北京地鐵車站深基坑主動土壓力實測研究

李　濤， 關辰龍， 霍九坤， 劉顯寬， 王　帥

(中國礦業(yè)大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京 100083)

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北京地鐵車站深基坑主動土壓力實測研究

李濤， 關辰龍， 霍九坤， 劉顯寬， 王帥

(中國礦業(yè)大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京 100083)

土壓力的大小與分布是深基坑支護結構設計的重要問題。基于北京地鐵車站的土壓力實測結果，研究主動土壓力隨基坑開挖的變化規(guī)律，進而分析主動土壓力的分布模式與合力作用點的位置，并與國內類似工程進行對比。研究結果表明：基坑開挖過程中，主動土壓力先增加后不變，在樁后近似呈梯形分布，轉折點位于樁頂下14 m處；合力作用點位置幾乎不隨基坑開挖深度而發(fā)生變化；實測主動土壓力小于理論值，其原因與理論計算方法、土體固結、圍護結構剛度與變形以及施工因素有關。研究結果對認清樁后側主動土壓力變化規(guī)律有重要意義，并可為類似工程提供參考。

地鐵車站； 深基坑； 主動土壓力； 現(xiàn)場實測

城市地鐵車站多為明挖深基坑工程，隨著開挖深度越來越深，施工環(huán)境也越來越惡劣，使深基坑的安全穩(wěn)定面臨極大的風險。Terzaghi、 Peck[1]、Casagrande[2]和陳祖煜[3]等對支擋結構的計算分析等問題做過詳細的研究。由于荷載水平、施工環(huán)境、地層特性等條件的影響，使得理論計算值與實測值存在一定差別[4-6]，這引起了國內外學者的重視。眾多研究人員從土拱效應、擋墻變形模式、樁土相互作用、樁(墻)變形等方面對支擋結構受力變形進行了理論分析[7-10]，也有不少學者通過現(xiàn)場監(jiān)測方法，分析深基坑支護體系的受力變形規(guī)律[11-14]。上述研究成果表明，在深基坑工程的設計計算中，土壓力的大小與分布是一個重要而困難的問題。

本文以北京地鐵10號線某車站深基坑工程為背景，通過現(xiàn)場監(jiān)測，詳細分析主動土壓力的變化規(guī)律以及分布形式，并與類似工程實測結果進行對比，為今后深基坑設計與施工提供參考。

1　工程實例

本工程地鐵車站為地下兩層島式車站，車站主體全長275.3 m，有效站臺寬度12 m。車站盾構井深基坑工程采用明挖法施工，基坑平面呈近似正方形，尺寸為21.0 m×18.0 m。基坑開挖的深度為18.66 m。深基坑支護結構采用鉆孔灌注樁加內支撐，樁長21.5 m。該工程周邊有地下管線及構筑物，施工難度大，對土體變形要求較高。

1.1工程地質情況

本地鐵車站施工影響的地層自上而下依次為：人工填土層，層厚0.80 m～4.28 m；粉土②層，厚度為0.74～2.13 m；粉細砂④3層，厚度為1.61～1.85 m；卵石圓礫⑤層，厚度為10.95～15.33 m；粉質粘土⑥層，厚度為2.70～3.70 m；卵石⑦層、細中砂⑦1層，該層大部分鉆孔未見底。各土層物理力學參數(shù)如表1所示。

表1　土層基本物理力學參數(shù)

注：括號中的數(shù)字為工程經驗值。

1.2水文地質情況

車站無地表水。地下水的主要分布：層間水，含水層為卵石⑦層，水位埋深為29.5 m；潛水，水位標高30.26～31.94 m。地下水主要接受大氣降水補給，主要以蒸發(fā)及越流補給下層地下水的方式排泄。

1.3車站基坑支護方案

綜合考慮基坑位置及周邊規(guī)劃情況，支護結構采用鉆孔灌注樁加內支撐，共設三道鋼支撐，如圖1所示。

第1道鋼支撐設置在冠梁處，第2、3道鋼支撐通過水平鋼圍檁支撐在鉆孔灌注樁上。第1、2道鋼支撐間距為9.1 m，第2、3道鋼支撐間距為5.3 m[15]。隨著基坑的開挖，樁間土防護采用掛網噴射混凝土支護，噴射C20混凝土，厚80 mm，鋼筋網片為Φ6@150×150，鋼筋網搭接一個網孔，并找平以確保防水層的施工。當樁間土滲水時，在護面設泄水孔，基坑安全等級為一級。

圖1　基坑支護斷面圖Fig.1　Cross-section of foundation pit

2　車站深基坑施工過程與土壓力監(jiān)測方案

2.1深基坑施工過程

基坑土方開挖遵循“橫向分條、縱向分段，豎向分層，從上至下”的施工原則。樁間噴射混凝土、鋼支撐安裝與土方開挖密切配合，即縱向按每開挖3 m左右進行樁間混凝土施工，豎向按照鋼支撐豎向間距進行分層。土方開挖與樁間掛網噴混凝土、鋼支撐施工密切配合。基坑開挖過程中，機械開挖至設計基底標高以上30 cm后改用人工開挖。具體步驟為：①施作鉆孔灌注樁，開挖淺基坑，施作冠梁，待圍護樁及冠梁達到強度后，開挖基坑至第一道鋼支撐下0.5 m，安裝第一道鋼支撐；②繼續(xù)開挖，并及時進行樁間噴射混凝土施工；③開挖基坑至第二道鋼支撐下0.5 m，安裝第二道鋼支撐；④開挖基坑至第三道鋼支撐下0.5 m，安裝第三道鋼支撐；⑤開挖基坑至設計深度，施作墊層、防水層、底板及底縱梁。

鋼支撐的架設是保證基坑開挖和主體結構施工安全、控制基坑收斂和位移的有效措施。第一層鋼支撐架設于冠梁預埋鋼板上，第二、三層鋼支撐通過兩根I40b型鋼構成的鋼圍檁架設在鉆孔灌注樁上，鋼圍檁由支撐托架和脹管螺栓支承。鋼支撐安裝時預加50%的支撐設計軸力。鋼圍檁、支撐托架各構件的連接采用焊接，支撐鋼管的連接采用高強螺栓。

基坑開挖后，沿樁全高范圍內，樁體的水平位移全部偏向基坑內部，根據(jù)主動土壓力的定義，所測土壓力為主動土壓力。

2.2主動土壓力現(xiàn)場監(jiān)測方案

本工程的監(jiān)測內容有：樁體水平位移、鋼支撐軸力、樁體主筋內力、主動土壓力。其中樁后主動土壓力監(jiān)測方案為：主筋外安裝土壓力計，大約每隔3 m左右安裝一個土壓力計，一根樁共安裝8個土壓力計，以監(jiān)測基坑長邊中點外側土體橫向壓力的變化值。土壓力計量程為0～0.5 MPa，綜合誤差小于1%F.S，滿足要求。如圖2所示。

圖2　現(xiàn)場監(jiān)測土壓力盒布置圖Fig.2　Layout of earth pressure cell in field monitoring

土壓力計近似均勻分布于樁頂至樁尾，因樁采用鉆孔灌注的方式，故將土壓力計固定在主筋上，并注意區(qū)分迎土側和基坑側，所得測試結果是合理的。土壓力計按如下方法埋設：①檢驗并記錄土壓力計初始讀數(shù)；②將土壓力計裝入事先準備好的布袋子中；③將裝有土壓力計的布袋子綁在鋼筋籠主筋的相應位置上，并注意區(qū)分基坑側和迎土側。

3　理論計算與實測結果分析

3.1理論計算方法

因無地下水影響，依據(jù)《建筑基坑支護技術規(guī)程》[16]，作用在支護結構上的主動土壓力可用下列公式進行計算：

(1)

(2)

式中：pak為支護結構外側第i層土中主動土壓力強度標準值(kPa)，當pak<0時，應取pak=0；σak為支護結構外側計算點土中豎向應力標準值(kPa)；Ka,i為第i層主動土壓力系數(shù)；ci為第i層土黏聚力(kPa)；φi為第i層土內摩擦角(°)。

3.2計算與監(jiān)測結果對比分析

圖3為現(xiàn)場實測土壓力隨時間的變化曲線圖。從圖3可以看出：①樁側土壓力具有層狀分布特性，但實測土壓力的數(shù)值并沒有隨測點深度的增加而增加。樁頂下3.5 m處的最大土壓力穩(wěn)定在10～12 kPa之間，而樁頂下6.0 m處的土壓力實測值變化不大，最終在2～3 kPa之間穩(wěn)定；②隨著基坑的開挖施工，土壓力都是從一個低值緩慢增加到一個穩(wěn)定值，曲線上呈現(xiàn)的波動現(xiàn)象多與施工的開展有關；③樁頂下6.0 m的土壓力變化不大，其主要原因是樁頂下6～8 m的范圍內出現(xiàn)了樁體的最大水平位移[3]，導致土體強度下降，從主動極限土壓力分析，由于土體的流變特性，出現(xiàn)應力松弛，由此可見，樁側土壓力的大小與土體位移關系較大。

圖3　土壓力隨時間的變化值Fig.3　The value of earth pressure in different time

進一步分析不同開挖階段的實測土壓力值與計算值，如圖4所示。

從圖4(a)、(b)可以看出：①實測土壓力值小于計算值，深度越深，實測值比計算值小得越多。在基坑開挖面以上，實測土壓力值隨深度的增加而增加，大體呈線性變化；基坑開挖面以下，實測土壓力有減小的趨勢，這與文獻[4]和[6]的土壓力分布形式大體一致。②隨著基坑的開挖，在樁頂下1～4 m的范圍內，實測土壓力值變化較大。樁頂下3.5 m的實測初始值為3.0 kPa，第3道鋼支撐施工完畢后達到最大值，為12.0 kPa，比初始值增加4倍；樁頂下6～14 m范圍內土壓力線性增加，且變化不大；在開挖面以下的實測土壓力值隨基坑開挖而逐漸減小，可能是由于土壓力由靜止土壓力向主動土壓力轉變的結果。③基坑開挖完成后，實測土壓力值較上一工況略有降低，說明隨著樁體水平位移的增加，土體強度下降，主動區(qū)土壓力減小，進而表明深基坑實際土壓力應是樁體水平位移、時間、土體強度指標的函數(shù)。④不同工況下，實測土壓力值的合力作用點幾乎不隨基坑開挖深度的增加而發(fā)生變化，基本都出現(xiàn)在-10.2 m的位置，而理論計算值的合力作用點在-11.8 m的位置。實測值和理論值的分布形式在基坑開挖面以上都隨深度的增加而增加；在基坑開挖面以下，實測值逐漸減小，理論值逐漸增大。

圖4　不同開挖深度下的土壓力值Fig.4　Earth pressure in different excavation depth

上述研究結果表明，深基坑支護結構所受的土壓力其實測值和理論計算值無論是力的大小，還是分布形式都存在較大差別，這可能與樁土相互作用、樁體水平位移、土體流變性、時間、土體強度等因素有關。

4　地鐵車站深基坑主動土壓力研究

4.1主動土壓力系數(shù)計算與分析

工程中實測的土壓力的分布形式與規(guī)范法計算的結果不完全相同。實測值與規(guī)范法計算值在基坑開挖面以上都隨深度的增加而增加，但在基坑開挖面以下，規(guī)范法計算值是隨深度的增加逐漸增加，而實測值則有逐漸減小的趨勢，同文獻[4]和[6]的研究結果相似。實測結果表明，主動土壓力系數(shù)不僅與土體內摩擦角有關，而且是地層埋深的函數(shù)。在本工程坑底以上，土的內摩擦角的加權平均值為35.4°，按規(guī)范方法計算的整體主動土壓力系數(shù)Ka=0.266 4。由工程現(xiàn)場實測值反算的主動土壓力系數(shù)在不同埋深處有不同值：樁頂下1～4 m，Ka，1為0.117 6，約為理論值的0.5倍；樁頂下6～14 m，Ka，2為0.053 3，約為理論值的0.2倍；樁頂下14 m以下，Ka，3值隨深度的增加而迅速減小。文獻[4]研究結果認為理論土壓力系數(shù)大約是實測值的11倍。

4.2主動土壓力分布形式研究

目前，深基坑支護結構設計計算時，多采用式(1)、(2)進行，其計算結果表明，主動土壓力的分布形式為三角形分布或梯形分布，且相同性質土層均為線性增加。圖4(a)的實測結果表明，土壓力分布大體分為三部分：第一部分為樁頂下6 m范圍內，土壓力先增大后減小；第二部分為樁頂下6 m～14 m，土壓力線性增加；第三部分為樁頂下14 m至樁底，土壓力基本保持不變。第一部分土體土壓力分布變化規(guī)律性不強，與理論計算值出入較大，其主要原因是工程施工致使樁頂周圍土體產生擾動，土體中產生了裂隙，破壞了土體固有特性。第二部分土體土壓力分布與理論計算數(shù)值相仿。故，從本次實測結果來看，從樁頂開始至-14 m主動土壓力為三角形或梯形分布，而-14 m以下為矩形分布。該深基坑主動土壓力分布如圖5所示。

圖5　實測土壓力近似分布值Fig.5　Approximate value of field monitoring earth pressure

從圖5可以看出，土壓力隨著埋深的增加按照線性分布逐漸增加，到基坑底上2 m左右時，土體壓力不再隨深度的增加而發(fā)生變化。

4.3主動土壓力大小研究

理論計算土壓力值與實測值的比值隨深度的變化規(guī)律如圖6所示。其擬合方程為：

y=a+bx+cx2

(3)

式中：y為理論計算值與實測值的比值；x為埋深(m)，數(shù)值取負值；a、b、c均為擬合參數(shù)。

圖6　理論計算值與實測值比值隨深度變化規(guī)律Fig.6　Ratios of theoretical calculated values and measured values in different depth

由圖6可以看出：隨著深度的增加，該比值先減小后增大，也表明實測值與理論值之間的差別除與土體基本性質有關外，還與土體的埋置深度有關。出現(xiàn)上述結果的原因可能是：理論計算基于極限平衡法，未考慮支護結構的變形，可能會影響土體應力的重分布；深基坑開挖深度范圍內無地下水，樁體施工過程對樁后側土體產生擾動，然而由于土體具有較好的“自穩(wěn)”能力，使樁后土壓力降低；其次，土體經歷長時間固結，內部結構穩(wěn)定，含水量小，使得土體具有了較高的抗拉強度；第三，圍護結構(圍護形式和圍護剛度)用于抵抗基坑的變形和移動，不同的圍護結構必然引起土壓力的差異；最后在施工時，不同的施工順序和開挖進度的快慢也都會對土壓力造成影響。因此，在計算深基坑支護結構的主動土壓力時，應對理論土壓力的適用范圍做進一步的研究。

5　結　論

工程現(xiàn)場實測和理論計算分析表明，實測土壓力值小于理論計算值，實測土壓力的合力作用點位置不隨基坑開挖深度的增加而發(fā)生變化。土壓力實測值和理論值在基坑開挖面以上都隨深度的增加而增加；在基坑開挖面以下，實測值基本不變，理論值逐漸增大。

現(xiàn)場實測土壓力很好的反映了支護結構所受土壓力的變化規(guī)律，對深基坑施工過程的安全控制起到了很好的理論支撐作用。然而，主動土壓力受施工擾動、前期固結壓力、土體干密度、樁土相互作用等因素的影響，使實測值與理論值存在差別。因此，理論土壓力計算值的適用范圍以及可能對支護樁內力產生的影響值得深入研究。

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(責任編輯周蓓)

Field monitoring research on active earth pressure of deep foundation pit in Beijing subway station

LI Tao， GUAN Chenlong， HUO Jiukun， LIU Xiankuan， WANG Shuai

(School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology (Beijing),Beijing 100083, China)

The value and distribution of earth pressure are very important problem to retaining structure design in deep foundation pit. Based on the field monitoring results of earth pressure in Beijing subway station, the variation law of active earth pressure with foundation pit excavation is analyzed, and then the distribution pattern of active earth pressure and the position of action point of resultant force are studied. All these results are compared with the similar domestic engineering. The research results show that: during the excavation, active earth pressure increases firstly and then is stable, and the shape of distribution of active earth pressure is approximately trapezoid, the turning point is under the pile top and the distance is 14 meters. The position of action point of resultant force is hardly varied with the depth of excavation. The value of measured active earth pressure is less than the theoretical value, theoretical calculation method, soil consolidation, stiffness and deformation of retaining structure and construction factors are related to this. The results are of great importance to understand the active earth pressure variation, and can provide reference for similar projects.

subway station; deep foundation pit; active earth pressure; field monitoring

1006-4710(2016)02-0186-05

10.19322/j.cnki.issn.1006-4710.2016.02.010

2015-09-02

國家自然科學基金青年科學基金資助項目(51508556)；北京高等學校青年英才計劃資助項目(YETP0944)；國家自然科學基金重點資助項目(U1261212)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目(2009QL02)

李濤，男，副教授，博士，研究方向為城市地下工程。E-mail: litaocumtb@163.com

TU431

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