赵 进，吴 刚，张英杰

（江苏省交通规划设计院股份有限公司，江苏南京 210014）

轨道交通高架车站扩底桩设计探讨

赵 进，吴 刚，张英杰

（江苏省交通规划设计院股份有限公司，江苏南京 210014）

在上部为软土、持力层为岩层的长江漫滩区域，轨道交通高架车站桩基采用扩底桩是提高桩基承载力的有效手段。文章对1.2 m 直桩和扩底桩 2 种类型桩基进行了对比分析，并根据相关规范对扩底桩进行了地震作用下的受力分析，得到了扩底桩具有明显的高承载力和经济性优势以及扩底桩直桩部分不宜过小的结论。

轨道交通；高架车站；扩底桩

南京宁和城际轨道交通一期工程（以下简称宁和城际），是南京南站到黄里（二期工程到安徽和县）都市圈轨道交通中的一条线路，线路全长 36.26 km，其中地下线 14.13 km，高架线 21.41 km，地面线 0.42 km，敞开段 0.3 km，全线共设 19 座车站，其中地下站 10 座，高架站 8 座，地面站 1 座。

宁和城际高架站均位于长江漫滩区域，表层土为淤泥质粉砂，深层为中风化泥质粉砂岩，车站主体基础设计均采用钻孔灌注桩。针对如此地质条件，应进行桩基的优化设计，以期找到最合理的方案，扩底桩是一个可以尝试的办法。本文以长江之北的步月路站（后改名为双垅站）为例进行分析讨论。

1　工程概况

步月路站为路中高架三层岛式站，横向双柱单跨，跨度 9.9 m，纵向柱距 12 m，车站总长 120 m，中间设1 道变形缝。

步月路站所处地貌单元为长江高漫滩，覆盖层组成物主要为第四系全新统的淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉土、粉砂等，基岩表层为卵砾石层；岩土体结构特征相对较稳定，工程地质条件较复杂。从地面往下土层依次为①-2 素填土，②-1b2-3 粉质黏土，②-2b3-4 粉质黏土-淤泥质粉质黏土，②-2c-d2-3 粉土-粉砂，②-3d2粉砂，②-4b3-4 黏土-粉质黏土，②-4b-c3粉土与粉质黏土互层，③-4e1中、粗砂混卵砾石，④-4e-1卵砾石，K2P-2 强风化泥质粉砂岩，K2P-3 中风化泥质粉砂岩，岩石饱和单轴抗压强度标准值平均为 2.01 MPa。以上土、岩层在车站长度范围内非常均匀，无起伏变化。

2　桩基设计方案对比

由本站地质条件决定，只能选择 K2P-3 中风化泥质粉砂岩层作为桩端持力层，根据 JGJ94-2008《建筑桩基技术规范》的规定，桩端进入持力层深度不应小于 0.4 倍桩径且应大于 0.5 m。由计算得知桩端最大反力为 4 300 kN，如果采用 1 m 直径桩，桩长需超过 50 m。根据 TB10002.5-2005《铁路桥涵地基和基础设计规范》，当桩长大于 50 m 且长径比大于 50 时，就成为超长桩，超长桩承载变形特性不同于普通桩，施工工艺也变得非常复杂，因此，初步设计中未考虑该方案，而重点对如下 2 个方案进行了对比。

（1）方案 1（等直径 1.2 m 桩）。桩端入岩深度取1.68 m，桩径取 1.2 m，桩长取 48 m，单桩竖向承载力特征值按 JGJ 94-2008《建筑桩基技术规范》摩擦桩计算公式估算为 4 719 kN，轴向受压容许承载力按TB10002.5-2005《铁路桥涵地基和基础设计规范》估算为 4 351 kN，单根桩混凝土用量为 54.29 m3。

（2）方案 2（大直径扩底桩）。大直径扩底桩在建筑工程中应用很广泛，技术条件也很成熟，但用于地铁和轨道交通工程中很少。本站根据地质条件和地层特点尝试使用大直径扩底桩，桩基上部桩径取 1 m，桩端扩底直径取 2 m，桩长取 48 m，单桩竖向承载力特征值按JGJ/T225-2010《大直径扩底灌注桩技术规程》估算为 8 347 kN，单根桩（含扩底）混凝土用量约为 41.81 m3。

将 2 个方案对比列表，如表 1。由表 1 可见，方案 1桩径 1.2 m 与区间桥梁打桩施工机具相匹配，属于常规施工工法，完成 1 根桩需要 8～10 h，施工速度较快；方案 2 扩底桩最突出的优点是能提供很大的桩端承载力，对于上部为软土下部为岩层的地质条件，该种桩能充分发挥承载力优势，且比方案 1 节省约 20% 的混凝土和钢筋，经济指标优势明显，但该工法对于施工单位要求较高，应具备熟练的更换钻头等操作技巧，完成 1 个桩需要约 20 h 以上，施工速度较慢。

表 1 方案对比

3　扩底桩受力分析

现行 GB50157-2013《地铁设计规范》相比旧版的GB50157-2003《地铁设计规范》，增加了“横向单柱或双柱的高架车站墩柱结构，基础应作为能力保护构件，按能力保护原则设计”的要求。因此，需要对桩基础参考 CJJ166-2011《城市桥梁抗震设计规范》进行能力保护设计。以方案 2 扩底桩为例，三维计算模型见图 1，采用 Midas-Civil 软件，梁、柱、承台、桩均采用梁单元，楼板和局部剪力墙采用板单元，桩端头对受力影响很小未按实际模拟。

根据文献［10］的方法，在方案 2 扩底桩模型上加载罕遇地震时程波进行弹塑性动力时程分析，得到墩柱和桩在罕遇地震作用下的包络弯矩如图 2 和图 3。以第 2 条地震波作用下C轴交7轴计算弯矩值为例，墩柱底弯矩最大为 4 938 kN · m，桩顶弯矩最大为 1 384 kN · m。考虑设计的包络性，取桩顶最大弯矩作为计算设计值。

从图 2 和图 3 弯矩图中提取桩顶内力值列于表 2，以 C 轴交 7 轴处桩为例，桩在罕遇地震作用下未屈服，因此，采用罕遇地震作用下计算内力包络值作为设计值计算桩配筋，桩计算配筋面积 As= 7 309 mm2，配筋率1.12%，含钢量为 106 kg/m3。

图 1 方案 2 计算模型

图 2 方案2墩柱弯矩图

图 3 方案2桩弯矩图

表 2 方案 2 扩底桩罕遇地震作用下桩顶弯矩 kN · m

经过计算，当桩径取 900 mm 时，个别桩出现了屈服，与文献［11］抗震设计理论不相符。因此，当采用扩底桩时，上部等直径桩部分的直径不能太小，考虑桩基施工机械的直径模数 100 mm，上部等直径桩部分的直径不宜小于 1 m。

4　结论

（1）在上硬下软的地质条件下，轨道交通工程首次采用扩底桩具有一定的推广意义，相比传统的等直径桩有明显的经济效益优势，但需要由具有丰富的该类型桩施工经验的施工单位施作。

（2）当轨道交通高架车站采用扩底桩时，不但要考虑其竖向承载力，更要计算其在罕遇地震下的屈服特性。对于扩底桩上部等直径部分，桩径过小时可能会在罕遇地震作用下屈服，或不屈服时会在按能力保护原则进行设计时配筋过大甚至超筋。建议 7 度区纵向 12 m 左右柱距的双柱车站，扩底桩上部等直径部分桩径不宜小于 1 m。

［1］ 朱悦明，佘才高，杨秀仁. 地铁工程设计创新与实践［M］. 北京：中国铁道出版社，2013.

［2］ 赵进，刘亮，吴刚，等. 城市轨道交通高架车站变形缝设置的探讨［J］. 现代城市轨道交通，2014（2）.

［3］ TB10002.5-2005 铁路桥涵地基和基础设计规范［S］. 北京：中国铁道出版社，2005.

［4］ 高广运，蒋建平，顾宝和. 同场地扩底桩和直桩的对比研究［J］. 岩石力学与工程学报，2005（3）.

［5］ 胡庆红，张土乔，谢新宇. 深厚软土中大直径灌注扩底桩受力性状试验研究［J］. 土木工程学报，2007（4）.

［6］ 阮翔，高广运. 大直径扩底桩竖向端承力解析解与试验分析［J］. 东南大学学报（自然科学版），2009（11）.

［7］ 蒋建平，高广运. 大直径扩底桩端阻力折减问题探讨［J］. 岩土力学，2006（12）.

［8］ JGJ/T225-2010 大直径扩底灌注桩技术规程［S］. 北京：中国建筑工业出版社，2010.

［9］ CJJ166-2011城市桥梁抗震设计规范［S］. 北京：中国建筑工业出版社，2011.

［10］ 赵进，张英杰，吴刚. 地铁单跨框架式高架车站结构抗震性能分析［J］. 城市轨道交通研究，2014（2）.

［11］ 范立础. 桥梁抗震［M］. 上海：同济大学出版社，1996.

责任编辑 朱开明

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

赵进（1977—），男，高级工程师