徐州地區(qū)軌道交通深基坑含砂姜粘土層水土壓力分析及應用*

耿培剛，王國良，鄭亮亮

（1.徐州市城市軌道交通有限責任公司，江蘇 徐州 221000；2.上海元易勘測設計有限公司，上海 201210）

在徐州局部地區(qū)，第四系更新統(tǒng)Q3地層時代的5-3-4層含有含量較多的鈣質(zhì)結(jié)核，定名為含砂姜粘土層［1］。目前行業(yè)仍視其為弱透水層或隔水層，滲透系數(shù)普遍在10－6～10－7m／s。對于滲透系數(shù)較小的土層（粘土、黏質(zhì)粉土）可采用水土合算進行水土壓力計算，對于滲透系數(shù)較大的土層（砂質(zhì)粉土、粉土及碎石土）等應采用水土分算進行水土壓力計算。故按照傳統(tǒng)經(jīng)驗，徐州軌道交通深基坑含砂姜粘土層采用水土合算的方式更經(jīng)濟合理［2］。

另外根據(jù)工程經(jīng)驗，徐州部分地區(qū)5-3-4含砂姜粘土層透水性較強，滲透系數(shù)較大。徐州軌道交通1號線杏山子站在基坑開挖至5-3-4層含砂姜粘土層時降排水困難。另外在降水過程中，坑外水位下降明顯，基坑外土體發(fā)生固結(jié)變形較大。徐州軌道交通2號線二環(huán)北路站抽水試驗也發(fā)現(xiàn)水量較大的現(xiàn)象。這表明徐州局部區(qū)域5-3-4含砂姜粘土層具有較強的透水性，具有明顯的水土分算特征［3］。

因此本文通過現(xiàn)場試驗與理論計算，研究徐州地區(qū)軌道交通深基坑含砂姜粘土層水土分算或水土合算合理性，研究結(jié)果對圍護設計的安全及經(jīng)濟性具有重要的意義。

1 現(xiàn)場試驗

現(xiàn)場水土壓力監(jiān)測試驗在徐州軌道交通2號線二環(huán)北路站進行，巖土工程勘察報告顯示二環(huán)北路站出水量較為豐富。二環(huán)北路站基坑開挖深度約19m，采用地下連續(xù)墻作為圍護結(jié)構(gòu)?；佑绊懛秶鷥?nèi)含有5-3-4含砂姜粘土層，層頂埋深在18.0～22.8m，厚約18.0～25.0m。土層主要由黏質(zhì)粉土、黏土為主，其中5-3-4層褐黃色、硬塑，含有較多的砂姜，顆粒粒徑在0.5～10cm。二環(huán)北路站各層土層性質(zhì)如表1所示。

表1 二環(huán)北路土層性質(zhì)與參數(shù)

本次試驗采用正弦式孔隙水壓力計及正弦式水土壓力盒進行試驗，利用自動測量系統(tǒng)測定不同時段的頻率,再根據(jù)振弦頻率和壓力關系公式得出孔隙水壓力值或水土壓力值.現(xiàn)場設置3組試驗,分別埋設在地面以下20,25m及28m位置,試驗緊貼地下連續(xù)墻外側(cè)布置,水土壓力盒平行地下連續(xù)墻布置.根據(jù)朗肯土壓力計算公式[4],水土合算水土壓力為:

式中,γ飽為監(jiān)測點以上土層飽和重度,取20kN/m3,地下水位以上用土的天然重度代替飽和重度,h為土的厚度,c及φ分別為監(jiān)測點處的黏聚力及內(nèi)摩擦角.

對于水土分算的情況,水土壓力可直接由水壓力及土壓力直接相加得到,即:

式中,γ為監(jiān)測點以上土層浮重度,地下水位以上用土的天然重度代替浮重度,h1為每層土的厚度,h2為地下水面至監(jiān)測點的高度,本次現(xiàn)場試驗中Pw可用孔隙水壓力計直接測定.

在對孔隙水壓力及水土壓力盒監(jiān)測結(jié)果分析的基礎上,與水土合算及水土分算的結(jié)果進行對比,如圖1所示.

圖1 水土壓力理論計算值與實測值對比分析

通過水土壓力理論計算值及實測值對比分析可知,5-3-4含砂姜粘土層水土壓力采用分算計算模式更符合實際情況.

根據(jù)徐州軌道交通巖土工程勘察報告,5-3-4含砂姜粘土層室內(nèi)土工試驗得出的滲透系數(shù)在10-7m/s,符合一般黏性土的滲透特性;另一方面,現(xiàn)場抽水試驗得出的滲透系數(shù)一般在10-3m/s左右,符合砂土的滲透特性[5].土層滲透性強弱首先取決于孔隙的大小和連通性,直接與土的成因、顆粒大小、顆粒級配、黏粒含量及土的密實度等有關.由于尺寸限制,室內(nèi)土工試驗無法真實反映土層內(nèi)孔隙的連通特性,故現(xiàn)場試驗得出的滲透系數(shù)10-3m/s更符合實際情況.因此對于出水量較大的區(qū)域,5-3-4層含砂姜粘土層采取水土壓力分算符合實際受力情況.

2 理論計算分析

2.1 計算模型分析

徐州5-3-4含砂姜粘土層厚度較大,采用水土壓力采用合算或分算計算方式對基坑自身安全及周邊環(huán)境變形的預估有重要影響.本文以徐州某地鐵基坑為例,利用FRWS8.0基坑設計軟件分別對5-3-4含砂姜粘土層采用水土分算及合算進行分析,探討采用水土分算在有限元計算過程中的必要性.

本地鐵基坑采用地下連續(xù)墻作為圍護結(jié)構(gòu),厚度800mm,場地整平后自然地坪高程為+36.320m,采用1道混凝土支撐加3道鋼支撐的形式,第1道混凝土支撐中心標高+34.520m,截面為800mmX 1000mm,3道鋼支撐均采用φ800mmX16mm的鋼管支撐,中心間距分別為27.620,23.820,20.020m,坑底標高為+16.460m.地下水位按照地表以下4m計算,計算模型如圖2所示.基坑的支撐形式如表2所示.

圖2 FRWS計算模型

2.2 計算結(jié)果分析

本文對5-3-4層分別采取水土分算及合算進行分析,并對地下連續(xù)墻內(nèi)力變形值、基坑安全穩(wěn)定性及周邊環(huán)境變形3方面進行對比.

表2 徐州某地鐵基坑支撐參數(shù)

2.2.1 地下連續(xù)墻變形內(nèi)力包絡圖

當5-3-4層水土壓力采用水土合算時，地下連續(xù)墻的變形內(nèi)力包絡圖如圖3所示。

圖3 采用水土合算時的變形內(nèi)力包絡圖

當5-3-4層水土壓力采用水土分算時，地下連續(xù)墻的變形內(nèi)力包絡圖如圖4所示。

圖4 采用水土分算時的變形內(nèi)力包絡圖

根據(jù)模擬結(jié)果，當5-3-4層采用水土分算時，最大位移從13.8mm增加到15.1mm，增加9.4%；圍護結(jié)構(gòu)彎矩最大值變化不大；剪力最大值從488.0kN增加到533.2kN，增加9.3%。圍護結(jié)構(gòu)變形的增加容易造成周邊環(huán)境土體位移，給周圍建筑帶來不利影響；圍護結(jié)構(gòu)彎矩及剪力的增加導致地下連續(xù)墻內(nèi)力有所增大。

2.2.2 基坑穩(wěn)定性分析

當5-3-4層水土壓力采用水土合算時，圍護結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性如圖5所示。當采用水土分算時，圍護結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性如圖6所示。

根據(jù)模擬結(jié)果可知，當5-3-4層采用水土分算時，圍護結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性從3.38下降到2.17，降低36%。由此可見，5-3-4層水土分算或合算對圍護結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性有顯著影響。

圖5 采用水土合算時的基坑抗傾覆穩(wěn)定性

圖6 采用水土分算時的基坑抗傾覆穩(wěn)定

由于圍護結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和抗隆起穩(wěn)定性只與地下連續(xù)墻插入比、土體c，φ有關，與水土分算及合算無關，這里就不再進行比較。

2.2.3 對周邊環(huán)境的影響分析

當5-3-4層水土壓力采用水土合算時，周邊地表沉降計算結(jié)果如圖7所示。

圖7 采用水土合算時的周邊地表沉降

當5-3-4層水土壓力采用水土分算時，周邊地表沉降計算結(jié)果如圖8所示。

圖8 采用水土分算時的周邊地表沉降

根據(jù)模擬結(jié)果可知，當5-3-4層采用水土分算時，地表最大沉降從12.6mm增加到14.7mm，增加17%，可見5-3-4含砂姜粘土層水土分算時，地表最大沉降有所增加。

5-3-4含砂姜粘土層水土壓力采用水土分算或合算對圍護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、抗傾覆穩(wěn)定性及周邊環(huán)境土體沉降有著較大的影響，其中抗傾覆穩(wěn)定性影響最大。板式支護結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性主要和圍護結(jié)構(gòu)插入比及最后1道支撐的位置有關，在最后1道支撐位置確定的情況下，只能通過增加插入比才能有效提高圍護結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性［6］。故當通過現(xiàn)場抽水試驗判定5-3-4層滲透性強時，采用水土分算的水土壓力計算模式對基坑安全穩(wěn)定性及周邊環(huán)境變形的預估有著重要意義。

3 結(jié)語

本文從工程經(jīng)驗出發(fā)，通過現(xiàn)場水土壓力監(jiān)測試驗對5-3-4含砂姜粘土層水土壓力進行監(jiān)測，并與理論計算值進行了對比，得出如下結(jié)論。

1）在水量較為豐富的區(qū)域，5-3-4含砂姜粘土層水土壓力采用分算計算方式更加符合實際；

2）5-3-4含砂姜粘土層水土壓力的計算模式由土層滲透性強弱決定，現(xiàn)場試驗能夠較好地反映5-3-4含砂姜粘土層的滲透特性，證明了采取水土壓力分算計算方式的合理性。

3）5-3-4層含砂姜粘土層水土壓力采用水土分算或合算對圍護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、抗傾覆穩(wěn)定性及周邊環(huán)境土體沉降有著較大的影響，其中抗傾覆穩(wěn)定性影響最大。

4）對于滲透性強的5-3-4層，采用水土分算的計算模式對基坑安全穩(wěn)定性及周邊環(huán)境變形的預估有著重要意義。