膨脹土基坑懸臂樁支護(hù)設(shè)計(jì)中土壓力計(jì)算方法探討

朱 磊， 謝 強(qiáng)， 趙 文， 渠孟飛

（西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 610031）

成都地區(qū)廣泛分布的“成都黏土”具有弱到中等膨脹性，為典型的膨脹土。近年來，隨著成都市城市建設(shè)的不斷發(fā)展，膨脹土地區(qū)的基坑開挖越來越多，出現(xiàn)大量的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)失效問題。對近年成都開挖膨脹土基坑進(jìn)行的調(diào)查表明，21處基坑中有16個在開挖后均產(chǎn)生了不同程度的破壞。通過對收集到的設(shè)計(jì)資料、現(xiàn)場破壞現(xiàn)象、現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)目前膨脹土深基坑的支護(hù)設(shè)計(jì)中普遍存在的問題是由于沒有統(tǒng)一的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致在支護(hù)設(shè)計(jì)中對膨脹土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的取值、膨脹力的分布、支護(hù)樁錨固段有效長度的確定等具體技術(shù)細(xì)節(jié)上的處理存在較大的隨意性。因此，作者提出對膨脹土基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中與膨脹有關(guān)的試驗(yàn)、參數(shù)取值和膨脹土膨脹引起的附加土壓力計(jì)算方法的改進(jìn)，以期待進(jìn)一步探討和推進(jìn)膨脹土基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方法的研究。

1 膨脹土基坑支護(hù)設(shè)計(jì)土壓力計(jì)算方法的改進(jìn)

大量的研究表明，影響膨脹土膨脹特性的首要因素是土的含水率［1-7］。在對“成都黏土”基坑支護(hù)效果的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，膨脹土中含水率改變引起的基坑問題主要體現(xiàn)在3個方面，即土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)、膨脹土壓力分布和支護(hù)樁錨固段有效深度的改變。

1.1 抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值

膨脹土吸水后降低土的抗剪強(qiáng)度，因此文獻(xiàn)［8］明確規(guī)定計(jì)算中要考慮抗剪強(qiáng)度衰減的影響。但由于規(guī)范中并沒有明確規(guī)定強(qiáng)度衰減的試驗(yàn)方法，實(shí)際設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)人員一般依據(jù)經(jīng)驗(yàn)對常規(guī)抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行不同程度的折減。

膨脹土抗剪強(qiáng)度的合理取值應(yīng)建立在反映含水率與強(qiáng)度關(guān)系的試驗(yàn)基礎(chǔ)上。很多學(xué)者研究土體含水率與抗剪強(qiáng)度間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)膨脹土抗剪強(qiáng)度的衰減和含水率的變化存在某種關(guān)系［3，9］。作者對成都時代欣城深基坑膨脹土進(jìn)行了不同含水率的直剪試驗(yàn)和三軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得到膨脹土含水率與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)間的關(guān)系見圖1。為保證試驗(yàn)成果的準(zhǔn)確性，先測定現(xiàn)場土樣的含水率、密度，再對土體的液限、塑限進(jìn)行測試，為后期配制土樣與數(shù)據(jù)分析做充分準(zhǔn)備。最后根據(jù)常規(guī)地段原狀土樣的含水率及密度，計(jì)算不同含水率試樣所需添加的水量。按試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，將原狀土樣加入合適的水量，并對試樣進(jìn)行密封，等土體充分吸水并均勻散布后進(jìn)行相關(guān)力學(xué)試驗(yàn)；制樣過程中盡可能減小對原狀土樣的擾動，確保土體的原狀結(jié)構(gòu)及裂隙面。上述方法使試樣土體結(jié)構(gòu)及裂隙性盡可能不受破壞，試驗(yàn)成果相對擾動重塑樣更加準(zhǔn)確。試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)［9］描述的規(guī)律一致。觀察試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，如果試驗(yàn)時的含水率與實(shí)際含水率相差較大，則強(qiáng)度值的差可能達(dá)到一個較大的值。作者認(rèn)為，設(shè)計(jì)計(jì)算時強(qiáng)度參數(shù)的取值，要根據(jù)土體中的實(shí)際含水率（考慮必要的安全儲備）選取，避免僅僅按常規(guī)試驗(yàn)值折減可能存在的不安全因素。

圖1 黏聚力、內(nèi)摩擦角與含水率關(guān)系曲線

由于基坑土體處于不同的邊界條件和狀態(tài)下，大氣降雨、地下水位甚至城市管網(wǎng)的滲水都造成土體不同部位含水率的差異，引起強(qiáng)度的不同。因此，在基坑勘察階段，可進(jìn)行不同含水率條件下的剪切試驗(yàn)，獲得含水率與強(qiáng)度的關(guān)系，為設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)取值提供依據(jù)。

1.2 膨脹土壓力分布與大小

膨脹土吸水膨脹后的膨脹力必然以附加的土壓力作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上。在文獻(xiàn)［8］中，關(guān)于膨脹力計(jì)算的規(guī)定僅籠統(tǒng)規(guī)定為應(yīng)計(jì)算水平膨脹力的作用。由于規(guī)范并沒有具體計(jì)算方法，且常規(guī)試驗(yàn)得到的膨脹力數(shù)據(jù)往往使用困難，因此在實(shí)際工程設(shè)計(jì)計(jì)算中，膨脹力引起的土壓力往往通過折減強(qiáng)度參數(shù)處理［10-12］。工程實(shí)踐證明，即使將其強(qiáng)度參數(shù)折減到試驗(yàn)值的50%甚至更多，不少膨脹土基坑仍會破壞。說明僅僅對膨脹土抗剪強(qiáng)度參數(shù)值折減替代膨脹土壓力并不合適。

膨脹力導(dǎo)致的附加土壓力要用于實(shí)際計(jì)算，一是確定膨脹土壓力的分布形式，二是確定膨脹所產(chǎn)生力的大小。

與含水率引起膨脹土抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化的原理相同，膨脹土膨脹應(yīng)力的變化也與含水率的變化相關(guān)。試驗(yàn)研究表明，膨脹土在達(dá)到膨脹極限條件下無法再吸水膨脹，其膨脹潛勢最低，在縮限條件下，膨脹土能充分吸水膨脹，其膨脹潛勢最大［13］。當(dāng)膨脹土在縮限和脹限間時，試樣具有一定的膨脹潛勢?；娱_挖前在膨脹土體中儲存的膨脹潛勢等于縮限膨脹應(yīng)力與天然含水率膨脹應(yīng)力之差即膨脹土體中初始膨脹應(yīng)力。當(dāng)土體初始含水率為縮限時，膨脹土充分吸水膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力為最大膨脹應(yīng)力。目前現(xiàn)有的試驗(yàn)方法只能測到不同初始含水率試樣在充分吸水條件下的最大膨脹應(yīng)力，而實(shí)際情況下并非如此。在降雨條件下，基坑土體某處由于吸水膨脹，將產(chǎn)生膨脹應(yīng)力的增量，這一階段產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力增量應(yīng)為天然含水率狀態(tài)與某一含水率狀態(tài)下吸水膨脹產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力差。在上述分析的基礎(chǔ)上，對“成都黏土”進(jìn)行的不同初始含水率與膨脹應(yīng)力關(guān)系試驗(yàn)，結(jié)果見圖2。由圖2可見：初始含水率不同，膨脹應(yīng)力的大小也不同；含水率引起的膨脹應(yīng)力變化應(yīng)與含水率增量相對應(yīng)。

圖2 膨脹應(yīng)力-初始含水率變化曲線

因此，本文使用膨脹力作為附加土壓力計(jì)算時，不采用試驗(yàn)得到的最大膨脹應(yīng)力，而用含水率增量對應(yīng)的膨脹應(yīng)力增量計(jì)算。

對于膨脹土壓力的分布，很多單位和研究者均提出過不同的假定，如王秉勇［14］提出膨脹壓力在擋土墻上的分布形式為三角形，王年香等［15］通過大型模型試驗(yàn)，提出擋土墻后側(cè)向膨脹壓力的一般分布形態(tài)為拋物線形。本文通過對“成都黏土”基坑支護(hù)現(xiàn)狀的現(xiàn)場調(diào)查（見圖3）和部分基坑變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，在前人研究基礎(chǔ)上，從土體含水率沿深度變化規(guī)律、含水率與膨脹應(yīng)力關(guān)系、膨脹土壓力的約束與釋放及方便工程計(jì)算原則出發(fā)，認(rèn)為基坑懸臂排樁支護(hù)中的膨脹土壓力分布應(yīng)滿足以下幾個條件：（1）整個斷面均應(yīng)考慮膨脹土壓力的分布。原因是不同支護(hù)結(jié)構(gòu)其特點(diǎn)各不相同，如擋土墻和懸臂排樁，對于擋土墻，土體開挖完以后，及時修建擋墻，整個開挖面受外界影響較小，而懸臂排樁則是不連續(xù)的，樁與樁之間存在1～2 m的樁間距，因此整個開挖面受外界影響較強(qiáng)烈。對懸臂排樁受膨脹力的影響進(jìn)行分析時，則要考慮更深的大氣影響深度。結(jié)合目前已有的實(shí)測數(shù)據(jù)，筆者認(rèn)為整個開挖剖面都受干濕循環(huán)作用的影響，因此在整個開挖斷面都存在膨脹力。（2）在基坑頂面處，由于地面能夠通過變形釋放應(yīng)力，所以地表處膨脹力應(yīng)為零。隨著深度的增加，膨脹應(yīng)力在一定范圍內(nèi)逐漸增大。王秉勇［14］提出在擋土墻后面的土層中，若地表下h深處的某一單元土體含水量增大時，土體產(chǎn)生膨脹應(yīng)力。當(dāng)上覆土柱壓力小于膨脹應(yīng)力時，土體產(chǎn)生膨脹變形并釋放出部分膨脹應(yīng)力；當(dāng)上覆土柱壓力恰好等于膨脹應(yīng)力時，則此時的豎向膨脹應(yīng)力最大。因此在考慮膨脹土壓力分布形狀時，膨脹土壓力不能在地表處直接變?yōu)樽畲?，而是在一定范圍?nèi)隨著深度的增加而增大，在上覆土柱壓力恰好等于膨脹應(yīng)力時，膨脹土壓力變?yōu)樽畲?。?）隨著土體深度的逐漸增加，土體越來越密實(shí)，土體孔隙越來越少，濕度變化變小，達(dá)到一定深度后，膨脹應(yīng)力逐漸減小。

圖3 基坑支護(hù)現(xiàn)狀

因此，對膨脹土壓力的分布作以下假定：

（1）膨脹力產(chǎn)生的附加土壓力在整個基坑垂直斷面影響范圍內(nèi)假設(shè)為三角形分布。在地表，由于膨脹力處于臨空面而完全釋放，其值為0。

（2）從地表向下，由于上覆土層的約束，膨脹力不能完全釋放，將轉(zhuǎn)化為附加的膨脹土壓力作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上。從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，假定附加的膨脹土壓力為線性增加，當(dāng)深度達(dá)到上覆土重與膨脹應(yīng)力相等或大氣影響深度（即降雨引起含水率變化的最大深度）時，附加膨脹土壓力達(dá)到最大值Pmax，這個深度為最大膨脹土壓力的臨界深度h1，見圖4。臨界深度由上覆土重深度和大氣影響深度兩者中的較小值決定，其最大膨脹土壓力根據(jù)含水率與膨脹應(yīng)力關(guān)系曲線中初始含水率與飽和含水率的差所對應(yīng)的膨脹應(yīng)力增量決定。

圖4 膨脹力在懸臂樁上分布圖

（3）在基坑底部，由于坑底支護(hù)結(jié)構(gòu)兩邊的膨脹土壓力處于平衡狀態(tài)，其合力為0，因此假定從膨脹壓力最大值點(diǎn)起向下到坑底，膨脹壓力的分布為線性。根據(jù)實(shí)際監(jiān)測的支護(hù)樁變形曲線發(fā)現(xiàn)，由于大氣降雨或施工用水不能及時完全疏干，在基坑坑底一定深度范圍內(nèi)，土體含水率的改變?nèi)匀粫鹋蛎浲亮W(xué)性質(zhì)的改變，使得這部分深度范圍內(nèi)的土體抗力衰減甚至失效，因此膨脹土壓力分布深度要延伸至坑底一定深度h2才能認(rèn)為進(jìn)入膨脹土壓力為0的平衡狀態(tài)。

1.3 錨固段有效深度

在實(shí)際施工過程中，由于大氣降雨或施工用水不能及時完全疏干，膨脹土基坑坑底因積水原因?qū)?dǎo)致土體抗力的衰減或部分失效?，F(xiàn)場支護(hù)樁樁身位移監(jiān)測曲線見圖5，監(jiān)測結(jié)果表明，實(shí)際施工過程中的涉水因素對支護(hù)樁的支護(hù)效果會產(chǎn)生不利影響，因此在計(jì)算支護(hù)樁的有效錨固范圍及錨固深度時，應(yīng)考慮施工中涉水因素的影響。

圖5 懸臂樁樁身位移監(jiān)測曲線

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，由于基坑底部相對基坑邊坡受開挖影響較小，其原有結(jié)構(gòu)保存要優(yōu)于坡面，因此降雨等地表水影響深度要小于基坑邊坡。作者以大氣影響急劇層深度為計(jì)算取值的依據(jù)，在具體設(shè)計(jì)計(jì)算時，錨固段深度為計(jì)算值加上本地區(qū)大氣影響急劇層深度。

因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算中，應(yīng)在正常土壓力計(jì)算中加上附加的膨脹土壓力進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)。

2 工程實(shí)例

按照以上改進(jìn)的計(jì)算方法對成都時代欣城和科創(chuàng)中心基坑邊坡懸臂樁支護(hù)工程進(jìn)行計(jì)算分析。

2.1 時代欣城基坑

時代欣城項(xiàng)目的場地位于成都平原Ⅲ級階地。場區(qū)上覆地層除地表人工填土外，黏土層及紅層基巖均具有膨脹性。

土樣的天然含水率為20%，根據(jù)圖1，可知土樣的黏聚力為30.5 k Pa，內(nèi)摩擦角為18.5°，土體重度為20.1 k N／m3。根據(jù)含水率與膨脹力試驗(yàn)相關(guān)關(guān)系并考慮工程的安全性，確定土體的最大膨脹土壓力為40 k Pa。成都地區(qū)大氣影響深度為3 m，上覆土層在2 m處的土重與最大膨脹土壓力相當(dāng)，臨界深度取為2 m。成都地區(qū)大氣影響急劇層深度為1.5 m，以此決定支護(hù)樁有效深度增加值。

按照以上參數(shù)對時代欣城膨脹土基坑懸臂樁支護(hù)進(jìn)行計(jì)算，得到改進(jìn)設(shè)計(jì)與原設(shè)計(jì)法結(jié)果對比見表1。

表1 兩種設(shè)計(jì)方法結(jié)果對比

由表1可見，改進(jìn)設(shè)計(jì)后樁的錨固深度為6.4 m，遠(yuǎn)大于原設(shè)計(jì)中的計(jì)算值1.8 m，也大于實(shí)際采用的5 m。實(shí)際工程監(jiān)測結(jié)果為該基坑邊坡出現(xiàn)持續(xù)變形，坡頂面開裂，冠梁錯斷，支護(hù)樁傾斜，原設(shè)計(jì)不成功。

2.2 科創(chuàng)中心基坑

場地地層巖性同時代欣城基坑。土樣的天然含水率為20%，黏聚力為30.5 k Pa，內(nèi)摩擦角為18.5°，土體的最大膨脹力為40 k Pa，土體重度為20.3 k N／m3，臨界深度為2 m。支護(hù)樁有效深度增加值的考慮方法同時代欣城。

按照以上參數(shù)對科創(chuàng)中心膨脹土基坑懸臂樁邊坡支護(hù)進(jìn)行計(jì)算，得到改進(jìn)設(shè)計(jì)法與原設(shè)計(jì)法結(jié)果對比見表2。

表2 兩種設(shè)計(jì)方法結(jié)果對比

計(jì)算結(jié)果表明，改進(jìn)的錨固段深度為5.6 m，原設(shè)計(jì)計(jì)算值為3.4 m，但實(shí)際采用值為6 m，大于改進(jìn)設(shè)計(jì)值。實(shí)際位移監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，該基坑未出現(xiàn)超出設(shè)計(jì)的變形破壞，支護(hù)結(jié)構(gòu)完整有效。

3 結(jié)論

（1）通過對近期成都膨脹土基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞情況的監(jiān)測分析和實(shí)例試算表明，本文提出的考慮含水率與膨脹土應(yīng)力力學(xué)性質(zhì)關(guān)系的強(qiáng)度參數(shù)取值、附加膨脹土壓力分布及錨固段有效深度的膨脹土基坑支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算方法的改進(jìn)合理、可行。

（2）膨脹土基坑支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算中，建議測定土體在不同含水率條件下的抗剪強(qiáng)度，取土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與含水率關(guān)系的試驗(yàn)結(jié)果作為膨脹土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)選取的依據(jù)。

（3）建議膨脹土基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時將膨脹土壓力作為附加壓力納入計(jì)算中。附加的膨脹土壓力大小可根據(jù)含水率與膨脹力試驗(yàn)關(guān)系按增量選取，分布形式宜考慮坑底抗力的衰減，本文假定為三角形分布，具體分布形式可進(jìn)一步研究。

（4）現(xiàn)場調(diào)查和計(jì)算分析表明，膨脹土基坑底部錨固段土體抗力因水的影響而降低或失效。在設(shè)計(jì)時，考慮到工程安全性，應(yīng)加深錨固深度，無試驗(yàn)資料時建議按地區(qū)大氣影響急劇層深度估計(jì)。

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