膨脹土地鐵車站深基坑樁間土失穩(wěn)特征研究

吉力此且 李江峰 路軍富 鄧永剛 陳 龍

（1.四川開放大學(xué)，四川 成都 610073；2.中鐵十二局集團(tuán)第四工程有限公司，陜西 西安 710024；3.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059）

0 引言

膨脹土是自然地質(zhì)形成的含有親水性較強(qiáng)的黏土礦物的高塑性黏土，具有超固結(jié)性、多裂隙、遇水膨脹、失水收縮等特性。膨脹土廣泛分布于我國四川、云南、廣西等20 多個省，成都地區(qū)主要分布在東部。近年來隨著成都市軌道交通線路規(guī)劃快速成網(wǎng)以及東部新區(qū)的加快建設(shè)，如2 號線、4 號線、7 號線、8 號線、9 號線、17 號線、18號線、30 號線等都經(jīng)過或到達(dá)膨脹土區(qū)域。軌道交通線路穿越膨脹土區(qū)域時不可避免地要設(shè)置地下車站，因此就需要地下車站深基坑開挖支護(hù)。

據(jù)調(diào)查，成都東部深基坑開挖采用排樁支護(hù)工程中，由于地層開挖后，支護(hù)樁暴露，地層失水，支護(hù)樁樁間土擠出破壞，擠出的土極易造成深基坑中施工的人員傷亡、設(shè)備破壞等安全事故，若不能準(zhǔn)確掌握膨脹土地鐵車站深基坑支護(hù)樁樁間土失穩(wěn)特征，并及時進(jìn)行加固防護(hù)，則樁間土可能坍塌造成安全事故，從而嚴(yán)重影響工程整體的質(zhì)量和進(jìn)度。

1 樁間土失穩(wěn)特征調(diào)查與實(shí)測分析1.1 現(xiàn)場調(diào)查

1.1.1 工程設(shè)計(jì)及施工

該文研究的成都軌道交通17 號線二期東延線地下車站基坑深度18～30m，基坑保護(hù)等級為一級，采用圍護(hù)樁+內(nèi)支撐的支護(hù)方案。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用Φ1200mm 旋挖樁，間距2000mm，在盾構(gòu)井盾構(gòu)出口洞門處采用Φ1500@1800mm玻璃纖維筋旋挖樁。車站豎向設(shè)置三道支撐，均采用Φ609mm（t=16mm）和Φ800mm（t=16mm）的鋼管支撐，800mm 鋼支撐僅用于盾構(gòu)擴(kuò)大端?；拥滓韵戮鶠?5-1-3>中風(fēng)化泥巖，圍護(hù)樁插入深度不小于設(shè)計(jì)要求。圍護(hù)樁按“跳一鉆一”進(jìn)行施工。采用旋挖鉆機(jī)鉆孔，現(xiàn)場灌注混凝土。基坑采取“分層、分段、抽槽開挖、留土護(hù)壁，及時支撐，減少無支撐暴露時間”等方式開挖，橫向先挖中間土體，后開挖兩側(cè)土體，嚴(yán)禁超挖。基坑開挖至支撐設(shè)計(jì)標(biāo)高以下0.5m 時停止開挖，安裝鋼圍檁及鋼支撐，并按設(shè)計(jì)要求施加預(yù)應(yīng)力?；娱_挖過程中，加強(qiáng)支撐軸力監(jiān)測對獲取的數(shù)據(jù)及時分析處理，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時采取必要的措施，同時及時澆筑150mm 厚混凝土墊層封閉基底。

1.1.2 樁間土失穩(wěn)調(diào)查

2020 年10 月至2021 年10 月，課題組調(diào)查了成都地鐵17 號線二期東延線深基坑支護(hù)樁樁間土失穩(wěn)情況，所調(diào)查的6 個地鐵車站深基坑工程在施工中都發(fā)生了樁間土塌落，由于采取了預(yù)警措施，因此沒造成人員傷亡或設(shè)備損傷。

圖1 為2021 年4 月12 日某車站19-20 軸右線側(cè)壁坍塌，坍塌高度為第三道鋼支撐下兩相鄰圍護(hù)樁的樁間土。坍塌時該段底板已澆筑完成，當(dāng)日天氣為多云轉(zhuǎn)小雨。

地層位于第一道支撐至第二道支撐間，<5-1-2>強(qiáng)風(fēng)化泥巖厚3.7m。該段開挖時間為2021 年1 月4 日-2021 年4月1 日，開挖揭露地層與地勘資料基本相符。

據(jù)查閱現(xiàn)場相應(yīng)位置的監(jiān)測數(shù)據(jù)，測斜數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，橫向支撐軸力數(shù)據(jù)也基本平穩(wěn)。

圖1 某車站19-20 軸右線側(cè)壁坍塌圖

圖2 為5 月27 日位于某車站29-31 軸左線側(cè)壁坍塌，坍塌高度為第一道支撐至第二道支撐之間五根相鄰圍護(hù)樁的樁間土。坍塌時該段底板已澆筑完成，當(dāng)日天氣為多云轉(zhuǎn)小雨。

地層位于第一道支撐至第二道支撐間，<4-1-3>黏土層厚4.8m，<5-1-1>全風(fēng)化泥巖層厚2.7m。該段開挖時間為2021 年4 月8 日-2021 年4 月12 日，開挖揭露地層與地勘資料基本相符。

據(jù)查閱現(xiàn)場相應(yīng)位置的監(jiān)測數(shù)據(jù)，測斜數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，橫向支撐軸力數(shù)據(jù)也基本平穩(wěn)。

圖3 為2021 年4 月1 日位于某車站56 軸右線側(cè)壁坍塌，坍塌高度為第一道支撐至第二道支撐之間6 根相鄰圍護(hù)樁的樁間土。坍塌時該段底板未澆筑完成，當(dāng)日天氣為小到中雨。

地層位于<4-1-3>黏土層厚度達(dá)到第一道支撐下3.2 米處，<5-1-1>全風(fēng)化泥巖層達(dá)到第二道支撐下0.85 米處，該段開挖時間為2021 年1 年20 日-2021 年3 月31 日，開挖揭露地層與地勘資料基本相符。

圖2 某車站29-31 軸左線側(cè)壁坍塌圖

圖3 某車站56 軸右線側(cè)壁坍塌圖

據(jù)查閱現(xiàn)場相應(yīng)位置的監(jiān)測數(shù)據(jù)，測斜數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，橫向支撐軸力數(shù)據(jù)也基本平穩(wěn)。

圖4 為2021 年4 月16 日位于某車站48 軸左線側(cè)壁坍塌，坍塌高度為第一道支撐至第三道支撐之間2 根相鄰圍護(hù)樁的樁間土，該部位在開挖過程中出現(xiàn)多次坍塌。該圖顯示坍塌時該段底板已澆筑完成，當(dāng)日天氣為小雨。

4 月8 日發(fā)現(xiàn)支撐變形嚴(yán)重超限后緊急采取了加密支撐措施，并在第一道和第二道支撐間增設(shè)一層鋼支撐，4 月16日樁間土擠出坍塌。

地層位于<4-1-3>黏土層厚度達(dá)到第二道鋼圍檁下2.7m 處，<5-1-1>全風(fēng)化泥巖層厚到達(dá)第三道鋼圍檁位置，該段開挖時間為2021 年1 月17 日-2021 年3 月23 日，開挖揭露地層與地勘資料基本相符。

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示該處CX-59 測斜數(shù)據(jù)達(dá)到99.80mm，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出控制值；ZL56 監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)到2150.98kN 超出控制值1760kN。

圖5 為2021 年4 月18 日垮塌部位位于某車站40 軸左線側(cè)壁，垮塌高度為第一道支撐4.5 米范圍4 根樁間土體。垮塌時該段正在進(jìn)行土方開挖工作，尚未開挖至第二道支撐處，當(dāng)日天氣為小雨。

圖4 某車站48 軸左線側(cè)壁坍塌圖

圖5 某車站40 軸左線側(cè)壁坍塌圖

地層位于<4-1-3>黏土層厚度達(dá)到12.7 米，層底位于第二道鋼圍檁下1.5m 處，該段開挖時間為2021 年3 月27 日-2021 年4 月4 日，開挖揭露地層與地勘資料基本相符。

據(jù)查閱現(xiàn)場相應(yīng)位置的監(jiān)測數(shù)據(jù)，測斜數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，橫向支撐軸力數(shù)據(jù)也基本平穩(wěn)。

1.2 樁間土坍塌調(diào)查結(jié)果分析

通過分析上述5 個樁間土坍塌的案例可知，樁間土坍塌地層多數(shù)位于<4-1-3>黏土層，少部分處于<5-1-1>全風(fēng)化泥巖層和<5-1-2>強(qiáng)風(fēng)化泥巖層。查閱現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)樁間土坍塌時，測斜數(shù)據(jù)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，橫向支撐軸力數(shù)據(jù)也基本平穩(wěn)。

從開挖時間上來看，樁間土坍塌部位開挖時間為1-4月，坍塌時的時間主要集中在4-5月。結(jié)合膨脹土失水收縮開裂、吸水膨脹等明顯特征，開挖時間段處于成都地區(qū)一年中較為干燥的季節(jié)，4 月開始成都地區(qū)逐漸有稀少春雨，且從調(diào)查情況中發(fā)現(xiàn)每處樁間土坍塌當(dāng)日都有小雨，因此進(jìn)一步驗(yàn)證膨脹土失水收縮開裂，黏聚力達(dá)到極小值，此時由于天氣下雨造成膨脹土短時間內(nèi)吸水膨脹，內(nèi)摩擦角增大，加之樁間土體自重短時間內(nèi)增加較快，引起樁間土下滑力增大，因此造成樁間土坍塌。

2 樁間土失穩(wěn)特征分析

2.1 樁土相互作用

膨脹土地鐵車站深基坑工程開挖及支護(hù)施工中，隨著基坑土方開挖深度不斷增加，支護(hù)樁阻礙基坑外側(cè)土體向基坑內(nèi)水平位移，在不同土層土壓力作用下支護(hù)樁自身發(fā)生變形，此時相鄰支護(hù)樁樁體之間的土體由于無支護(hù)樁樁體阻擋，因此向水平方向的位移比支護(hù)樁背后的土體位移大。隨著基坑開挖深度不斷加大，這種趨勢也隨之進(jìn)一步發(fā)展。由于支護(hù)樁橫向水平位移小于樁間土的橫向水平位移，造成樁后一定范圍內(nèi)的土體不斷擠壓樁體而產(chǎn)生不均勻的土壓力，樁間土靠近樁體一定范圍內(nèi)的土體橫向位移受到樁體的約束，越靠近樁間土中間受到樁體的約束越小，即樁體兩側(cè)位移小，而兩樁中間的土體位移大，因此就會引起樁間土體與樁后土體自身在抗剪強(qiáng)度的作用下于土體內(nèi)部形成“楔緊”，即在兩樁之間形成了相對穩(wěn)定的土拱效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致距離樁體較遠(yuǎn)的兩樁中間土體在土壓力作用下發(fā)生擠出破壞，兩樁體之間形成拱形破壞面，如圖6 所示。而對于膨脹性土層，由于其具有顯著的失水收縮開裂的特征，因此基坑開挖后樁間土暴露，土中的水分蒸發(fā)，含水率降低，造成膨脹土失水收縮，黏聚力和內(nèi)摩擦角減小，樁間土無樁體約束，現(xiàn)有噴錨支護(hù)不能抵擋樁間土自重產(chǎn)生的土壓力而出現(xiàn)坍塌。

圖6 樁間土受力圖

2.2 樁間土失穩(wěn)特征分析

樁土相互作用形成土拱效應(yīng)的條件一般包括土體內(nèi)存在不均勻位移及有作為支撐的拱腳的存在。周勇等提出樁土相互作用接觸域概念，通過實(shí)驗(yàn)室直剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，樁土相互作用接觸面破壞時，破壞面沒有發(fā)生在樁土接觸面上，而是發(fā)生在距離樁土接觸面一定距離的樁土接觸土體中。由此提出樁土接觸面具有一定厚度，并把該厚度定義為過渡區(qū)域。結(jié)合樁土相互作用機(jī)理研究，距離支護(hù)樁越近的地方土體黏聚力和內(nèi)摩擦角均大于距離支護(hù)樁較遠(yuǎn)的區(qū)域。距離支護(hù)樁樁身越近的地方土體的位移基本與支護(hù)樁保持一致，距離支護(hù)樁越遠(yuǎn)的地方土體的位移與樁體位移不同，當(dāng)土體距離支護(hù)樁達(dá)到一定距離后，土體位移基本不受支護(hù)樁位移的影響。因此合理確定不同樁徑的樁間距，對于確?；炷凉嘧稑堕g土的穩(wěn)定具有重要的作用。

該工程位于成都市東部膨脹土分布區(qū)域，經(jīng)取樣試驗(yàn)，該區(qū)域的膨脹土膨脹率如圖7 所示。

圖7 地鐵17 號線二期威靈站膨脹土膨脹率試驗(yàn)結(jié)果

通過圖7 可知，該區(qū)域內(nèi)膨脹土膨脹力為45%，屬于弱膨脹性土層，因此在分析樁間土失穩(wěn)時要考慮膨脹土性質(zhì)的影響。

2.2.1 膨脹土對樁間土失穩(wěn)特征的影響分析

膨脹土具有遇水膨脹、失水收縮開裂等特性?；炷凉嘧⒅ёo(hù)樁樁徑一般為1.2m，樁中心距一般為2.2m，因此樁凈距一般為1m。一般挖機(jī)挖斗寬度0.9m 以上，在開挖基坑時只能挖進(jìn)兩支護(hù)樁樁間約1/12 左右，如圖8 所示。目前樁間土支護(hù)措施一般采用Φ8mm 鋼筋網(wǎng)片，并將鋼筋網(wǎng)片與支護(hù)樁預(yù)留好的鋼筋連接，部分地方采用Φ18mm 鋼筋橫向加強(qiáng)并與支護(hù)樁預(yù)留鋼筋連接，起到一定程度的加固噴射混凝土以后的鋼筋網(wǎng)片共同支護(hù)樁間土的作用。但是通過圖1～圖6 可以看出，樁間土坍塌處鋼筋網(wǎng)片直接被拉出破壞，說明施工過程中鋼筋網(wǎng)片或加強(qiáng)鋼筋都沒有與支護(hù)樁預(yù)留的鋼筋進(jìn)行牢靠連接，或者由于施工支護(hù)樁時的施工偏差，原預(yù)留好的鋼筋沒有設(shè)置在靠深基坑一側(cè)。

圖8 樁間土加固圖

從調(diào)查區(qū)域深基坑開挖時間跨度上分析，開挖并暴露的持續(xù)時間為2021 年12 月至2022 年5 月，時間跨度涵蓋成都地區(qū)的冬季、春節(jié)，也就是從開始開挖、地層暴露到樁間土坍塌失穩(wěn)，經(jīng)過多次的失水和吸水過程，冬季干燥失水，到了春季，成都地區(qū)從綿綿細(xì)雨到晴朗的反復(fù)變化的天氣造成開挖暴露后的膨脹土反復(fù)經(jīng)歷失水收縮開裂到吸水膨脹的過程，導(dǎo)致樁間土體黏聚力和內(nèi)摩擦角急劇下降，且再次遇到失水收縮開裂時裂紋非常發(fā)達(dá)。在土拱效應(yīng)作用線靠深基坑一側(cè)土體在自重作用下發(fā)生坍塌破壞，從圖1～圖6 可以看出，樁間土坍塌時沿著土拱效應(yīng)作用線的拱形破壞，幾乎是粉碎性破壞，土體之間經(jīng)過多次反復(fù)失水收縮和吸水膨脹后，黏聚力及內(nèi)摩擦角幾乎為零。

2.2.2 樁間土穩(wěn)定性計(jì)算推導(dǎo)

通過現(xiàn)場調(diào)查情況及上述樁間土失穩(wěn)分析，針對目前成都東部膨脹土區(qū)域修建地下軌道交通車站工程施工中采用的混凝土灌注排樁支護(hù)設(shè)計(jì)的常規(guī)情況（即樁徑為1.2m，樁間凈距為1m，鋼筋網(wǎng)片加噴射混凝土支護(hù)樁間土）可知，樁間土坍塌的主要原因是樁間膨脹土反復(fù)受到失水收縮和吸水膨脹的作用后，土體黏聚力和內(nèi)摩擦角急劇下降或幾乎降到零，再次遇到降雨天氣時土體自重增加，樁間土鋼筋網(wǎng)片和噴射混凝土被剪切破壞，因此推導(dǎo)出樁間土自重及含水率變化后的自重變化，即可推導(dǎo)出樁間土坍塌破壞時樁間支護(hù)結(jié)構(gòu)受到的力，進(jìn)而可對支護(hù)結(jié)構(gòu)的抵抗力提出設(shè)計(jì)建議。

根據(jù)樁間土坍塌失穩(wěn)現(xiàn)場調(diào)查及理論分析，建立樁間土坍塌模型圖，如圖9 所示。

根據(jù)建立的模型圖形計(jì)算坍塌土體的體積V（近似計(jì)算），如式（1）所示。

并由式（2）解得式（3）。

圖9 樁間土計(jì)算模型圖

式中：S—樁間坍塌體頂面積，S—樁間坍塌體底面積，a—樁凈距，b—樁外側(cè)與樁間土開挖面間距，d—兩相鄰樁中心距，R—樁徑。

樁間坍塌體自重G 的計(jì)算如式（4）所示。

式中：a—樁凈距，b—樁外側(cè)與樁間土開挖面間距，R—樁徑，H—樁間坍塌體高度，Φ—樁間土體內(nèi)摩擦角。

下滑力T（又稱滑動力）的計(jì)算如式（5）所示。

式中：A—滑動體斜面面積，a—樁凈距，b—樁外側(cè)與樁間土開挖面間距，G—樁間坍塌體自重，R—樁徑，Φ—樁間土體內(nèi)摩擦角，c—樁間土體黏聚力，σ 垂直于樁間土體滑動面的應(yīng)力。

土坡穩(wěn)定安全系數(shù)K 的計(jì)算如式（7）所示。

式中：K—土坡穩(wěn)定安全系數(shù)，M—抗滑力，T—下滑力。

由該模型推導(dǎo)出的計(jì)算公式，經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)例驗(yàn)證符合實(shí)際情況。

3 結(jié)論

該文通過現(xiàn)場調(diào)查、實(shí)測分析、失穩(wěn)特征分析、樁間土穩(wěn)定性計(jì)算推導(dǎo)，找到了成都地區(qū)膨脹土深基坑施工中混凝土灌注樁樁間土坍塌失穩(wěn)特征及原因，樁間土坍塌破環(huán)線為支護(hù)樁與樁間土土拱效應(yīng)作用線，由于前期受到反復(fù)的失水收縮開裂和吸水膨脹的作用，坍塌時樁間土黏聚力達(dá)到極小值，內(nèi)摩擦角達(dá)到極大值，樁間土坍塌破壞面幾乎成水平，破壞面土顆粒成粉碎狀。因此，在不可避免的干濕交替季節(jié)施工時，一方面要縮短基坑開挖暴露時間，另一方面要加強(qiáng)支護(hù)樁樁間土加固措施。