許亞軍
(中鐵隧道勘測設計院有限公司, 天津 300133)
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深基坑工程中膨脹力設計取值分析
許亞軍
(中鐵隧道勘測設計院有限公司, 天津300133)
摘要:目前我國現(xiàn)行工程規(guī)范并未對膨脹土(巖)中深基坑工程的膨脹力設計取值給以明確規(guī)定,實際設計過程中膨脹力取值方法不一。以成都地鐵3號線一期工程膨脹土(巖)范圍明挖區(qū)間深基坑工程為例,對不同取值情況下設計結果與施工現(xiàn)場實測數據進行對比分析,找出實測值與理論計算值的對應關系,對于既能保證圍護結構安全性又兼顧經濟性的膨脹力設計值的選用具有較強的指導意義。
關鍵詞:深基坑; 膨脹土(巖); 膨脹力; 支撐軸力; 設計值; 實測值
0引言
膨脹土是指土中的黏粒主要成分是親水礦物,具有明顯吸水膨脹和失水收縮雙重特性的黏性土[1]。吸水膨脹后的膨脹土如果受到周邊約束,不能自由膨脹,便會在土體中產生膨脹力,膨脹力是基坑失穩(wěn)和垮塌的關鍵因素。在我國的四川、湖北、貴州、廣西等20多個省份都存在膨脹土,總面積在10萬km2以上[2],伴隨市政及民用工程建設的快速發(fā)展,全國范圍膨脹土地區(qū)的深基坑工程數量也在同步增加,基坑深度不斷加大,不規(guī)則形狀增加,設計中應考慮膨脹力作用,但目前行業(yè)內在基坑設計中,膨脹力的取值并沒有統(tǒng)一的規(guī)定[3]。需要說明的是,深基坑擋土墻考慮膨脹土水平壓力之后,工程造價將成倍增加。近年來隨著膨脹土地區(qū)基坑安全事故的頻繁發(fā)生,膨脹土基坑支護結構的設計問題才逐漸引起業(yè)內專家學者的重視與關注[4],但國內對于膨脹土產生的水平力對基坑支護結構的作用及影響程度尚未形成共識[5]。目前多數專題研究側重于大量的室內實驗數據對比分析,研究不同條件下對應膨脹力的變化趨勢且多集中在豎向膨脹力[6]對基礎底部的作用,而在基坑支護設計中多是采取對勘察提供的膨脹力或指標參數考慮安全系數后運用,缺乏嚴格意義的指導依據[7]。綜上所述,膨脹土地區(qū)作用在支護結構上的水平膨脹力取值大小,不僅要考慮工程的安全性,同時也要兼顧經濟性的原則,這是目前做好基坑支護設計的難點。本文通過對膨脹力的不同取值進行理論計算分析,再根據現(xiàn)場基坑圍護結構內力實測數據對理論計算結果進行對比分析,分析結果可為膨脹土地區(qū)深基坑設計參數取值提供一些指導。
1對比分析思路
以成都地鐵3號線天回鎮(zhèn)南站站前明挖區(qū)間基坑為依托進行研究分析。膨脹土遇水膨脹時沿各方向膨脹力大小是相同的,作用在圍護結構上的膨脹力可按水平荷載考慮。設計中所取膨脹力設計值依據為現(xiàn)場勘察得出的土的物理力學性質,對應巖土規(guī)范確定膨脹力建議范圍值,計算時取最大建議值的不同比例分工況進行計算分析。圍護結構計算模型如圖1所示,從模型可以看出作用在圍護結構上的土壓力由圍護結構支撐軸力平衡,膨脹力設計值取值大小直接可由支撐軸力設計值得到反應。計算荷載取值時基坑周邊超載取20 kPa,膨脹力根據地勘報告值取水平力作用在圍護樁上計算,土壓力按彈性法計算?,F(xiàn)在的測量技術對工程現(xiàn)場的支撐軸力實際值的測量是相對準確的,故現(xiàn)在通過支撐軸力的實測值與設計值對比來反應出膨脹力對應值。支撐軸力設計值與設計所采用計算軟件有一定關系;而現(xiàn)場膨脹力實際情況受施工措施影響較大,如果隔水措施及封閉措施做的好,膨脹力的實際值便會相對較小[8]。為了使本文對比分析具有普遍性,本對比分析基于以下條件進行。
1)圍護結構計算中采用的膨脹力以及地質參數均以正式地質勘察建議值為依據。
2)計算軟件采用理正深基坑7.3版軟件。
3)現(xiàn)場施工嚴格按設計要求,能及時做好封閉和排水措施,控制好地層含水量。
2不同取值條件下支撐軸力設計值
天回鎮(zhèn)南站站前明挖區(qū)間位于岷江三級階地,是成都地區(qū)典型的膨脹土分布區(qū)域[9]?,F(xiàn)場巖芯照片如圖2所示。
根據勘察報告揭示,本明挖基坑范圍地層主要為〈4-1-1〉黏土及〈5-1〉全風化泥巖;其中黏土自由膨脹率(FS)=21%~64%,平均值為52%;蒙托石含量為7.5%~16.3%,平均含量為14.02%;陽離子交換量
為145.00~259.00 mmol/kg,為弱膨脹土,試驗條件下膨脹力為8.3~180.01 kPa,平均值為101.70 kPa;全風化泥巖自由膨脹率(FS)=40%~53%,平均值為46%;蒙托石含量為8.9%~14.0%,平均含量為12.30%;陽離子交換量為175.00~218.00 mmol/kg,為弱膨脹巖,試驗條件下膨脹力為45.2~131.7 kPa,平均值為71.5 kPa。巖土物理力學指標見表1。
圖1 圍護結構計算模型
圖2 現(xiàn)場巖芯照片
地層代號巖土名稱時代與成因天然密度ρ/(g/cm3)天然含水量w/%孔隙比e黏聚力c/kPa內摩擦角φ/(°)壓縮系數α0.1~0.2/(MPa-1)壓縮模量Es0.1~0.2/MPa滲透系數K/(m/d)側壓力系數ξ<4-1-1>黏土1.9522.00.65532.516.50.1611.50.00750.44<5-1>全風化泥巖<5-2>強風化泥巖K2g2.0028.50.87434.016.00.3216.20.23510.412.1515.065.029.00.1016.00.027~2.010.35
該明挖基坑呈狹長條形,其中長度約為150 m,寬度約為20.2 m,標準段深度為11.2 m,采用樁加內支撐的支護形式,基坑圍護結構橫斷面如圖3所示。采用不同膨脹力取值條件支撐力設計值進行計算,以勘察測試得出土的物性指標對應規(guī)范手冊建議值中最大膨脹力為基準,分別取最大膨脹力的不同比例作為水平荷載加載到圍護結構上進行計算。
圖3 明挖區(qū)間基坑橫斷斷面圖(單位: mm)
根據上述方法,按膨脹力取值不同分4種工況分別進行計算。
工況1: 取100%最大膨脹力作用,此時黏土層膨脹力為180.01 kPa,全風化巖層膨脹力為 131.7 kPa。
工況2: 取60%最大膨脹力作用,此時黏土層膨脹力為108.0 kPa,全風化巖層膨脹力為79.02 kPa。
工況3: 取30%最大膨脹力作用,此時黏土層膨脹力為54.0 kPa,全風化巖層膨脹力為39.51 kPa。
工況4: 取0%最大膨脹力作用,此時黏土層膨脹力為0,全風化巖層膨脹力為0。
在計算軟件中輸入計算參數后,得到不同工況下圍護結構內力包絡圖,如圖4—7所示。
(a) 支反力(單位: kN)(b) 彎矩(單位: kN·m)(c) 剪力(單位: kN)
圖4不考慮膨脹力作用下圍護結構內力包絡圖
Fig. 4Envelope diagram of internal force of retaining structure without consideration of expansion force
(a) 支反力(單位: kN)(b) 彎矩(單位: kN·m)(c) 剪力(單位: kN)
圖530%最大膨脹力作用內力包絡圖
Fig. 5Envelope diagram of internal force under effect of 30% the maximum expansion force
(a) 支反力(單位: kN)(b) 彎矩(單位: kN·m)(c) 剪力(單位: kN)
圖660%最大膨脹力作用內力包絡圖
Fig. 6Envelope diagram of internal force under effect of 60% the maximum expansion force
由計算結果可知: 在不同膨脹力取值條件下,2道支撐的軸力設計值統(tǒng)計如圖8和圖9所示。
3現(xiàn)場監(jiān)測取值結果
該基坑呈長條形布置,平面長度150 m范圍內斷面無變化,按間距30 m左右取5個斷面進行監(jiān)測,在整個施工開挖過程中全程開展監(jiān)測工作,本次分析需要采集內支撐軸力值,采用儀器為軸力計,軸力計型號為YT-ZX-1030,采用讀數儀(YT-RG-01)讀數。軸力計大樣及現(xiàn)場圖片分別如圖10和圖11所示。
(a) 支反力(單位: kN)(b) 彎矩(單位: kN·m)(c) 剪力(單位: kN)
圖7100%最大膨脹力作用內力包絡圖
Fig. 7Envelope diagram of internal force under action of maximum expansion force
圖8 第1道支撐各工況下軸力設計值
Fig. 8Design values of axial force of first support under four conditions
圖9 第2道支撐各工況下軸力設計值
Fig. 9Design values of axial force of second support under four conditions
監(jiān)測工作從開始架撐開始,持續(xù)到支撐拆除,其中第1道和第2道支撐的預加軸力值為250 kN和700 kN,監(jiān)測數據采集每天進行一次,起止日期為2013年4月27日—9月2日,持續(xù)時長4個月,測點分布在5個不同斷面上,每個斷面設置2個測點,共設置10個測點,一共采集數據852個。監(jiān)測軸力隨開挖工序而變化情況,平均每個測點采集數據85個,其中第1道支撐最大軸力出現(xiàn)在開挖至第2道支撐架撐位置時,各測點出現(xiàn)最大值的時間分別是5月20日、6月11日、6月23日、7月18日、8月2日;第2道支撐最大軸力出現(xiàn)在開挖至坑底時,各測點出現(xiàn)最大值的時間分別是6月7日、6月28日、7月16日、8月4日、8月20日?,F(xiàn)在取每個測點監(jiān)測的最大軸力進行統(tǒng)計,反應出各測點的最大監(jiān)測軸力值,數據情況如圖12和圖13所示。
圖10 軸力計照片
4對比分析
根據上述理論計算,第1道支撐在考慮100%最大膨脹力值時所得支撐軸力是不考慮膨脹力的334%,第2道支撐對應為173%??梢娕蛎浟o結構的影響是非常明顯的,圍護結構配筋所產生的經濟指標變化也是較大的,由此可見選用膨脹力大小直接影響圍護結構的概算指標。從現(xiàn)場實測值可以看出實測支撐軸力在一定范圍內變化,實測值介于考慮30%最大膨脹力和完全不考慮膨脹力的計算值之間,如果考慮30%最大膨脹力,那么計算軸力值便能完全包絡現(xiàn)場實測值;而且通過現(xiàn)場觀察,監(jiān)測值大的位置存在有少量管線漏水,可見膨脹土的膨脹力與其是否和水隔絕密切相關。
圖11 現(xiàn)場基坑圖片
圖12 第1道支撐不同測點軸力數據統(tǒng)計圖
Fig. 12Axial forces of first support measured at different monitoring points
圖13 第2道支撐不同測點軸力數據統(tǒng)計圖
Fig. 13Axial forces of second support measured at different monitoring points
在設計計算中如果考慮100%最大膨脹力時,計算值與實測值之間差距達60%,不符合實際情況,設計經濟性差;如果完全不考慮膨脹力作用,實測值會出現(xiàn)超過計算值的情況,基坑不安全,存在傾覆危險。所以設計中適當考慮膨脹力取值,如本文論述的考慮最大膨脹力建議值30%參與計算,與實測值基本相符,同時也能保證安全。
5結論與建議
通過上文分析可形成以下結論,可供成都膨脹土地區(qū)深基坑設計作為參考。
1)在成都膨脹土地區(qū)深基坑圍護結構設計計算中需要考慮膨脹力作用[10],具體可選取經現(xiàn)場勘察確定膨脹土物性參數所對應的最大膨脹力建議值的30%及以上。
2)根據監(jiān)測情況,膨脹力的產生及變化趨勢與現(xiàn)場是否和水隔絕有直接關系,設計中要充分考慮隔水措施,一定程度上會減小支撐所承受的側壓力,提高基坑穩(wěn)定的安全系數。
3)膨脹土地區(qū)膨脹力的大小受影響因素較多,但同一地區(qū)的膨脹土的力學特性表現(xiàn)會穩(wěn)定在一個基本范圍內,建議在開展設計工作前多收集周邊類似基坑監(jiān)測數據用于參考及數據分析,會對設計基坑支護參數具有安全性兼顧經濟性的指導意義。
4)現(xiàn)行規(guī)范對基坑設計時膨脹力取值未作詳細規(guī)定,設計在計算取值時存在一定隨意性,需進一步開展統(tǒng)計和實測工作,以便在下一次規(guī)范修訂時對基坑設計中膨脹力取值給出明確規(guī)定。
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Analysis of Design Values of Swelling Force in Construction of Deep Foundation Pits
XU Yajun
(ChinaRailwayTunnelSurvey&DesignInstituteCo.,Ltd.,Tianjin300133,China)
Abstract:The design values of swelling force in the construction of deep foundation pits have not been decided in China’s current technical specifications. In this paper, the comparison between design results of internal force of foundation pit of Phase 1 on Chengdu Metro Line No. 3 and site monitoring results is made in terms of different swelling force design values. The relationship between monitoring results and theoretical calculation results is studied. The study resalts can provide guidance for design values of swelling force in construction of deep foundation of similar projects in the future.
Keywords:deep foundation pit; swelling soil/rock; swelling force; support axial forces; design value; measured value
中圖分類號:U 45
文獻標志碼:A
文章編號:1672-741X(2016)04-0418-07
DOI:10.3973.j/issn.1672-741X.2016.04.008
作者簡介:許亞軍(1977—),男,河南濟源人,1999年畢業(yè)于遼寧工程技術大學,水文地質及工程地質專業(yè),本科,高級工程師,從事山嶺隧道勘察及地下工程施工監(jiān)測及隧道施工超前地質預報工作。E-mail: 82784055@qq.com。
收稿日期:2015-12-07; 修回日期: 2016-02-20