軌道交通高架車站擴底樁設計探討

趙 進，吳 剛，張英杰

（江蘇省交通規(guī)劃設計院股份有限公司，江蘇南京 210014）

軌道交通高架車站擴底樁設計探討

趙 進，吳 剛，張英杰

（江蘇省交通規(guī)劃設計院股份有限公司，江蘇南京 210014）

在上部為軟土、持力層為巖層的長江漫灘區(qū)域，軌道交通高架車站樁基采用擴底樁是提高樁基承載力的有效手段。文章對1.2 m 直樁和擴底樁 2 種類型樁基進行了對比分析，并根據(jù)相關規(guī)范對擴底樁進行了地震作用下的受力分析，得到了擴底樁具有明顯的高承載力和經(jīng)濟性優(yōu)勢以及擴底樁直樁部分不宜過小的結論。

軌道交通；高架車站；擴底樁

南京寧和城際軌道交通一期工程（以下簡稱寧和城際），是南京南站到黃里（二期工程到安徽和縣）都市圈軌道交通中的一條線路，線路全長 36.26 km，其中地下線 14.13 km，高架線 21.41 km，地面線 0.42 km，敞開段 0.3 km，全線共設 19 座車站，其中地下站 10 座，高架站 8 座，地面站 1 座。

寧和城際高架站均位于長江漫灘區(qū)域，表層土為淤泥質粉砂，深層為中風化泥質粉砂巖，車站主體基礎設計均采用鉆孔灌注樁。針對如此地質條件，應進行樁基的優(yōu)化設計，以期找到最合理的方案，擴底樁是一個可以嘗試的辦法。本文以長江之北的步月路站（后改名為雙垅站）為例進行分析討論。

1　工程概況

步月路站為路中高架三層島式站，橫向雙柱單跨，跨度 9.9 m，縱向柱距 12 m，車站總長 120 m，中間設1 道變形縫。

步月路站所處地貌單元為長江高漫灘，覆蓋層組成物主要為第四系全新統(tǒng)的淤泥質粉質黏土、粉質黏土、粉土、粉砂等，基巖表層為卵礫石層；巖土體結構特征相對較穩(wěn)定，工程地質條件較復雜。從地面往下土層依次為①-2 素填土，②-1b2-3 粉質黏土，②-2b3-4 粉質黏土-淤泥質粉質黏土，②-2c-d2-3 粉土-粉砂，②-3d2粉砂，②-4b3-4 黏土-粉質黏土，②-4b-c3粉土與粉質黏土互層，③-4e1中、粗砂混卵礫石，④-4e-1卵礫石，K2P-2 強風化泥質粉砂巖，K2P-3 中風化泥質粉砂巖，巖石飽和單軸抗壓強度標準值平均為 2.01 MPa。以上土、巖層在車站長度范圍內非常均勻，無起伏變化。

2　樁基設計方案對比

由本站地質條件決定，只能選擇 K2P-3 中風化泥質粉砂巖層作為樁端持力層，根據(jù) JGJ94-2008《建筑樁基技術規(guī)范》的規(guī)定，樁端進入持力層深度不應小于 0.4 倍樁徑且應大于 0.5 m。由計算得知樁端最大反力為 4 300 kN，如果采用 1 m 直徑樁，樁長需超過 50 m。根據(jù) TB10002.5-2005《鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范》，當樁長大于 50 m 且長徑比大于 50 時，就成為超長樁，超長樁承載變形特性不同于普通樁，施工工藝也變得非常復雜，因此，初步設計中未考慮該方案，而重點對如下 2 個方案進行了對比。

（1）方案 1（等直徑 1.2 m 樁）。樁端入巖深度取1.68 m，樁徑取 1.2 m，樁長取 48 m，單樁豎向承載力特征值按 JGJ 94-2008《建筑樁基技術規(guī)范》摩擦樁計算公式估算為 4 719 kN，軸向受壓容許承載力按TB10002.5-2005《鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范》估算為 4 351 kN，單根樁混凝土用量為 54.29 m3。

（2）方案 2（大直徑擴底樁）。大直徑擴底樁在建筑工程中應用很廣泛，技術條件也很成熟，但用于地鐵和軌道交通工程中很少。本站根據(jù)地質條件和地層特點嘗試使用大直徑擴底樁，樁基上部樁徑取 1 m，樁端擴底直徑取 2 m，樁長取 48 m，單樁豎向承載力特征值按JGJ/T225-2010《大直徑擴底灌注樁技術規(guī)程》估算為 8 347 kN，單根樁（含擴底）混凝土用量約為 41.81 m3。

將 2 個方案對比列表，如表 1。由表 1 可見，方案 1樁徑 1.2 m 與區(qū)間橋梁打樁施工機具相匹配，屬于常規(guī)施工工法，完成 1 根樁需要 8～10 h，施工速度較快；方案 2 擴底樁最突出的優(yōu)點是能提供很大的樁端承載力，對于上部為軟土下部為巖層的地質條件，該種樁能充分發(fā)揮承載力優(yōu)勢，且比方案 1 節(jié)省約 20% 的混凝土和鋼筋，經(jīng)濟指標優(yōu)勢明顯，但該工法對于施工單位要求較高，應具備熟練的更換鉆頭等操作技巧，完成 1 個樁需要約 20 h 以上，施工速度較慢。

表 1 方案對比

3　擴底樁受力分析

現(xiàn)行 GB50157-2013《地鐵設計規(guī)范》相比舊版的GB50157-2003《地鐵設計規(guī)范》，增加了“橫向單柱或雙柱的高架車站墩柱結構，基礎應作為能力保護構件，按能力保護原則設計”的要求。因此，需要對樁基礎參考 CJJ166-2011《城市橋梁抗震設計規(guī)范》進行能力保護設計。以方案 2 擴底樁為例，三維計算模型見圖 1，采用 Midas-Civil 軟件，梁、柱、承臺、樁均采用梁單元，樓板和局部剪力墻采用板單元，樁端頭對受力影響很小未按實際模擬。

根據(jù)文獻［10］的方法，在方案 2 擴底樁模型上加載罕遇地震時程波進行彈塑性動力時程分析，得到墩柱和樁在罕遇地震作用下的包絡彎矩如圖 2 和圖 3。以第 2 條地震波作用下C軸交7軸計算彎矩值為例，墩柱底彎矩最大為 4 938 kN · m，樁頂彎矩最大為 1 384 kN · m。考慮設計的包絡性，取樁頂最大彎矩作為計算設計值。

從圖 2 和圖 3 彎矩圖中提取樁頂內力值列于表 2，以 C 軸交 7 軸處樁為例，樁在罕遇地震作用下未屈服，因此，采用罕遇地震作用下計算內力包絡值作為設計值計算樁配筋，樁計算配筋面積 As= 7 309 mm2，配筋率1.12%，含鋼量為 106 kg/m3。

圖 1 方案 2 計算模型

圖 2 方案2墩柱彎矩圖

圖 3 方案2樁彎矩圖

表 2 方案 2 擴底樁罕遇地震作用下樁頂彎矩 kN · m

經(jīng)過計算，當樁徑取 900 mm 時，個別樁出現(xiàn)了屈服，與文獻［11］抗震設計理論不相符。因此，當采用擴底樁時，上部等直徑樁部分的直徑不能太小，考慮樁基施工機械的直徑模數(shù) 100 mm，上部等直徑樁部分的直徑不宜小于 1 m。

4　結論

（1）在上硬下軟的地質條件下，軌道交通工程首次采用擴底樁具有一定的推廣意義，相比傳統(tǒng)的等直徑樁有明顯的經(jīng)濟效益優(yōu)勢，但需要由具有豐富的該類型樁施工經(jīng)驗的施工單位施作。

（2）當軌道交通高架車站采用擴底樁時，不但要考慮其豎向承載力，更要計算其在罕遇地震下的屈服特性。對于擴底樁上部等直徑部分，樁徑過小時可能會在罕遇地震作用下屈服，或不屈服時會在按能力保護原則進行設計時配筋過大甚至超筋。建議 7 度區(qū)縱向 12 m 左右柱距的雙柱車站，擴底樁上部等直徑部分樁徑不宜小于 1 m。

［1］ 朱悅明，佘才高，楊秀仁. 地鐵工程設計創(chuàng)新與實踐［M］. 北京：中國鐵道出版社，2013.

［2］ 趙進，劉亮，吳剛，等. 城市軌道交通高架車站變形縫設置的探討［J］. 現(xiàn)代城市軌道交通，2014（2）.

［3］ TB10002.5-2005 鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范［S］. 北京：中國鐵道出版社，2005.

［4］ 高廣運，蔣建平，顧寶和. 同場地擴底樁和直樁的對比研究［J］. 巖石力學與工程學報，2005（3）.

［5］ 胡慶紅，張土喬，謝新宇. 深厚軟土中大直徑灌注擴底樁受力性狀試驗研究［J］. 土木工程學報，2007（4）.

［6］ 阮翔，高廣運. 大直徑擴底樁豎向端承力解析解與試驗分析［J］. 東南大學學報（自然科學版），2009（11）.

［7］ 蔣建平，高廣運. 大直徑擴底樁端阻力折減問題探討［J］. 巖土力學，2006（12）.

［8］ JGJ/T225-2010 大直徑擴底灌注樁技術規(guī)程［S］. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［9］ CJJ166-2011城市橋梁抗震設計規(guī)范［S］. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［10］ 趙進，張英杰，吳剛. 地鐵單跨框架式高架車站結構抗震性能分析［J］. 城市軌道交通研究，2014（2）.

［11］ 范立礎. 橋梁抗震［M］. 上海：同濟大學出版社，1996.

責任編輯 朱開明

Design of Belled Base Pile in Elevated Station of Transit

Zhao Jin， Wu Gang， Zhang Yingjie

Considering that Yangtze River valley flat is composed of the upper soft clay and the bearing stratum of rock， it is efficient to use the belled pile foundation which can provide larger bearing capacity during the pile foundation design of elevated station in urban transit line. Two types of pile foundation with 1.2m diameter pile and belled pile base are compared and analyzed， and mechanic analysis of the belled pile foundation under earthquake action is carried out according to relevant codes and norms. Furthermore two preliminary conclusions are obtained and the belled pile is with obviously advantage of bearing capacity and advantage of cost effectiveness.

urban rail transit， elevated station，belled pile

TU352.1

2015-03-04

趙進（1977—），男，高級工程師