某站房桩承扶壁式挡墙的设计与计算

2014-01-03谢瑞丰

铁道标准设计 2014年1期

关键词：站房挡墙内力

谢瑞丰

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

1 概述

线侧下式站房［1］是铁路站房中一种基本的站房形式。它是指站房位于站场的一侧，站房首层地面高程低于站台高程(图1)。在城市附近，由于受到既有或规划高程等因素的制约，导致车站所在广场及路网无法与铁路线网高程一致时，采取此类站房形式。

图1 站房立面

由于线侧下式站房和站台存在高度差，而站房与站台距离不能满足站台填方放坡的要求，所以需要在站台设置支挡结构收坡。线侧下式站房的支挡结构设计一直是铁路路基设计中棘手的问题，站台与通道的高差大，通道内情况复杂，各种结构物交错。为保证人行通道空间，要求收坡的支挡结构面坡平直，基础尺寸不能太大，但有时车站地基条件不太好，尺寸受限，支挡结构的稳定性及承载力无法满足设计要求。桩承扶壁式挡墙是扶壁式挡土板和桩的组合形式，由承台连接。该种支挡形式底板尺寸较小，同时墙面平直，能够很好地应用于线侧下式站房。结合工程实例，详细论述桩承扶壁式挡墙的计算方法和在线侧下式站房中的应用。

2 计算分析

常规的扶壁式挡墙在外部稳定性计算时，是按照平面应变问题验算每延米挡墙的抗滑移、抗倾覆稳定以及地基承载力。对于墙身内力计算是将空间结构简化为平面问题，用近似的方法将扶壁式挡墙分成各个构件计算各自的内力。而对于桩承扶壁式挡墙，上部挡土板、中部承台及下部桩基连成整体，共同承担水平荷载和竖向荷载［2］，受力较为复杂，目前没有明确的计算方法。根据此类支挡结构的受力特点，做必要的简化，提出外部稳定性验算和结构内力计算的方法。

2.1 外部稳定验算

桩承扶壁式挡墙的外部稳定不再依靠挡墙墙身自重及墙后填土重力来保证。以灌注桩作为挡墙基础后，是由桩基础来抵抗挡墙的倾覆、滑移及竖向力。所以该支挡结构外部稳定性应从桩基竖向承载力、桩顶水平位移控制两个方面进行考虑。

(1)荷载分析

桩承扶壁式挡墙受力主要包括:挡墙自重、墙后填土土重、填料土压力、站台人行和车行活载、地震力等，受力模式如图2所示。其中后排桩(以填土侧为后)桩后侧水平向荷载是填土产生的水平土压力。填料土压力计算应注意采用库伦和朗肯土压力时，墙后假想墙背不一样。

(2)外部稳定计算范围

进行整体稳定计算时，上部扶壁式挡土板可视为普通的悬臂刚性结构，仅仅起到传递上部土压力和站台人行、车行荷载的作用。由于沿线路方向一般荷载很小且纵向的延伸长度大，一般不存在稳定问题，而横向受力大小一般近似认为沿线路方向是相同的，所以空间稳定计算可简化为平面稳定计算。计算时取桩两侧各1/2的桩间距为计算宽度。计算应考虑多个工况，取最不利工况的计算结果为设计结果［3］。

图2 挡墙受力示意

(3)桩基稳定计算

桩基竖向力计算时，由于线侧下式站房建设场地有限，承台尺寸不宜太大，同时由于挡墙高度大，上部弯矩大，有可能导致前排桩竖向轴力很大，后排桩轴力较小，这时应尽量调整桩间距，优化受力，同时也可以根据受力情况，采用桩底后压浆等措施增加桩基的竖向承载力［4］。

由于此类结构形式承受水平荷载。钢筋混凝土桩在发生较大位移时，往往桩已经开裂了，所以用桩基水平位移的计算来代替水平承载力的检算［5］。当场区地基条件为淤泥、软土或者承载力较低的土质地层，计算采用m法更为合适。桩顶水平位移控制值应该根据现场桩的水平荷载试验来确定，缺少试验值时，本文建议采用以下经验公式计算

式中，m为土的水平反力系数的比例系数，MN/m4;c、φ分别为土的黏聚力和内摩擦角，取直剪固结快剪的值;vb为桩在锚固面上的水平位移值，mm，一般取10 mm。［6］

采用该公式的优势是铁路工程中土的抗剪强度指标一般都会进行试验，样本数大。该公式计算的m值，本文经过铁路工程多个地区试验资料计算验证，其值基本在规范规定的范围内。所以采用该公式能解决规范中地基系数取值范围过大的问题。

桩的抗力计算宽度b0应按式(2)、(3)计算。

对于圆形桩

当d≤1 m时

当d＞1 m时

式中，b0为抗力计算宽度，m;d为桩径，m。

2.2 结构计算

结构计算主要包括三部分:上部挡土结构面板和扶壁、承台以及桩。内力计算应采用极限状态法，按最不利组合进行。

(1)墙面板和扶壁

墙面板和扶壁固结在承台上，面板的计算仍可按照三向固结板考虑。墙面板计算时将面板沿墙高和墙长划分为若干个单位宽度的水平和竖直板条，分别计算两个方向的弯矩和剪力。扶壁计算时，扶壁承受相邻两跨墙面板中点之间的全部水平土压力，内力按悬臂式构件计算［7］。扶壁竖向拉筋计算时，拉力不再包含地基反力。

(2)承台

承台计算相对复杂，承台上部与挡土面板铰接，与扶壁固接，承台下部与桩固接，承台起到连接桩基、增加桩顶约束的作用。承台填土侧的荷载有假想墙背与面板墙背的填土重(包含上部列车、汽车的活载)、自重、库伦主动土压力的竖直分力、地下水浮力(地下水埋藏浅时)、墙面板传递的竖向力、扶壁传递的水平力以及桩的竖向反力。非填土侧的荷载有自重、桩的竖向力。

承台内力计算时从受力合理性和简化计算的角度，将桩布置在扶壁位置。由于该结构没有沿线路方向的力系，所以可以将复杂的空间结构简化为平面问题。纵向受力计算时，将模型简化为托梁式单向板［8］，将扶壁位置视为托梁，模型如图3(a)水平阴影所示，受力如图3(b)所示。

图3 纵向计算模型及横向荷载分布

横向受力计算取桩间距范围进行计算，如图3(a)斜杠阴影所示。图中γk为混凝土重度;h1为承台厚度;H1为立壁高度;σ1和σ2为墙顶和承台边缘由填土和荷载产生的竖直应力。由于横向体系有扶壁存在，所以底板扶壁处的横向内力可以不予计算，只计算面板前的悬挑内力。

计算中发现承台厚度对控制整体结构位移有较大的帮助。为此建立一个简单的平面框架模型如图3所示。其中竖向杆件截面采用矩形截面，截面参数为:高度0.5 m，宽度0.3 m，长度10 m，连接杆件采用矩形截面，截面分别采用0.1 m×1 m，0.5 m×1，0.8 m×1 m，1.2 m ×1 m，2 m ×1 m，3 m ×1 m，5 m ×1 m。计算结果如图4所示。从图4中可看出，当承台厚度达1 m以后，对位移的影响急剧减弱。更换模型尺寸和水平荷载大小，其结果几乎一致，所以，承载厚度在1.2～1.5 m是比较合适的。

图4 承台厚度与位移关系

(3)桩

受承台尺寸控制，桩基础在横向上一般采用双排钻孔灌注桩。桩位布置时，桩间距应满足规范最小桩间距的要求［9］。桩的内力计算可采用弹性支点法进行分析计算［10-11］。计算采用的水平反力系数的比例系数如式(1)所示。但是计算时应考虑后排桩受到的填土产生的侧向压力，同时还应考虑前、后排桩间土对前排桩产生的侧压力。桩间土的水平刚度系数如式(4)所示

式中，Es为桩间土的压缩模量，kPa;Sy为桩间距，m;d为桩直径，m。

计算模型如图5所示，竖向荷载取图3的荷载分布，同时承台上部应包含扶壁传递的水平力。

3 工程实例

3.1 工程概况

郑徐铁路某车站地貌属于冲积平原，地势低平，场地高程61.500 m，场坪高程62.154 m，站台设计高程为70.028 m，采用线侧下式站房形式。站台宽度为15 m，正线路基设计高程为68.043 m，人行通道内需要修建楼扶梯及电梯井。支挡结构设计长度120 m，悬臂长度为8 m。该地区抗震烈度为6度。该场地内第四系覆盖层厚度30～50 m，其中表层多分布软塑土。

图5 计算模型(横向)

3.2 支护方案的选择和设计

(1)方案选择

由于悬臂段长、水平土压力大，采用传统的扶壁式挡墙墙趾需较大的尺寸。但是车站通道内需要设置楼扶梯和电梯井，且两者靠近站台一侧，导致挡墙底板向外延伸的长度有限。正线路基先已填筑完成，并已铺设无砟轨道，为防止后期建设影响，挡墙设计不允许开挖既有正线路基。受限于通道结构物和正线路基位置的要求，基底尺寸需严格控制，如图6所示。

图6 车站平面设计

该车站地下为厚度12 m左右的软、可塑黏土，承载力较低，传统扶壁式挡墙在该尺寸下抗滑移和倾覆稳定性无法满足要求，基底应力远远大于地基承载力。针对实际情况，本车站采用桩承扶壁式挡墙形式。

(2)支护设计方案

设计方案如图7所示，挡墙面板高度8.5 m，宽度1 m，扶壁宽度0.8 m，扶壁净间距3.2 m。承台厚度1.3 m，底面尺寸为12 m×6 m。其中底板在面板前沿长度为0.5 m，以避开通道内部各结构物基础。底板填土侧长度不影响已建路基。基础采用钻孔灌注桩，桩径为1.2 m，纵向桩间距为4 m，横向桩间距为3.6 m，桩长24 m。通道内挡墙共10节，各节挡墙尺寸参数相同，每节挡墙之间设置伸缩缝。

(3)计算验证

岩土参数由现场原位测试结合室内试验共同确定。墙后填料采用A、B组填料，填料参数为:重度19 kN/m3;综合内摩擦角35°;墙背间摩擦角17.5°;其余参数见表1。

图7 挡墙平面和横断面设计(单位:m)

表1 土层参数

土压力计算采用库伦土压力法，单节结构受力计算结果如表2所示。

表2 受力计算(每延米)

外部稳定性验算结果如表3所示。内部稳定性计算结果如表4和表5所示。

表3 外部稳定性验算结果

表4 面板内力计算结果

表5 肋板内力计算结果

承台和桩身的弯矩、剪力计算结果:其中承台纵向剪力最大值为1 639 kN，最大正弯矩为334 kN·m，最大负弯矩为1 472 kN·m;承台横向悬挑剪力最大值为312 kN，最大正弯矩为78 kN·m;桩身最大弯矩为1 093 kN·m，最大剪力712 kN。

3.3 施工

(1)由于挡墙设计长度大，施工应分片区施工，以充分利用人力和器械。施工工艺流程:片区划分—片区内桩基定位—开挖基坑—钻孔—灌注桩浇筑—桩基检测—承台施工—墙面板和扶壁施工—墙后反滤层铺设—填土分层填筑—墙顶位移监测—位移稳定后完成墙面及墙顶装饰层［12］。

(2)为保证桩与承台的连接，桩身应进入承台不小于10 cm，同时桩身主筋伸入承台的锚固长度应满足规范要求。

(3)墙后填土压实度必须满足设计要求。由于扶壁式挡墙有肋板影响，导致场地狭小，所以对不易压实的部分应采用人工夯填。

(4)由于车站内部各种结构物较多，所以施工前应做好施工规划，同一处建筑物基础应同时施工，如挡墙桩基和楼扶梯桩基应同时施工，防止重复施工相互扰动、降低基础承载性能。

(5)监测布置:结构的水平位移大小决定着结构本身的承载性能，所以设计方案中分别在挡墙顶部、路基本体左线布置位移监测桩。监测结果:支挡结构施工前路基本体填筑时间已超过13个月，在支挡结构施工期间路基本体水平位移和竖向位移一直比较稳定，说明挡墙施工没有影响正线路基。挡墙墙顶位移从填土开始进行监测，至填土完成后2个月，最大水平位移为14 mm，方向朝向墙胸，之后水平位移趋于稳定。