深厚軟弱土層中地鐵車站復合墻結構受力分析

湯梅芳

(中鐵二院華東勘察設計有限責任公司，浙江 杭州 310004)

0 引言

近年來，地鐵作為緩解交通壓力的一條重要途徑得到了快速發展［1］，特別是在東部沿海城市。由于沿海地區軟土層一般較厚，地鐵車站采用復合墻結構時，施工相對簡易，施工質量較有保證，且圍護結構對內襯墻約束較少，可有效防止裂縫的產生，因此在具備施工場地條件的情況下地鐵車站采用復合墻結構的占大多數。

復合墻的圍護結構作為主體結構側墻的一部分，與內襯墻組成復合式結構，墻面之間不能傳遞剪力和彎矩，只能傳遞法向壓力［2］。對于長期使用階段復合墻結構的計算，以鏈桿模型較為合理，同時考慮圍護結構剛度折減［3］。本文通過一個軟土地區的標準地下二層車站來分析車站復合墻結構受力特點，得出一些結論希望對類似地區車站的復合墻結構設計有所裨益。

1 工程概況

某軟土地層中地下二層雙柱三跨標準車站，總長180 m，標準段寬20.3 m，車站埋深16.5 m，覆土約3.8 m。車站穿越地層從上至下依次是淤泥質粘土、淤泥質粉質粘土夾粉土、淤泥質粘土及粉質粘土層，底板置于淤泥質粉質粘土中。圍護結構采用800 mm 地下連續墻，主體結構采用復合墻型式，站廳層結構凈高為4 650 mm，站臺層結構凈高為6 310 mm。頂板、中板、底板厚度分別是800 mm，400 mm，900 mm，側墻厚度為600 mm。

2 復合墻結構受力特性

軟土具有天然含水量高、天然孔隙比大、壓縮性高、抗剪強度低、側壓力系數大等特點;為了了解深厚軟土地層中復合墻結構的受力特性，本次結構計算采用SAP2000 軟件進行有限元分析，側墻與圍護結構間由兩端鉸接鏈桿模擬，只傳遞壓力，不能傳遞剪力及彎矩，荷載組合取長期使用階段的基本組合。

計算簡圖見圖1，側墻與圍護之間剛性鏈桿豎向間距約1 m。

2.1 荷載取值

1)永久荷載。

結構自重:鋼筋混凝土重度γ=25 kN/m3。

覆土荷載:覆土重度γ=19 kN/m3。

浮力:按地下水位到地面的全部水浮力計。

側向水土荷載:采用靜止土壓力，使用階段水土分算，靜止側壓力系數根據地質報告取0.6。

2)可變荷載。

人群荷載:4 kN/m2。

設備荷載:設備區一般可按8 kN/m2進行計算。

地面超載:20 kN/m2。

圖1 長期使用階段計算簡圖

2.2 計算結果分析

框架結構軸力設計值計算結果見圖2，彎矩及剪力設計值詳見表1。

圖2 框架結構軸力圖（單位：kN）

表1 彎矩及剪力設計值(一)

根據計算結果可知:頂板支座下1 m、中板支座、底板支座上1 m 范圍內的鏈桿是受壓的，其余鏈桿是受拉的，即復合墻結構鏈桿呈現出支座處受壓、跨中受拉的特點。

因此可考慮采用簡化后的鏈桿模型，即僅在頂板、中板及底板位置增加剛性鏈桿，簡化鏈桿模型的計算簡圖如圖3所示。

圖3 簡化鏈桿模型

根據簡化后的鏈桿模型算出來的框架結構的內力詳見表2。

表2 彎矩及剪力設計值(二)

采用簡化后的鏈桿模型得到的框架結構內力與鏈桿模型計算結果相差不大，配筋相同。

3 覆土厚度對復合墻結構受力的影響分析

由于實際工程中車站覆土并不是恒定的，為進一步了解覆土厚度對復合墻結構的受力影響，針對上述地下二層地鐵車站，覆土厚度分別取1.5 m，3 m，4.5 m，框架結構軸力計算結果見圖4～圖6。

圖4 覆土厚1.5 m時框架結構軸力圖（單位：kN）

圖5 覆土厚3 m 時框架結構軸力圖（單位：kN）

根據以上計算結果可知，覆土厚度在1.5 m～4.5 m 范圍內變化時，復合墻結構鏈桿呈現出支座范圍內受壓、跨中受拉的特點，進一步說明可以采用簡化鏈桿模型進行計算。

4 坑底加固對復合墻結構受力的影響分析

圖6 覆土厚4.5 m 時框架結構軸力圖（單位：kN）

圖7 地基加固后框架結構軸力圖（單位：kN）

在軟土地層中，為保證基坑的安全及減小圍護結構的變形對周邊建筑物的影響，會對坑底以下土層采取地基加固措施，未加固地層的水平向基床系數取10 000 kPa/m，加固后的地層水平向基床系數取40 000 kPa/m，其余計算條件不變，框架結構軸力計算結果見圖7。

根據計算結果可知，基坑底部采取地基加固后，復合墻鏈桿受力與未加固時情況類似，即復合墻結構鏈桿在支座范圍內受壓，在跨中受拉。因此無論坑底地基加固與否，均可以采用簡化鏈桿模型進行計算。

5 圍護結構剛度對復合墻結構受力的影響分析

在軟土地層中，為保證基坑的安全及減小圍護結構的變形對周邊建筑物的影響，會采用剛度大的圍護結構，當其余條件不變，地下連續墻厚度分別為1.0 m，1.2 m 時，框架結構軸力計算結果見圖8，圖9。

圖8 1.0 m 厚地下連續墻框架結構軸力圖（單位：kN）

圖9 1.2 m 厚地下連續墻框架結構軸力圖（單位：kN）

根據計算結果可知，當其余條件不變，地下連續墻厚度改為1.0 m，1.2 m 時，復合墻鏈桿受力與地墻厚度0.8 m 時情況類似，即復合墻結構鏈桿在支座處受壓，在跨中受拉。因此無論何種圍護結構，均可以采用簡化鏈桿模型進行計算。

6 結語

基于軟土天然含水量高、側壓力系數大等特點，文章從某一軟弱土層地區的地鐵標準二層車站工程出發，分析了車站復合墻結構的受力特點，得到若干結論:1)復合墻結構鏈桿呈現出支座范圍內受壓，跨中受拉的特點;2)車站頂板覆土厚度在1.5 m～4.5 m 范圍內時，車站覆土厚度對復合墻結構受力特點影響不大;3)坑底地基加固及地下連續墻剛度對復合墻結構受力特點影響不大;4)復合墻結構受力可用簡化的鏈桿模型進行計算分析，即僅在頂板支座、中板支座及底板支座處增加鏈桿。

以上結論可為以后類似工程的設計及計算分析提供參考。

［1］劉 蕊，李延濤，楊德健，等.軟土地區地鐵車站地震響應分析［J］.地震工程學報，2010(8):120-121.

［2］徐向輝.明挖地鐵車站疊合墻與復合墻方案比選［J］.鐵道標準設計，2005(12):77-80.

［3］羅 旭.地鐵車站復合墻結構受力模型淺析［J］.廣東建材，2011(5):163-165.