基床系数对明挖地铁车站结构内力影响分析

基床系数对明挖地铁车站结构内力影响分析

王洪利

吉林铁道勘察设计院有限公司吉林省吉林市132001

摘要：当今时代，地铁已经成为人们出行的一种重要出行方式。据GB50307城市轨道交通岩土工程勘察规范定义，在外力作用下，单位面积岩土体产生单位变形时所需压力称为基床系数，其根据岩土体受力情况可分为水平基床系数和垂直基床系数。基床系数不单纯是土的性质指标，其取值受土的类型和状态、基础形状和埋深、地基刚度、基底面积、荷载作用时间等因素综合影响，是轨道交通岩土工程勘察需要测定的重要参数之一。

关键词：基床系数；明挖地铁车站；结构内力

引言

在典型明挖地铁车站设计中，由于设备和建筑功能的需要，主体结构中板将设置较多孔洞，较大的孔洞有楼扶梯孔和风孔；对于主体侧墙结构，由于受出入口和风道附属接口的影响，主体结构侧墙需开孔，当主体结构板墙开孔后，将引起主体结构内力的变化，本文针对明挖地铁车站常用的标准三跨结构形式，分别采用改变侧墙水平基床系数和底板竖向基床系数的大小并建立多个不同模型，在荷载等其他条件不变的情况下，对比分析结构顶板、底板、侧墙的内力变化，从而找出了改变基床系数大小对结构内力的影响。

1基床系数概念及测定方法

基床系数又称弹性抗力系数或地基反力系数，是地基土在外力作用下产生单位变形时所需的应力，可表示成式1。

K=P/s（1）

式中：K为基床系数（MPa/m）；P为地基土所受的应力（MPa）；s为地基土在应力为P时的变形（m）。

2工程概况

明挖地铁车站结构一般为侧墙两侧荷载对称，本文结构形式及荷载以地铁10号线雪松路站为基础，取其车站标准断面进行研究。车站为地下2层三跨结构，标准段宽度为20．5m，纵向柱间距为9．75m，柱混凝土等级为C50，其余构件混凝土等级均为C40，车站覆土4m，地下水位为地面下3m，地下水类型为潜水。车站底板及侧墙的水平及竖向基床系数为25MPa/m，水平侧压力系数为0．43。车站结构底板大多位于中粗砂、砾砂、粘土及中风化岩石，基床系数从20MPa/m～200MPa/m不等。本文分别改变侧墙基床系数并依次增大竖向基床系数来研究结构内力变化情况。

3基床系数对明挖地铁车站结构内力影响

3.1计算荷载

根据相关经验，各构件截面尺寸及配筋均由裂缝控制，限于篇幅，本文仅对由永久荷载效应控制的标准组合进行分析。计算中假定所有荷载一次加载，不考虑施工过程的影响。侧向土压力选用静止土压力计算，水压力按静水压力计算，本车站范围内为砂土，采用水土分算。本文计算中考虑结构自重、顶板覆土荷载、顶板超载、中板恒活载、底板水压力、侧墙水土压力、侧墙超载。

3.2结构内力分析

为了更好的对比基床系数对结构内力的影响，本文分别建立了只改变侧向水平基床系数，同时改变侧墙侧向基床系数和底板竖向基床系数，只改变底板竖向基床系数等3种模型进行对比分析。由于明挖地铁车站结构的顶板一般按纯弯构件计算，中板及底板按压弯构件计算时对轴力进行适当折减，侧墙按压弯构件计算，但在计算结果中发现，基床系数的改变对轴力影响不大，最大差异为4%，所以弯矩值得变化对结构配筋影响较大。限于篇幅，本文仅给出弯矩的变化值。

3.2.1侧墙水平基床系数的影响

图1给出了结构侧墙水平基床系数及结构底板竖向垂直基床系数均为25MPa/m时的结构弯矩图，图2给出了结构侧墙基床系数增大1倍即50MPa/m，结构底板竖向基床系数仍为25MPa/m时的结构弯矩图。各控制点的弯矩值如表1所示，从表1的计算结果对比可以看出，侧墙的基床系数增大一倍时，弯矩值差异最大处为0．3%，侧墙水平基床系数的改变对结构内力的影响可以忽略不计。

表1控制节点弯矩表

3.2.2底板竖向基床系数的影响

图3为结构底板竖向基床系数在25MPa/m的基础上增加1倍，即50MPa/m时的结构弯矩图，图4为侧墙水平基床系数及底板竖向基床系数均为50MPa/m时的结构弯矩图，各控制点的弯矩值如表2所示，从表2的计算结果对比可以看出，侧墙的基床系数增大1倍时，弯矩值差异最大处为0．46%，从表2的计算结果可以再次验证结构侧墙水平基床系数对结构内力的影响甚小，可以忽略不计。为此，图5～图8给出了为只改变底板竖向基床系数时的结构弯矩图，即不考虑侧墙基床系数的改变影响，结构底板竖向基床系数分别为75MPa/m，100MPa/m，150MPa/m和200MPa/m。图3～图8控制节点处弯矩值对比如表3所示。从表3的结果可以看出，结构底板基床系数的改变对结构顶板跨中弯矩影响不大，而对其他部位影响较为明显，尤其是结构底板跨中弯矩。各部位弯矩以底板基床系数为25MPa/m为基准，即100%，则不同底板基床系数的弯矩变化比如表4所示。由表4统计可知：

1)结构底板基床系数的改变，对结构顶板跨中和底板与柱子的相交支座的弯矩影响可以忽略不计，内力变化值最大值均在4%以内。

2)对结构顶板支座、结构侧墙跨中的影响，随着结构底板基床系数的增大结构内力增大，内力变化最大在10%左右。底板基床系数每增加1倍时内力改变不大，增加在4%以内。

结语

在明挖地铁车站场地标高相差不大，即侧墙两侧荷载对称的情况下：

1)侧墙侧向水平基床系数对结构内力基本不影响或者影响可以忽略，在结构内力分析时可不考虑。

2)底板竖向垂直基床系数对结构内力影响较大。竖向基床系数的改变对结构顶板跨中内力的影响可以忽略不计；随着竖向垂直基床系数增大，侧墙与底板支座处的负弯矩及侧墙跨中正弯矩则增大，但幅度并不大，底板基床系数每增加1倍时内力改变不大，增加在4%以内；随着竖向垂直基床系数增大，对结构底板的影响较为突出，结构底板内力减少，尤其是底板跨中最为明显。

3)随着结构底板基床系数增加，结构内力总的来说是减少，结构配筋也会有所减少。

参考文献

［1］彭友君．地铁设计中基床系数的解决方案［J］．都市快轨交通，2007(4)：30-33．

［2］GB50909—2014，城市轨道交通结构抗震设计规范［S］．

［3］仲锁庆．地基土基床系数研究［J］．地下空间与工程学报，2005(1)：20-21．

［4］铁道第二勘察设计院，广州市地下铁道总公司．回顾与思考广州地铁一号线工程设计总结［M］．北京：中国铁道出版社，2004．

［5］GB50157—2013，地铁设计规范［S］．

［6］GB50010—2010，混凝土结构设计规范［S］．

［7］刘丽媚．基床系数试验方法的研究与应用［J］．山西建筑，2016，42(9)：101-102．

［8］黄纬．对扁铲侧胀试验测定土的基床系数的研究［D］．南京：南京工业大学，2007．

［9］《工程地质手册》编委会．工程地质手册［M］．第5版．北京：中国建筑工业出版社，2018．

［10］乔海超，李晓昭，赵晓豹.浅埋地铁车站结构内力影响因素分析［J］.城市轨道交通研究，2008(4)：18-22.