地鐵砂質(zhì)地層深基坑土壓力研究

徐長勝 謝 軍

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210019）

在基坑支擋結(jié)構(gòu)施工中，其與構(gòu)筑物之間的土體寬度有限，可能會(huì)影響施工質(zhì)量。根據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，在地鐵車站基坑支擋結(jié)構(gòu)后方，支擋結(jié)構(gòu)向基坑方向位移，進(jìn)而形成有限土體壓力，而由于支擋結(jié)構(gòu)后方土體寬度有限，因此，如果土體結(jié)構(gòu)有裂縫，無法延伸至地面，不能應(yīng)用經(jīng)典的土體壓力理論進(jìn)行分析。對(duì)此，可創(chuàng)建有限土體土壓力計(jì)算模型，確定有限土體土壓力的變化規(guī)律。

1 工程簡介

本文選擇某地鐵車站作為研究對(duì)象，通過對(duì)施工區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)勘查，地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主要為砂質(zhì)地層，在地鐵車站施工中，地下結(jié)構(gòu)一般為兩層。在該地鐵車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工中，為提升止水效果，采用鉆孔灌注樁施工技術(shù)以及鋼管內(nèi)支撐施工技術(shù)，在局部施工中，選用旋噴樁技術(shù)，而在基坑外，還應(yīng)采用適宜的降水技術(shù)。在基坑開挖施工中，綜合考慮施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，制定明挖施工方案。另外，在本工程施工前，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行環(huán)境勘查，基坑周邊共有12 座構(gòu)筑物。

2 地鐵車站基坑多點(diǎn)支撐支擋結(jié)構(gòu)有限土體土壓力計(jì)算模型

2.1 土體結(jié)構(gòu)和支擋結(jié)構(gòu)接觸面之間的強(qiáng)度分析

2.1.1 墻土間黏著力。在土體結(jié)構(gòu)以及支擋結(jié)構(gòu)之間，可形成黏著力，一般為土體凝聚力的1/4～1/2。

2.2 土體結(jié)構(gòu)兩側(cè)墻面土體結(jié)構(gòu)剪切力所造成的破裂角

在土體結(jié)構(gòu)滑動(dòng)面以及大主應(yīng)力之間，可形成一定的夾角，可根據(jù) π/4+φ/2進(jìn)行計(jì)算。如果墻背平整度比較高，則土體中大主應(yīng)力的方向始終保持豎直，在滑裂面以及水平面之間，也可形成一定的夾角，即 π/4+φ/2。

2.3 多點(diǎn)支撐支擋結(jié)構(gòu)有限土體土壓力計(jì)算模型

2.3.1 有限土體結(jié)構(gòu)土壓力計(jì)算模型。在該地鐵車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工中，有限土體結(jié)構(gòu)壓力計(jì)算模型如圖1 所示，受力情況如圖2 所示。

圖1 基坑與緊鄰構(gòu)筑物間有限土體

圖2 有限土體受力分析

對(duì)于土體結(jié)構(gòu)寬度，可設(shè)為b，而對(duì)于基坑開挖深度，可作為H1，在滑裂面和水平面之間，夾角為 θ = π /4+ φ/2。

在有限土體上，基坑支擋結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)其形成一定的水平力，可作為E1，對(duì)于剪切力，可作為T1，對(duì)于基坑周邊構(gòu)筑物基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)作用于有限土體的水平力，可作為E2，而對(duì)于底部滑移面位置發(fā)向力以及切向力，可分別應(yīng)用R 與T3表示。

當(dāng)有限土體結(jié)構(gòu)恢復(fù)至平穩(wěn)狀態(tài)時(shí)，水平向受力和豎向受力之間能夠保持平衡狀態(tài)，計(jì)算公式如下：

2.3.2 有限土體臨界寬高比。當(dāng)土體結(jié)構(gòu)存在潛在滑動(dòng)面，并且逐漸延伸至地表時(shí)，土體寬度和基坑深度之間的比值即指的是有限土體的臨界寬高比，可設(shè)定為ncr。

對(duì)于有限土體臨界寬高比ncr，可根據(jù)以下公式計(jì)算：

在上述公式中，bcr指的是與臨界寬高比所對(duì)應(yīng)的臨界土體寬度。

3 砂質(zhì)地層有限土體土壓力影響

在本工程施工中，在車站基坑開挖施工方面，最大開挖深度為25.0m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，本工程施工場(chǎng)地地層力學(xué)參數(shù)如表1。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

3.1 基坑開挖施工中有限土體臨界寬高比的變化。在地鐵車站基坑開挖施工過程中，地層參數(shù)也會(huì)發(fā)生較大變化，對(duì)于各項(xiàng)參數(shù)，可直接代入公式（6）中，即可確定基坑開挖施工中不同深度位置有限土體臨界寬高比，如圖3 所示。

圖3 有限土體寬度與寬高比臨界值

通過對(duì)表3 進(jìn)行分析，在砂質(zhì)地層施工區(qū)域進(jìn)行基坑開挖施工，有限土體寬度會(huì)顯著增加。通過對(duì)圖2 進(jìn)行分析，隨著基坑開挖深度的不斷增加，有限土體寬度會(huì)隨之增加，同時(shí)會(huì)對(duì)基坑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。

3.2 有限土體土壓力對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。通過對(duì)本工程施工方案進(jìn)行分析，基坑開挖深度要求為25m，在開挖達(dá)到最大深度值時(shí)，有限土體臨界寬度可達(dá)13.86m，根據(jù)計(jì)算分析，相應(yīng)有限土體臨界土壓力Ecr=1673kN，而經(jīng)典土壓力Ea=2024kN。

為提升基坑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，需采用圍護(hù)樁施工方案，通過對(duì)工程設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，圍護(hù)樁之間的距離為1200mm，樁體結(jié)構(gòu)直徑為800mm，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工中，需應(yīng)用4 道內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，在圍護(hù)樁施工完成后，有限土體結(jié)構(gòu)寬度為5m，對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力以及配筋，在計(jì)算分析中，可采用支撐荷載1/2 分擔(dān)法。

在圍護(hù)樁施工完成后，會(huì)形成彎矩，同時(shí)，正截面也會(huì)受到承載力影響，可根據(jù)以下公式進(jìn)行計(jì)算分析：

在本工程施工中，在不同開挖深度范圍內(nèi)，圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)均需受到側(cè)向土體壓力的影響。

通過分析，如果基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與鄰近構(gòu)筑物之間的有限土體結(jié)構(gòu)寬度為5m，則可根據(jù)有限土體土壓力對(duì)圍護(hù)樁配筋面積進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為3482mm2，能夠有效節(jié)約工程造價(jià)。

結(jié)束語

綜上所述，本文主要結(jié)合實(shí)例，對(duì)地鐵基坑施工中砂質(zhì)底層深基坑土壓力進(jìn)行了深入研究，首先對(duì)有限土壓力的形成機(jī)理進(jìn)行分析，同時(shí)創(chuàng)建土壓力計(jì)算模型進(jìn)行分析，根據(jù)本次研究分析，在開挖施工過程中，有限土體臨界寬高比不會(huì)產(chǎn)生較大變化。另外，根據(jù)本次研究發(fā)現(xiàn)，隨著開挖過程的不斷推進(jìn)，有限土體的寬度會(huì)顯著增加，要求結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采取有效的安全防護(hù)措施。