土巖組合地層地鐵深基坑土壓力實(shí)測(cè)研究

壽凌超,王立峰,王 珂,韋 康

(浙江科技學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院,杭州 310023)

近年來(lái)地鐵建設(shè)在全國(guó)各地蓬勃發(fā)展,在地鐵建設(shè)過(guò)程中會(huì)遇到各種土質(zhì)情況,針對(duì)不同的土質(zhì)應(yīng)采取相應(yīng)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)以保證基坑和周邊環(huán)境的安全?；訃o(hù)的主要荷載為主動(dòng)土壓力,因此研究主動(dòng)土壓力的大小和分布對(duì)了解圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況具有重要的意義。

國(guó)內(nèi)外眾多研究者對(duì)基坑開(kāi)挖時(shí)土壓力的大小和分布等做了探索。Terzaghi等[1]提出實(shí)測(cè)土壓力與經(jīng)典土壓力理論不相符,實(shí)測(cè)的土壓力呈非線性分布,而經(jīng)典土壓力理論計(jì)算的結(jié)果卻是直線分布;趙濤[2]的研究發(fā)現(xiàn)基坑開(kāi)挖引起的地下連續(xù)墻土壓力分布呈非線性的波動(dòng)特征;宋征[3]在經(jīng)典土壓力理論的基礎(chǔ)上,分析了墻后土體的應(yīng)力狀態(tài),推導(dǎo)了考慮墻背摩擦情況的土壓力系數(shù)和土壓力計(jì)算方法;侯大偉[4]研究了土體位移對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)土壓力分布的影響,建立了土壓力與墻體位移的關(guān)系曲線,得到了考慮位移的土壓力計(jì)算方法;丁克勝等[5]分析了天津軟土地區(qū)采用逆作法施工的某深基坑工程,得到了土壓力和墻體側(cè)向變形的關(guān)系;屈志英[6]研究了黃土地區(qū)圍護(hù)樁樁后的土壓力,認(rèn)為樁后土壓力值小于靜止土壓力,接近主動(dòng)土壓力;李濤等[7]分析了北京地鐵車(chē)站的土壓力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),得到了實(shí)測(cè)土壓力上部為三角形、下部為矩形的分布規(guī)律;姚愛(ài)軍等[8]研究了長(zhǎng)春某基坑工程雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的土壓力分布規(guī)律,發(fā)現(xiàn)排樁樁前土壓力大致呈“右凸”形分布;蔣忠信等[9]研究了南昆鐵路支護(hù)結(jié)構(gòu)的主動(dòng)土壓力,得到主動(dòng)土壓力大致呈拋物線分布。應(yīng)宏偉等[10]提出了任意位移柔性擋墻主動(dòng)土壓力合力的計(jì)算公式、土壓力分布及合力作用點(diǎn)高度的計(jì)算方法;張家國(guó)等[11]分析了排樁框架結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力及樁徑、樁端地層等因素對(duì)樁后土壓力的影響,得出圍護(hù)樁樁后土壓力接近三角形分布;劉方克等[12]分析了土巖組合地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),得到嵌巖樁基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移最大值與基坑深度的比值為0.3‰～2.4‰。

上述研究主要針對(duì)軟土地區(qū)、砂質(zhì)土地區(qū)的土壓力分布模式及圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形情況,尚少涉及上軟下硬土巖組合地區(qū)基坑開(kāi)挖的土壓力分布和圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形,對(duì)此,本研究依托浙江金華地區(qū)土巖組合地層條件下的某地鐵深基坑工程,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和理論計(jì)算分析基坑在不同工況下的受力特征和圍護(hù)結(jié)構(gòu)性狀。

1 工程概況及科研監(jiān)測(cè)

金華萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)地鐵車(chē)站主體結(jié)構(gòu)為地下三層單柱雙跨混凝土框架結(jié)構(gòu),車(chē)站采用明挖法(局部蓋挖)施工,標(biāo)準(zhǔn)段寬度為20.2 m,基坑開(kāi)挖深度為24.0～25.0 m。車(chē)站總長(zhǎng)約為182.0 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐,樁徑為1 m,樁間距為1.2 m,樁體嵌固深度為5 m,地下8.5 m以下均為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖,強(qiáng)度較高,共設(shè)3道內(nèi)支撐,圍護(hù)結(jié)構(gòu)典型剖面圖如圖1所示。第一道為混凝土支撐,第二、三道為鋼支撐。鉆孔灌注樁間采用高壓旋噴樁止水,樁間土采用掛網(wǎng)噴射混凝土支護(hù)。

圖1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)典型剖面圖(單位:mm)Fig.1 Cross-section of enclosure structure(unit: mm)

本工程地層由上至下依次為:素填土,層厚為1.4～6.8 m;粉砂,層厚為0.6～1.3 m;圓礫,層厚為1.9～4.9 m;強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖,層厚為0.4～2.0 m;中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖,層厚為6.0～34.0 m。中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層頂面在地表以下約8.5 m處,見(jiàn)巖面位于地表以下8.5 m,各土層基本物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1,各參數(shù)指標(biāo)由勘察單位的地勘報(bào)告提供。

表1 土層基本物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Basic physical and mechanical parameters of soil layer

本地鐵站周邊未見(jiàn)地表水分布。場(chǎng)地西側(cè)距離武義江約150～300 m,武義江水與本場(chǎng)地地下水聯(lián)系較弱。勘探深度范圍內(nèi)地下水類(lèi)型主要可分為潛水和基巖裂隙水,水位埋深2.70～6.50 m。地下水位埋深和變化幅度受季節(jié)和大氣降水的影響,動(dòng)態(tài)變化大,水位變化幅度一般在1.0～3.0 m。

科研監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括:土體深層水平位移、土壓力。監(jiān)測(cè)方案如下:取基坑長(zhǎng)邊標(biāo)準(zhǔn)段3個(gè)斷面樁體內(nèi)埋設(shè)儀器,樁代號(hào)分別為B137、C14、C60;土壓力盒安裝采用掛布法,主動(dòng)區(qū)和被動(dòng)區(qū)各安裝7個(gè)土壓力盒,監(jiān)測(cè)點(diǎn)剖面圖如圖2所示。由于施工問(wèn)題和土壓力盒的存活率,在主動(dòng)側(cè)只存活了樁下1.5、8.5、21、28 m處的4個(gè)土壓力盒,在被動(dòng)側(cè)存活了8.5、14.8、24.4、28 m處的4個(gè)土壓力盒。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)剖面圖(單位:mm) Fig.2 Cross-section of monitoring point(unit: mm)

2 理論計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果分析

圖3為金華萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)地鐵基坑平面監(jiān)測(cè)布置圖,選取1-1剖面進(jìn)行分析,其中C14樁位于標(biāo)準(zhǔn)段,在C14樁內(nèi)掛有土壓力盒、測(cè)斜管等科研儀器,現(xiàn)對(duì)基坑外主動(dòng)土壓力進(jìn)行分析。

圖3 基坑平面監(jiān)測(cè)布置圖Fig.3 Monitoring layout of foundation pit plan

2.1 坑外土壓力分布模式

在基坑開(kāi)挖過(guò)程中,土壓力是不斷變化的,其分布受到施工工況、圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、支撐架設(shè)及各種施工機(jī)械布置等因素的影響,實(shí)際上是由時(shí)間(挖深)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及荷載等因素綜合作用的結(jié)果。

圖4為實(shí)測(cè)主動(dòng)土壓力隨工況的變化,其中圖4(a)、(b)分別為開(kāi)挖深度在見(jiàn)巖面(大約在地面以下8.5 m)以上及見(jiàn)巖面以下的主動(dòng)土壓力隨著深度的變化情況。

A組30例患者術(shù)后月經(jīng)來(lái)潮時(shí)間、月經(jīng)周期、月經(jīng)血量、6個(gè)月內(nèi)月經(jīng)周期延長(zhǎng)率分別為(35.68±5.89)d、(5.88±1.42)d、(56.35±9.46)ml、8例(26.67%)。B組22例患者術(shù)后月經(jīng)來(lái)潮時(shí)間、月經(jīng)周期、月經(jīng)血量、6個(gè)月內(nèi)月經(jīng)周期延長(zhǎng)率分別為(62.49±6.78)d、(6.52±1.74)d、(84.83±15.32)ml、0例(0%)。而兩組患者月經(jīng)來(lái)潮時(shí)間、月經(jīng)周期、月經(jīng)血量、6個(gè)月內(nèi)月經(jīng)周期延長(zhǎng)率對(duì)比的t值分別是16.621、1.587、8.807、9.185,P=0.000,差異有顯著性。

圖4 實(shí)測(cè)主動(dòng)土壓力隨工況的變化Fig.4 Variation of measured active earth pressure with working conditions

由圖4可知,當(dāng)開(kāi)挖深度在見(jiàn)巖面以上時(shí),沿深度方向主動(dòng)土壓力隨深度的增加而增加;但在同一埋深處的主動(dòng)土壓力卻隨開(kāi)挖深度的增加而減小,因?yàn)榇藭r(shí)隨開(kāi)挖深度的增加,土體位移變大,主動(dòng)土壓力減小;總體上主動(dòng)土壓力分布近似為三角形分布,與Rankine主動(dòng)土壓力分布模式相同。當(dāng)開(kāi)挖深度在見(jiàn)巖面以下,土層為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖時(shí),土壓力分布大致為3段:第1段為地表至地表以下8.5 m,分布模式近似呈三角形分布,其中地表至地表以下2 m范圍的主動(dòng)土壓力與理論值出入較大,其主要原因是現(xiàn)場(chǎng)施工使得地表附近的土體擾動(dòng)較大;2～8.5 m之間的土壓力分布為線性分布,與Rankine土壓力理論較符合,主動(dòng)土壓力隨深度的增加而增加;第2段為地表以下8.5～21 m,主動(dòng)土壓力隨深度的增加而減小,主要原因是隨著深度的增加,中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖從上方的碎巖石變?yōu)橥暾暂^好的巖石,對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的作用力較小;第3段為地表以下21～28 m,主動(dòng)土壓力隨深度的增加而增大,其主要原因是坑底24 m處中風(fēng)化巖石強(qiáng)度較高,限制了土體的位移,主動(dòng)土壓力增大。從實(shí)測(cè)結(jié)果來(lái)看,圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力分布近似為R形。

不同地質(zhì)條件下的樁撐式圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主動(dòng)土壓力分布模式有較大的不同。例如:軟土地區(qū),深基坑實(shí)測(cè)主動(dòng)土壓力均大于按照Rankine主動(dòng)土壓力公式的計(jì)算值,但實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的趨勢(shì)總體一致,大致呈三角形分布,Rankine理論[13]較適用;卵石地區(qū)實(shí)測(cè)主動(dòng)土壓力分布模式近似為上部R形下部為矩形[14];對(duì)于本研究涉及的中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地區(qū),其主動(dòng)土壓力分布模式表現(xiàn)為R形分布,這與Rankine理論有較大的差異。

2.2 主動(dòng)土壓力實(shí)測(cè)值與理論值的對(duì)比分析

表2列出了不同工況下土壓力的實(shí)測(cè)值和Rankine理論值。由表2可知,基坑開(kāi)挖到底時(shí)最大實(shí)測(cè)主動(dòng)土壓力約為0.13 MPa,同樣開(kāi)挖深度的上海軟土地區(qū)的最大主動(dòng)土壓力實(shí)測(cè)值為0.25 MPa[15]112,可見(jiàn),土巖地區(qū)的最大主動(dòng)土壓力約為軟土地區(qū)的0.52倍。表3為基坑開(kāi)挖到底時(shí)見(jiàn)巖面上下各土層實(shí)測(cè)主動(dòng)土壓力合力值與Rankine主動(dòng)土壓力合力值的比值統(tǒng)計(jì)表。實(shí)測(cè)值是基坑開(kāi)挖到底時(shí)的土壓力值,無(wú)實(shí)測(cè)點(diǎn)的土層主動(dòng)土壓力采用插值法取得,比值采用面積比(圖4(b)中,每層土主動(dòng)土壓力合力值為ABCD所包圍的面積)。加權(quán)平均值為各土層土壓力實(shí)測(cè)值與理論值的比值與相應(yīng)土層厚度的乘積,除以總土層厚度。加權(quán)平均值能夠反映基坑開(kāi)挖過(guò)程中主動(dòng)土壓力實(shí)測(cè)值與Rankine主動(dòng)土壓力計(jì)算值之間的差異。由表3可知:在見(jiàn)巖面以上,實(shí)測(cè)土壓力與Rankine理論值比較接近,實(shí)測(cè)值與理論值的比值約為0.81;在見(jiàn)巖面以下,實(shí)測(cè)值與理論值相差較大,兩者比值約為0.48。

表2 主動(dòng)土壓力實(shí)測(cè)值與Rankine理論值Table 2 Measured value and theoretical value of active earth pressure

表3 不同深度處實(shí)測(cè)主動(dòng)土壓力合力值與Rankine主動(dòng)土壓力合力值的比值

2.3 不同埋深處主動(dòng)土壓力隨開(kāi)挖深度的變化規(guī)律

圖5為實(shí)測(cè)主動(dòng)土壓力隨開(kāi)挖深度的變化圖,由圖可知,在整個(gè)施工過(guò)程中埋深1.5 m處的土壓力變化穩(wěn)定,其原因可能是圈梁對(duì)樁頂有限制作用,使上部土壓力基本上處于穩(wěn)定狀態(tài)。埋深8.5 m處土壓力并非一直在減小,而是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,開(kāi)挖初期土壓力隨開(kāi)挖深度的增加而減小,當(dāng)?shù)诙冷撝渭茉O(shè)后,鋼支撐限制了圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土體位移,使作用在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力增大,當(dāng)開(kāi)挖到15 m以下時(shí)對(duì)埋深8.5 m處土壓力的影響較小,土壓力較穩(wěn)定,變化不大。埋深在21、28 m處見(jiàn)巖面以下的主動(dòng)土壓力隨開(kāi)挖深度的增加呈現(xiàn)出先不變后減小的趨勢(shì),其原因主要是初期該兩處處于靜止土壓力狀態(tài),隨著開(kāi)挖深度的增加轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)土壓力,且主動(dòng)土壓力隨開(kāi)挖深度的增加而減小,這與基坑開(kāi)挖的工程性狀相符合。

圖5 實(shí)測(cè)主動(dòng)土壓力隨開(kāi)挖深度的變化Fig.5 Time history curve of measured activeearth pressure with excavation depth

綜上可知:隨著開(kāi)挖深度的增加,巖面以上各埋深處的土壓力波動(dòng)較小,基本上不變;而巖面以下各埋深處的土壓力隨開(kāi)挖深度的增加而減小。

2.4 樁側(cè)土壓力與樁體位移、土體水平位移的規(guī)律分析

土壓力的產(chǎn)生與土體位移有著緊密的關(guān)系,不同深度處的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的土體水平位移不同,因此圍護(hù)結(jié)構(gòu)外的土壓力也不同[15]93。而實(shí)際工程中,基坑處于安全狀態(tài),圍護(hù)結(jié)構(gòu)后土體未形成連續(xù)的滑動(dòng)面,未達(dá)到極限平衡狀態(tài),處于靜止土壓力與主動(dòng)土壓力之間。

圖6 不同工況下樁體水平位移與埋深的關(guān)系 Fig.6 Relationship between horizontal displacement

圖7為土巖地區(qū)實(shí)測(cè)土壓力與位移的關(guān)系曲線,由圖可知,實(shí)測(cè)主動(dòng)土壓力隨土體水平位移的增加而減小。見(jiàn)巖面以上,埋深8.5 m處當(dāng)基坑開(kāi)挖到9 m時(shí)土體水平位移達(dá)到4.2 mm時(shí),土壓力基本上不再變化;見(jiàn)巖面以下土層全為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖,在埋深21 m處當(dāng)土體位移達(dá)到3.8 mm時(shí),土壓力不再變化;而埋深28 m處的土壓力隨土體位移的增加而減小,處于主動(dòng)土壓力與靜止土壓力之間。

圖7 實(shí)測(cè)土壓力-位移關(guān)系 Fig.7 Active earth pressure-displacement curve of pile and buried depth under different working conditions

2.5 土壓力與深層土體位移的關(guān)系

支護(hù)樁樁身及坑外土體位移與土壓力大小密切相關(guān),選取其中一個(gè)剖面在不同工況時(shí)的水平位移變化情況進(jìn)行分析,土巖組合地層深層土體水平位移隨工況的變化如圖8所示,由圖可知:開(kāi)挖面在見(jiàn)巖面以上時(shí),最大土體位移位于地表,主要是因?yàn)榈乇硗临|(zhì)為素填土,壓縮性大,位移受施工影響較大;當(dāng)基坑開(kāi)挖4 m(粉砂層)時(shí),8.5 m處土體位移由1.2 mm明顯減小到0.2 mm,且8.5 m以下的土體位移與未開(kāi)挖時(shí)相同,上部開(kāi)挖到4 m時(shí)對(duì)8.5 m以下無(wú)影響,可知開(kāi)挖到4 m時(shí)對(duì)基坑的影響深度約為1.1倍開(kāi)挖深度(H);當(dāng)基坑開(kāi)挖7 m(圓礫層),13.5 m處土體位移由1.9 mm明顯減小到0.4 mm,且13.5 m以下的土體位移與未開(kāi)挖時(shí)相同,可知開(kāi)挖7 m時(shí)對(duì)基坑的影響深度約為0.93H;當(dāng)基坑開(kāi)挖9 m時(shí),15 m處土體位移明顯減小,15 m以下的土體位移與未開(kāi)挖時(shí)相同,可知開(kāi)挖9 m時(shí)對(duì)基坑的影響深度約為0.67H;當(dāng)開(kāi)挖在見(jiàn)巖面以下(中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖土層)時(shí),開(kāi)挖到12 m時(shí),19 m處土體位移明顯減小,且深處的位移與未開(kāi)挖時(shí)相同,可知開(kāi)挖12 m時(shí)對(duì)基坑的影響深度大約為0.58H;開(kāi)挖到15 m及以下時(shí)土體都產(chǎn)生了位移是因?yàn)槭艿搅碎_(kāi)挖工況的影響。

圖8 深層土體位移隨工況的變化Fig.8 Variation of deep soil displacement under different working conditions

開(kāi)挖到底時(shí)最大土體位移在地表處,主要是混凝土支撐位于地表以下2 m處,見(jiàn)巖面以上土體性質(zhì)較差,壓縮性大,產(chǎn)生的位移也大;見(jiàn)巖面處為土和巖層的交界處,巖土體性質(zhì)發(fā)生突變,土體水平位移也較大。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)金華地區(qū)萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)地鐵站土巖組合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析,可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)基坑開(kāi)挖過(guò)程中,土巖組合地區(qū)主動(dòng)土壓力分布模式表現(xiàn)為三角形分布;開(kāi)挖在見(jiàn)巖面以下時(shí),圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的主動(dòng)土壓力分布由三角形分布演變?yōu)镽形分布。

2)開(kāi)挖深度相同條件下的基坑,土巖組合地區(qū)的最大主動(dòng)土壓力約為軟土地區(qū)的0.52倍。在見(jiàn)巖面以上,實(shí)測(cè)值與理論值的比值約為0.81;在見(jiàn)巖面以下,實(shí)測(cè)值與理論值相差較大,兩者比值約為0.48。隨著開(kāi)挖深度的增加,見(jiàn)巖面以上各埋深處的土壓力基本上不變;而見(jiàn)巖面以下各埋深處的土壓力隨開(kāi)挖深度的增加而減小。

3)土巖組合地區(qū)最大水平位移位于地表。當(dāng)開(kāi)挖在見(jiàn)巖面以上土層時(shí),對(duì)基坑的影響深度約為0.93～1.1H;當(dāng)開(kāi)挖在巖面以下巖石層時(shí),對(duì)基坑的影響深度約為0.58～0.67H。