桩-土作用在大型旅客站房基础设计中的应用

李铁柱

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

桩-土作用在大型旅客站房基础设计中的应用

李铁柱

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

当大型旅客站房基础与地下出站通道重叠时,由于地下出站通道刚度大、结构超长,且属半露天地下结构,对温度作用变化明显,利用传统的刚性固结模型对站房基础进行设计时较难得到合理的结果或造成巨大的浪费。论述桩-土作用机理的复杂性,并对桩-土作用力学模型进行分析。通过分布弹簧模型对旅客站房在温度作用下的结构内力进行分析,并与刚性固结模型计算结果进行对比,得出旅客站房基础设计考虑桩-土作用的合理化计算模式。

大型旅客站房；温度作用；桩-土作用；力学模型；分布弹簧模型；基础设计

1 概述

随着我国铁路客运专线、城际铁路、城市轨道交通的快速发展，省会级城市涌现出大量以铁路客站为中心节点、集多种交通方式于一体的大型旅客站房。目前已建成的代表性站房有北京南站、西安北站、长春西站、郑州东站及沈阳站等。虽然各站房建筑造型各异，但其站房功能分区大致相同，一般由地下出站通道(含两侧站台下地道楼扶梯通道)、站台(承轨)层、高架候车层以及高架商业夹层四部分组成[1-3]。地下出站通道作为地下结构埋置于地下，起着衔接高架站房基础与上部结构的作用。

对于传统的地下结构，在使用过程中均埋置在土中，对外的出口较少，受外界温差的影响也较小，且在设计过程中通过设置结构伸缩变形缝进一步减弱温度作用对地下主体结构的影响，其温度应力一般不会超过混凝土的极限抗拉强度，因此在对此类地下结构设计过程中往往不考虑地下结构自身的温度作用。但对大型旅客站房的地下出站通道而言，受车场及地下室防水要求往往采用超长结构形式，其两侧与露天站台直接连通，开口率达到25%～35%，且地下出站通道顶板作为站台层与大气相连，因此外界的温差对地下通道结构的影响较大，一般不能忽略，尤其对于严寒地区的站房。

站房基础形式往往采用桩基础，柱端按刚性固结进行假定，计算时若考虑地下结构的温度作用，由于地下出站通道自身的刚度大，由温度作用引起的柱底水平力及弯矩巨大，按此进行桩基基础设计时较难得到合理的结果或造成巨大的浪费。由此本文引入桩-土作用机理，对旅客站房在温度作用下的基础设计进行分析。

2 桩-土作用及力学模型

2.1 桩-土作用力学模型[4-5]

(1)刚性固结模型。框架柱(墙肢)支承在刚性承台上，承台下采用群桩基础，因此荷载作用下框架柱(墙肢)边界条件可简化为刚性固结，这是一种最为简单但误差较大的模型。

(2)六弹簧模型。考虑桩-土作用时，处理边界条件最常用的方法就是用承台底6个自由度的弹簧刚度模拟桩-土相互作用，6弹簧刚度是指竖向刚度、双向水平抗侧刚度、绕两个水平轴的抗转动刚度及绕竖向轴的抗扭转刚度。

(3)分布弹簧模型。将桩沿其桩长划分为若干单元，在每个桩单元节点两侧设置仅受压弹簧(简称土弹簧)，每个土弹簧模拟该处节点上、下单元各一半范围内土体对桩身的水平作用，每个弹簧刚度可根据不同的桩-土作用关系予以求解，最为常用的确定土弹簧的方法为“m”法。

2.2 桩-土作用

桩在横向力以及弯矩作用下将会产生水平位移及转角，从而使桩挤压桩侧土体，桩侧土必然对桩产生横向抗力。桩-土作用实质上是桩身内力与变形关系，这种关系体现出一种极其复杂的非线性。由于计算参数的不确定性、空间的三维甚至四维(包括时间因素)性质，造成桩-土之间的非线性关系无法用解析的方法予以表述[6]，这样就给计算带来极大不便。为了便于计算，设计中常采用线弹性法进行分析，即在一定桩顶位移内采用“m”法[7-9]，其理论满足以下几条基本假定：(1)将土体视为弹性介质，其水平抗力系数随深度线性增加，地面处为零；(2)在水平力和竖向压力作用下，基桩、承台、地下墙体表面上任一点的接触应力随该点的法向位移成正比；(3)桩身、承台、地下墙体与土之间的黏着力和摩擦力对抵抗水平力的作用；(4)桩顶与承台刚性连接，承台的刚度视为无穷大。

“m”法确定的土弹簧刚度，即

其中，m0为土体地基抗力系数；b0为桩身有效作用宽度；h为土弹簧代表的土体高度；z为计算点距桩顶的竖向距离。

为简化计算，以土弹簧位置处的地基系数近似代替土弹簧所代表的土体地基系数，于是(1)式可简化为

2.3 力学模型的选择

上述3种力学模型中，刚性固接模型作为传统的桩基模型，在没有较大的水平荷载作用下可以得到较为合理的计算结果。但对于高烈度区的复杂结构或受较大水平荷载作用的结构，若仍采用刚性固接模型，将很难得到合理的计算结果。

根据《建筑桩基技术规范》(JGJ94—2008)5.1.3条规定：属于以下情况之一的桩基，计算各基桩的作用效应、桩身内力和位移时，宜考虑桩-土协同作用：(1)位于8度和8度以上抗震设防区的建筑，当其桩基承台刚度较大或由于上部结构与承台协同作用能增强承台的刚度时；(2)其他受较大水平力的桩基。因此，考虑桩-土作用的六弹簧模型或分布弹簧模型是处理该问题的方法之一。

六弹簧模型是在刚性固结模型基础上的一种简化、抽取和模拟，对于复杂地质条件下多桩承台，很难准确地确定承台底6个自由度的弹簧刚度，设计中较少采用。

分布弹簧模型更为真实地反映了上部结构、承台、桩基与周围土的相互作用关系，因此工程中最终采用分布弹簧模型进行设计，将桩身沿深度方向划分为长度不大于1.5 m的受力单位，每个桩单元两侧设置成只受压弹簧，弹簧的刚度按“m”法进行确定。

3 工程算例

3.1 工程概况

以哈大客运专线沈阳站站房工程为例，应用桩-土作用对旅客站房基础进行设计，并与柱底刚性固结模型计算结果进行对比。

沈阳站高架站房由下至上分为地下出站通道层、站台层、高架候车层和商业夹层。高架站房顺轨方向轴线宽度103 m，垂轨方向轴线长度220.8 m(设置2道变形缝)。地下出站通道地面高程为-11.50 m，宽55.0 m；站台层地面高程为±0.00 m；高架候车层楼面高程为9.00 m；商业夹层楼面高程为17.00 m；屋面由混凝土屋面和钢结构拱形屋面组成。地下出站通道建筑平面及剖面如图1所示(仅示意其中一温度区段，并作为计算单元)。

图1 沈阳站地下通道标准段平、剖面(单位：mm)

沈阳市夏季最高气温达35 ℃以上，冬季最低气温达-26 ℃以下。全年平均气温在8.1 ℃左右，最热月平均温度22.3 ℃，最冷月平均温度-9.1 ℃，极端温差较大。设置伸缩缝后，结构仍为超长结构，温度效应仍起重要作用。因此，结构温差的合理取值对结构安全性和经济性起着控制作用，考虑到混凝土构件对温度的传导存在滞后效应，故对混凝土构件的温差取月平均最高和最低温度与合龙温度的差值[10]。本工程施工合龙温度要求控制在10～15 ℃，则主站房混凝土结构升温+12 ℃；降温-24 ℃；楼盖、屋盖钢结构升温25 ℃，降温-41 ℃。

结构恒载、活载、风荷载、雪荷载、承轨层列车荷载、地下出站通道底板水浮力及侧墙土压力均按相关规范确定[11]。

根据地质勘察报告[12]，场地地层自上向下主要由人工填土、粉质黏土层、细砂层、粗砂层(局部为中砂层)、圆砾层及泥质砾岩组成。站房柱下桩基均采用直径为1.0 m的钻孔灌注桩，桩端持力层为泥质砾岩。承台底高程为-15.30 m，桩身周围的土层为粗砂层(局部为中砂层)、圆砾层和泥质砾岩。

3.2 分析模型

本工程采用SAP2000 V15建立模型，桩基按实际桩长建立模型，桩基每1.5 m分成一个单元，每一单元设置桩侧弹簧，弹簧刚度根据公式(2)进行计算。工程中，基桩的桩身有效作用宽度b0=0.9×(1.5×1.0+0.5)=1.8 m；土弹簧代表的土体高度h=1.5 m；根据地层条件，桩周土第1层为粗砂层，地基抗力系数150 000 kN/m4；第2层为圆砾层，地基抗力系数200 000 kN/m4；第3层为泥质砾岩，地基抗力系数250 000 kN/m4；根据上述参数可确定不同深度处桩侧土弹簧刚度值。

对于分布弹簧模型，建模前应先确定柱底桩基数量和平面布置，根据其参数输入模型。为此本文共建立3个计算模型，分别为模型1不考虑地下出站通道温度作用的柱底刚性固接模型、模型2考虑地下出站通道温度作用的柱底刚性固接模型和模型3考虑地下出站通道温度作用的桩基分布弹簧模型。

通过先建立不考虑地下出站通道温度作用的柱底刚性固接模型1，初步计算出桩底反力，由此确定桩基数量和平面布置，如图2所示。后两种模型作为对比模型对计算结果进行对比分析，以验证桩基分布弹簧模型的准确性。

图2 桩基数量和平面布置(单位：mm)

站房桩基分布弹簧模型如图3所示。

图3 站房桩基分布弹簧模型

3.3 分析结果

采用子空间迭代法得到的两种模型的前6周期及振型特征见表1。

与刚性固结模型相比，考虑桩-土作用的站房模型将桩、土模拟成弹性体，使得结构的前6阶振型周期延长，结构整体刚度变柔。由此可推断，在相同温度作用和地震响应下，考虑桩-土作用可优化结构受力，设计中应加以利用。

表1 不同桩基模型下站房振动频率和周期

图4 降温荷载标准值作用下轴框架内力

两种计算模型对应于图中A、B、C、D点在温度作用下的柱底内力详见表2。

表2 温度作用下柱底内力值

从表2中可知，刚性固接模型中柱底内力较分布弹簧模型大，增大量随着结构自身的刚度不同而有所变化，高架外侧框架柱(A、B点)的线刚度较弱，在温度作用下自身能够产生一定的变位从而释放温度应力，因此2种模型所得出的柱底反力相差不大，相差值不大于10%；而对于地下出站通道框架柱，由于其±0.000高程处结构层为承轨层，框架梁、柱截面大，且作为地下结构，地下出站通道两侧框架柱与地下挡墙相连，更是进一步增强了结构的整体刚度。在温度作用下，结构水平方向无法产生有效的变形，因而由温度作用引起的内力较大，从表2中D点数据可见，在降温工况下2种模型所得出的柱底剪力和弯矩比值分别为(-3 590.5)/(-2 119.5)=1.70、(-9 305.7)/(-2 371.3)=3.9，两者计算结果相差数倍。

表3 D点柱底反力标准值

注：表中D为楼、屋面恒载；L为楼、屋面活载，包括轨行区等效荷载；T+为升温作用，T-为降温作用；SC为最不利标准组合；x向为顺轨方向、y向为垂轨方向。

表4 D点群桩桩顶作用效应标准值

从表4数据分析，采用分布弹簧模型所得群桩桩顶作用效应较刚性固结模型得到了很大的优化，模型1中试算桩基数量及平面布置可满足分布弹簧模型柱底力的要求。对于刚性固结模型，根据试桩报告1.0 m直径桩基水平承载力特征值为750 kN，按桩顶水平力进行设计，基桩数量为18 323.5/750=24.4，将不低于25根，此时桩基平面将无法布置，且桩基工程量巨大；根据承台顶面竖向力及弯矩进行设计时，同样将得到不合理的桩基数和平面布置。

在上述验算过程中，若模型1中试算桩基数量及平面布置不满足分布弹簧模型柱底力的要求，则需要增加基桩数量和修改承台尺寸后重新建立模型再次验算，直到满足要求，因而采用分布弹簧模型考虑桩-土作用进行设计是一个循环迭代的过程。

目前，沈阳站站房己建成并投入使用，在站房建设过程中取得了较好的经济效益。

4 结论

(1)对于大型旅客站房地下出站通道，对温度作用具有一定的敏感性，设计中不可忽略，设计人员应引起高度的重视。

(2)对桩-土作用模式及力学模型进行了讨论，提出“m”法确定土弹簧是综合规范并适合计算程序的一种方法；同时引入分布弹簧模型对桩-土作用的边界进行模拟。

(3)通过对哈大客运专线沈阳站高架站房的实例分析，验证了考虑桩-土作用对旅客站房在温度作用下基础设计的合理性，并与刚性固结模型进行对比，得出了旅客站房基础设计考虑桩-土作用的合理化计算模式，对类似工程具有一定的参考价值。

(4)仅对桩-土作用在旅客站房温度作用下的基础设计进行了分析，对于高烈度区的旅客站房在水平地震反应下的响应，桩-土作用在其基础设计中的应用同样具有积极的意义。

[1] 郑健.铁路旅客站房设计集锦[M].北京：中国铁道出版社，2006．

[2] 曹永刚.铁路新的发展时期旅客站房设计研究 [J].铁道标准设计，2006(6)：84-86．

[3] 倪琛，王舒展，胡杨.大型铁路客站系统化设计探索[J].建筑创作，2012(3)：77-85．

[4] 曾彦，曾勇，赵顺波.钢管混凝土叠合柱式桥墩考虑桩土作用的地震效应分析[J].路基工程，2012(2)：29-33．

[5] 肖晓春，迟世春,等.水平地震下土-桩-结构相互作用简化分析方法[J].哈尔滨工业大学学报，2003，35(5)：561-564．

[6] 王春，王宏东.桩-土作用模型在桥梁设计中的研究与应用[J].工程与建筑，2007，21(5)：770-772．

[7] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑桩基技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008．

[8] 中华人民共和国交通部.公路桥涵地基与基础设计规范[S].北京：人民交通出版社，2007．

[9] 周万清，姜德全.基于m法的高承台桩复合受力计算分析[J].路基工程，2010(5)：41-43．

[10] 徐培福，傅学怡，等.复杂高层建筑结构设计[M].北京： 中国建筑工业出版社，2005．

[11] 蔡玉军.哈大客运专线沈阳站站房结构设计与分析[J].铁道标准设计，2013(3)：106-111．

[12] 中铁第一勘察设计院集团有限公司.沈阳站新建站房及高架候车楼岩土工程勘察报告[R].西安：中铁第一勘察设计院集团有公司，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

李铁柱(1971—)，男，高级工程师，1993年毕业于西南交通大学工业与民用建筑工程专业，工学学士，E-mail：525980939@qq.com。

1004-2954(2014)02-0117-04

TU248.1

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.02.027