樁-土作用在大型旅客站房基礎設計中的應用

李鐵柱

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

樁-土作用在大型旅客站房基礎設計中的應用

李鐵柱

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

當大型旅客站房基礎與地下出站通道重疊時,由于地下出站通道剛度大、結構超長,且屬半露天地下結構,對溫度作用變化明顯,利用傳統的剛性固結模型對站房基礎進行設計時較難得到合理的結果或造成巨大的浪費。論述樁-土作用機理的復雜性,并對樁-土作用力學模型進行分析。通過分布彈簧模型對旅客站房在溫度作用下的結構內力進行分析,并與剛性固結模型計算結果進行對比,得出旅客站房基礎設計考慮樁-土作用的合理化計算模式。

大型旅客站房；溫度作用；樁-土作用；力學模型；分布彈簧模型；基礎設計

1 概述

隨著我國鐵路客運專線、城際鐵路、城市軌道交通的快速發展，省會級城市涌現出大量以鐵路客站為中心節點、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、長春西站、鄭州東站及沈陽站等。雖然各站房建筑造型各異，但其站房功能分區大致相同，一般由地下出站通道(含兩側站臺下地道樓扶梯通道)、站臺(承軌)層、高架候車層以及高架商業夾層四部分組成[1-3]。地下出站通道作為地下結構埋置于地下，起著銜接高架站房基礎與上部結構的作用。

對于傳統的地下結構，在使用過程中均埋置在土中，對外的出口較少，受外界溫差的影響也較小，且在設計過程中通過設置結構伸縮變形縫進一步減弱溫度作用對地下主體結構的影響，其溫度應力一般不會超過混凝土的極限抗拉強度，因此在對此類地下結構設計過程中往往不考慮地下結構自身的溫度作用。但對大型旅客站房的地下出站通道而言，受車場及地下室防水要求往往采用超長結構形式，其兩側與露天站臺直接連通，開口率達到25%～35%，且地下出站通道頂板作為站臺層與大氣相連，因此外界的溫差對地下通道結構的影響較大，一般不能忽略，尤其對于嚴寒地區的站房。

站房基礎形式往往采用樁基礎，柱端按剛性固結進行假定，計算時若考慮地下結構的溫度作用，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，按此進行樁基基礎設計時較難得到合理的結果或造成巨大的浪費。由此本文引入樁-土作用機理，對旅客站房在溫度作用下的基礎設計進行分析。

2 樁-土作用及力學模型

2.1 樁-土作用力學模型[4-5]

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

(2)六彈簧模型。考慮樁-土作用時，處理邊界條件最常用的方法就是用承臺底6個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、雙向水平抗側剛度、繞兩個水平軸的抗轉動剛度及繞豎向軸的抗扭轉剛度。

(3)分布彈簧模型。將樁沿其樁長劃分為若干單元，在每個樁單元節點兩側設置僅受壓彈簧(簡稱土彈簧)，每個土彈簧模擬該處節點上、下單元各一半范圍內土體對樁身的水平作用，每個彈簧剛度可根據不同的樁-土作用關系予以求解，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產生水平位移及轉角，從而使樁擠壓樁側土體，樁側土必然對樁產生橫向抗力。樁-土作用實質上是樁身內力與變形關系，這種關系體現出一種極其復雜的非線性。由于計算參數的不確定性、空間的三維甚至四維(包括時間因素)性質，造成樁-土之間的非線性關系無法用解析的方法予以表述[6]，這樣就給計算帶來極大不便。為了便于計算，設計中常采用線彈性法進行分析，即在一定樁頂位移內采用“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，其水平抗力系數隨深度線性增加，地面處為零；(2)在水平力和豎向壓力作用下，基樁、承臺、地下墻體表面上任一點的接觸應力隨該點的法向位移成正比；(3)樁身、承臺、地下墻體與土之間的黏著力和摩擦力對抵抗水平力的作用；(4)樁頂與承臺剛性連接，承臺的剛度視為無窮大。

“m”法確定的土彈簧剛度，即

其中，m0為土體地基抗力系數；b0為樁身有效作用寬度；h為土彈簧代表的土體高度；z為計算點距樁頂的豎向距離。

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

2.3 力學模型的選擇

上述3種力學模型中，剛性固接模型作為傳統的樁基模型，在沒有較大的水平荷載作用下可以得到較為合理的計算結果。但對于高烈度區的復雜結構或受較大水平荷載作用的結構，若仍采用剛性固接模型，將很難得到合理的計算結果。

根據《建筑樁基技術規范》(JGJ94—2008)5.1.3條規定：屬于以下情況之一的樁基，計算各基樁的作用效應、樁身內力和位移時，宜考慮樁-土協同作用：(1)位于8度和8度以上抗震設防區的建筑，當其樁基承臺剛度較大或由于上部結構與承臺協同作用能增強承臺的剛度時；(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題的方法之一。

六彈簧模型是在剛性固結模型基礎上的一種簡化、抽取和模擬，對于復雜地質條件下多樁承臺，很難準確地確定承臺底6個自由度的彈簧剛度，設計中較少采用。

分布彈簧模型更為真實地反映了上部結構、承臺、樁基與周圍土的相互作用關系，因此工程中最終采用分布彈簧模型進行設計，將樁身沿深度方向劃分為長度不大于1.5 m的受力單位，每個樁單元兩側設置成只受壓彈簧，彈簧的剛度按“m”法進行確定。

3 工程算例

3.1 工程概況

以哈大客運專線沈陽站站房工程為例，應用樁-土作用對旅客站房基礎進行設計，并與柱底剛性固結模型計算結果進行對比。

沈陽站高架站房由下至上分為地下出站通道層、站臺層、高架候車層和商業夾層。高架站房順軌方向軸線寬度103 m，垂軌方向軸線長度220.8 m(設置2道變形縫)。地下出站通道地面高程為-11.50 m，寬55.0 m；站臺層地面高程為±0.00 m；高架候車層樓面高程為9.00 m；商業夾層樓面高程為17.00 m；屋面由混凝土屋面和鋼結構拱形屋面組成。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段，并作為計算單元)。

圖1 沈陽站地下通道標準段平、剖面(單位：mm)

沈陽市夏季最高氣溫達35 ℃以上，冬季最低氣溫達-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。設置伸縮縫后，結構仍為超長結構，溫度效應仍起重要作用。因此，結構溫差的合理取值對結構安全性和經濟性起著控制作用，考慮到混凝土構件對溫度的傳導存在滯后效應，故對混凝土構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 ℃，則主站房混凝土結構升溫+12 ℃；降溫-24 ℃；樓蓋、屋蓋鋼結構升溫25 ℃，降溫-41 ℃。

結構恒載、活載、風荷載、雪荷載、承軌層列車荷載、地下出站通道底板水浮力及側墻土壓力均按相關規范確定[11]。

根據地質勘察報告[12]，場地地層自上向下主要由人工填土、粉質黏土層、細砂層、粗砂層(局部為中砂層)、圓礫層及泥質礫巖組成。站房柱下樁基均采用直徑為1.0 m的鉆孔灌注樁，樁端持力層為泥質礫巖。承臺底高程為-15.30 m，樁身周圍的土層為粗砂層(局部為中砂層)、圓礫層和泥質礫巖。

3.2 分析模型

本工程采用SAP2000 V15建立模型，樁基按實際樁長建立模型，樁基每1.5 m分成一個單元，每一單元設置樁側彈簧，彈簧剛度根據公式(2)進行計算。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；根據地層條件，樁周土第1層為粗砂層，地基抗力系數150 000 kN/m4；第2層為圓礫層，地基抗力系數200 000 kN/m4；第3層為泥質礫巖，地基抗力系數250 000 kN/m4；根據上述參數可確定不同深度處樁側土彈簧剛度值。

對于分布彈簧模型，建模前應先確定柱底樁基數量和平面布置，根據其參數輸入模型。為此本文共建立3個計算模型，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，初步計算出樁底反力，由此確定樁基數量和平面布置，如圖2所示。后兩種模型作為對比模型對計算結果進行對比分析，以驗證樁基分布彈簧模型的準確性。

圖2 樁基數量和平面布置(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周期及振型特征見表1。

與剛性固結模型相比，考慮樁-土作用的站房模型將樁、土模擬成彈性體，使得結構的前6階振型周期延長，結構整體剛度變柔。由此可推斷，在相同溫度作用和地震響應下，考慮樁-土作用可優化結構受力，設計中應加以利用。

表1 不同樁基模型下站房振動頻率和周期

圖4 降溫荷載標準值作用下軸框架內力

兩種計算模型對應于圖中A、B、C、D點在溫度作用下的柱底內力詳見表2。

表2 溫度作用下柱底內力值

從表2中可知，剛性固接模型中柱底內力較分布彈簧模型大，增大量隨著結構自身的剛度不同而有所變化，高架外側框架柱(A、B點)的線剛度較弱，在溫度作用下自身能夠產生一定的變位從而釋放溫度應力，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%；而對于地下出站通道框架柱，由于其±0.000高程處結構層為承軌層，框架梁、柱截面大，且作為地下結構，地下出站通道兩側框架柱與地下擋墻相連，更是進一步增強了結構的整體剛度。在溫度作用下，結構水平方向無法產生有效的變形，因而由溫度作用引起的內力較大，從表2中D點數據可見，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)=3.9，兩者計算結果相差數倍。

表3 D點柱底反力標準值

注：表中D為樓、屋面恒載；L為樓、屋面活載，包括軌行區等效荷載；T+為升溫作用，T-為降溫作用；SC為最不利標準組合；x向為順軌方向、y向為垂軌方向。

表4 D點群樁樁頂作用效應標準值

從表4數據分析，采用分布彈簧模型所得群樁樁頂作用效應較剛性固結模型得到了很大的優化，模型1中試算樁基數量及平面布置可滿足分布彈簧模型柱底力的要求。對于剛性固結模型，根據試樁報告1.0 m直徑樁基水平承載力特征值為750 kN，按樁頂水平力進行設計，基樁數量為18 323.5/750=24.4，將不低于25根，此時樁基平面將無法布置，且樁基工程量巨大；根據承臺頂面豎向力及彎矩進行設計時，同樣將得到不合理的樁基數和平面布置。

在上述驗算過程中，若模型1中試算樁基數量及平面布置不滿足分布彈簧模型柱底力的要求，則需要增加基樁數量和修改承臺尺寸后重新建立模型再次驗算，直到滿足要求，因而采用分布彈簧模型考慮樁-土作用進行設計是一個循環迭代的過程。

目前，沈陽站站房己建成并投入使用，在站房建設過程中取得了較好的經濟效益。

4 結論

(1)對于大型旅客站房地下出站通道，對溫度作用具有一定的敏感性，設計中不可忽略，設計人員應引起高度的重視。

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

(3)通過對哈大客運專線沈陽站高架站房的實例分析，驗證了考慮樁-土作用對旅客站房在溫度作用下基礎設計的合理性，并與剛性固結模型進行對比，得出了旅客站房基礎設計考慮樁-土作用的合理化計算模式，對類似工程具有一定的參考價值。

(4)僅對樁-土作用在旅客站房溫度作用下的基礎設計進行了分析，對于高烈度區的旅客站房在水平地震反應下的響應，樁-土作用在其基礎設計中的應用同樣具有積極的意義。

[1] 鄭健.鐵路旅客站房設計集錦[M].北京：中國鐵道出版社，2006．

[2] 曹永剛.鐵路新的發展時期旅客站房設計研究 [J].鐵道標準設計，2006(6)：84-86．

[3] 倪琛，王舒展，胡楊.大型鐵路客站系統化設計探索[J].建筑創作，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-結構相互作用簡化分析方法[J].哈爾濱工業大學學報，2003，35(5)：561-564．

[6] 王春，王宏東.樁-土作用模型在橋梁設計中的研究與應用[J].工程與建筑，2007，21(5)：770-772．

[7] 中華人民共和國住房和城鄉建設部. 建筑樁基技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2008．

[8] 中華人民共和國交通部.公路橋涵地基與基礎設計規范[S].北京：人民交通出版社，2007．

[9] 周萬清，姜德全.基于m法的高承臺樁復合受力計算分析[J].路基工程，2010(5)：41-43．

[10] 徐培福，傅學怡，等.復雜高層建筑結構設計[M].北京： 中國建筑工業出版社，2005．

[11] 蔡玉軍.哈大客運專線沈陽站站房結構設計與分析[J].鐵道標準設計，2013(3)：106-111．

[12] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.沈陽站新建站房及高架候車樓巖土工程勘察報告[R].西安：中鐵第一勘察設計院集團有公司，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，高級工程師，1993年畢業于西南交通大學工業與民用建筑工程專業，工學學士，E-mail：525980939@qq.com。

1004-2954(2014)02-0117-04

TU248.1

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.02.027