房在溫度作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行分析,并與剛性固結(jié)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,得出旅客站房基礎(chǔ)設(shè)計(jì)考慮樁-土作用的合理化計(jì)算模式。

大型旅客站房；溫度作用；樁-土作用；力學(xué)模型；分布彈簧模型；基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

1 概述

隨著我國(guó)鐵路客運(yùn)專(zhuān)線、城際鐵路、城市軌道交通的快速發(fā)展，省會(huì)級(jí)城市涌現(xiàn)出大量以鐵路客站為中心節(jié)點(diǎn)、集多種交通方式于一體的大型旅客站房。目前已建成的代表性站房有北京南站、西安北站、長(zhǎng)春西站、鄭州東站及沈陽(yáng)站等。雖然各站房建筑造型各異，但其站房功能分區(qū)大致相同，一般由地下出站通道(含兩側(cè)站臺(tái)下地道樓扶梯通道)、站臺(tái)(承軌)層、高架候車(chē)層以及高架商業(yè)夾層四部分組成[1-3]。地下出站通道作為地下結(jié)構(gòu)埋置于地下，起著銜接高架站房基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的作用。

對(duì)于傳統(tǒng)的地下結(jié)構(gòu)，在使用過(guò)程中均埋置在土中，對(duì)外的出口較少，受外界溫差的影響也較小，且在設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)設(shè)置結(jié)構(gòu)伸縮變形縫進(jìn)一步減弱溫度作用對(duì)地下主體結(jié)構(gòu)的影響，其溫度應(yīng)力一般不會(huì)超過(guò)混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，因此在對(duì)此類(lèi)地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中往往不考慮地下結(jié)構(gòu)自身的溫度作用。但對(duì)大型旅客站房的地下出站通道而言，受車(chē)場(chǎng)及地下室防水要求往往采用超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)形式，其兩側(cè)與露天站臺(tái)直接連通，開(kāi)口率達(dá)到25%～35%，且地下出站通道頂板作為站臺(tái)層與大氣相連，因此外界的溫差對(duì)地下通道結(jié)構(gòu)的影響較大，一般不能忽略，尤其對(duì)于嚴(yán)寒地區(qū)的站房。

站房基礎(chǔ)形式往往采用樁基礎(chǔ)，柱端按剛性固結(jié)進(jìn)行假定，計(jì)算時(shí)若考慮地下結(jié)構(gòu)的溫度作用，由于地下出站通道自身的剛度大，由溫度作用引起的柱底水平力及彎矩巨大，按此進(jìn)行樁基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)較難得到合理的結(jié)果或造成巨大的浪費(fèi)。由此本文引入樁-土作用機(jī)理，對(duì)旅客站房在溫度作用下的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

2 樁-土作用及力學(xué)模型

2.1 樁-土作用力學(xué)模型[4-5]

(1)剛性固結(jié)模型?？蚣苤?墻肢)支承在剛性承臺(tái)上，承臺(tái)下采用群樁基礎(chǔ)，因此荷載作用下框架柱(墻肢)邊界條件可簡(jiǎn)化為剛性固結(jié)，這是一種最為簡(jiǎn)單但誤差較大的模型。

(2)六彈簧模型。考慮樁-土作用時(shí)，處理邊界條件最常用的方法就是用承臺(tái)底6個(gè)自由度的彈簧剛度模擬樁-土相互作用，6彈簧剛度是指豎向剛度、雙向水平抗側(cè)剛度、繞兩個(gè)水平軸的抗轉(zhuǎn)動(dòng)剛度及繞豎向軸的抗扭轉(zhuǎn)剛度。

(3)分布彈簧模型。將樁沿其樁長(zhǎng)劃分為若干單元，在每個(gè)樁單元節(jié)點(diǎn)兩側(cè)設(shè)置僅受壓彈簧(簡(jiǎn)稱(chēng)土彈簧)，每個(gè)土彈簧模擬該處節(jié)點(diǎn)上、下單元各一半范圍內(nèi)土體對(duì)樁身的水平作用，每個(gè)彈簧剛度可根據(jù)不同的樁-土作用關(guān)系予以求解，最為常用的確定土彈簧的方法為“m”法。

2.2 樁-土作用

樁在橫向力以及彎矩作用下將會(huì)產(chǎn)生水平位移及轉(zhuǎn)角，從而使樁擠壓樁側(cè)土體，樁側(cè)土必然對(duì)樁產(chǎn)生橫向抗力。樁-土作用實(shí)質(zhì)上是樁身內(nèi)力與變形關(guān)系，這種關(guān)系體現(xiàn)出一種極其復(fù)雜的非線性。由于計(jì)算參數(shù)的不確定性、空間的三維甚至四維(包括時(shí)間因素)性質(zhì)，造成樁-土之間的非線性關(guān)系無(wú)法用解析的方法予以表述[6]，這樣就給計(jì)算帶來(lái)極大不便。為了便于計(jì)算，設(shè)計(jì)中常采用線彈性法進(jìn)行分析，即在一定樁頂位移內(nèi)采用“m”法[7-9]，其理論滿足以下幾條基本假定：(1)將土體視為彈性介質(zhì)，其水平抗力系數(shù)隨深度線性增加，地面處為零；(2)在水平力和豎向壓力作用下，基樁、承臺(tái)、地下墻體表面上任一點(diǎn)的接觸應(yīng)力隨該點(diǎn)的法向位移成正比；(3)樁身、承臺(tái)、地下墻體與土之間的黏著力和摩擦力對(duì)抵抗水平力的作用；(4)樁頂與承臺(tái)剛性連接，承臺(tái)的剛度視為無(wú)窮大。

“m”法確定的土彈簧剛度，即

其中，m0為土體地基抗力系數(shù)；b0為樁身有效作用寬度；h為土彈簧代表的土體高度；z為計(jì)算點(diǎn)距樁頂?shù)呢Q向距離。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，以土彈簧位置處的地基系數(shù)近似代替土彈簧所代表的土體地基系數(shù)，于是(1)式可簡(jiǎn)化為

2.3 力學(xué)模型的選擇

上述3種力學(xué)模型中，剛性固接模型作為傳統(tǒng)的樁基模型，在沒(méi)有較大的水平荷載作用下可以得到較為合理的計(jì)算結(jié)果。但對(duì)于高烈度區(qū)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)或受較大水平荷載作用的結(jié)構(gòu)，若仍采用剛性固接模型，將很難得到合理的計(jì)算結(jié)果。

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94—2008)5.1.3條規(guī)定：屬于以下情況之一的樁基，計(jì)算各基樁的作用效應(yīng)、樁身內(nèi)力和位移時(shí)，宜考慮樁-土協(xié)同作用：(1)位于8度和8度以上抗震設(shè)防區(qū)的建筑，當(dāng)其樁基承臺(tái)剛度較大或由于上部結(jié)構(gòu)與承臺(tái)協(xié)同作用能增強(qiáng)承臺(tái)的剛度時(shí)；(2)其他受較大水平力的樁基。因此，考慮樁-土作用的六彈簧模型或分布彈簧模型是處理該問(wèn)題的方法之一。

六彈簧模型是在剛性固結(jié)模型基礎(chǔ)上的一種簡(jiǎn)化、抽取和模擬，對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)條件下多樁承臺(tái)，很難準(zhǔn)確地確定承臺(tái)底6個(gè)自由度的彈簧剛度，設(shè)計(jì)中較少采用。

分布彈簧模型更為真實(shí)地反映了上部結(jié)構(gòu)、承臺(tái)、樁基與周?chē)恋南嗷プ饔藐P(guān)系，因此工程中最終采用分布彈簧模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，將樁身沿深度方向劃分為長(zhǎng)度不大于1.5 m的受力單位，每個(gè)樁單元兩側(cè)設(shè)置成只受壓彈簧，彈簧的剛度按“m”法進(jìn)行確定。

3 工程算例

3.1 工程概況

以哈大客運(yùn)專(zhuān)線沈陽(yáng)站站房工程為例，應(yīng)用樁-土作用對(duì)旅客站房基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并與柱底剛性固結(jié)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

沈陽(yáng)站高架站房由下至上分為地下出站通道層、站臺(tái)層、高架候車(chē)層和商業(yè)夾層。高架站房順軌方向軸線寬度103 m，垂軌方向軸線長(zhǎng)度220.8 m(設(shè)置2道變形縫)。地下出站通道地面高程為-11.50 m，寬55.0 m；站臺(tái)層地面高程為±0.00 m；高架候車(chē)層樓面高程為9.00 m；商業(yè)夾層樓面高程為17.00 m；屋面由混凝土屋面和鋼結(jié)構(gòu)拱形屋面組成。地下出站通道建筑平面及剖面如圖1所示(僅示意其中一溫度區(qū)段，并作為計(jì)算單元)。

圖1 沈陽(yáng)站地下通道標(biāo)準(zhǔn)段平、剖面(單位：mm)

沈陽(yáng)市夏季最高氣溫達(dá)35 ℃以上，冬季最低氣溫達(dá)-26 ℃以下。全年平均氣溫在8.1 ℃左右，最熱月平均溫度22.3 ℃，最冷月平均溫度-9.1 ℃，極端溫差較大。設(shè)置伸縮縫后，結(jié)構(gòu)仍為超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，溫度效應(yīng)仍起重要作用。因此，結(jié)構(gòu)溫差的合理取值對(duì)結(jié)構(gòu)安全性和經(jīng)濟(jì)性起著控制作用，考慮到混凝土構(gòu)件對(duì)溫度的傳導(dǎo)存在滯后效應(yīng)，故對(duì)混凝土構(gòu)件的溫差取月平均最高和最低溫度與合龍溫度的差值[10]。本工程施工合龍溫度要求控制在10～15 ℃，則主站房混凝土結(jié)構(gòu)升溫+12 ℃；降溫-24 ℃；樓蓋、屋蓋鋼結(jié)構(gòu)升溫25 ℃，降溫-41 ℃。

結(jié)構(gòu)恒載、活載、風(fēng)荷載、雪荷載、承軌層列車(chē)荷載、地下出站通道底板水浮力及側(cè)墻土壓力均按相關(guān)規(guī)范確定[11]。

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告[12]，場(chǎng)地地層自上向下主要由人工填土、粉質(zhì)黏土層、細(xì)砂層、粗砂層(局部為中砂層)、圓礫層及泥質(zhì)礫巖組成。站房柱下樁基均采用直徑為1.0 m的鉆孔灌注樁，樁端持力層為泥質(zhì)礫巖。承臺(tái)底高程為-15.30 m，樁身周?chē)耐翆訛榇稚皩?局部為中砂層)、圓礫層和泥質(zhì)礫巖。

3.2 分析模型

本工程采用SAP2000 V15建立模型，樁基按實(shí)際樁長(zhǎng)建立模型，樁基每1.5 m分成一個(gè)單元，每一單元設(shè)置樁側(cè)彈簧，彈簧剛度根據(jù)公式(2)進(jìn)行計(jì)算。工程中，基樁的樁身有效作用寬度b0=0.9×(1.5×1.0+0.5)=1.8 m；土彈簧代表的土體高度h=1.5 m；根據(jù)地層條件，樁周土第1層為粗砂層，地基抗力系數(shù)150 000 kN/m4；第2層為圓礫層，地基抗力系數(shù)200 000 kN/m4；第3層為泥質(zhì)礫巖，地基抗力系數(shù)250 000 kN/m4；根據(jù)上述參數(shù)可確定不同深度處樁側(cè)土彈簧剛度值。

對(duì)于分布彈簧模型，建模前應(yīng)先確定柱底樁基數(shù)量和平面布置，根據(jù)其參數(shù)輸入模型。為此本文共建立3個(gè)計(jì)算模型，分別為模型1不考慮地下出站通道溫度作用的柱底剛性固接模型、模型2考慮地下出站通道溫度作用的柱底剛性固接模型和模型3考慮地下出站通道溫度作用的樁基分布彈簧模型。

通過(guò)先建立不考慮地下出站通道溫度作用的柱底剛性固接模型1，初步計(jì)算出樁底反力，由此確定樁基數(shù)量和平面布置，如圖2所示。后兩種模型作為對(duì)比模型對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以驗(yàn)證樁基分布彈簧模型的準(zhǔn)確性。

圖2 樁基數(shù)量和平面布置(單位：mm)

站房樁基分布彈簧模型如圖3所示。

圖3 站房樁基分布彈簧模型

3.3 分析結(jié)果

采用子空間迭代法得到的兩種模型的前6周期及振型特征見(jiàn)表1。

與剛性固結(jié)模型相比，考慮樁-土作用的站房模型將樁、土模擬成彈性體，使得結(jié)構(gòu)的前6階振型周期延長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)整體剛度變?nèi)?。由此可推斷，在相同溫度作用和地震響?yīng)下，考慮樁-土作用可優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力，設(shè)計(jì)中應(yīng)加以利用。

表1 不同樁基模型下站房振動(dòng)頻率和周期

圖4 降溫荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下軸框架內(nèi)力

兩種計(jì)算模型對(duì)應(yīng)于圖中A、B、C、D點(diǎn)在溫度作用下的柱底內(nèi)力詳見(jiàn)表2。

表2 溫度作用下柱底內(nèi)力值

從表2中可知，剛性固接模型中柱底內(nèi)力較分布彈簧模型大，增大量隨著結(jié)構(gòu)自身的剛度不同而有所變化，高架外側(cè)框架柱(A、B點(diǎn))的線剛度較弱，在溫度作用下自身能夠產(chǎn)生一定的變位從而釋放溫度應(yīng)力，因此2種模型所得出的柱底反力相差不大，相差值不大于10%；而對(duì)于地下出站通道框架柱，由于其±0.000高程處結(jié)構(gòu)層為承軌層，框架梁、柱截面大，且作為地下結(jié)構(gòu)，地下出站通道兩側(cè)框架柱與地下?lián)鯄ο噙B，更是進(jìn)一步增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體剛度。在溫度作用下，結(jié)構(gòu)水平方向無(wú)法產(chǎn)生有效的變形，因而由溫度作用引起的內(nèi)力較大，從表2中D點(diǎn)數(shù)據(jù)可見(jiàn)，在降溫工況下2種模型所得出的柱底剪力和彎矩比值分別為(-3 590.5)/(-2 119.5)=1.70、(-9 305.7)/(-2 371.3)=3.9，兩者計(jì)算結(jié)果相差數(shù)倍。

表3 D點(diǎn)柱底反力標(biāo)準(zhǔn)值

注：表中D為樓、屋面恒載；L為樓、屋面活載，包括軌行區(qū)等效荷載；T+為升溫作用，T-為降溫作用；SC為最不利標(biāo)準(zhǔn)組合；x向?yàn)轫樮壏较?、y向?yàn)榇管壏较颉?/p>

表4 D點(diǎn)群樁樁頂作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值

從表4數(shù)據(jù)分析，采用分布彈簧模型所得群樁樁頂作用效應(yīng)較剛性固結(jié)模型得到了很大的優(yōu)化，模型1中試算樁基數(shù)量及平面布置可滿足分布彈簧模型柱底力的要求。對(duì)于剛性固結(jié)模型，根據(jù)試樁報(bào)告1.0 m直徑樁基水平承載力特征值為750 kN，按樁頂水平力進(jìn)行設(shè)計(jì)，基樁數(shù)量為18 323.5/750=24.4，將不低于25根，此時(shí)樁基平面將無(wú)法布置，且樁基工程量巨大；根據(jù)承臺(tái)頂面豎向力及彎矩進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，同樣將得到不合理的樁基數(shù)和平面布置。

在上述驗(yàn)算過(guò)程中，若模型1中試算樁基數(shù)量及平面布置不滿足分布彈簧模型柱底力的要求，則需要增加基樁數(shù)量和修改承臺(tái)尺寸后重新建立模型再次驗(yàn)算，直到滿足要求，因而采用分布彈簧模型考慮樁-土作用進(jìn)行設(shè)計(jì)是一個(gè)循環(huán)迭代的過(guò)程。

目前，沈陽(yáng)站站房己建成并投入使用，在站房建設(shè)過(guò)程中取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

(1)對(duì)于大型旅客站房地下出站通道，對(duì)溫度作用具有一定的敏感性，設(shè)計(jì)中不可忽略，設(shè)計(jì)人員應(yīng)引起高度的重視。

(2)對(duì)樁-土作用模式及力學(xué)模型進(jìn)行了討論，提出“m”法確定土彈簧是綜合規(guī)范并適合計(jì)算程序的一種方法；同時(shí)引入分布彈簧模型對(duì)樁-土作用的邊界進(jìn)行模擬。

(3)通過(guò)對(duì)哈大客運(yùn)專(zhuān)線沈陽(yáng)站高架站房的實(shí)例分析，驗(yàn)證了考慮樁-土作用對(duì)旅客站房在溫度作用下基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的合理性，并與剛性固結(jié)模型進(jìn)行對(duì)比，得出了旅客站房基礎(chǔ)設(shè)計(jì)考慮樁-土作用的合理化計(jì)算模式，對(duì)類(lèi)似工程具有一定的參考價(jià)值。

(4)僅對(duì)樁-土作用在旅客站房溫度作用下的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，對(duì)于高烈度區(qū)的旅客站房在水平地震反應(yīng)下的響應(yīng)，樁-土作用在其基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用同樣具有積極的意義。

[1] 鄭健.鐵路旅客站房設(shè)計(jì)集錦[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2006．

[2] 曹永剛.鐵路新的發(fā)展時(shí)期旅客站房設(shè)計(jì)研究 [J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2006(6)：84-86．

[3] 倪琛，王舒展，胡楊.大型鐵路客站系統(tǒng)化設(shè)計(jì)探索[J].建筑創(chuàng)作，2012(3)：77-85．

[4] 曾彥，曾勇，趙順波.鋼管混凝土疊合柱式橋墩考慮樁土作用的地震效應(yīng)分析[J].路基工程，2012(2)：29-33．

[5] 肖曉春，遲世春,等.水平地震下土-樁-結(jié)構(gòu)相互作用簡(jiǎn)化分析方法[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，35(5)：561-564．

[6] 王春，王宏?yáng)|.樁-土作用模型在橋梁設(shè)計(jì)中的研究與應(yīng)用[J].工程與建筑，2007，21(5)：770-772．

[7] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008．

[8] 中華人民共和國(guó)交通部.公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2007．

[9] 周萬(wàn)清，姜德全.基于m法的高承臺(tái)樁復(fù)合受力計(jì)算分析[J].路基工程，2010(5)：41-43．

[10] 徐培福，傅學(xué)怡，等.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京： 中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005．

[11] 蔡玉軍.哈大客運(yùn)專(zhuān)線沈陽(yáng)站站房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013(3)：106-111．

[12] 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.沈陽(yáng)站新建站房及高架候車(chē)樓巖土工程勘察報(bào)告[R].西安：中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有公司，2010．

Application of Pile-Soil Interaction in Foundation Design of Large-scale Passenger Station Building

LI Tie-zhu

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an 710043, China)

When the foundation of a large-scale passenger station building overlaps with the underground exit passageway, if using traditional rigid connection model to design the station building foundation, it will be difficult to obtain a reasonable result or it is more likely that a huge waste will be produced, because the structure of the underground exit passageway of a large-scale station is usually highly rigid, ultra long, semi-open-air, and susceptible to temperature changing. For this reason, this paper expounded the complexity of pile-soil interaction mechanism, and analyzed the mechanical model of pile-soil interaction. Through using distributional spring model to calculate the internal force of passenger station building structure under the action of temperature changing, and by comparison with the calculation result of rigid connection model, a reasonable calculation model in term of pile-soil interaction was eventually obtained for foundation design of passenger station building.

Large-scale passenger station building; temperature effect; pile-soil interaction; mechanical model; distributional spring model; foundation design

2013-06-13；

：2013-07-02

李鐵柱(1971—)，男，高級(jí)工程師，1993年畢業(yè)于西南交通大學(xué)工業(yè)與民用建筑工程專(zhuān)業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：525980939@qq.com。

1004-2954(2014)02-0117-04

TU248.1

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.02.027