西安地區(qū)濕陷性黃土地鐵車站深基坑開挖引起的地表及基坑支護樁變形特性

梅　源，胡長明，王雪艷,2，袁一力，趙　楠

(1.西安建筑科技大學 土木工程學院，陜西 西安　710055；2.西安工程大學 環(huán)境與化學工程學院，陜西 西安　710048)

黃土多具有特殊的結構和較強的濕陷性，在天然狀態(tài)下可以保持較低的壓縮性和較高的強度，而遇水浸濕后，結構迅速破壞，發(fā)生瞬間變形，強度也隨之大幅下降，具有極大的危害性。西安是西北黃土地區(qū)第1個修建地鐵的城市，地鐵沿線土體多為典型的濕陷性黃土，工程特性非常突出，災害性基坑事故屢見報道。黃土特殊的工程性質(zhì)既為工程人員優(yōu)化設計提供了廣闊的空間，也為基坑施工帶來了巨大的風險。

由于基坑變形的影響因素比較復雜，現(xiàn)有理論不能同時考慮諸因素對變形的影響，而現(xiàn)場監(jiān)測的變形數(shù)據(jù)集中體現(xiàn)了施工過程中諸影響因素的綜合作用，因此，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)成為認識黃土地區(qū)地鐵車站深基坑變形規(guī)律的有效途徑。但由于部分監(jiān)測數(shù)據(jù)極難采集，監(jiān)測工作很難完全達到相關規(guī)范的要求，投入和產(chǎn)出相差懸殊，因此，如何從有限的數(shù)據(jù)中分析基坑的穩(wěn)定性需要深入研究。

國內(nèi)外針對深基坑變形規(guī)律的分析，已經(jīng)積累了一些重要的研究成果。PECK[1]研究得出了軟土深基坑開挖引起的地表最大沉降量與開挖面距離的關系曲線，該曲線已廣泛應用于坑外地表沉降的估算。CLOUGH[2]，LONG[3]和MOORMANN[4]研究分析了世界范圍內(nèi)不同土質(zhì)條件下基坑開挖過程中地表沉降規(guī)律； OU[5]、WONG[6]、LEUNG[7]、徐中華[8]、王衛(wèi)東[9]和MASUDA[10]分別分析了臺北、新加坡、香港、上海及日本等地區(qū)的基坑變形特性及影響因素；李淑[11-12]統(tǒng)計分析了北京地鐵車站深基坑開挖引起的地表及墻體變形規(guī)律。

西安地區(qū)的地鐵車站已陸續(xù)開工和投入使用，針對其基坑開挖變形規(guī)律的系統(tǒng)研究和總結尚顯不足。本文收集了西安10個地鐵車站深基坑工程的監(jiān)測資料，對基坑開挖引起的地表豎向變形及支護樁側(cè)向變形規(guī)律進行了統(tǒng)計分析，研究成果可為黃土地區(qū)地鐵建設提供參考，同時對完善黃土地區(qū)深基坑設計理論、規(guī)避或降低基坑施工風險具有重要意義。

1　西安地鐵地質(zhì)條件及統(tǒng)計基坑概況

1.1　地質(zhì)條件

西安地鐵沿線多穿越渭河或浐河階地、黃土梁洼和黃土塬區(qū)，地質(zhì)條件復雜，沿線主要土層物理力學參數(shù)平均值見表1。

1.2　統(tǒng)計基坑概況

為避免基坑變形影響因素過于復雜，本次統(tǒng)計的基坑形狀均為矩形，長度和寬度分別集中分布在200和20 m左右，開挖深度主要分布于15～27 m之間。

統(tǒng)計的10個車站深基坑均采用灌注樁與鋼支撐聯(lián)合支撐系統(tǒng)，基本信息見表2。本文涉及的變量、符號及意義如圖1所示。

表1　西安地鐵沿線主要土層物理力學參數(shù)平均值

表2　統(tǒng)計的車站深基坑基本信息

圖1　基坑變量及其意義

2　基坑變形規(guī)律分析

2.1　變形范圍

本次研究共獲得81個地表豎向變形和710個支護樁側(cè)向變形的有效測值。其中，地表豎向變形在-30～3 mm范圍(地表豎向變形向上為正)，支護樁側(cè)向變形在-4～18 mm范圍(支護樁側(cè)向變形向基坑內(nèi)為正)。地表豎向變形及支護樁側(cè)向變形均較小，這與黃土特殊的結構性和較高的強度有直接關系。

2.2　支護樁插入比對基坑最大變形的影響

基坑支護樁插入比(支護樁嵌固深度與基坑開挖深度的比值)是影響基坑變形的重要因素。一般而言，適當增加支護結構插入深度，可以提高抗隆起穩(wěn)定系數(shù)，減小基坑變形。

本文統(tǒng)計的西安地鐵車站深基坑支護樁的插入比最小值為0.25，最大值為0.47，平均值為0.37。研究表明：不同區(qū)域、土層條件下，基坑的插入比相差較大，中國臺北地區(qū)基坑支護樁平均插入比為0.65[5]；香港地區(qū)基坑支護樁最大插入比為1.6，最小插入比為0.28，平均值為0.96[7]；上海地區(qū)基坑支護樁最大插入比為2.01，平均值為1.11[8]；北京地區(qū)基坑支護樁插入比最小值為0.17，最大值為0.38，平均值為0.3[11]。西安地區(qū)黃土地層條件相對較好，插入比較小，與北京地區(qū)相近，但遠小于上海軟土地區(qū)基坑。

西安地鐵車站深基坑支護樁插入比與地表最大豎向變形及支護樁最大側(cè)向變形的關系如圖2和圖3所示。

圖2　地表最大豎向變形與支護樁插入比的關系

圖3　支護樁最大側(cè)向變形與支護樁插入比的關系

由圖2可知：地表最大豎向變形隨支護樁插入比的增大而增大，這顯然是不符合一般規(guī)律的。根據(jù)經(jīng)驗，插入比對基坑變形的影響是必然的，然而，插入比是反映支護樁的嵌固情況的主要指標，因此，其對支護樁變形的影響比較直接，而對地表變形的影響比較間接，同時，由于黃土的強度較高、壓縮性較小，單一因素如果作用較弱，則無法在基坑地表變形上有所表現(xiàn)。 由此判斷：支護樁插入比對黃土地區(qū)深基坑開挖引起的地表最大豎向位移的影響較弱，采用提高插入比的方法限制地表豎向變形是不經(jīng)濟的。

相反，插入比對支護樁最大側(cè)向變形的直接作用在圖3中得到了清晰表達，插入比越大，支護樁最大側(cè)向變形越小，排除個別異常數(shù)據(jù)，支護樁最大側(cè)向變形與插入比具有明確的線性關系，因此，如果實際工程中需要限制支護樁的最大側(cè)向變形，可以考慮適當增大支護樁插入比。

2.3　支護系統(tǒng)剛度對基坑最大變形的影響

CLOUGH[1]將基坑支撐系統(tǒng)剛度定義為

(1)

式中：Ew為支護樁彈性模量；h為支撐豎向平均間距；γw為水的重度；D為支護樁直徑；s為樁凈距；n為支撐層層數(shù)。

徐中華及王建華認為[8]：采用式(1)分析支撐系統(tǒng)剛度對基坑變形的影響規(guī)律較為理想。同時，由于該公式不考慮土質(zhì)情況，因此，其對黃土地區(qū)深基坑同樣具有較好的適用性。采用式(1)分析得到的基坑支撐系統(tǒng)剛度與基坑開挖引起的地表最大豎向變形及支護樁最大側(cè)向變形之間的關系如圖4和圖5所示。

圖4　地表最大豎向變形與支撐系統(tǒng)剛度的關系

圖5　支護樁最大側(cè)向變形與支撐系統(tǒng)剛度的關系

根據(jù)式(1)計算得到的基坑支撐系統(tǒng)剛度分布在237～857范圍，平均值為522。由圖4可知：基坑開挖引起的地表最大豎向變形的平均值隨基坑支撐系統(tǒng)剛度的增大緩慢減小，當K>600后，地表豎向變形幾乎不再變化。這與LEUNG等[7]及王衛(wèi)東等[9]統(tǒng)計的香港及上海地區(qū)基坑開挖引起的地表沉降的規(guī)律基本一致。統(tǒng)計結果表明：西安地鐵車站深基坑支撐系統(tǒng)剛度已經(jīng)達到了一個較高的水平。但由于支撐系統(tǒng)剛度對地表變形的作用是間接的，因此通過采用增大支撐系統(tǒng)剛度已難以對較小的地表變形產(chǎn)生顯著的影響。

由圖5可知，支撐系統(tǒng)剛度對支護樁側(cè)向變形的影響在K<600時影響不明顯，當K>600時，其作用較為明顯。因此，在較高水平的支撐系統(tǒng)剛度下，支撐系統(tǒng)剛度少量增加不會對支護樁側(cè)向變形產(chǎn)生很大影響，只有當支撐系統(tǒng)剛度的增量較大時，其對支護樁側(cè)向變形的限制作用才能表現(xiàn)出來，不過此時的支撐系統(tǒng)顯然是不經(jīng)濟的。

2.4　基坑開挖深度對基坑最大變形的影響

本文統(tǒng)計的基坑開挖深度范圍在15～27 m之間，平均深度為19 m，基坑開挖深度與地表最大豎向變形及支護樁最大側(cè)向變形的關系如圖6和圖7所示。

圖6　地表最大豎向變形與基坑開挖深度的關系

圖7　支護樁最大側(cè)向變形與基坑開挖深度的關系

由圖6可知：地表最大豎向變形受基坑開挖深度影響較大，排除個別異常測值后，兩者線性關系明確，地表最大豎向變形隨基坑開挖深度的增加而增大。由圖7可知，基坑開挖深度對支護樁最大側(cè)向變形的影響作用尚不明確，需要進一步研究。

2.5　基坑長寬比對基坑最大變形的影響

研究發(fā)現(xiàn)[2]：基坑開挖長度與寬度之比對基坑穩(wěn)定性具有顯著影響。本文統(tǒng)計的基坑長寬比與地表最大豎向變形及支護樁最大側(cè)向變形的關系如圖8和圖9所示。

圖8　地表最大豎向變形與基坑長寬比的關系

圖9　支護樁最大側(cè)向變形與基坑長寬比的關系

由圖8可知：隨著基坑長寬比的增加，地表最大豎向變形增大，增大趨勢在基坑長寬比<10時較為明顯，>10時相對較弱。圖9表明基坑長寬比對基坑支護樁側(cè)向變形的作用不明確，需要進一步研究。本文統(tǒng)計規(guī)律與文獻[11]得到趨勢基本一致，但由于天然狀態(tài)下黃土強度較高，其趨勢不顯著。

3　基坑變形特征分析

3.1　基坑最大變形分布規(guī)律

統(tǒng)計的基坑中所有監(jiān)測斷面的地表最大豎向變形及其距基坑邊緣的距離與基坑開挖深度比值的分布情況如圖10所示。由圖10可知：地表最大豎向變形在(2.0×10-4～1.14×10-4)Hw之間， 平均值為4.3×10-4Hw， 集中在(2.0×10-4～6.0×10-4)Hw范圍； 地表最大豎向變形位置距基坑邊緣的距離在(0.369～0.623)Hw之間， 平均值為0.521Hw， 集中在(0.45～0.60)Hw范圍。

圖10　地表最大豎向變形分布

統(tǒng)計基坑支護樁最大側(cè)向變形及其距地表的距離與基坑開挖深度比值的分布情況如圖11所示。由圖11可知：支護樁最大側(cè)向變形在(0.46×10-4～9.94×10-4)Hw之間， 平均值為3.66×10-4Hw， 集中在(1.5×10-4～4.5×10-4)Hw范圍； 支護樁最大側(cè)向變形距地表的距離在(0.041～0.864)Hw之間， 平均值為0.483Hw， 集中在(0.03～0.30)Hw及(0.55～0.75)Hw范圍，這種分布規(guī)律可能與基坑支撐系統(tǒng)冠梁剛度及首道支撐位置密切相關，冠梁剛度越大、首道支撐越接近于樁頂，支護樁的頂端約束就越強，其最大變形位置就會下移，當冠梁剛度較小、首道支撐距樁頂較遠時，支護樁的頂端約束則會較弱，支護樁的變形模式會趨于懸臂狀態(tài)，此時其側(cè)向變形最大值將更接近于樁頂。

圖11　支護樁最大側(cè)向變形分布

對比發(fā)現(xiàn)：土質(zhì)不同，深基坑開挖引起的地表沉降最大值差異很大。LONG研究的軟土地區(qū)、香港城區(qū)和北京地區(qū)，F(xiàn)ERNIE[24]研究的英國較硬土層及HASHASH[25]研究的黏土層的基坑變形特性很接近，地表沉降平均值都集中分布在(8×10-4～15×10-4)Hw； 王衛(wèi)東等[9]研究的上海軟土層地表沉降介于(10×10-4～80×10-4)Hw之間， 平均值為38×10-4Hw； MOORMANN統(tǒng)計的軟黏土地層中最大地表沉降基本介于(0.005～0.02)Hw， 平均值約為0.01Hw。可見，黃土地區(qū)地鐵深基坑開挖引起的地表變形比其他地區(qū)小，但是需要強調(diào)的是，黃土天然狀態(tài)下雖可以保持較低的壓縮性和較高的強度，但遇水浸濕后，結構迅速破壞，發(fā)生瞬間變形，強度也隨之大幅下降，因此，盡管黃土深基坑開挖過程中地表豎向變形不大，但一旦發(fā)生土層濕陷，后果往往是嚴重的，設計和施工過程中仍需嚴格控制地表變形。

支護樁的側(cè)向變形也是基坑施工過程中關注的主要安全指標。OU[5]研究的臺北軟土地區(qū)深基坑最大側(cè)移發(fā)生在地表附近；李淑[11]研究的北京地區(qū)采用鉆孔灌注樁支護的基坑，最大側(cè)移的深度位置基本位于(0.58Hw±5 m)范圍；MOORMANN[4]認為大部分深基坑側(cè)移發(fā)生在地表以下(0.5～1.5)Hw范圍；徐中華[8]研究認為上海軟土地區(qū)鉆孔灌注樁基坑最大側(cè)移發(fā)生在開挖面附近，且基本介于(Hw±5 m)范圍之內(nèi)?？梢姡捎诘貙?、設計、施工等因素的差異，不同地區(qū)存在較大差異。

3.2　支護樁最大側(cè)向變形與地表最大豎向變形的關系

基坑的諸多因素同時影響著地表豎向變形及支護樁側(cè)向變形。由于兩者關系較為密切，可以通過一方的變化預測另一方變化。圖12給出了地表最大豎向變形與支護樁最大側(cè)向變形的統(tǒng)計關系。

圖12　地表最大豎向變形與支護樁最大側(cè)向變形的關系

由圖12可知：地表最大豎向變形Uivmax主要集中在支護樁最大側(cè)向變形Uihmax的0.65～2倍范圍。針對Uivmax與Uihmax的關系許多學者進行了研究，GOLDBERG[26]認為不管是砂土、硬黏土還是軟黏土，多有Uivmax=(0.5～1.5)Uihmax；MANA等[27]認為黏土地層中Uivmax=(0.5～1.0)Uihmax；OU統(tǒng)計的臺北盆地10個基坑數(shù)據(jù)表明，Uivmax多在(0.5～0.7)Uihmax的范圍；MOORMANN統(tǒng)計的結果表明，軟黏土中一般Uivmax=(0.5～2.0)Uihmax。由此可見，西安地鐵車站深基坑開挖引起的地表沉降及支護樁側(cè)向變形的關系與上述地區(qū)類似。

4　結　論

(1)西安地鐵車站深基坑開挖引起的地表豎向變形在-30～3 mm，支護樁側(cè)向變形在-4～18 mm，但兩者均小于其他地區(qū)的統(tǒng)計值。

(2)地表最大豎向變形隨基坑支撐系統(tǒng)剛度的增大而減小，但趨勢較緩；隨基坑開挖深度的增加而線性增大；隨基坑長寬比的增加而增大，基坑長寬比<10時較為明顯。地表最大豎向變形的平均值為4.3×10-4Hw，集中在(2×10-4～6×10-4)Hw范圍。

(3)支護樁最大側(cè)向變形隨其插入比的增大而線性減小，隨基坑支撐系統(tǒng)剛度的增大而減小，且此影響在K>600時較強。支護樁最大側(cè)向變形的平均值為3.66×10-4Hw，集中在(1.5×10-4～4.5×10-4)Hw范圍。

(4)西安地鐵車站深基坑開挖引起的地表最大豎向變形主要集中在0.65～2倍的支護樁最大側(cè)向變形范圍。

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