某明洞基礎(chǔ)設(shè)計(jì)探討

王 亮

(中鐵二院貴陽(yáng)勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 貴州貴陽(yáng) 550002)

1 工程概況

某鐵路線路穿過(guò)某機(jī)場(chǎng)回填區(qū)域，該區(qū)地處相對(duì)較高的溶蝕殘丘上，大部為削坡形成，局部溶槽部位及地勢(shì)低洼部位分布覆蓋層，出露地層主要為三疊系下統(tǒng)羅樓組灰?guī)r，該區(qū)東西向溶蝕裂隙較為發(fā)育。

鐵路軌面設(shè)計(jì)標(biāo)高為1 100.00 m左右，機(jī)場(chǎng)設(shè)計(jì)回填標(biāo)高為1 124.00 m左右。線路經(jīng)過(guò)地段為溝谷地形，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為以隧道明洞形式穿過(guò)，設(shè)計(jì)要求該段地基承載力不小于500 kPa，工后沉降不大于15 mm。該段線路經(jīng)過(guò)地段主體結(jié)構(gòu)下地層有10 m左右可塑及軟塑狀黏土，地基承載力僅達(dá)到100 kPa左右，施工圖設(shè)計(jì)采用挖除換填C15片石混凝土處理。施工單位進(jìn)場(chǎng)施工時(shí)，右側(cè)邊坡塹頂堆積大量人工棄渣，邊坡高達(dá)20～27 m左右，且塹頂有施工用鋼筋棚及已經(jīng)施工完成的橋墩，施工邊界條件發(fā)生較大變化，施工單位已不能自然放坡施工主體工程，若繼續(xù)采用挖除換填10 m左右的軟弱地基，將危及施工安全和塹頂鋼筋棚、施工便道及橋墩的安全。經(jīng)多方案研究比較，決定對(duì)該段明洞結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)進(jìn)行變更設(shè)計(jì)，采用獨(dú)立墩柱式樁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行變更設(shè)計(jì)處理。

2 基礎(chǔ)受力特點(diǎn)分析

明洞基礎(chǔ)荷載設(shè)計(jì)值由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專業(yè)提供，隧道結(jié)構(gòu)傳遞到承載板上的荷載為500 kN/m2。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)和本工程特點(diǎn)，并通過(guò)試算，初步擬定樁板結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土承載板厚1.5 m，長(zhǎng)44 m，寬7.6 m，承載板縱向設(shè)置9排樁、橫向設(shè)置2排樁，樁基直徑為1.5 m，承載板及樁身均采用C35混凝土灌注。要求樁端進(jìn)入完整巖層W2不小于5 m(圖1)。

圖1 明洞及基礎(chǔ)示意

根據(jù)以上條件建立明洞和樁板結(jié)構(gòu)的三維有限元模型進(jìn)行分析(圖1)，目的在于得出上部荷載作用下，明洞和基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)變形受力特點(diǎn)，為工程設(shè)計(jì)提供參考。 圖2～圖5是樁板結(jié)構(gòu)縱向受力圖和不同樁間距情況下樁板結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)。

圖2 結(jié)構(gòu)縱向應(yīng)力分布(注：樁間距5 m)

圖3 4.6 m橫向樁間距時(shí)應(yīng)力分布(注：變形放大500倍)

圖4 5.0 m橫向樁間距時(shí)應(yīng)力分布(注：變形放大500倍)

圖5 5.3 m橫向樁間距時(shí)應(yīng)力分布(注：變形放大500倍)

從圖2可以看出托梁頂面豎向應(yīng)力在樁頂及附近區(qū)域明顯集中，并向四周逐漸擴(kuò)散，至跨中處應(yīng)力趨近于零，分析原因除了明洞結(jié)構(gòu)傳遞的荷載合力作用點(diǎn)在樁頂附近外，還有一個(gè)重要的因素就是樁和板連接的位置是整個(gè)結(jié)構(gòu)剛度最大的位置，自然會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中。從圖3～圖5可以看出當(dāng)樁間距在5 m附近時(shí)樁以承受壓力為主，結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)有利，故最終采用樁間距5 m的設(shè)計(jì)方案。

3 板結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)

從上述軟件模擬的結(jié)果來(lái)看，承載板受力呈現(xiàn)樁頂向跨中逐漸減小的模式，但承載板配筋設(shè)計(jì)時(shí)考慮到本工程條件設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，板頂荷載很大，且可供借鑒的成熟工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不多，故采用更為保守和成熟的“代替框架法”[1]進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算?！按婵蚣芊ā钡脑硎菍⒊信_(tái)板劃分為相互垂直的縱向及橫向板帶，連同其下的樁基作為平面桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，這樣設(shè)計(jì)的結(jié)果偏于保守和安全。

設(shè)計(jì)中所用鋼筋及混凝土材料的標(biāo)號(hào)及屬性如表1、表2所示[2]。

表1 所用鋼筋標(biāo)號(hào)及其屬性 N/mm2

表2 所用混凝土標(biāo)號(hào)及其屬性 N/mm2

本案例中基底巖土層分布較為均為，樁長(zhǎng)變化不大，樁基以受壓為主，所受彎矩很小，承載板的配筋設(shè)計(jì)如下[3]：

設(shè)：h0=h-a=1500-72.5=1427.5 mm

則：

16.7×3800×1427.5×1427.5]=0.03061

所以：

As=M/(fyγsh0)=3958.33/(360×

0.98445×1427.5)=78.242 cm2

設(shè)計(jì)實(shí)際采用38Φ25，As=186.50 cm2，滿足要求。

根據(jù)GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》驗(yàn)算，承載板斜截面承載力、混凝土的抗剪強(qiáng)度、裂縫寬度、撓度等均滿足要求。

4 獨(dú)立墩柱式樁板結(jié)構(gòu)適用條件及施工技術(shù)要求

該明洞獨(dú)立墩柱式樁板結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)位于設(shè)計(jì)場(chǎng)坪以下約20 m，投入使用后周圍環(huán)境溫度基本保持恒定，因此設(shè)計(jì)中未考慮溫度應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。另外考慮到本工點(diǎn)地層分布較為均勻，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)變化不大，因此在設(shè)計(jì)中采用了長(zhǎng)約40 m，連續(xù)8跨的結(jié)構(gòu)形式。在獨(dú)立墩柱式樁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行地基處理設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合分析荷載、溫度及地質(zhì)變化情況合理確定結(jié)構(gòu)尺寸，建議每聯(lián)連續(xù)跨數(shù)不宜過(guò)多，每聯(lián)的樁基長(zhǎng)度盡量保持統(tǒng)一。

本工程設(shè)計(jì)要求結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中混凝土不能一次澆筑完成，嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，提高混凝土結(jié)構(gòu)的均勻程度，降低混凝土裂縫的離散型和隨機(jī)性，采用設(shè)置后澆帶等措施避免產(chǎn)生過(guò)大的溫度應(yīng)力以及可能產(chǎn)生過(guò)大的有害裂縫。

5 結(jié)論與建議

(1)本案例中承載板配筋設(shè)計(jì)時(shí)假設(shè)設(shè)計(jì)荷載均布在承載板上，設(shè)計(jì)的結(jié)果偏于保守和安全。根據(jù)有限元分析結(jié)果，承載板受力采用樁頂向跨中逐漸減小的分布模式更符合實(shí)際受力情況。

(2)在樁板結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中盡量減少溫度應(yīng)力的影響，在有條件時(shí)結(jié)構(gòu)連續(xù)跨數(shù)不宜過(guò)多，特別對(duì)樁基長(zhǎng)度及地基條件變化較大的位置應(yīng)將結(jié)構(gòu)斷開，以免造成短樁處應(yīng)力集中，此外還要嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，減少溫度應(yīng)力和有害裂縫的產(chǎn)生。

[1] 李海光．新型支擋結(jié)構(gòu)與工程實(shí)例[M]．北京：人民交通出版社，2011：453-485．

[2] 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)．GB 50010-2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010．

[3] 王鐵成．混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].天津：天津大學(xué)出版社，2002：60-66.