淺析坡地地鐵高架車站的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

蘇 偉

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司鄭州設(shè)計(jì)院，河南鄭州 450001)

高架車站是目前城市軌道交通常見的車站結(jié)構(gòu)形式之一，國內(nèi)地鐵高架車站建設(shè)的主流為“建橋合一”的結(jié)構(gòu)體系。該結(jié)構(gòu)體系建筑空間利用率高，建筑體量小，對城市道路景觀影響較小；結(jié)構(gòu)整體剛度大，抗震能力較強(qiáng)[1-2]。為協(xié)調(diào)兩端橋梁區(qū)間變形，車站一般采用柱下承臺樁基礎(chǔ)，承臺間設(shè)置縱橫向聯(lián)系梁，基樁與承臺全部埋于地下。采用這種結(jié)構(gòu)形式時(shí)，以基礎(chǔ)頂為計(jì)算嵌固端進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)的受力計(jì)算，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)有足夠的剛度保證柱根之間不產(chǎn)生相對位移，且能承受或平衡柱根彎矩。其通過提取計(jì)算結(jié)果的柱底反力驗(yàn)算基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，是一種比較常規(guī)且成熟的計(jì)算方法[3-5]。對于一些因特殊原因修建在坡地上的高架車站，由于場地條件不規(guī)則，導(dǎo)致其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式及受力條件較復(fù)雜，故該類結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)較為特殊。

白春成對坡地建筑的特征、構(gòu)成要素、設(shè)計(jì)方法進(jìn)行探討，并提出坡地建筑設(shè)計(jì)的特殊要求[6]；唐詩義對坡地建筑的基礎(chǔ)、擋土墻及上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了相關(guān)研究，并提出接近工程實(shí)際的有限元軟件模擬分析方法[7]；彭玉萍針對不同的地形條件，研究了坡地建筑物支擋結(jié)構(gòu)形式的區(qū)別設(shè)計(jì)[8]；吳帥，譚方進(jìn)行了坡地建筑抗震特殊性的研究與分析，提出了坡地建筑抗震計(jì)算及抗震構(gòu)造上的一些處理措施[9]；王博對坡地建筑平面及豎向的不規(guī)則性進(jìn)行分析，研究坡地建筑的抗震加強(qiáng)設(shè)計(jì)及理論建模方法[10]。以上研究對坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有很好的指導(dǎo)意義，但基本都是結(jié)合現(xiàn)狀場地條件，將坡地整塊或分層營造為平地環(huán)境后，再按照平地環(huán)境進(jìn)行建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。針對不具備營造平地環(huán)境的坡地建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究較少。

結(jié)合不具備營造平地環(huán)境的地鐵高架車站案例，對其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究。具體研究目標(biāo)為：充分利用既有地勢，在滿足建筑功能使用及結(jié)構(gòu)安全的前提下，盡量減少土石方的開挖，避免形成臨時(shí)高邊坡的支護(hù)處理，以實(shí)現(xiàn)減小施工風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)約施工成本、縮短施工工期的合理化設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1 工程概況

廈門市軌道交通4號線軟三東站為地上2層高架站，車站長137 m，有效站臺長119 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬22.6 m，采用“建橋合一”的結(jié)構(gòu)形式。車站位于現(xiàn)狀山坡上，東西向布置，地勢南高北低，車站北側(cè)緊鄰地鐵車輛段，南側(cè)緊鄰規(guī)劃福廈高鐵(均為同期在建工程)。車輛段位于山坡坡腳處，上蓋物業(yè)開發(fā)廣場與車站站廳層順接，福廈高鐵線路基本位于坡頂處，采用樁基礎(chǔ)，與車站結(jié)構(gòu)外緣最近處約6 m，見圖1。

圖1 車站基礎(chǔ)平面

受南北側(cè)相鄰在建工程的影響，車站站址場地不具備營造平地環(huán)境的條件。應(yīng)業(yè)主要求，本工程需結(jié)合地形依山就勢進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，以減少大面積土石方開挖回填及臨時(shí)高邊坡的防護(hù)處理。經(jīng)統(tǒng)籌考慮，決定采用吊腳結(jié)構(gòu)柱樁基礎(chǔ)，將車站首層進(jìn)行架空處理，在架空層以上進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?；鶚稙棣?.0 m的鉆孔灌注樁，樁身自上而下穿過雜填土、殘積砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，樁底持力層為中風(fēng)化花崗巖，見圖2。

圖2 車站剖面

2 結(jié)構(gòu)方案

本工程設(shè)計(jì)使用年限為100年，結(jié)構(gòu)安全等級為一級，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級為甲級，抗震設(shè)防烈度為7度，為重點(diǎn)設(shè)防類建筑物。依據(jù)相關(guān)規(guī)范，本工程抗震等級為二級，但該車站為坡地建筑物，受力邊界條件復(fù)雜，車站框架抗震等級應(yīng)提高至一級。

如圖2，多數(shù)基樁埋在土體中，少數(shù)基樁部分樁身露出土體以外。這種露樁基礎(chǔ)可能會導(dǎo)致露出土體外的樁形成短柱，或在缺乏土體約束時(shí)，計(jì)算長度增加。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，選擇吊腳結(jié)構(gòu)柱樁基礎(chǔ)體系時(shí)，地震工況下，地面以上的樁身往往出現(xiàn)較嚴(yán)重的破壞。因此，除考慮坡地建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特殊性外，還應(yīng)重視樁基礎(chǔ)地震工況下的強(qiáng)度及延性設(shè)計(jì)，主要考慮以下幾個(gè)方面。

(1)本工程場地高程變化較大，且緊鄰?fù)谠诮üこ?。因此，建筑結(jié)構(gòu)方案應(yīng)充分利用既有地形，避免大體量開挖及臨時(shí)高邊坡的產(chǎn)生。同時(shí)，應(yīng)結(jié)合地勘資料對場地穩(wěn)定性進(jìn)行評估。

(2)本工程采用吊腳結(jié)構(gòu)柱樁基礎(chǔ)體系，利用柱下樁基將坡地架空成平臺后再在其上修建建筑物。吊腳基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)缺少土體約束，整體剛度較小，應(yīng)加強(qiáng)吊腳結(jié)構(gòu)的整體剛度設(shè)計(jì)，避免形成薄弱層，并滿足上部結(jié)構(gòu)柱底作為嵌固端的計(jì)算假定。

(3)車站基礎(chǔ)部分樁身露在土體以上，坡地環(huán)境削弱了土體對樁基的約束。因此，應(yīng)將樁基視為框架柱結(jié)構(gòu)，重視其在地震工況下的強(qiáng)度及延性設(shè)計(jì)，并研究框架柱設(shè)計(jì)的樁身長度范圍。

(4)樁基應(yīng)穿透邊坡滑裂面，并保證足夠的嵌固深度及抗剪強(qiáng)度。

3 結(jié)構(gòu)處理措施

3.1 邊坡處理

地鐵車站位于現(xiàn)狀坡地上，地鐵車輛段位于坡腳處。為避免邊坡失穩(wěn)，引起崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，需進(jìn)行削坡設(shè)計(jì)，以形成永久邊坡，邊坡的使用年限不得低于周邊建筑物的使用年限。擬建場地未發(fā)現(xiàn)滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，現(xiàn)狀地質(zhì)災(zāi)害危害性小。結(jié)合車站基礎(chǔ)及建筑布置方案，采用“兩級放坡預(yù)留平臺+直立式重力式擋墻(護(hù)腳墻)+截排水系統(tǒng)”的綜合支護(hù)方案，平臺及坡面采用M10漿砌片石護(hù)面，見圖3。

圖3 邊坡設(shè)計(jì)剖面(單位：m)

依據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330—2013)，采用圓弧滑動法計(jì)算邊坡滑動安全系數(shù)，利用理正巖土6.5 PB2軟件進(jìn)行驗(yàn)算，邊坡滑動安全系數(shù)為1.72，滿足規(guī)范規(guī)定的一級永久邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)不小于1.35的要求，邊坡穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

3.2 計(jì)算嵌固端的確定

嵌固端為上部建筑的錨固位置，即基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的剛性連接點(diǎn)，是結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析時(shí)柱底為固端的假定。對于一般工程，選擇基礎(chǔ)頂為嵌固端。

為保證基礎(chǔ)整體剛度，在樁頂兩個(gè)互相垂直的方向上設(shè)置聯(lián)系梁，同時(shí)考慮樁周土體對基礎(chǔ)的約束，上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析計(jì)算選擇基礎(chǔ)頂部(假定嵌固端)，見圖4。因車站部分樁基結(jié)構(gòu)露出土體，缺少土體約束，樁頂具有一定的位移，選擇樁基頂部作為計(jì)算嵌固端時(shí)，上部結(jié)構(gòu)偏于安全，下部結(jié)構(gòu)偏于不安全。因此，在驗(yàn)算樁基時(shí)采用Midas Gen，將上部結(jié)構(gòu)與樁基結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體建模分析，以車站北側(cè)相鄰的車輛段場地高程作為模擬地面線(見圖4)，地面線以上樁身不考慮土體約束作用，地面線以下樁土間的作用通過節(jié)點(diǎn)彈性支承進(jìn)行土彈簧模擬。本工程樁基為嵌巖樁，樁底采用一般支承進(jìn)行平動約束，見圖5。

圖4 計(jì)算嵌固端及模擬地面線

圖5 整體模型

本工程建設(shè)場地環(huán)境比較復(fù)雜，且現(xiàn)場涉及三項(xiàng)工程交叉施工，后期山體邊坡設(shè)計(jì)方案與實(shí)際竣工成型方案有可能不符。因此，本工程按高樁模擬計(jì)算(不考慮模擬地面線以上土彈簧作用)。

3.3 樁基受力計(jì)算

由Midas Gen建立車站上部及下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)整體模型，計(jì)算模型如圖5所示。

樁基按每延米分段，采用Midas梁單元進(jìn)行模擬，材料為C35混凝土，截面采用“數(shù)據(jù)庫/用戶”實(shí)腹圓形截面，直徑為2 000 mm。樁基地彈簧的模擬采用“節(jié)點(diǎn)彈性支承”，類型選擇為“線性”(模擬多向受壓)，輸入水平向和豎向地彈簧剛度。樁底采用一般彈性支承。

依據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50909—2014)附錄B，樁側(cè)水平地基彈簧初設(shè)剛度為

kh=KhDΔl

(1)

式中kh——樁側(cè)水平地基彈簧初設(shè)剛度/(kN/m)；

Kh——樁側(cè)水平基床系數(shù)/(kN/m3)；

Δl——水平彈簧剛度計(jì)算范圍內(nèi)樁長度/m；

D——樁的直徑或?qū)挾?m。

樁身分別穿越殘積砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖及中風(fēng)化花崗巖，按照地勘提供的樁側(cè)水平基床系數(shù)，分別計(jì)算各段巖土體樁側(cè)水平地基彈簧初始剛度，并通過模型節(jié)點(diǎn)彈性支承，進(jìn)行土彈簧模擬。

本工點(diǎn)場區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)地震加速度值為0.15g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45 s，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，建筑場地類別屬于Ⅱ類。按承載力極限狀態(tài)法進(jìn)行計(jì)算，圖6、圖7、圖8所示為各組合下最不利包絡(luò)內(nèi)力值。

圖6 Nmax最大軸力

圖7 Vmax最大剪力

圖8 Mmax最大彎矩

由圖6～圖8可知，樁基主要彎矩及剪力區(qū)域位于樁頂至模擬地面線以下10 m范圍內(nèi)。此段樁身按照框架柱設(shè)計(jì)，其中，Nmax=20 073 kN、Vmax=3 775 kN、Mmax=19 341 kN·m。經(jīng)驗(yàn)算，樁基需配置38束φ28 mm雙并主筋，主筋外側(cè)設(shè)置φ12 mm螺旋箍筋，內(nèi)側(cè)布置φ14 mm復(fù)合箍筋。樁頂至模擬地面線以下10 m范圍外的樁身按樁基構(gòu)造配筋，并設(shè)置一段配筋過渡段。過渡段樁基配置38根φ28 mm主筋，主筋外側(cè)設(shè)置φ12 mm螺旋箍筋，取消復(fù)合箍筋。過渡段外樁基配置19根φ28 mm主筋，主筋外側(cè)設(shè)置φ12 mm螺旋箍筋，見圖9。

圖9 樁基配筋

3.4 樁基嵌固深度

本工程坐落于永久邊坡上，為保證車站基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，樁基需穿透邊坡滑裂面。在發(fā)生滑坡的特殊工況下，樁基有可能首先發(fā)揮抗滑樁的作用。因此，要保證樁基具有足夠的抗剪強(qiáng)度。

采用漿砌片石永久支護(hù)邊坡，兩級放坡，通過分析邊坡最不利滑裂面及下滑力，對樁基深度及樁基抗剪進(jìn)行驗(yàn)算。

如圖10，計(jì)算結(jié)果顯示，邊坡最不利滑動圓心為(6.368，30.513) m，滑動半徑為34.46 m，總的下滑力為2 986 kN，可知邊坡最不利滑裂面的最深處位于樁基計(jì)算模擬地面線以下3.95 m(均穿透邊坡滑裂面)。

圖10 邊坡最不利滑裂面(單位：m)

假設(shè)地震工況下邊坡按最不利滑裂面發(fā)生滑坡，車站范圍內(nèi)樁基周邊土體抗滑力優(yōu)先由車站樁基抵抗，不考慮其余抗滑力?？紤]樁側(cè)阻土體效應(yīng)，樁基按照抵抗2倍樁徑寬度土條下滑力進(jìn)行驗(yàn)算。邊坡水平投影長度為41.5 m，車站基礎(chǔ)布置范圍水平投影長度為27.5 m，可等效簡化計(jì)算出車站單根樁基承擔(dān)的抗滑力為1 979 kN。地震工況下，樁基同時(shí)承受上部結(jié)構(gòu)荷載傳遞的剪力(3 775 kN)，樁身最大剪力值為5 754 kN。

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010—2010)條， 圓形截面按照等效慣性矩方柱計(jì)算:b=1.76×r=1.76×1=1.760 m，h0=1.6×r=1.60×1=1.6 m。依據(jù)“混凝土規(guī)范”式11.3.3及11.4.7，樁基截面尺寸及配筋構(gòu)造均滿足抗剪要求。

4 結(jié)束語

通過對廈門軌道交通軟三東站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的深入分析，對不具備營造平地環(huán)境(或?yàn)闇p少土石方量)的坡地地鐵高架站，其基礎(chǔ)方案可采取柱與樁直接連接的柱樁基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)過程中要重視以下幾點(diǎn)。

(1)在未經(jīng)“營造局部平地”的坡地環(huán)境，要采取措施保證坡體及建筑物的整體穩(wěn)定。

(2)車站上部結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量采用規(guī)則布置，并加強(qiáng)下部基礎(chǔ)的整體剛度設(shè)計(jì)。

(3)對于車站的樁基礎(chǔ)，由于周邊土體約束條件的不同，實(shí)際工程中會發(fā)生水平位移，并可能承受較大的地震力。因此，應(yīng)加強(qiáng)樁基礎(chǔ)的抗震設(shè)計(jì)。

(4)車站樁基礎(chǔ)要保證足夠的嵌入深度及抗剪強(qiáng)度，以滿足整體穩(wěn)定性的要求。