武威站房基礎(chǔ)設(shè)計研究*

劉 韌

(蘭州鐵道設(shè)計院有限公司，甘肅蘭州 730000)

1 工程概況

武威車站位于甘肅省武威市境內(nèi)既有武威火車站站址，該站房總長度158 m，最大寬度32.4 m，共3層(兩側(cè)4層，主要為車站辦公及運營房屋)，1層為車站售票、出站通道、商業(yè)及設(shè)備用房，層高5.5 m;2層為候車廳、貴賓室等，層高7.65 m;3層為候車大廳，層高8.5 m;屋頂塔樓高度為10.7 m。建筑面積14 273.98 m2，工程體量較大，結(jié)構(gòu)體系較為復(fù)雜。

建筑物所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8°，設(shè)計基本地震加速度為0.20 g，地震分組為第2組，建筑場地類別:Ⅱ類;結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為一級，建筑抗震設(shè)防類別為乙類［1］，基本風(fēng)壓0.55 KN/m2。

該區(qū)段發(fā)育的地層為第四系全新統(tǒng)人工填筑土(約1～2 m左右)與第四系上更新統(tǒng)沖、洪積卵石土，人工填筑土成分復(fù)雜，分布在地表，密實度差異較大，不能作為持力層，而第四系上更新統(tǒng)沖、洪積卵石土分布層位穩(wěn)定，地層厚度較大，級配良好，其密實程度較高，具有弱膠結(jié)性，為良好的天然地基持力層。其重度γ=22 kN/m3，內(nèi)摩擦角Φ =45°，變形模量E0=50 MPa，承載力特征值fak=650 kPa，干作業(yè)樁(D=800 mm)的極限側(cè)阻力標(biāo)準值qpk=150 kPa，干作業(yè)樁(D=800 mm)的極限端阻力標(biāo)準值qpk=8 000 kPa。地下水埋藏較深，超過60 m。

2 地下人防通道現(xiàn)狀

2.1 地下人防平面位置現(xiàn)狀

武威火車站地下人防工程建于1970年12月(通道內(nèi)壁竣工石刻日期)，設(shè)計使用功能為戰(zhàn)時地下候車室、售票室、指揮部及通道等。人防工程位于候車室及站前廣場地下，與車站以外的人防工程相連通，通道入口位于車站候車室臺階下。車站范圍內(nèi)地下人防工程高程為1 580.44～1 563.70 m，由入口逐漸向下延伸，經(jīng)過候車室地下，一直通向車站以外。

該地下人防工程為門形半圓拱式通道，通道側(cè)壁為卵石砌筑，個別為磚砌，上部采用磚砌拱頂及預(yù)制混凝土拼接式拱頂，地面為水泥砂漿地面。擬建站房與地下人防現(xiàn)狀示意圖見圖1。

圖1 擬建站房與地下人防現(xiàn)狀示意圖Fig.1 The station and the underground civil air defense situation sketch map

2.2 結(jié)構(gòu)現(xiàn)場情況調(diào)查

2.2.1 結(jié)構(gòu)型式調(diào)查

通過對站房范圍內(nèi)地下人防工程進行現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)地下人防工程結(jié)構(gòu)型式為門形半圓拱頂?shù)叵峦ǖ?，分為主干道及分支通道。位于現(xiàn)有候車大廳及站前廣場地面以下，設(shè)計使用功能為戰(zhàn)時地下候車室、售票廳、指揮部及通道。通道側(cè)壁為卵石砂漿砌筑，個別位置為磚砌側(cè)壁，頂部為磚砌半圓拱及預(yù)制混凝土現(xiàn)場拼接拱，卵石就地取材，為人防通道開挖時現(xiàn)場挖出的卵石，上部磚拱大部分采用青磚砌筑，個別位置采用紅磚砌筑。混凝土拱采用2片預(yù)制素混凝土現(xiàn)場拼裝而成，拼接接縫位于跨中。地面水泥砂漿地面。實景照片見圖2。

2.2.2 斷面尺寸及長度檢測

對人防地下通道各區(qū)段斷面尺寸進行檢測，斷面尺寸檢測示意圖如圖3所示，區(qū)段及主要區(qū)段檢測結(jié)果見表1(通道分支略去)。

圖2 地下人防通道斷面實景圖Fig.2 Underground air channel section map

圖3 人防地道斷面類型Fig.3 Civil air defence tunnel cross section type

表1 主要通道斷面檢測結(jié)果匯總表Table 1 The main channel section detection results

3 對地下人防工程的檢測驗算

3.1 結(jié)構(gòu)計算方法及簡圖

3.1.1 結(jié)構(gòu)計算原則及假定

(1)根據(jù)圍巖分級判定結(jié)論，地下通道圍巖無自穩(wěn)能力，呈松散狀，因此，在進行結(jié)構(gòu)驗算時，不考慮圍巖自身的承載能力及穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)承載力計算針對通道襯砌結(jié)構(gòu)進行［2－4］。

(2)結(jié)構(gòu)計算時假定磚砌拱及混凝土拱在兩端支座部位均為鉸接連接，磚拱計算模型為兩鉸拱，預(yù)制混凝土拼接拱計算模型為三鉸拱。拱圈在上部荷載作用下拱支座處不產(chǎn)生位移。

(3)襯砌結(jié)構(gòu)中上部拱圈為主要受力構(gòu)件，承受荷載較大，而通道側(cè)壁與上部拱圈連接較好，受力起輔助作用。因此，襯砌結(jié)構(gòu)承載力驗算針對上部拱圈進行，對通道側(cè)壁及基礎(chǔ)承載力不進行驗算。

3.1.2 結(jié)構(gòu)計算方法及簡圖

(1)荷載計算方法——角點法

利用角點應(yīng)力表達式和疊加原理，可以計算平面上任意點下任意深度處由均布荷載引起的應(yīng)力σz，應(yīng)力計算方法采用角點法［5］。應(yīng)力計算公式如下:

式中:p0為基礎(chǔ)底面的平均附加應(yīng)力，kPa;KcⅠ，KcⅡ，KcⅢ和KcⅣ分別為小矩形Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ的角點應(yīng)力系數(shù)，分別根據(jù)(li，bi為每個小矩形的長邊和短邊)查表得出。

(2)結(jié)構(gòu)計算簡圖

結(jié)構(gòu)計算簡圖見圖4～5。

圖4 磚拱計算簡圖Fig.4 The brick arch calculation diagram

圖5 混凝土拱計算簡圖Fig.5 Concrete arch calculation diagram

3.2 結(jié)構(gòu)承載力驗算

3.2.1 各點斷面內(nèi)力計算

采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計算K點、N點、Q點、R點、S點、U點斷面上各個截面處的彎矩M、剪力Q、軸力N，并對地下通道襯砌各截面內(nèi)力進行計算。

3.2.2 截面承載力計算

(1)磚拱截面承載力計算

對人防地道磚拱斷面的K點、N點、Q點、R點斷面上 φ =0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°處 7 個截面的承載力進行了計算。計算簡圖見圖6。

磚拱按照無筋砌體構(gòu)件進行承載力計算，無筋砌體構(gòu)件受壓承載力按下式計算:

式中:φ為高厚比β和軸向力的偏心距e對受壓構(gòu)件承載力的影響系數(shù);A為截面面積，對各類砌體均應(yīng)按毛截面計算;f為砌體的抗壓強度設(shè)計值。

無筋砌體構(gòu)件受彎承載力按下式計算:

式中:ftm為砌體彎曲抗拉強度設(shè)計值;W為截面抵抗矩。

無筋砌體受彎構(gòu)件的受剪承載力按下式計算

式中:fv為砌體的抗剪強度設(shè)計值;b為截面寬度;z為內(nèi)力臂，當(dāng)截面為矩形時取z等于;I為截面慣性矩;S為截面面積矩;h為截面高度。

(2)混凝土拱截面承載力計算

對人防地道混凝土拱斷面的S點、U點斷面上L=0，0.175，0.35，0.525，0.7m 處 5 個截面的承載力進行了計算。計算簡圖見圖7。

預(yù)制混凝土拱按照素混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行承載力計算，素混凝土構(gòu)件受壓承載力按下式計算:

式中:φ為素混凝土構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù);fcc為素混凝土的軸心抗壓強度設(shè)計值，按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2002)表4.1.4規(guī)定的混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值fc值乘以系數(shù)0.85取用;b為截面寬度;h為截面高度。

素混凝土構(gòu)件受彎承載力按下式計算:

式中:fct為素混凝土的軸心抗拉強度設(shè)計值，按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2002)表4.1.4 規(guī)定的混凝土軸心抗拉強度設(shè)計值ft值乘以系數(shù)0.55取用;γ為截面抵抗矩塑性影響系數(shù);W為截面受拉邊緣的彈性抵抗矩。

(3)結(jié)構(gòu)承載力驗算

圖6 磚拱驗算截面位置簡圖Fig.6 The brick arch checking section location diagram

圖7 混凝土拱驗算截面位置簡圖Fig.7 Concrete arch checking section location diagram

通過對人防地道K點、N點、Q點、R點、S點、U點斷面上各個截面處的承載力驗算得出，武威火車站地下人防工程不滿足承載上部結(jié)構(gòu)傳力的要求，且存在不良環(huán)境條件，結(jié)構(gòu)構(gòu)造存在缺陷，不能承擔(dān)上部車站站房重要荷載。因此，地下人防工程對上部站房的改擴建工程存在嚴重隱患，如承擔(dān)上部站房傳來的荷載，應(yīng)采取措施進行可靠處理。

4 基礎(chǔ)設(shè)計方案比選

(1)人防地道處理原則。根據(jù)武威火車站地下人防工程結(jié)構(gòu)檢測驗算結(jié)果，并根據(jù)上部結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)布置情況及基礎(chǔ)埋深，對人防地道采取如下處理原則:對A～K點區(qū)段內(nèi)人防通道進行拆除;對建筑范圍內(nèi)主體結(jié)構(gòu)下的人防地道采取措施進行重點處理;對建筑范圍內(nèi)室外大臺階下人防地道采取次重點處理措施，對建筑范圍5 m范圍外的人防地道不作處理。

(2)人防地道處理及基礎(chǔ)設(shè)計方案見表2。

通過對上述方案比較，考慮到地基基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)的可靠性、施工工期、工程投資、施工現(xiàn)場難度等因素，并與當(dāng)?shù)氐叵氯朔拦こ痰臍w屬及管理部門聯(lián)系，在得到相關(guān)單位許可后，設(shè)計采用方案1，對主體結(jié)構(gòu)5 m范圍內(nèi)的地下人防通道局部位置進行廢棄并密實回填封閉。

表2 人防地道處理及基礎(chǔ)設(shè)計方案Table 2 Civil air defence tunnel treatment and foundation design

5 結(jié)論

武威車站站房地基為卵石層，但其下存在既有人防地道，地基基礎(chǔ)設(shè)計較為復(fù)雜。通過對武威車站站房地下人防通道現(xiàn)狀的調(diào)查、分析，綜合考慮上部結(jié)構(gòu)安全、施工工期、工程投資等因素，確定了合理的人防地道的處理方案和基礎(chǔ)形式。確保在工程造價較低、工期較短的情況下結(jié)構(gòu)的安全性。

［1］GB50011－2001建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.GB50011 －2001 Code for seismic design of buildings［S］.Beijing:China Architecture ＆ Building Press，2008.

［2］JGJ79－2002 J220－2002，建筑地基基礎(chǔ)處理規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.JGJ79－2002 J220－2002，Technical code for ground treatment of buildings［S］.Beijing:China Architecture ＆Building Press，2002.

［3］劉福臣，林世樂，黃懷峰.地基基礎(chǔ)處理技術(shù)與實例［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.LIU Fu-chen，LIN Shi-le，HUANG Huai-feng.Foundation treatment technology and examples［M］.Beijing:Chemical Industry Press，2009.5

［4］中國建筑標(biāo)準設(shè)計研究院全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施 結(jié)構(gòu)(地基與基礎(chǔ))［M］.北京，2009.China Institute of building standard design＆research National technical measures for design of civil construction Structure(Foundation)［M］.Beijing，2009.

［5］中國建筑科學(xué)研究院.多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計軟件用戶手冊PKpm2008［M］.北京China Academy of Building Research.Multilayer and high－rise building structure finite element analysis and design software user manual PKpm2008［M］.Beijing

［6］GB50007－2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.GB50007－2002 Code for design of building foundation［S］.Beijing:China Architecture ＆ Building Press，2002.

［7］常曉義.武廣高速鐵路巖溶地區(qū)鉆孔灌注樁施工技術(shù)［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2010，7(2):70 －73.CHANG Xiao-yi.Construction technology bored pile in karst region of Wuhan－Guangzhou high－speed railway［J］.Journal of Railway Science and Engineering，2010，7(2):70－73.

［8］孫廣臣，文方針，文雨松.用樁加固淺基礎(chǔ)的力學(xué)模型研究［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2007，4(2):67－71.SUN Guang-chen，WEN Fang-zhen，WEN Yu-song.Researches on the mechanical model of the shallow foundation reinforcement by pile－foundation［J］.Journal of Railway Science and Engineering，2007，4(2):67－71.

［9］侯小美，宋寶東.高層建筑基礎(chǔ)淺埋的整體性分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2010，增刊(2):304－308.HOU Xiao-mei，SONG Bao-dong.Whole analysis for the tall building's shallow foundation［J］.Journal of Building Structures，2010，S(2):304 －308.

［10］李 亮，潘伯林.高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計方案的技術(shù)經(jīng)濟比較［J］.長沙鐵道學(xué)院學(xué)報，1999，17(4):41－45.LILiang，PAN Bo-lin.Technical economic evaluation for high －rise building’s foundation［J］.Journal of Changsha Railway University，1999，17(4):41 －45.