平頂山市膨脹土深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)研究

翟聚云，馬明江，薛　娜

(河南城建學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 平頂山467036)

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平頂山市膨脹土深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)研究

翟聚云，馬明江，薛娜

(河南城建學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 平頂山467036)

摘要：分析了影響平頂山深基坑設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性的因素，對造成深基坑坍塌的主要地層膨脹土進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到平頂山膨脹土抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨含水量的變化規(guī)律：相同干密度情況下，當(dāng)含水量較小時，黏聚力隨含水量增大而增大，當(dāng)增大到一定數(shù)值時，隨含水量的增大而減小；隨著含水量增加，內(nèi)摩擦角逐漸減小。根據(jù)研究結(jié)果，針對工程實(shí)際，采用不同支護(hù)形式進(jìn)行深基坑工程支護(hù)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：深基坑；膨脹土；支護(hù)設(shè)計(jì)；含水量

深基坑與當(dāng)?shù)氐墓こ痰刭|(zhì)及水文地質(zhì)條件密切相關(guān)，深基坑支護(hù)體系設(shè)計(jì)要因地制宜。平頂山市位于河南省中南部，屬亞熱氣候帶向暖濕氣候帶過渡帶，屬大陸性季風(fēng)氣候，冷暖空氣交匯頻繁，氣候變化四季分明，對平頂山市深基坑受氣候變化影響進(jìn)行研究具有十分重要的意義。

對平頂山市的地層，研究者進(jìn)行了較多的研究[1-2]，對平頂山季風(fēng)氣候也有報(bào)道[3]，研究者雖然對深基坑有大量的研究[4-6]，但對平頂山市區(qū)深基坑的探討較少[7]，在已有資料中氣候條件對深基坑設(shè)計(jì)影響的研究比較少見。

1平頂山市氣候概述

平頂山市地處豫西山地和淮河平原過渡帶。平頂山地區(qū)地形位于南北兩山帶之間，形成狹長的走廊式洼地，此種特殊的地形，使得大風(fēng)日多而且風(fēng)速也較大，季風(fēng)氣候顯著，年平均風(fēng)速 2.0～2.6 m/s，隨著冬夏季環(huán)流轉(zhuǎn)換。平頂山市年平均降水量在631.6～824.4 mm，年平均氣溫在14.8～15.4 ℃，其中最高溫度出現(xiàn)在7月份，平均為27.6 ℃，最低溫度出現(xiàn)在1月份，平均為1.2 ℃。

2平頂山市地層特征

市區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)為晚更新世地層，但表層有數(shù)米的第四紀(jì)全新世沖積物，市區(qū)北部為早更新世黏土。平頂山地區(qū)內(nèi)地層發(fā)育完整，地層的主要情況為：

(1)巖體。

根據(jù)巖石的成因、巖性及結(jié)構(gòu)，將巖體類型劃分為碎屑巖類、碳酸鹽巖類、變質(zhì)巖類及巖漿巖類。

(2)土的基本類型及特征。

松散土按粒度成分及工程地質(zhì)特征劃分為碎石類土、砂類土、黏性土及膨脹土四種類型。碎石類土包括碎石土及砂卵礫石土，泥質(zhì)碎石土分布于山前地帶，主要由更新統(tǒng)碎石、卵石、塊石等組成，黏性土膠結(jié)；砂類土分布于沙河沖積平原，巖性主要為更新統(tǒng)中粗砂、中砂及粉細(xì)砂；黏性土，屬全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)，主要分布于山前傾斜平原地帶，山間谷地及沙河、汝河沖積平原區(qū)。巖性主要有灰黃色、棕黃色亞黏土及灰黃色亞黏土及亞砂土等，天然狀態(tài)下一般呈硬塑可塑狀態(tài)，部分呈軟塑狀態(tài)；膨脹土主要為下更新統(tǒng)湖相沉積的黏性土。

以土層的時代成因、巖性及物理力學(xué)性能指標(biāo)劃分，將平頂山市平原區(qū)30 m深度內(nèi)松散堆積層自上而下劃分為6個工程地質(zhì)層(見表1)。

表1　平原區(qū)松散堆積物工程地質(zhì)層劃分表

巖土物理、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表2。

表2　巖土物理、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

3平頂山地區(qū)膨脹土

平頂山市區(qū)膨脹土屬中等脹縮土，局部屬強(qiáng)脹縮土。膨脹土主要有3種類型[9]：灰白色鈣質(zhì)黏土、灰綠色黏土和棕紅色黏土。三類膨脹土常混雜在一起，空間上較難區(qū)分?；野咨}質(zhì)膨脹土，松散、顆粒極細(xì)，具滑感，含大量鈣質(zhì)結(jié)核，膨脹性弱，收縮性大，透水性好；灰綠色膨脹土，巖性以綠色黏土為主，致密，呈堅(jiān)硬硬塑狀態(tài)，常含有錳質(zhì)結(jié)核，主要分布于西部薛莊、電廠一帶，厚度一般2～10 m；棕紅色膨脹土，呈堅(jiān)硬硬塑狀態(tài)，含有豆?fàn)铊F錳質(zhì)結(jié)核及大量鈣質(zhì)團(tuán)塊。裂隙發(fā)育，裂面常被灰綠色黏土充填，透水性差，主要分布于洼地及平原區(qū)，厚度一般大于50 m。

3.1抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

試驗(yàn)使用的膨脹土位于襄城縣湛北鄉(xiāng)姜店村西約500 m，李成功村北側(cè)，S329省道南側(cè)?；揖G色或棕紅色黏土，埋深8 m，厚度比較大，20 m孔深未穿透。試驗(yàn)在河南城建學(xué)院的工程力學(xué)試驗(yàn)室進(jìn)行。

試驗(yàn)分別配制4個不同含水量，每個含水量配制不同干密度的重塑膨脹土，進(jìn)行剪切強(qiáng)度試驗(yàn)。為了研究水分對抗剪強(qiáng)度的影響，對抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行匯總(見圖1、圖2)。

圖1　黏聚力-含水量曲線

圖2　內(nèi)摩擦角-含水量曲線

由圖1可以看出:當(dāng)含水量較小時，土顆粒的黏結(jié)程度較差，黏聚力隨含水量增大而增大;當(dāng)增大到一定數(shù)值時，土顆粒變得更容易滑動，內(nèi)摩擦角隨含水量的增大而減小。由圖2可以看出，相同干密度情況下，隨著含水量增加，內(nèi)摩擦角急劇減小。

該結(jié)果很好地解釋了膨脹土地基的工程現(xiàn)象，由于水敏感性，工程邊坡中普遍存在溜塌現(xiàn)象，邊坡表層、強(qiáng)風(fēng)化層內(nèi)的土體吸水過飽和，沿坡面向下產(chǎn)生流塑性溜塌現(xiàn)象，形成土邊坡表層最普遍的一種病害。邊坡淺層膨脹土體在濕脹干縮效應(yīng)與風(fēng)化作用影響下，由于裂縫切割以及水的作用，土體強(qiáng)度衰減，喪失穩(wěn)定，在雨季常沿一定滑面整體滑移并有坍落現(xiàn)象，且與邊坡坡度無關(guān)。

3.2地基含水量變化隨埋深的變化

平頂山大氣影響深度一般小于4 m，大氣影響急劇層深度為2 m[8]。膨脹土地基的水分變化及脹縮變形一般只發(fā)生在地表一定深度內(nèi)，膨脹土的活動帶即為大氣影響深度。

隨著含水率的變化，抗剪強(qiáng)度在變化。因此，在深基坑設(shè)計(jì)過程中，把錨桿長度分成有限個單元，分別進(jìn)行側(cè)阻力計(jì)算。在飽和區(qū)域內(nèi)，膨脹土的抗剪強(qiáng)度幾乎為0，土釘或錨桿長度取值在計(jì)算值的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加，增加的長度可取大氣影響深度，約取為4 m。

4支護(hù)設(shè)計(jì)案例

本文取平頂山有代表性土層的深基坑進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算，參數(shù)選取以平頂山市區(qū)平原地帶進(jìn)行分析研究。分別用土釘墻和樁錨進(jìn)行支護(hù)分析。

某深度為7.5 m的基坑土層參數(shù)為：第一層，粉質(zhì)黏土，c=10 kPa，φ=15°，γ=18 kN/m3，層厚0.75 m；第二層，黑色粉質(zhì)黏土，c=13 kPa，φ=10°，γ=19 kN/m3，層厚3 m；第三層，棕色黏土，含砂卵石，c=43 kPa，φ=17°，γ=20 kN/m3。深基坑的安全等級為二級，超載值q=20 kPa。

4.1土釘墻支護(hù)形式

對土釘墻進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算：內(nèi)部穩(wěn)定性條分法安全系數(shù)為1.5，外部穩(wěn)定性驗(yàn)算抗滑動安全系數(shù)6.12，抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)12.79，滿足要求。

1891年，一支50人的英軍小分隊(duì)在羅得西亞（即津巴布韋）用4挺馬克沁機(jī)槍擊退5000名祖魯人進(jìn)攻，并使3000名祖魯人喪命，殖民者的殘暴足見一斑。1898年，蘇丹的恩圖曼之戰(zhàn)中，2萬名伊斯蘭教托缽僧被英國侵略軍屠殺，其中的3/4死在馬克沁機(jī)槍陣地前。而在1916年7月的索姆河戰(zhàn)役中，當(dāng)英法聯(lián)軍憑借強(qiáng)大的炮火準(zhǔn)備，信心十足地從40公里寬的正面發(fā)動對德軍的進(jìn)攻時，遭到了德軍240挺馬克沁M(jìn)G08型重機(jī)槍的瘋狂掃射，英法聯(lián)軍頓時像割麥一樣尸堆如山，一天之內(nèi)就死傷5.7萬人。馬克沁重機(jī)槍由此獲得了“寡婦制造者”“死神收割機(jī)”等諢名，成為聞名的殺人利器。

4.2樁錨支護(hù)形式

材料選?。哄^桿體及支護(hù)樁配筋選用HRB400鋼筋，支護(hù)樁混凝土采用C25；樁的箍筋及加強(qiáng)箍筋采用HPB300。

表3　土釘計(jì)算荷載及設(shè)計(jì)參數(shù)

圖3　土壓力計(jì)算簡圖

設(shè)計(jì)參數(shù)：單層錨桿排樁支護(hù)，取錨桿傾角為20°，錨桿孔徑取150 mm；錨桿支點(diǎn)位置選在2.5 m處，取樁徑為600 mm，樁間距取1.2 m。

(1)樁長。

經(jīng)計(jì)算土層的自立高度h=0.56 m，土壓力強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如圖3所示。用力矩平衡法得到嵌固深度x≥0.2 m ，錨桿拉力為64.19 kN，按構(gòu)造要求取x=0.4 m，h=3 m，樁長L= 1.3×3+7.5=11.4 (m)，取樁長11.5 m。將嵌固深度設(shè)計(jì)值為4 m帶入以樁端為支點(diǎn)的力矩方程，滿足要求。

(2)錨桿長度及配筋。

經(jīng)計(jì)算HRB400鋼筋面積As=278.62 mm2，取1根直徑20 mm鋼筋，滿足要求。

(3)穩(wěn)定性驗(yàn)算。

整體穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.86，抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算安全系數(shù)為2.31，踢腳穩(wěn)定性安全系數(shù)為4.34，隆起穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.75，滿足要求。

(4)支護(hù)樁配筋。

坑底以上剪力為零點(diǎn)處M1max=16.02 kN·m；坑底以下剪力為零點(diǎn)處M2max=8.12 kN·m；開挖第一工況(3.5 m)的彎矩M3max=52.3 kN·m。可知樁最大彎矩為52.31 kN·m，截面彎矩設(shè)計(jì)值M=1.2×1.2γ0Mmax=75.34 kN·m。

鋼筋選用HRB400，8根Ф16(1 608 mm2)，抗彎彎矩204.45 kN·m，樁的箍筋采用HPB300直徑6 mm的螺旋式箍筋，間距取200 mm，沿樁身配置HPB300間距2 000 mm的加強(qiáng)箍筋。

(5)腰梁設(shè)計(jì)。

錨桿和排樁需要由腰梁來連接，腰梁簡化為支座間距1.2 m的5跨梁，經(jīng)計(jì)算Mmax=19.76 kN·m，選用2道[10]。

(6)變形。

根據(jù)規(guī)范要求，安全等級為二級的支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移允許值為0.005 0 h，即37.5 mm，頂部最大水平位移允許值為45 mm。計(jì)算時基坑以下部分位移按基床系數(shù)法，基坑以上部分按懸臂梁位移。為確保護(hù)坡樁的使用安全，在施工階段應(yīng)特別對樁頂位移進(jìn)行監(jiān)測。為了監(jiān)測基坑開挖過程中周圍建筑及地面的沉降情況，應(yīng)建立沉降、變形觀測網(wǎng)絡(luò)。

5結(jié)束語

深基坑設(shè)計(jì)必須考慮的主要影響因素是地層含水量分布及變化、溫度變化、風(fēng)雪氣候的時間等，本文通過對平頂山氣候條件、地層分布進(jìn)行分析，對深基坑災(zāi)害影響較大的膨脹土進(jìn)行變形參數(shù)、強(qiáng)度隨水分變化的試驗(yàn)研究，針對典型的平頂山地層條件參數(shù)為案例，進(jìn)行不同形式支護(hù)的設(shè)計(jì)計(jì)算。

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Supporting design of deep foundation expansive soil in Pingdingshan

ZHAI Ju-yun,MA Ming-jiang,XUE Na

(SchoolofCivilEngineering,HenanUniversityofUrbanConstruction,Pingdingshan467036,China)

Abstract：The influence of design of deep foundation and the stability factor in Pingdingshan,and pilot study is performed for causing the collapse of the main deep foundation expansive soil strata to obtain the shear strength parameters of expansive soil content variation with water:under the same dry densities,when the water content is small,its cohesive strength increases with water content,when increased to a certain value,its cohesive strength decreases with water content increases.The internal friction angle decreases as the water content increases.Different supporting forms are used for deep excavation supporting design.

Key words：deep excavation;expansive soil;supporting design;water content

中圖分類號：TU312+.3;TU323.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.01.011

文章編號:1674-7046(2016)01-0061-05

作者簡介：翟聚云(1968—)，女，河南蘭考人，碩士，教授。

基金項(xiàng)目：河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(14B560027;15A560003)

收稿日期：2015-10-27