膨脹土地層地鐵車站基坑圍護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性探討

楊圣春，許有俊，孫海楓

(1.內(nèi)蒙古科技大學，內(nèi)蒙古 包頭 014010;2.西南交通大學，四川 成都 610031)

膨脹土地層地鐵車站基坑圍護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性探討

楊圣春1，許有俊1，孫海楓2

(1.內(nèi)蒙古科技大學，內(nèi)蒙古 包頭 014010;2.西南交通大學，四川 成都 610031)

在膨脹土地區(qū)修建地鐵車站，基坑的開挖、圍護是一項工程難題。受基坑開挖對膨脹土的擾動影響，地表水滲入后，豐富的裂隙吸水膨脹，導致膨脹土的壓縮模量、抗剪強度等力學指標降低，造成圍護樁樁體變形增大、橫撐軸力增加。本文采用有限差分軟件FLAC模擬分析膨脹土的壓縮模量、抗剪強度指標降低時圍護樁體水平位移的變化規(guī)律，并分析地鐵車站施工監(jiān)測得到的實測樁體水平位移、橫撐軸力的數(shù)據(jù)，結(jié)合工程實踐提出控制圍護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的措施。

膨脹土 地鐵車站 基坑 圍護結(jié)構(gòu)

1 工程概況

成都地鐵川師站位于成龍路和菱安路路口東北角的地塊內(nèi)，呈東北、西南方向布置。川師站基坑深度為27.72 m，車站總長為157 m，基坑寬度為22.5 m(包括兩側(cè)圍護樁各外放100 mm)。主體圍護結(jié)構(gòu)形式為: φ1 200鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐相結(jié)合形式。鉆孔灌注樁樁間距根據(jù)計算按1 600 mm排列，主體圍護樁插入深度為5 m，局部出入口懸臂樁插入深度約為9 m。內(nèi)支撐采用鋼管撐，水平間距為2.5～5.0 m。

2 工程地質(zhì)

川師站地處成都平原區(qū)與龍泉山低山丘陵區(qū)過渡帶，處于川西平原岷江水系Ⅲ級階地，主要為山前臺地地貌，次為剝蝕型丘、崗、谷地貌。

車站范圍內(nèi)特殊巖土為人工填土、膨脹土、膨脹巖和風化巖。

車站范圍內(nèi)人工填筑土為素填土〈1-1〉和雜填土〈1-2〉，以卵石土和碎石土、黏性土為主，充填大量建筑垃圾，一般未經(jīng)壓實，廣泛分布于車站地表，厚2～6 m。該層土均一性差，多為欠壓密土，結(jié)構(gòu)疏松，具有強度低，壓縮性高，受壓易變形、滲透系數(shù)變化大等特點。

車站表層人工填土之下成層分布的為淤泥質(zhì)土及黏性土:〈2-1〉淤泥質(zhì)土、〈3-1-2〉黏土、〈4-1〉黏土，以下為〈5-1-1〉全風化泥巖。根據(jù)室內(nèi)試驗:〈2-1〉淤泥質(zhì)土，陽離子(NH4+)交換量為 172.50～297.4 mmol/kg，蒙脫石含量為11.43% ～17.20%，自由膨脹率41%～60%;〈3-1-2〉黏土，陽離子(NH4+)交換量為145.80～287.7 mmol/kg，蒙脫石含量為11.43% ～21.50%，自由膨脹率47% ～68%。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)以及室內(nèi)試驗資料綜合判定:〈2-1〉淤泥質(zhì)土、〈3-1-2〉黏土、〈4-1〉黏土、〈5-1-1〉全風化泥巖為弱～中等膨脹土。

車站下伏基巖為白堊系上統(tǒng)灌口組(K2g)泥巖，具有遇水膨脹、軟化、崩解，失水收縮、開裂的特點。據(jù)本次勘察所取泥巖的試驗資料，飽和吸水率10.15%～56.19%，膨脹力52～181 kPa;自由膨脹率14% ～43%。

3 數(shù)值模擬分析

根據(jù)成都地鐵川師站的特點，建立數(shù)值分析模型，分析膨脹土受水浸濕后壓縮模量降低、抗剪強度指標降低對支護結(jié)構(gòu)的變形產(chǎn)生的影響。

采用二維平面模型，開挖基坑寬22 m，深28 m，圍護樁長度33 m。

基坑開挖數(shù)值計算模型如圖1所示。實行分層開挖，第1層挖深6 m，第2層挖深5 m，第3層挖深6 m，第4層挖深5 m，第5層挖深6 m，合計28 m到基坑底面。

圍護結(jié)構(gòu)參數(shù):圍護樁的楊氏彈性模量 E= 31 GPa，直徑φ=1 200 mm，泊松比μ=0.2。

鋼管橫撐的楊氏彈性模量E=210 GPa，直徑φ= 609 mm，壁厚t=16 mm，泊松比μ=0.2?；訃o結(jié)構(gòu)和支撐采用彈性模型，巖土材料采用莫爾庫倫模型。

圖1 數(shù)值計算模型

根據(jù)《川師站詳勘階段巖土工程勘察報告》中巖土物理力學指標設(shè)計參數(shù)建議值表，川師站土層物理力學參數(shù)取值參見表1。

試驗表明，土吸水愈多膨脹量愈大，其強度降低愈多，俗稱“天晴一把刀，下雨一團糟”，膨脹土在水浸后，壓縮模量、抗剪強度指標降低，將對支護結(jié)構(gòu)的受力和變形產(chǎn)生影響，樁體變形增大。

大量試驗數(shù)據(jù)分析表明，樁水平位移增加值與膨脹土壓縮模量降低值的變化關(guān)系可用公式表示為

表1 川師站土層物理力學參數(shù)

式中:u為樁體水平位移，mm;Es為壓縮模量，MPa。

由圖2可知，樁體水平位移會隨著膨脹土內(nèi)摩擦角的減小而增大，當膨脹土內(nèi)摩擦角＜10°以后再繼續(xù)減小，樁體位移將會急劇增大;隨膨脹土黏聚力減小樁體水平位移不斷增加。

圖2 內(nèi)摩擦角、黏聚力與樁體水平位移變化曲線

通過分析以上計算結(jié)果可見:膨脹土的壓縮模量、內(nèi)摩擦角及黏聚力減小均對樁體水平位移產(chǎn)生影響。因此在施工時應(yīng)盡量減少對膨脹土的擾動，盡量減少浸水導致壓縮模量及抗剪強度指標的降低。

4 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

橫撐軸力、圍護樁體水平位移監(jiān)測測點布置見圖3，監(jiān)測橫斷面沿基坑長度方向間隔一道橫撐布置。

從測斜管樁體水平位移曲線及樁體水平位移—時間曲線(見圖4)可知，雨水從地面裂隙浸入，導致樁體水平位移增大，橫撐軸力增加。施工單位采取地表注漿加固措施，漿液填充膨脹土裂隙，在水的浸泡下，導致膨脹土強度進一步降低，作用在圍護結(jié)構(gòu)上的側(cè)壓力增大，引起樁體水平位移急劇增大。施工單位根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋的信息，立即采取了加密架設(shè)鋼支撐措施，對樁體變形進行了控制。

圖3 車站基坑監(jiān)測橫斷面布置

從橫撐軸力—時間曲線(圖5)可知，橫撐軸力急劇增大，馬上加密橫撐，橫撐軸力變化漸漸趨于穩(wěn)定，這一點從圖4樁體水平位移監(jiān)測曲線中得到證實。

圖4 第四斷面樁體水平位移—時間曲線

圖5 橫撐軸力—時間曲線

5 施工存在的問題及處理措施

1)施工過程中存在的問題:①基坑周邊地表產(chǎn)生裂縫，未做好地表防水處理，雨水及施工用水滲入地面以下;②基坑開挖后，在地表進行注漿加固，膨脹土裂隙豐富，漿液四處滲透，導致膨脹土抗剪強度降低，樁體變形急劇增大;③施工未按規(guī)范操作，橫撐架設(shè)后未及時施加軸力控制樁體變形，導致樁體變形較大。

2)處理措施:①由于膨脹土具有與一般土層的不同特性——遇水膨脹、強度降低，因此應(yīng)選擇在開挖前對土層進行地表注漿預加固，讓水泥砂漿對膨脹土裂隙進行填充，提高膨脹土的物理力學性質(zhì)后，再進行基坑開挖，盡量不在基坑開挖后進行地表注漿;②對地面進行防水處理，防止地表水浸入;③基坑開挖后及時噴漿護面，縮短膨脹土與大氣的接觸時間;④膨脹土受水浸濕后膨脹，但給膨脹土一個約束力則可以限制其水平向膨脹，降低膨脹土膨脹對圍護結(jié)構(gòu)造成的危害。適當加密橫撐，避免橫撐因受力過大而失穩(wěn)，可以控制樁體水平位移在允許范圍內(nèi)。

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(責任審編 趙其文)

U231.4

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.17

2015-05-31;

:2015-08-06

內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學基金(2012MS0713)

楊圣春(1978— )，男，講師，碩士。

1003-1995(2015)11-0055-03