大深度地下結(jié)構(gòu)的水土壓力特性研究

李 峰， 程 麗 娟， 漆 鵬

(1.中電建成都建設(shè)投資有限公司，四川 成都 610072；2.中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

如今在類似北京、上海的特大城市集群，地下空間軌道交通網(wǎng)絡(luò)基本形成，并且中心城區(qū)的中、淺層地下空間大多已經(jīng)歷或計劃進行高強度開發(fā)?？梢娢覈叵驴臻g的建設(shè)將呈現(xiàn)出深層化的趨勢，因而，針對大深度地下空間開發(fā)利用的研究勢在必行。

本文提到的大深度地下空間深度為50～100 m。若要開發(fā)利用，理論方面需首要解決大深度地下結(jié)構(gòu)的水土壓力特性問題。

1 水土分、合算

在深入討論大深度地下結(jié)構(gòu)的水土壓力特性之前，必須先就水土分、合算[1]問題進行研究，其焦點主要集中于黏性土等滲透性差的土體上。

理論方面，水土分算法基于有效應(yīng)力原理。但在工程實踐上，上海地區(qū)采用水土合算法更接近監(jiān)測結(jié)果。深入研究，合算法之所以更接近監(jiān)測結(jié)果，是基于以下原因：

(1)土中先出現(xiàn)負的超靜孔壓，而后緩慢消散，從而導致初始監(jiān)測值較小，而合算法采用的強度指標隱含了超靜孔壓的影響。

(2)滲流能減小坑外孔壓并增大坑內(nèi)孔壓，而合算法在孔壓前乘了被動或主動土壓力系數(shù)，從結(jié)果看，分別放大、折算了坑內(nèi)、外的孔壓，這種處理恰好反應(yīng)了滲流影響。事實上，水不存在抗剪強度，因而，不能將孔壓乘上土壓力系數(shù)。

部分學者認為，低滲透性土體無法傳遞孔壓，因而，采用合算法。然而，有試驗[2]表明，無論黏土或砂土都可傳遞孔壓，區(qū)別只在于速度和程度不同。另外，按照朗肯土壓理論，黏土因黏聚力而存在一定的不支護高度，而合算法無法考慮臨界深度內(nèi)的孔隙水壓。

從以上兩點可以看出，應(yīng)當在實際工況、考慮滲流以及超靜孔隙水壓等因素的前提下，采用水土分算法。另外，鑒于固結(jié)排水強度指標難以取得，基于工程實踐[3]，可采用固結(jié)不排水剪切或直剪固結(jié)快剪得到總應(yīng)力強度指標。

2 地連墻的水土壓力特性

目前，針對中淺層的研究較為詳盡，其考慮的影響因素如滲流[4]、超靜孔隙水壓力[5]、應(yīng)力路徑[6]等，可對深層地下空間的水土壓力特性研究起到借鑒作用，本文將結(jié)合理論研究和Plaxis模擬兩方面來考量各因素對水土壓力的影響。

Plaxis模擬中基坑深度為100 m，地連墻插入比為0.8。土體參數(shù)采用“上海中心大廈”的勘察資料。

2.1 土壓特性

2.1.1 外側(cè)側(cè)向土壓力

外側(cè)土壓力呈現(xiàn)“R形”分布(圖1)，最大壓力794.49 kPa?？梢娡翂毫Σ⒉坏扔诶士现鲃油翂毫χ?，其在開挖面以上深度更接近于靜止土壓力值，而在開挖面以下深度也大多大于主動土壓力值。

圖1 地連墻外側(cè)側(cè)向土壓力對比圖

2.1.2 內(nèi)側(cè)側(cè)向土壓力

內(nèi)側(cè)側(cè)向土壓力總體呈現(xiàn)拋物線分布(圖2)，最大壓力為1 589.74 kPa，位于深度約130 m深度處。在100～130 m區(qū)域，側(cè)向土壓力略大于朗肯被動土壓力值。但是，在130～180 m區(qū)域，側(cè)向土壓力迅速減小，在180 m深度接近靜止土壓力值。這是因為地下連續(xù)墻的位移在這一區(qū)域迅速減小，土體無法達到被動土壓力所需的極限狀態(tài)。

圖2 地連墻內(nèi)側(cè)側(cè)向土壓力對比圖

可見，在地連墻工況下，經(jīng)典的朗肯土壓力理論不再適用。如果采用，會存在一定的安全風險。

2.2 孔壓特性

在大深度地層中，孔隙水壓力的影響將占據(jù)主導地位。而滲流和超靜孔壓對孔壓的分布有顯著影響。

2.2.1 滲流

成層土因相對滲流性的不同而影響滲流場分布，可分為均質(zhì)土、二和三層土三種情況，更多土層可對應(yīng)歸為以上分類。

兩層土根據(jù)土層分界面位置可劃為5種類型(圖3)：字母表示分界面位置；字母后的數(shù)字1表示上土層滲透性較下土層大，而數(shù)字2表示上土層滲透性較下土層小。例如AA1表示分界面位于AA且上土層滲透性較大，下土層滲透性較小的情況。

圖3 兩層土分情況圖

三層土根據(jù)土層分界面位置可劃為11種類型(圖4)：字母表示第二、三土層分界面位置；字母后第一位數(shù)字表示第一、二土層分界面位置；字母后第二位數(shù)字表示相對滲透性，數(shù)字1表示相對滲透性從上至下是“大小大”，而數(shù)字2表示相對滲透性從上至下是“小大小”。例如A12表示分界面分別位于A和A1位置的上層為相對滲透性小的土層，中層為相對滲透性大的土層，下層為相對滲透性小的土層這一情況。

圖4 三層土分情況圖

上海的《基坑工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：在無滲流時，開挖面以上孔隙水壓力按靜水壓力計算；開挖面以下，在主、被動側(cè)水壓力抵消后按矩形分布計算。有滲流時，則按倒梯形分布計算主動側(cè)孔隙水壓力，按三角形分布計算被動側(cè)孔隙水壓力。

2.2.1.1 均質(zhì)土

均質(zhì)土情況下黏土和砂土的均質(zhì)土層的滲流情況類似，且都小于規(guī)范值(圖5)。

圖5 均質(zhì)土中孔壓分布

2.2.1.2 兩層土

AA1、AA2、BB1、BB2、DD1、DD2、EE1、EE2情況類似于均質(zhì)土分布，全深度小于規(guī)范值。CC1情況在0～100 m深度等于靜水壓力值，而后保持不變直至土層分界面，隨后迅速減小至0值；CC2情況在0-100 m深度等于靜水壓力值，而后迅速減小至接近0值直至土層分界面，隨后從幾乎等于0值變化到0值(圖6)

圖6 兩層土中孔壓分布

2.2.1.3 三層土

三層土分為四種類型。(1) A12、A22、A11、A21、C11、C21、C12、C22、D11、D12、E11、E12情況：類似于均質(zhì)土層。(2) A31、C31、B12、B22情況：開挖面以上等于靜水壓力值，開挖面以下保持恒定至土層分界面，而后迅速減小到0值，類似于CC1情況(圖6)。(3)A32、C32、B11、B21情況：開挖面以上小于等于靜水壓力值，開挖面以下持續(xù)減小到土層分界面至接近0值，而后轉(zhuǎn)折緩慢變?yōu)?值，類似于CC2情況(圖6)。(4)B31、B32情況：開挖面以上為靜水壓力，但曲線在開挖面、第一第二土層分界面、第二、第三土層分界面均發(fā)生轉(zhuǎn)折(圖7)。

圖7 三層土中孔壓分布

對于類型(1)采用上海地區(qū)的規(guī)范計算值是比較合適的。對于類型(3)采用上海地區(qū)的規(guī)范計算值是偏于安全的，不過會造成較大的資源浪費。對于類型(2)采用上海地區(qū)的規(guī)范計算值是偏于危險的。類型(4)情況比較特殊，要區(qū)別對待。

2.2.2 超靜孔壓

圖8為地下連續(xù)墻兩側(cè)側(cè)超靜孔隙水壓力分布：(1)在外側(cè)，80～140 m的負超靜孔隙水壓力最大，為248.42 kPa，這一部位也正是土體的水平位移和地下連續(xù)墻的水平位移最大的部位；(2)在內(nèi)側(cè)，絕大部分部位為正壓力。這是因為地下連續(xù)墻內(nèi)側(cè)土體受到擠壓，為側(cè)向加載應(yīng)力路徑，因此產(chǎn)生正的超靜孔隙水壓力。

圖8 超靜孔壓分布

3 盾構(gòu)隧道的拱效應(yīng)

3.1 上海地區(qū)深層土中的拱效應(yīng)

如果按照土柱理論計算豎向土壓力，無疑是偏保守和安全的，很多監(jiān)測資料[7]也表明，實測的豎向土壓力明顯小于土柱理論值。隧道上覆土體存在土拱效應(yīng)[8]是顯而易見的。基于太沙基[9]的研究，土拱的存在基于三個條件：(1)土體產(chǎn)生不均勻的相對位移；(2)有拱腳存在起支撐作用；(3)有足夠的剪應(yīng)力轉(zhuǎn)移應(yīng)力。

上海地區(qū)50～100 m大深度地層根據(jù)地質(zhì)勘察資料全為粉砂層或砂層，且土體容重、密實度、力學參數(shù)都能實現(xiàn)一定的抗剪強度，此外，埋深深度也能保證埋深尺寸比屬于深埋的范圍內(nèi)。因此，可以認為該范圍內(nèi)隧道會發(fā)生土拱效應(yīng)。

3.2 修正的太沙基松動土壓力公式

太沙基松動土壓力理論可較好地反應(yīng)土拱效應(yīng)，并且也廣泛為各國使用。不過，其計算公式中滑動體寬度假設(shè)以及土壓力均勻分布假設(shè)是有待進一步研究的。

利用Plaxis的盾構(gòu)隧道模塊進行模擬，發(fā)現(xiàn)最大的土體沉降出現(xiàn)在隧道頂部，并且呈梯形逐漸擴散到表層?；瑒芋w的邊緣距離和盾構(gòu)隧道中心的水平距離約為80 m，影響范圍約為3倍洞徑。

隧道頂部垂直土壓力沿水平分布圖(圖9)顯示出0～10 m的隧道頂部范圍的土壓力并非太沙基松動土壓力理論假設(shè)的均布荷載，而是一個近似于梯形的荷載。另外，遠離盾構(gòu)隧道土體的垂直土壓力保持恒定，可認為未受擾動。須注意的是，在10 m到未擾動土體之間的過渡段，土壓力值持續(xù)上升后下降，其最大值大于未擾動土體的垂直土壓力。這是因為土拱效應(yīng)的本質(zhì)發(fā)生了應(yīng)力轉(zhuǎn)移，因此，隧道兩側(cè)的土壓力增大。

圖9 盾構(gòu)隧道的垂直壓力分布圖

基于以上結(jié)果，對太沙基松動土壓力公式做一定改良，令滑動體寬度2B=6R。經(jīng)計算，埋深100 m洞徑20 m的該盾構(gòu)隧道的垂直壓力為540.97 kPa。原太沙基松動土壓力為228.02 kPa，較為接近隧道中心上方的土壓力值。改進后的公式計算值約為隧道中心頂部土壓力值和隧道邊緣頂部土壓力值的中間值。因此，實際計算時，可以取原太沙基土壓力公式計算值為隧道中心頂部土壓力，取改進后的公式為中間值，從而求出隧道邊緣頂部土壓力值。

3.3 成層土中隧道垂直壓力

前面討論基于均質(zhì)土層，但考慮到實際情況，有必要研究成層土中隧道垂直壓力情況。

3.3.1 土性影響

軟弱土層中的拱效應(yīng)是非常微小甚至不存在的，有必要區(qū)分軟弱土層和非軟弱土層，以考慮不同土體性質(zhì)的影響。

這里的討論仍采用上海中心的地質(zhì)勘測資料，認為軟黏土層是不產(chǎn)生拱效應(yīng)的，按照土柱理論計算其層底垂直壓力。而其余的砂土層可以產(chǎn)生拱效應(yīng)，按改進后的太沙基松弛土壓力計算。

3.3.2 成層土影響

對于成層土，需要自上而下分層計算各層垂直壓力。而后將該層垂直壓力當作外在荷載疊加到下一層土層當中(如下一層是不考慮拱效應(yīng)的軟土層，則是直接疊加)。對于考慮拱效應(yīng)的非軟弱土層，將抗剪強度、容重等參數(shù)按層厚加權(quán)平均，其上的軟弱土層的垂直壓力按外加荷載P0計算。

3.3.3 計算結(jié)果

考慮土性和成層土的隧道頂部的垂直壓力為539.31 kPa。

Plaxis同樣按照之前方法建模，區(qū)別在于將均質(zhì)土層改為上海中心的土層分布。計算結(jié)果為184 kPa(0 m)～872 kPa(100 m)，均值528 kPa。按太沙基松動土壓力公式計算值為232.48 kPa，與0 m處值較為接近?？梢娊Y(jié)果較為吻合，說明采用的改進和簡化方法可行。

4 結(jié) 語

通過理論研究和數(shù)值模擬方法，得到了大深度地層中地連墻水土壓力的簡化計算模型以及基于太沙基松動土理論的盾構(gòu)隧道垂直壓力計算公式。

(1)計算水土壓力時應(yīng)采用水土分算法，經(jīng)典朗肯土壓理論不能很好估計基坑內(nèi)外的土壓力。

(2)均質(zhì)土層的滲流場分布與土性無關(guān)，均小于上海市基坑規(guī)范計算值。兩層土和三層土的滲流場大多類似于均質(zhì)土。但當土層分界線位于開挖面以下及角點以上時，主動側(cè)水壓力明顯受土體分層影響。如繼續(xù)采用遵照規(guī)范，會導致資源浪費或偏于危險。

(3)基坑開挖主要是卸載應(yīng)力路徑，主動側(cè)的超靜孔隙水壓力是負值，這有利于基坑的穩(wěn)定。被動側(cè)的土體受壓，超靜孔隙水壓力為正值。

(4)深層盾構(gòu)隧道存在拱效應(yīng)，并且垂直土壓力在隧道上方為梯形分布?？捎迷郴蓜油翂毫阶鳛橹行捻敳客翂毫χ?，用修訂后的太沙基松動土壓力公式作為平均值。