膨脹土地層地鐵車站基坑圍護結(jié)構(gòu)受力與變形分析

徐仁中，袁順德

( 1．中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅蘭州　730000; 2．中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川成都　611731)

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膨脹土地層地鐵車站基坑圍護結(jié)構(gòu)受力與變形分析

徐仁中1，袁順德2

( 1．中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅蘭州730000; 2．中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川成都611731)

摘要:成都地鐵天回鎮(zhèn)南站位于膨脹土地層，基坑周邊膨脹土在上層滯水浸泡下產(chǎn)生膨脹力作用于車站基坑圍護結(jié)構(gòu)上，在基坑開挖過程中圍護樁體變形過大，樁端出現(xiàn)踢腳現(xiàn)象，極易導(dǎo)致圍護結(jié)構(gòu)體系失穩(wěn)。針對這種情況，采用FLAC差分軟件對車站圍護結(jié)構(gòu)及基坑開挖進行模擬計算，分析該膨脹土地層圍護樁的合理插入深度及橫撐軸力增量、樁體最大位移、樁端位移隨膨脹力變化的規(guī)律，并提出確保圍護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的應(yīng)對措施。

關(guān)鍵詞:膨脹土地鐵車站深基坑圍護結(jié)構(gòu)受力變形

1　工程概況

成都地鐵3號線天回鎮(zhèn)南站位于成都軍區(qū)總醫(yī)院門前的川陜公路下方，車站主體沿川陜路布置，呈南北走向。車站長205. 7 m、寬36. 5 m、深18 m，頂板覆土約3 m。場地屬于岷江水系Ⅲ級階地。經(jīng)勘察表明，場地土由第四系全新統(tǒng)人工填土層( Q4ml)、第四系中下更新統(tǒng)冰水沉積層( Q1fg+l2)及白堊系上統(tǒng)灌口組( K2g)基巖組成。地下水主要有2種類型:一是賦存于填土里的上層滯水，二是基巖裂隙水。滲透系數(shù)K約為0. 027～2. 01 m/d，平均為0. 44 m/d。屬弱～中等透水層。

根據(jù)室內(nèi)試驗:白堊系上統(tǒng)灌口組K2g全風化泥巖自由膨脹率為40%～50%，平均值為43. 70%，蒙脫石含量為7. 8%～11. 4%，平均含量為9. 00%，陽離子交換量為185. 00～226. 00 mmol/kg，平均為199. 30 mmol/kg，試驗條件下的膨脹力為21. 70～43. 80 kPa，平均值為36. 30 kPa; K2g強風化泥巖自由膨脹率為9%～36%，平均值為26. 67%，膨脹力5. 30～40. 70 kPa，平均值21. 95 kPa; K2g中等風化泥巖自由膨脹率為17. 0%～41. 0%，平均值為28. 71%，膨脹力10. 04 ～117. 45 kPa，平均值為46. 89 kPa，飽和吸水率7. 40%～11. 77%，平均值為9. 00%。

2　數(shù)值分析

2. 1計算模型及土層參數(shù)

成都地鐵3號線天回鎮(zhèn)南站車站長205. 7 m、寬36 m，位于膨脹土地層中，通過數(shù)值模型分析膨脹土的膨脹力對支護結(jié)構(gòu)體系的受力與變形所產(chǎn)生的影響。

建立如圖1所示二維平面模型進行模擬，開挖基坑寬B = 36 m，深H = 18 m，圍護樁樁徑為1. 0 m、長度L = 22 m?；娱_挖實行分層開挖，第一層開挖深度6 m，第二層開挖深度6 m，第三層開挖深度6 m，合計18 m到基坑底面，共架設(shè)三層φ609 mm厚16 mm鋼管橫撐。

圖1數(shù)值計算模型

基坑圍護結(jié)構(gòu)參數(shù):圍護樁的楊氏彈性模量E = 30 GPa，泊松比μ= 0. 22。

鋼管橫撐的楊氏彈性模量E = 210 GPa，泊松比μ=0. 2?；訃o結(jié)構(gòu)和支撐采用彈性模型，巖土材料采用莫爾—庫倫模型。

依據(jù)《成都地鐵3號線一期工程詳細勘察階段天回鎮(zhèn)南站巖土工程勘察報告》，土層物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。

2. 2計算分析

膨脹土在浸水后產(chǎn)生膨脹力，對支護結(jié)構(gòu)的受力和變形產(chǎn)生影響，下面從膨脹力與樁體最大位移、樁端位移、橫撐軸力之間的關(guān)系進行分析。

表1天回鎮(zhèn)南站土層物理力學(xué)參數(shù)

1)樁端位移與插入深度的關(guān)系(圖2)

圖2樁端位移與插入深度的關(guān)系

由圖2可知:在相同膨脹力作用下，樁端位移隨插入深度的增加而減小;在不同膨脹力作用下，從樁端位移與樁的插入深度關(guān)系曲線可以得出樁端插入坑底深度＞0. 44H( H為基坑開挖深度)時，樁端位移為0，踢腳現(xiàn)象消失。

2)橫撐軸力的增量與膨脹力的關(guān)系

一般認為，圍護樁插入深度為4 m( 0. 22H)時樁端錨固力最小，處于最不利工況，故以插入深度4 m時橫撐軸力的增量與膨脹力的關(guān)系進行曲線擬合，得出橫撐軸力的增量與膨脹力的線性表達式(見圖3)。圖3還給出了圍護樁不同插入深度時橫撐軸力增量與膨脹力的關(guān)系。

由圖3可知，第一層橫撐軸力的增量與膨脹力的計算公式為

第二層橫撐軸力的增量與膨脹力的計算公式為

第三層橫撐軸力的增量與膨脹力的計算公式為

式中: P為膨脹力。

圖3橫撐軸力增量與膨脹力的關(guān)系

根據(jù)上面的公式可以在基坑水平支撐的設(shè)計中按照橫撐軸力增量與膨脹力的關(guān)系調(diào)整橫撐的設(shè)計參數(shù)如豎向間距、水平間距、預(yù)加軸力來增加圍護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性保證基坑開挖的安全。

3)樁體最大位移增量與插入深度的關(guān)系(圖4)

圖4樁體最大位移增量與插入深度的關(guān)系

由圖4可知，樁體最大位移增量隨樁的插入深度增加而減小，說明增加樁的插入深度不僅能很好地控制樁端位移，而且能減小樁體最大位移。

3　車站基坑監(jiān)測結(jié)果

圍護樁典型水平位移監(jiān)測結(jié)果如圖5所示?？芍囌緡o樁插入基坑底面以下深度設(shè)計值為4 m ( 0. 22H)，通過監(jiān)測圍護結(jié)構(gòu)樁內(nèi)的18#(樁體)，24#(樁端)測斜管水平位移，樁體水平位移最大值達到46. 67 mm，樁端位移達到39. 5 mm，大大超過預(yù)警值。經(jīng)分析由于車站基坑位于膨脹土地層中，基坑開挖后基坑周邊坑底以上存在上層滯水和地表水補給，膨脹土在水的浸泡下產(chǎn)生膨脹力，使樁體產(chǎn)生較大的水平位移，引起樁端發(fā)生踢腳現(xiàn)象。

圖5圍護樁樁體水平位移監(jiān)測曲線

根據(jù)數(shù)值分析和施工監(jiān)測結(jié)果，可見膨脹土地層中樁端插入深度0. 22H( H為基坑開挖深度)時，由于樁體錨固深度不能滿足受力要求，樁端發(fā)生踢腳現(xiàn)象，并使基坑側(cè)壁出現(xiàn)2～8 mm的多條裂縫，顯現(xiàn)圍護結(jié)構(gòu)體系即將失穩(wěn)的險情。通過調(diào)整橫撐的橫向間距和豎向間距，加密橫撐以及補打錨固樹根樁，最終使險情得以控制，順利完成車站主體結(jié)構(gòu)的澆筑。

4　結(jié)論與建議

1)樁端位移隨圍護樁插入基坑底深度的增加而減小，在不同膨脹力作用下，圍護樁插入深度需大于0. 44H( H為基坑開挖深度) ;在相同膨脹力作用下增加樁的插入深度不僅能減小樁端位移也能減小樁體最大位移增量。

2)在膨脹土地層中，應(yīng)根據(jù)巖土工程勘察報告提供的膨脹力在設(shè)計時參照橫撐軸力增量與膨脹力的關(guān)系調(diào)整橫撐設(shè)計參數(shù)。

3)膨脹土易受外部環(huán)境影響，施工期間應(yīng)加強監(jiān)測及時反饋監(jiān)測結(jié)果，供施工單位決策并采取措施排除隱患控制險情。

4)膨脹土作為特殊土受水浸泡后，不但土體發(fā)生軟化強度降低，而且吸水膨脹產(chǎn)生膨脹力作用在圍護結(jié)構(gòu)上，導(dǎo)致基坑圍護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低，因此必須做好地表防排水工作，基坑開挖后應(yīng)及時網(wǎng)噴混凝土，封閉開挖面，隔斷與大氣環(huán)境的聯(lián)系。

參考文獻

［1］鄧長茂，李鏡培．合肥膨脹土基坑工程事故分析與預(yù)防［J］．結(jié)構(gòu)工程師，2011( 2) : 105-109．

［2］劉洋，周健，王國強．膨脹土基坑邊坡降雨入滲的一維數(shù)值模擬［J］．同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2005( 2) : 158-161．

［3］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．JGJ 120—2012建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012．

［4］劉瑩瑩，李明霞，黃志全．膨脹土在動靜力學(xué)作用下的微觀結(jié)構(gòu)變化［J］．鐵道建筑，2013( 1) : 65-68．

［5］中國建筑西南勘察設(shè)計研究院有限公司．成都地鐵3號線一期工程詳細勘察階段天回鎮(zhèn)南站巖土工程勘察報告［R］．成都:中國建筑西南勘察設(shè)計研究院有限公司，2012．

［6］王佳慶，徐茂華．成都膨脹土(巖)地區(qū)地鐵深基坑圍護樁體系設(shè)計探討［J］．路基工程，2013( 3) : 169-173．

［7］徐少平．成都砂卵地層大型地鐵基坑施工穩(wěn)定性監(jiān)測［J］．鐵道建筑，2011( 1) : 58-60．

［8］李陽，漆泰岳，王睿．地鐵中間風井深基坑圍護結(jié)構(gòu)變形規(guī)律分析［J］．鐵道建筑，2011( 1) : 58-60．

［9］夏明耀．地下工程設(shè)計施工手冊［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999．

(責任審編孟慶伶)

Analysis of stress and deformation in enclosure structure of metro foundation pit in expensive soil stratum

XU Renzhong1，YUAN Shunde2
( 1．Northwest Research Institute Co．，Ltd．，China Railway Engineering Corporation，Lanzhou Gansu 730000，China; 2．Southwest Research Institute Co．，Ltd．，China Railway Engineering Corporation，Chengdu Sichuan 611731，China)

Abstract:Chengdutianhui town south metro station is located in the expansive soil layer．T he expansive soil surrounding foundation pit and soaking by the upper perched water produced expansion force applied to the station foundation pit retaining structure．During the excavation，the supporting pile deformation is too large and kicking phenomenon occurs in pile ends，which are easy to result in the enclosure structure system instability．Aimed at this situation，conducting the simulation calculation for the station enclosure structure and excavation by finite difference software-FLAC．Analysis the expansive soil layer supporting piles reasonable insert depth，the lateral brace axial force increment，the pile maximum displacement，and displacement laws of pile end changed with the expansion force to put forward the control measures．

Key words:Expansive soil; M etro Station; Deep foundation pit; Enclosure structure; Stress deformation

文章編號:1003-1995( 2016) 02-0084-04

作者簡介:徐仁中( 1983—)，男，工程師，碩士。

收稿日期:2015-10-21;修回日期: 2015-11-20

中圖分類號:TU94+2

文獻標識碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．21