深厚軟弱土層中地鐵車站復(fù)合墻結(jié)構(gòu)受力分析

湯梅芳

(中鐵二院華東勘察設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310004)

0 引言

近年來(lái)，地鐵作為緩解交通壓力的一條重要途徑得到了快速發(fā)展［1］，特別是在東部沿海城市。由于沿海地區(qū)軟土層一般較厚，地鐵車站采用復(fù)合墻結(jié)構(gòu)時(shí)，施工相對(duì)簡(jiǎn)易，施工質(zhì)量較有保證，且圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)襯墻約束較少，可有效防止裂縫的產(chǎn)生，因此在具備施工場(chǎng)地條件的情況下地鐵車站采用復(fù)合墻結(jié)構(gòu)的占大多數(shù)。

復(fù)合墻的圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻的一部分，與內(nèi)襯墻組成復(fù)合式結(jié)構(gòu)，墻面之間不能傳遞剪力和彎矩，只能傳遞法向壓力［2］。對(duì)于長(zhǎng)期使用階段復(fù)合墻結(jié)構(gòu)的計(jì)算，以鏈桿模型較為合理，同時(shí)考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度折減［3］。本文通過(guò)一個(gè)軟土地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)地下二層車站來(lái)分析車站復(fù)合墻結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，得出一些結(jié)論希望對(duì)類似地區(qū)車站的復(fù)合墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有所裨益。

1 工程概況

某軟土地層中地下二層雙柱三跨標(biāo)準(zhǔn)車站，總長(zhǎng)180 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬20.3 m，車站埋深16.5 m，覆土約3.8 m。車站穿越地層從上至下依次是淤泥質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉土、淤泥質(zhì)粘土及粉質(zhì)粘土層，底板置于淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土中。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm 地下連續(xù)墻，主體結(jié)構(gòu)采用復(fù)合墻型式，站廳層結(jié)構(gòu)凈高為4 650 mm，站臺(tái)層結(jié)構(gòu)凈高為6 310 mm。頂板、中板、底板厚度分別是800 mm，400 mm，900 mm，側(cè)墻厚度為600 mm。

2 復(fù)合墻結(jié)構(gòu)受力特性

軟土具有天然含水量高、天然孔隙比大、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低、側(cè)壓力系數(shù)大等特點(diǎn);為了了解深厚軟土地層中復(fù)合墻結(jié)構(gòu)的受力特性，本次結(jié)構(gòu)計(jì)算采用SAP2000 軟件進(jìn)行有限元分析，側(cè)墻與圍護(hù)結(jié)構(gòu)間由兩端鉸接鏈桿模擬，只傳遞壓力，不能傳遞剪力及彎矩，荷載組合取長(zhǎng)期使用階段的基本組合。

計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖1，側(cè)墻與圍護(hù)之間剛性鏈桿豎向間距約1 m。

2.1 荷載取值

1)永久荷載。

結(jié)構(gòu)自重:鋼筋混凝土重度γ=25 kN/m3。

覆土荷載:覆土重度γ=19 kN/m3。

浮力:按地下水位到地面的全部水浮力計(jì)。

側(cè)向水土荷載:采用靜止土壓力，使用階段水土分算，靜止側(cè)壓力系數(shù)根據(jù)地質(zhì)報(bào)告取0.6。

2)可變荷載。

人群荷載:4 kN/m2。

設(shè)備荷載:設(shè)備區(qū)一般可按8 kN/m2進(jìn)行計(jì)算。

地面超載:20 kN/m2。

圖1 長(zhǎng)期使用階段計(jì)算簡(jiǎn)圖

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

框架結(jié)構(gòu)軸力設(shè)計(jì)值計(jì)算結(jié)果見圖2，彎矩及剪力設(shè)計(jì)值詳見表1。

圖2 框架結(jié)構(gòu)軸力圖（單位：kN）

表1 彎矩及剪力設(shè)計(jì)值(一)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知:頂板支座下1 m、中板支座、底板支座上1 m 范圍內(nèi)的鏈桿是受壓的，其余鏈桿是受拉的，即復(fù)合墻結(jié)構(gòu)鏈桿呈現(xiàn)出支座處受壓、跨中受拉的特點(diǎn)。

因此可考慮采用簡(jiǎn)化后的鏈桿模型，即僅在頂板、中板及底板位置增加剛性鏈桿，簡(jiǎn)化鏈桿模型的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 簡(jiǎn)化鏈桿模型

根據(jù)簡(jiǎn)化后的鏈桿模型算出來(lái)的框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力詳見表2。

表2 彎矩及剪力設(shè)計(jì)值(二)

采用簡(jiǎn)化后的鏈桿模型得到的框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力與鏈桿模型計(jì)算結(jié)果相差不大，配筋相同。

3 覆土厚度對(duì)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)受力的影響分析

由于實(shí)際工程中車站覆土并不是恒定的，為進(jìn)一步了解覆土厚度對(duì)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)的受力影響，針對(duì)上述地下二層地鐵車站，覆土厚度分別取1.5 m，3 m，4.5 m，框架結(jié)構(gòu)軸力計(jì)算結(jié)果見圖4～圖6。

圖4 覆土厚1.5 m時(shí)框架結(jié)構(gòu)軸力圖（單位：kN）

圖5 覆土厚3 m 時(shí)框架結(jié)構(gòu)軸力圖（單位：kN）

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知，覆土厚度在1.5 m～4.5 m 范圍內(nèi)變化時(shí)，復(fù)合墻結(jié)構(gòu)鏈桿呈現(xiàn)出支座范圍內(nèi)受壓、跨中受拉的特點(diǎn)，進(jìn)一步說(shuō)明可以采用簡(jiǎn)化鏈桿模型進(jìn)行計(jì)算。

4 坑底加固對(duì)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)受力的影響分析

圖6 覆土厚4.5 m 時(shí)框架結(jié)構(gòu)軸力圖（單位：kN）

圖7 地基加固后框架結(jié)構(gòu)軸力圖（單位：kN）

在軟土地層中，為保證基坑的安全及減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形對(duì)周邊建筑物的影響，會(huì)對(duì)坑底以下土層采取地基加固措施，未加固地層的水平向基床系數(shù)取10 000 kPa/m，加固后的地層水平向基床系數(shù)取40 000 kPa/m，其余計(jì)算條件不變，框架結(jié)構(gòu)軸力計(jì)算結(jié)果見圖7。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，基坑底部采取地基加固后，復(fù)合墻鏈桿受力與未加固時(shí)情況類似，即復(fù)合墻結(jié)構(gòu)鏈桿在支座范圍內(nèi)受壓，在跨中受拉。因此無(wú)論坑底地基加固與否，均可以采用簡(jiǎn)化鏈桿模型進(jìn)行計(jì)算。

5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度對(duì)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)受力的影響分析

在軟土地層中，為保證基坑的安全及減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形對(duì)周邊建筑物的影響，會(huì)采用剛度大的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)其余條件不變，地下連續(xù)墻厚度分別為1.0 m，1.2 m 時(shí)，框架結(jié)構(gòu)軸力計(jì)算結(jié)果見圖8，圖9。

圖8 1.0 m 厚地下連續(xù)墻框架結(jié)構(gòu)軸力圖（單位：kN）

圖9 1.2 m 厚地下連續(xù)墻框架結(jié)構(gòu)軸力圖（單位：kN）

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)其余條件不變，地下連續(xù)墻厚度改為1.0 m，1.2 m 時(shí)，復(fù)合墻鏈桿受力與地墻厚度0.8 m 時(shí)情況類似，即復(fù)合墻結(jié)構(gòu)鏈桿在支座處受壓，在跨中受拉。因此無(wú)論何種圍護(hù)結(jié)構(gòu)，均可以采用簡(jiǎn)化鏈桿模型進(jìn)行計(jì)算。

6 結(jié)語(yǔ)

基于軟土天然含水量高、側(cè)壓力系數(shù)大等特點(diǎn)，文章從某一軟弱土層地區(qū)的地鐵標(biāo)準(zhǔn)二層車站工程出發(fā)，分析了車站復(fù)合墻結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，得到若干結(jié)論:1)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)鏈桿呈現(xiàn)出支座范圍內(nèi)受壓，跨中受拉的特點(diǎn);2)車站頂板覆土厚度在1.5 m～4.5 m 范圍內(nèi)時(shí)，車站覆土厚度對(duì)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)影響不大;3)坑底地基加固及地下連續(xù)墻剛度對(duì)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)影響不大;4)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)受力可用簡(jiǎn)化的鏈桿模型進(jìn)行計(jì)算分析，即僅在頂板支座、中板支座及底板支座處增加鏈桿。

以上結(jié)論可為以后類似工程的設(shè)計(jì)及計(jì)算分析提供參考。

［1］劉 蕊，李延濤，楊德健，等.軟土地區(qū)地鐵車站地震響應(yīng)分析［J］.地震工程學(xué)報(bào)，2010(8):120-121.

［2］徐向輝.明挖地鐵車站疊合墻與復(fù)合墻方案比選［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2005(12):77-80.

［3］羅 旭.地鐵車站復(fù)合墻結(jié)構(gòu)受力模型淺析［J］.廣東建材，2011(5):163-165.