濟(jì)南站大跨度風(fēng)雨棚樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

趙建強(qiáng)

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司濟(jì)南設(shè)計(jì)院，山東濟(jì)南 250022)

1 概況

1.1 現(xiàn)狀

濟(jì)南站位于京滬、膠濟(jì)兩大鐵路干線的交匯點(diǎn)，為華東地區(qū)重要的鐵路交通樞紐。隨著鐵道部跨越式發(fā)展戰(zhàn)略的提出和鐵路運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量的不斷提高，濟(jì)南站站內(nèi)設(shè)施已不滿足要求，站內(nèi)設(shè)施的改造勢(shì)在必行。

1.2 工程概況

濟(jì)南站既有站場(chǎng)為4臺(tái)10線，線間距均為5.10 m，其中Ⅱ、Ⅴ、Ⅷ股分別為膠濟(jì)、京滬正線。無站臺(tái)柱風(fēng)雨棚工程總建筑面積41 000 m2，其中風(fēng)雨棚覆蓋面積38 000 m2。工程采用18榀單向受力鋼管桁架體系，每榀均為單跨，跨度隨線路變化為86 m至109.55 m不等，縱向柱距東西兩側(cè)分別為24 m及22 m。建筑整體設(shè)計(jì)一跨飛越南北，宏偉壯觀，氣勢(shì)磅礴，成為濟(jì)南站乃至周邊環(huán)境一大景觀。由于線間立柱不能滿足2.44 m正線限界要求，設(shè)計(jì)方案僅在基本站臺(tái)靠近站房處和10股線路外側(cè)設(shè)柱。

2 地質(zhì)情況

2.1 勘察技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

該工程重要性等級(jí)為一級(jí);場(chǎng)地等級(jí)為二級(jí)場(chǎng)地(中等復(fù)雜場(chǎng)地);地基等級(jí)為二級(jí)地基(中等復(fù)雜地基)，綜合分析，該工程的巖土工程勘察等級(jí)為乙級(jí)。

2.2 自然地理特征

該區(qū)的宏觀地貌單元為山前沖洪積平原，原始地形平坦開闊，由于既有站場(chǎng)的建設(shè)，原地貌形態(tài)已改變。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造及地層巖性

(1)地質(zhì)構(gòu)造

本區(qū)在大地構(gòu)造單元上隸屬華北地臺(tái)區(qū)之魯西斷隆區(qū)，本工程位于魯西斷塊、魯中南較強(qiáng)烈斷塊上升區(qū)北緣，地層屬魯西地層分區(qū)，區(qū)內(nèi)地層從太古界至新生界地層均有分布。

(2)地層巖性

經(jīng)勘探揭示，場(chǎng)地地表分布有第四系全新統(tǒng)人工填土(雜填土和素填土)，其下為第四系全新統(tǒng)沖洪積粉質(zhì)黏土、姜石土，第四系上更新統(tǒng)沖洪積黏土，下伏中生代晚期輝長巖。

該區(qū)雜填土、素填土土質(zhì)不均，結(jié)構(gòu)松散，分布不均，厚度較大，且部分柱下為地下通道，輝長巖埋深較淺，故勘察單位建議采用摩擦端承樁，樁尖置于第4－2層全風(fēng)化或第4－3層中等風(fēng)化輝長巖中，各層巖土物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 各層巖土物理力學(xué)指標(biāo)

2.4 水文地質(zhì)條件

該區(qū)地下水類型屬壤中潛水型，地下水埋深+0.20～5.10 m，高程14.50～15.60 m，主要受大氣降水補(bǔ)給，水位隨季節(jié)變化而變化，變化幅度約1～2 m。據(jù)本次水質(zhì)分析結(jié)果及附近既有資料，該地下水對(duì)混凝土不具侵蝕性，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋無腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性。

3 上部結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

3.1 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)

(1)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)一級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限50年。

(2)本工程抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，水平地震影響系數(shù)最大值為0.04，建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類，特征周期值為0.4 s，建筑結(jié)構(gòu)阻尼比0.05。

(3)基本風(fēng)壓:0.45 kN/m2，地面粗糙度B類。基本雪壓:0.30 kN/m2。

(4)屋面活荷載:0.50 kN/m2

3.2 上部結(jié)構(gòu)柱底反力

柱底反力最不利組合(1.2恒+1.4活+1.4溫度)計(jì)算結(jié)果見表2。

由表2可見，109 m跨柱底豎向、水平向反力數(shù)值對(duì)工程起控制作用，據(jù)此并適當(dāng)取整，確定基礎(chǔ)設(shè)計(jì)按柱底豎向反力標(biāo)準(zhǔn)值為1 900 kN，水平反力設(shè)計(jì)值為2 700 kN。

4 基礎(chǔ)形式確定

濟(jì)南站位于濟(jì)南市中心區(qū)，站場(chǎng)北側(cè)緊鄰住宅區(qū)，南側(cè)為主站房。由于上部結(jié)構(gòu)方案在基本站臺(tái)靠近站房處和10股線路外側(cè)設(shè)柱，建筑設(shè)計(jì)要求結(jié)構(gòu)立柱盡可能靠近站房及10股外側(cè)圍墻，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)條件十分苛刻。

表2 柱底反力最不利組合

上部結(jié)構(gòu)反力巨大，最適合的基礎(chǔ)形式應(yīng)該是底面積較大的獨(dú)立基礎(chǔ)或群樁基礎(chǔ)。淺層地基承載力較差，2－2姜石土承載力較好但埋深已達(dá)5 m，獨(dú)立基礎(chǔ)需要大面積開挖顯然不合理。群樁基礎(chǔ)能發(fā)揮深層地基良好的承載力，又適合抵抗較大水平力。但由于濟(jì)南站基本站臺(tái)縱向設(shè)置通長暖氣地溝，靠站房側(cè)無法實(shí)現(xiàn)群樁基礎(chǔ)。10股外側(cè)設(shè)有行包地道，也無法實(shí)現(xiàn)群樁基礎(chǔ)。

柱下單樁基礎(chǔ)能承擔(dān)豎向荷載，但抵抗較大水平力工程實(shí)例很少，文獻(xiàn)［1］中僅提供了不同樁身配筋率單樁水平承載力估算公式，其中大量數(shù)據(jù)是依托現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得來。本次設(shè)計(jì)大膽采用柱下大直徑單樁基礎(chǔ)，分別按豎向承載力控制及水平承載力控制進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5 單樁承載力試算(按豎向承載力控制)

考慮樁徑D取2.0 m，按大直徑灌注樁進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5.1 單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算

大直徑灌注樁側(cè)阻力尺寸效應(yīng)系數(shù)及端阻力尺寸效應(yīng)系數(shù)按表3取值。

表3 Ψsi及Ψp取值

按最不利位置Z－5計(jì)算(深入中風(fēng)化1.5 m，樁長15 m)

Quk=11 000 kN ＞2×1 900=3 800 kN，滿足豎向承載力要求。

5.2 單樁水平承載力設(shè)計(jì)值計(jì)算

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ94—94之5.4.2.5條樁身配筋率不小于0.65%的灌注樁單樁水平承載力設(shè)計(jì)值估算公式(樁基按C25混凝土計(jì)算)

其中EI為樁身抗彎剛度

X0a為樁頂允許水平位移，當(dāng)以位移控制時(shí)，取為10 mm。

X0a=1×10－2m

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ94—94之5.4.5.1條，水平變形系數(shù)

故樁身計(jì)算寬度b0=0.9(d+1)=2.7 m

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ94—94之附錄B中之公式B－1及本工程地質(zhì)勘察報(bào)告

取h1=h2=3.0 m，

影響深度范圍內(nèi)土層分別為:

1－2、素填土，以粉質(zhì)黏土為主，軟塑—可塑，局部硬塑;

2－1、粉質(zhì)黏土，可塑—硬塑。

由于暫無靜載試驗(yàn)資料，根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ94—94之表5.4.5，

取 m1=10，m2=20;

m=17.5 MN/m4;

0.4m=7 MN/m4;

αh=3.78 m。

柱下單樁樁頂約束情況為鉸接，根據(jù)文獻(xiàn)［1］表5.4.2中鉸接欄內(nèi)插得γx=2.470

計(jì)算得Rh=1 210 kN＜2 700 kN，不滿足豎向承載力要求。由此可見該工程應(yīng)由水平承載力控制。

6 單樁承載力試算(按水平承載力控制)

考慮樁徑D取2.5 m，按大直徑灌注樁進(jìn)行設(shè)計(jì)。

6.1 單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算

計(jì)算過程同上，從略。

按最不利位置Z－5計(jì)算(深入全風(fēng)化1.5 m，樁長9.2 m)

Quk=14 618 kN＞2×1 900=3 800 kN，滿足豎向承載力要求。

6.2 單樁水平承載力設(shè)計(jì)值計(jì)算

I0=1.92 m4

EI=0.85EI0=48.87×106kN·m2

X0a=1 ×10－2m

d=2.5 m ＞1.0 m，故 b0=0.9(d+1)=3.15 m。

根據(jù)附錄B中之公式B－3及地質(zhì)勘察報(bào)告，Hm=2(d+1)=7.0 m

取 m1=10，m2=20

m=17.5 MN/m4

0.4m=7 MN/m4

αh=3.86 m。

柱下單樁樁頂約束情況為鉸接，根據(jù)文獻(xiàn)［1］表5.4.2中鉸接欄內(nèi)插得γx=2.458

計(jì)算得Rh=3 375 kN＞2 700 kN，滿足豎向承載力要求。

7 試驗(yàn)樁測(cè)試

為確保樁基達(dá)到設(shè)計(jì)要求，保證樁基安全可靠，從而保證整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的安全，根據(jù)規(guī)范要求，對(duì)樁基進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)承載力試驗(yàn)。

7.1 豎向承載力測(cè)試

單樁豎向承載力特征值為5 951 kN，滿足設(shè)計(jì)要求。

7.2 水平承載力測(cè)試

水平靜載荷試驗(yàn)考慮加載荷載值較大，采用現(xiàn)場(chǎng)兩樁對(duì)推方式進(jìn)行。同時(shí)進(jìn)行樁身應(yīng)力、應(yīng)變、樁側(cè)土壓力、樁頂位移進(jìn)行檢測(cè)。

單樁豎向承載力特征值為5 951 kN，滿足設(shè)計(jì)要求。單樁水平承載力特征值為3 038 kN，m=14.6 MN/m4，與計(jì)算取值基本一致，測(cè)試結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

8 構(gòu)造措施

8.1 樁身構(gòu)造及成樁工藝

本工程采用人工挖孔樁，樁端持力層為中風(fēng)化輝長巖，下部全風(fēng)化及中風(fēng)化采用爆破。

根據(jù)柱底傳來的彎矩進(jìn)行樁身抗彎承載力計(jì)算，樁基按配筋率不小于0.65%構(gòu)造配筋即能滿足要求。縱筋根據(jù)應(yīng)力分布情況，在跨度方向盡可能多布置，在垂直跨度方向滿足最大間距。

8.2 承臺(tái)構(gòu)造及配筋

上部格構(gòu)式鋼管混凝土柱采用可靠度高的埋入式柱腳方式，柱腳頂面、底面采用環(huán)形加勁板，側(cè)面設(shè)置栓釘抗剪。按照承臺(tái)剛度不小于柱剛度，鋼管深入承臺(tái)不小于3倍管徑，并結(jié)合鋼管柱腳構(gòu)造，滿足承臺(tái)抗彎、抗剪、抗沖切等因素，綜合確定承臺(tái)高度3 m，平面尺寸為3 m×2.8 m，其中2.8 m為垂直線路方向，可減少對(duì)既有線路的影響。

9 工程樁觀測(cè)及測(cè)試

為確保樁基達(dá)到設(shè)計(jì)要求，保證樁基安全可靠，從而保證整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的安全，根據(jù)規(guī)范要求，選取3處工程樁對(duì)樁基進(jìn)行水平承載力測(cè)試、m值、樁頂位移、樁身彎矩分布、樁側(cè)土壓力分布鋼筋應(yīng)力及應(yīng)變、樁側(cè)土壓力的檢測(cè)，檢測(cè)于主體完工及完工后40天分別檢測(cè)一次，以后每半年檢測(cè)一次。竣工后40天檢測(cè)結(jié)果樁頂位移36 mm，經(jīng)長期檢測(cè)樁頂位移穩(wěn)定，其他各項(xiàng)參數(shù)與設(shè)計(jì)基本相符，說明計(jì)算理論安全可靠，設(shè)計(jì)合理并有一定安全儲(chǔ)備。

10 結(jié)束語

濟(jì)南站風(fēng)雨棚改造工程已于2006年8月建成，通過多年持續(xù)不斷觀測(cè)，濟(jì)南站大直徑柱下單樁所有指標(biāo)符合規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。通過該工程設(shè)計(jì)，有如下體會(huì)及思考:

對(duì)于大跨度拱形鋼結(jié)構(gòu)，樁基水平承載力往往比豎向承載力更起控制作用。

抵抗較大水平力采用大直徑單樁方案可行，可滿足場(chǎng)地環(huán)境等要求，人工挖孔成樁質(zhì)量有保證，易控制入巖深度。

大直徑單樁承載力計(jì)算相對(duì)于小直徑樁而言，靜載試驗(yàn)更為重要，必須特別重視靜載試驗(yàn)結(jié)果。

大直徑單樁與承臺(tái)連接屬于鉸接，但仍需可靠連接，增加連接剛度可有效提高水平承載能力。

場(chǎng)地有條件時(shí)盡可能采用群樁，樁頂可按固結(jié)考慮，通過樁基與承臺(tái)以及樁間土共同作用抵抗水平力，可大大提高單樁水平承載力。

說明:本工程設(shè)計(jì)階段采用《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》版本為JGJ94—94，新版規(guī)范 JGJ94—2008于2008年10月1日起執(zhí)行。按新版規(guī)范校核，樁基、水平承載力由設(shè)計(jì)值換用特征值抵抗荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下反力。計(jì)算公式稍有差異，但設(shè)計(jì)結(jié)果基本無變化。

［1］ JGJ94—94 建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］

［2］ JGJ94—2008 建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］

［3］ JGJ106—2003 建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范［S］

［4］ 劉保紅．煙臺(tái)火車站站房建筑設(shè)計(jì)［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)2010(11):97-100

［5］ 張繼合．煙臺(tái)火車站彩虹拱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)2008(6):103-106

［6］ 張彥明．煙臺(tái)火車站異型懸挑網(wǎng)架安裝方案選擇及關(guān)鍵技術(shù)［J］．建筑技術(shù)，2009(10):103-106

［7］ 施曉．煙臺(tái)火車站站房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2009(1):103-105

［8］ 梅季魁，劉德明，姚亞雄．大跨建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)思與結(jié)構(gòu)選型［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002

［9］ 藍(lán)天，張毅剛．大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2000

［10］ 周學(xué)軍，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50017應(yīng)用指導(dǎo)［M］．濟(jì)南:山東科學(xué)技術(shù)出版社，2004