某明洞基礎設計探討

王 亮

(中鐵二院貴陽勘察設計研究院有限責任公司， 貴州貴陽 550002)

1 工程概況

某鐵路線路穿過某機場回填區域，該區地處相對較高的溶蝕殘丘上，大部為削坡形成，局部溶槽部位及地勢低洼部位分布覆蓋層，出露地層主要為三疊系下統羅樓組灰巖，該區東西向溶蝕裂隙較為發育。

鐵路軌面設計標高為1 100.00 m左右，機場設計回填標高為1 124.00 m左右。線路經過地段為溝谷地形，主體結構設計為以隧道明洞形式穿過，設計要求該段地基承載力不小于500 kPa，工后沉降不大于15 mm。該段線路經過地段主體結構下地層有10 m左右可塑及軟塑狀黏土，地基承載力僅達到100 kPa左右，施工圖設計采用挖除換填C15片石混凝土處理。施工單位進場施工時，右側邊坡塹頂堆積大量人工棄渣，邊坡高達20～27 m左右，且塹頂有施工用鋼筋棚及已經施工完成的橋墩，施工邊界條件發生較大變化，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。經多方案研究比較，決定對該段明洞結構基礎進行變更設計，采用獨立墩柱式樁板結構進行變更設計處理。

2 基礎受力特點分析

明洞基礎荷載設計值由結構設計專業提供，隧道結構傳遞到承載板上的荷載為500 kN/m2。根據以往工程經驗和本工程特點，并通過試算，初步擬定樁板結構鋼筋混凝土承載板厚1.5 m，長44 m，寬7.6 m，承載板縱向設置9排樁、橫向設置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。要求樁端進入完整巖層W2不小于5 m(圖1)。

圖1 明洞及基礎示意

根據以上條件建立明洞和樁板結構的三維有限元模型進行分析(圖1)，目的在于得出上部荷載作用下，明洞和基礎的協調變形受力特點，為工程設計提供參考。 圖2～圖5是樁板結構縱向受力圖和不同樁間距情況下樁板結構受力特點。

圖2 結構縱向應力分布(注：樁間距5 m)

圖3 4.6 m橫向樁間距時應力分布(注：變形放大500倍)

圖4 5.0 m橫向樁間距時應力分布(注：變形放大500倍)

圖5 5.3 m橫向樁間距時應力分布(注：變形放大500倍)

從圖2可以看出托梁頂面豎向應力在樁頂及附近區域明顯集中，并向四周逐漸擴散，至跨中處應力趨近于零，分析原因除了明洞結構傳遞的荷載合力作用點在樁頂附近外，還有一個重要的因素就是樁和板連接的位置是整個結構剛度最大的位置，自然會產生應力集中。從圖3～圖5可以看出當樁間距在5 m附近時樁以承受壓力為主，結構受力狀態有利，故最終采用樁間距5 m的設計方案。

3 板結構配筋設計

從上述軟件模擬的結果來看，承載板受力呈現樁頂向跨中逐漸減小的模式，但承載板配筋設計時考慮到本工程條件設計較為復雜，板頂荷載很大，且可供借鑒的成熟工程設計經驗不多，故采用更為保守和成熟的“代替框架法”[1]進行設計計算。“代替框架法”的原理是將承臺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構進行計算，這樣設計的結果偏于保守和安全。

設計中所用鋼筋及混凝土材料的標號及屬性如表1、表2所示[2]。

表1 所用鋼筋標號及其屬性 N/mm2

表2 所用混凝土標號及其屬性 N/mm2

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

設：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

設計實際采用38Φ25，As=186.50 cm2，滿足要求。

根據GB 50010-2010《混凝土結構設計規范》驗算，承載板斜截面承載力、混凝土的抗剪強度、裂縫寬度、撓度等均滿足要求。

4 獨立墩柱式樁板結構適用條件及施工技術要求

該明洞獨立墩柱式樁板結構基礎位于設計場坪以下約20 m，投入使用后周圍環境溫度基本保持恒定，因此設計中未考慮溫度應力對結構的影響。另外考慮到本工點地層分布較為均勻，設計樁長變化不大，因此在設計中采用了長約40 m，連續8跨的結構形式。在獨立墩柱式樁板結構進行地基處理設計時，要綜合分析荷載、溫度及地質變化情況合理確定結構尺寸，建議每聯連續跨數不宜過多，每聯的樁基長度盡量保持統一。

本工程設計要求結構施工過程中混凝土不能一次澆筑完成，嚴格控制施工質量，提高混凝土結構的均勻程度，降低混凝土裂縫的離散型和隨機性，采用設置后澆帶等措施避免產生過大的溫度應力以及可能產生過大的有害裂縫。

5 結論與建議

(1)本案例中承載板配筋設計時假設設計荷載均布在承載板上，設計的結果偏于保守和安全。根據有限元分析結果，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際受力情況。

(2)在樁板結構結構設計中盡量減少溫度應力的影響，在有條件時結構連續跨數不宜過多，特別對樁基長度及地基條件變化較大的位置應將結構斷開，以免造成短樁處應力集中，此外還要嚴格控制施工質量，減少溫度應力和有害裂縫的產生。

[1] 李海光．新型支擋結構與工程實例[M]．北京：人民交通出版社，2011：453-485．

[2] 中華人民共和國國家標準．GB 50010-2010 混凝土結構設計規范[S]．北京：中國建筑工業出版社，2010．

[3] 王鐵成．混凝土結構設計原理[M].天津：天津大學出版社，2002：60-66.