某明洞基础设计探讨

2018-05-09王亮

四川建筑 2018年2期

王亮

(中铁二院贵阳勘察设计研究院有限责任公司，贵州贵阳 550002)

1 工程概况

某铁路线路穿过某机场回填区域，该区地处相对较高的溶蚀残丘上，大部为削坡形成，局部溶槽部位及地势低洼部位分布覆盖层，出露地层主要为三叠系下统罗楼组灰岩，该区东西向溶蚀裂隙较为发育。

铁路轨面设计标高为1 100.00 m左右，机场设计回填标高为1 124.00 m左右。线路经过地段为沟谷地形，主体结构设计为以隧道明洞形式穿过，设计要求该段地基承载力不小于500 kPa，工后沉降不大于15 mm。该段线路经过地段主体结构下地层有10 m左右可塑及软塑状黏土，地基承载力仅达到100 kPa左右，施工图设计采用挖除换填C15片石混凝土处理。施工单位进场施工时，右侧边坡堑顶堆积大量人工弃渣，边坡高达20～27 m左右，且堑顶有施工用钢筋棚及已经施工完成的桥墩，施工边界条件发生较大变化，施工单位已不能自然放坡施工主体工程，若继续采用挖除换填10 m左右的软弱地基，将危及施工安全和堑顶钢筋棚、施工便道及桥墩的安全。经多方案研究比较，决定对该段明洞结构基础进行变更设计，采用独立墩柱式桩板结构进行变更设计处理。

2 基础受力特点分析

明洞基础荷载设计值由结构设计专业提供，隧道结构传递到承载板上的荷载为500 kN/m2。根据以往工程经验和本工程特点，并通过试算，初步拟定桩板结构钢筋混凝土承载板厚1.5 m，长44 m，宽7.6 m，承载板纵向设置9排桩、横向设置2排桩，桩基直径为1.5 m，承载板及桩身均采用C35混凝土灌注。要求桩端进入完整岩层W2不小于5 m(图1)。

图1 明洞及基础示意

根据以上条件建立明洞和桩板结构的三维有限元模型进行分析(图1)，目的在于得出上部荷载作用下，明洞和基础的协调变形受力特点，为工程设计提供参考。图2～图5是桩板结构纵向受力图和不同桩间距情况下桩板结构受力特点。

图2 结构纵向应力分布(注：桩间距5 m)

图3 4.6 m横向桩间距时应力分布(注：变形放大500倍)

图4 5.0 m横向桩间距时应力分布(注：变形放大500倍)

图5 5.3 m横向桩间距时应力分布(注：变形放大500倍)

从图2可以看出托梁顶面竖向应力在桩顶及附近区域明显集中，并向四周逐渐扩散，至跨中处应力趋近于零，分析原因除了明洞结构传递的荷载合力作用点在桩顶附近外，还有一个重要的因素就是桩和板连接的位置是整个结构刚度最大的位置，自然会产生应力集中。从图3～图5可以看出当桩间距在5 m附近时桩以承受压力为主，结构受力状态有利，故最终采用桩间距5 m的设计方案。

3 板结构配筋设计

从上述软件模拟的结果来看，承载板受力呈现桩顶向跨中逐渐减小的模式，但承载板配筋设计时考虑到本工程条件设计较为复杂，板顶荷载很大，且可供借鉴的成熟工程设计经验不多，故采用更为保守和成熟的“代替框架法”[1]进行设计计算。“代替框架法”的原理是将承台板划分为相互垂直的纵向及横向板带，连同其下的桩基作为平面桁架结构进行计算，这样设计的结果偏于保守和安全。

设计中所用钢筋及混凝土材料的标号及属性如表1、表2所示[2]。

表1 所用钢筋标号及其属性 N/mm2

表2 所用混凝土标号及其属性 N/mm2

本案例中基底岩土层分布较为均为，桩长变化不大，桩基以受压为主，所受弯矩很小，承载板的配筋设计如下[3]：

设：h0=h-a=1500-72.5=1427.5 mm

则：

16.7×3800×1427.5×1427.5]=0.03061

所以：

As=M/(fyγsh0)=3958.33/(360×

0.98445×1427.5)=78.242 cm2

设计实际采用38Φ25，As=186.50 cm2，满足要求。

根据GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》验算，承载板斜截面承载力、混凝土的抗剪强度、裂缝宽度、挠度等均满足要求。

4 独立墩柱式桩板结构适用条件及施工技术要求

该明洞独立墩柱式桩板结构基础位于设计场坪以下约20 m，投入使用后周围环境温度基本保持恒定，因此设计中未考虑温度应力对结构的影响。另外考虑到本工点地层分布较为均匀，设计桩长变化不大，因此在设计中采用了长约40 m，连续8跨的结构形式。在独立墩柱式桩板结构进行地基处理设计时，要综合分析荷载、温度及地质变化情况合理确定结构尺寸，建议每联连续跨数不宜过多，每联的桩基长度尽量保持统一。

本工程设计要求结构施工过程中混凝土不能一次浇筑完成，严格控制施工质量，提高混凝土结构的均匀程度，降低混凝土裂缝的离散型和随机性，采用设置后浇带等措施避免产生过大的温度应力以及可能产生过大的有害裂缝。