成都膨脹土深基坑樁間土破壞模式及原因分析

李江峰

（中鐵十二局集團(tuán)第四工程有限公司，陜西 西安 710024）

0 引言

膨脹土具有超固結(jié)性、裂隙性、遇水膨脹、失水收縮等特性。膨脹土在我國廣泛分布，遍及20余個省、市、自治區(qū)，成都地區(qū)主要分布在東部。成都東部深基坑工程施工中采用排樁支護(hù)，施工簡單、經(jīng)濟(jì)合理、無震動噪聲，但樁間膨脹土體出現(xiàn)嚴(yán)重坍塌破壞問題，影響了施工安全。目前已有學(xué)者針對膨脹土體破壞的模式及原因進(jìn)行了分析，周大利、史艷等人根據(jù)不同土層的分布并基于極限平衡法的分析方法，得出土體滑坡的極限平衡條件；程展林等人[進(jìn)行了大型膨脹土模型試驗(yàn)，研究表明膨脹土體在吸濕條件下會產(chǎn)生淺層破壞；劉根通過室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)后強(qiáng)度指標(biāo)呈衰減的趨勢，會引起土體破壞；梁樹、嚴(yán)光輝等人通過室內(nèi)外剪切試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)含水率的增加和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的下降可引起膨脹土體破壞；鮑燕妮采用室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了膨脹土吸水膨脹導(dǎo)致局部崩塌的破壞模式。大部分學(xué)者對膨脹土體整體穩(wěn)定性研究較多，但對圍護(hù)樁間膨脹土體的穩(wěn)定性及破壞模式研究較少。

因此，該文對成都軌道交通17號線二期東延線車站深基坑出現(xiàn)的樁間土破壞問題進(jìn)行研究，并提出有效控制措施，從而為設(shè)計(jì)及施工提供有力的保障。

1 工程概況

成都軌道交通17號線威靈站總長323.3m，標(biāo)準(zhǔn)段總寬23.5m，基坑深度20.8m~30m。車站豎向設(shè)置三道支撐，樁間采用掛網(wǎng)噴射混凝土支護(hù)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用圍護(hù)樁+內(nèi)支撐的形式。地下水位平均埋深在3.3m。

1.1 地質(zhì)情況

威靈車站基坑地質(zhì)情況從地面往下依次為雜填土、黏土（可塑）、黏土夾卵石（可塑）、全風(fēng)化泥巖、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、中等風(fēng)化泥巖，詳細(xì)地質(zhì)狀況如圖1所示。

圖1 車站基坑地質(zhì)斷面圖

雜填土：灰褐色、灰黃色，主要成分為黏土充填，局部含大量混凝土砼塊等建筑垃圾，揭示層厚0.5m~4.7m。

黏土（可塑）：褐黃色，硬塑狀，絮狀結(jié)構(gòu)，土質(zhì)較均勻，主要由黏粒組成，具有弱膨脹性，揭示層厚0.5m~4.7m。

黏土夾卵石（可塑）：灰黃、褐黃色，可塑狀，土質(zhì)較均勻，主要由黏粒組成，局部含較多卵石，具有弱膨脹性，揭示層厚0.7m~4.1m。

全風(fēng)化泥巖：紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，主要由黏土礦物組成，具有弱、中等膨脹性，揭示層厚0.7m~4.0m。

強(qiáng)風(fēng)化泥巖：紫紅色、褐紅色，主要由黏土礦物組成，節(jié)理、裂隙很發(fā)育，揭示層厚0.5m~4.2m。

中等風(fēng)化泥巖：紫紅色、褐紅色，主要由黏土礦物組成，節(jié)理、裂隙不發(fā)育~較發(fā)育，一般在基坑最底層。

1.2 支護(hù)參數(shù)

基坑車站圍護(hù)樁采用鋼筋混凝土樁，采用旋挖鉆機(jī)鉆孔，現(xiàn)場灌注混凝土。樁徑為1.8m，樁間距0.6m，圍護(hù)樁嵌入基坑底以下3.5m。

基坑開挖按照3m一層的厚度分層開挖，開挖一層后，立即對樁間土體安裝焊接鋼筋網(wǎng)片，然后搭接豎向和縱向的連接鋼筋，做好臨時固定，最后噴錨混凝土形成一個完整的樁間土體的支護(hù)體系。

2 膨脹土物理力學(xué)特性

此次膨脹土的物理力學(xué)特性研究對象為威靈車站深基坑工程中的典型膨脹土，土體呈灰黃色，無味，含水率較高，土質(zhì)較均勻，主要由黏粒組成，對取回的土樣進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)分析和膨脹特性研究。

2.1 膨脹土微觀結(jié)構(gòu)分析

該試驗(yàn)采用高分辨場發(fā)射掃描電子顯微鏡，對試樣在放大5000倍率的條件下進(jìn)行掃描，發(fā)現(xiàn)膨脹土樣的全貌為黏土，結(jié)構(gòu)疏松，孔隙發(fā)育，其孔徑大小一般為2m~6m，土顆粒間的孔隙相對明顯，孔隙形狀不規(guī)則，土顆粒微觀排列特征呈現(xiàn)片狀，顆粒主要為鱗片狀黏土礦物，定向排列結(jié)構(gòu)主要為鱗綠泥石-綠蒙混層，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 膨脹土微觀結(jié)構(gòu)圖

該能譜分析試驗(yàn)與掃描電子顯微鏡透射、電子顯微鏡同時進(jìn)行，是選定了特定點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行的能譜儀分析。通過試驗(yàn)表明該地區(qū)膨脹土樣中的主要元素為O、Al、Si、K、Fe、Au等，二氧化硅SiO是黏土的主要礦物成分，所以其中O原子占比最高，其次是Si原子。土顆粒中各元素占比見表1。

表1 膨脹土樣在5000倍率下土顆粒中各元素占比表

2.2 膨脹土膨脹特性研究

試驗(yàn)土樣取自威靈站深基坑工程中的典型膨脹土，共進(jìn)行6次自由膨脹率試驗(yàn)，取其平均值，最終求得土的自由膨脹率為45.40%，判定為弱膨脹土。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 自由膨脹率試驗(yàn)結(jié)果表

無荷膨脹率是衡量膨脹土膨脹變形特性的一個非常重要的室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)。該膨脹土試樣在無荷載作用下進(jìn)行，膨脹土在不同的含水率下所對應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同含水率下的無荷載膨脹時程曲線圖

可以看出，土體在無上覆荷載的作用下遇水后發(fā)生膨脹，膨脹主要發(fā)生在土體浸水后的0h~6h；6h后，土體幾乎處于穩(wěn)定狀態(tài)，膨脹速率很慢，膨脹變形很小，膨脹土的無荷載膨脹率與土樣的含水率有很大關(guān)系，隨土樣含水率的增加而降低。

3 樁間土破壞特征分析

3.1 現(xiàn)場調(diào)查

通過調(diào)查地鐵深基坑支護(hù)樁樁間土破壞情況發(fā)現(xiàn)，在基坑車站施工的過程中，多處位置出現(xiàn)樁間土塌落的問題，現(xiàn)選取3個典型案例進(jìn)行研究分析（圖4）。

圖4（a）顯示基坑車站右線側(cè)壁樁間土發(fā)生坍塌，坍塌高度為3m，坍塌深度為樁中心線內(nèi)側(cè)0.2m。坍塌時間為開挖后25天，坍塌處地質(zhì)情況為可塑性的黏土，具有弱膨脹性。崩塌出的土體為黃色黏土，土顆粒松散。破壞位置周邊基坑壁可見明顯的地下水滲出痕跡。坍塌當(dāng)日的天氣為小雨。

圖4（b）顯示基坑車站左線側(cè)壁樁間土垮塌，坍塌高度在第一道支撐以下4.5m，坍塌深度為樁中心位置。坍塌時間為開挖后50天，坍塌處地質(zhì)情況為硬塑狀的黏土，底部有少量的全風(fēng)化紅色泥巖，具有弱膨脹性，坍塌崩出的土體松散。坍塌部位在水平面上呈拱形，相鄰基坑壁有明顯的地下水滲出痕跡，固定在樁上的鋼筋網(wǎng)片被擠出破壞?？逅?dāng)日天氣為中雨。

圖4 樁間土破壞案例調(diào)查

圖4（c）顯示基坑車站左線側(cè)壁樁間土發(fā)生坍塌，坍塌高度在第一道支撐至第二道支撐之間約1.5m，坍塌深度為基坑壁往里0.6m，即樁中心位置處。坍塌時間為開挖后60天，坍塌處地質(zhì)情況為硬塑狀的黏土，具有弱膨脹性，坍塌崩出的土體松散，固定在圍護(hù)樁上的鋼筋網(wǎng)片被坍塌的土體擠出破壞。破壞位置附近的基坑壁上可見明顯的地下水滲出痕跡。坍塌當(dāng)日的天氣為多云轉(zhuǎn)小雨。

3.2 樁間土破壞特征分析

通過分析上述典型的樁間土坍塌案例可知，膨脹土基坑車站樁間土主要坍塌破壞特征如圖5和圖6所示。

圖5 樁間土坍塌平面圖

如圖5所示，結(jié)合樁間土坍塌案例分析，可知樁間土坍塌的破壞主要有以下5個特征：1）坍塌深度范圍一般在圍護(hù)樁中心線處，少數(shù)情況超過了樁中心處，在中心線內(nèi)側(cè)0.2m處，坍塌部位在水平面上呈拱形形狀，如圖5、圖6所示。2）坍塌高度范圍一般為1.5m~4.5m，樁間土體一般垮塌到鋼圍檁位置處。3） 垮塌位置多數(shù)在第一道支撐和第二道支撐之間，也有一部分在第二、第三道支撐之間；多發(fā)生在具有弱-中等膨脹性的黏土和全風(fēng)化泥巖處。4）坍塌蹦出土體多為黃色黏土和少量紅色泥巖，坍塌出的土顆粒十分松散，并在地面形成錐形，如圖6所示。5）坍塌時間主要集中在開挖后25天~60天，坍塌當(dāng)日天氣一般為小雨或中雨。

圖6 樁間土體破壞特征三維圖

4 樁間土破壞原因分析

4.1 土拱效應(yīng)

在膨脹土地鐵車站深基坑開挖過程中，由于支護(hù)樁橫向水平位移小于樁間土的橫向水平位移，造成樁后的土體對樁產(chǎn)生不均勻壓力，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，這種情況會引發(fā)樁間土體與樁后土體自身抗剪強(qiáng)度的發(fā)揮，在土體內(nèi)部形成“楔緊”的作用，即在兩樁之間形成了相對穩(wěn)定的土拱效應(yīng)，因此距離兩樁體較遠(yuǎn)的土體在土壓力作用下發(fā)生擠出破壞，擠出破壞后兩樁體之間形成拱形破壞面。

4.2 樁土分離

膨脹土基坑開挖后，基坑壁暴露在大氣環(huán)境的作用下，經(jīng)過一段時間后，膨脹土體水分逐漸蒸發(fā)，由于膨脹土顯著失水收縮的特性，導(dǎo)致膨脹土體產(chǎn)生大量裂縫，尤其是在土體與圍護(hù)樁之間最嚴(yán)重，隨著時間的推移，水分不斷蒸發(fā)，裂縫逐漸擴(kuò)大，最終導(dǎo)致膨脹土體與維護(hù)樁完全分離，喪失樁側(cè)摩阻力，最后在自重應(yīng)力的作用下發(fā)生坍塌。

4.3 降雨影響

當(dāng)發(fā)生樁間土破壞時，當(dāng)天成都地區(qū)天氣多為小雨，雨水入滲到之前因收縮而產(chǎn)生的裂縫中，導(dǎo)致土體膨脹，因含水量增加而導(dǎo)致樁側(cè)阻力和樁端阻力降低，土體重力又不斷增加，導(dǎo)致下滑力增加，從而穩(wěn)定性系數(shù)值變小，樁間土體失去原有的穩(wěn)定性，造成樁間土的垮塌。破壞位置附近的基坑壁上可見明顯的地下水滲出痕跡，由此表明樁間的土體含水率較高，產(chǎn)生了膨脹力，樁間土體往基坑內(nèi)側(cè)發(fā)生擠出破壞。

5 防治措施

通過樁間土破壞特征的描述、分析坍塌原因，該文提出一種膨脹土地層深基坑排樁樁間土支護(hù)措施，主要解決了膨脹土地層深基坑工程施工中樁間土破壞造成的工程安全及質(zhì)量事故等難題。

膨脹土深基坑樁間土支護(hù)體系如圖7所示，主要包括鋼筋網(wǎng)片、螺栓、預(yù)彎鋼帶、膨脹螺栓、受力支座等。

圖7 膨脹土深基坑樁間土支護(hù)體系圖

該樁間土坍塌支護(hù)體系防治措施具體實(shí)施方案如下：1）膨脹土深基坑開挖后，在圍護(hù)樁上安裝受力支座。2）樁間土支護(hù)加固裝置支座安裝完成后，安裝焊接鋼筋網(wǎng)片，做好臨時固定。3）安裝預(yù)制好的鋼帶，將鋼帶安裝在預(yù)先安裝好的支座上，支座上下間距根據(jù)實(shí)際工程情況待定，橫向間距為樁間距，在支座上安裝鋼帶，并用加強(qiáng)螺栓進(jìn)行固定，樁中間位置用扎絲將鋼帶與鋼筋網(wǎng)片綁扎牢固，使預(yù)彎鋼帶水平面垂直于樁間土面，達(dá)到樁間土變形時的最佳受力效果。4）樁間土支護(hù)體系的骨架完成后，噴射的混凝土剛好將支護(hù)體系骨架覆蓋，噴射厚度達(dá)到實(shí)際的保護(hù)層厚度即可，使其鋼帶、鋼筋網(wǎng)片、樁上支座、噴射混凝土等形成一個強(qiáng)有力的膨脹土地鐵深基坑排樁支護(hù)樁間土支護(hù)整體，確保施工期間樁間土穩(wěn)定。

該防治措施有效控制了膨脹土地鐵深基坑排樁支護(hù)樁間土的變形破壞，降低了因樁間土破壞坍塌而發(fā)生工程事故的可能性，保障了工程的施工安全。

6 結(jié)論

該文以成都軌道交通17號線二期東延線車站深基坑開挖支護(hù)樁樁間土穩(wěn)定性為研究對象，進(jìn)行了膨脹土體的宏微觀物理力學(xué)試驗(yàn)和現(xiàn)場樁間土破壞案例調(diào)查，結(jié)合理論分析，得出了以下結(jié)論：1）成都地區(qū)膨脹土微觀結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)疏松，孔隙發(fā)育，孔徑大小一般為2m~6m，形狀不規(guī)則，土顆粒微觀排列主要為鱗綠泥石-綠蒙混層，土樣中的主要元素為O、Al、Si、K、Fe、Au，二氧化硅SiO是黏土的主要礦物成分。2）基坑車站膨脹土的自由膨脹率為45.40%，屬于弱膨脹土；膨脹主要發(fā)生在土體浸水后的0h~6h，無荷載膨脹率隨土樣含水率的增加而降低。3）樁間土破壞的特征為坍塌深度一般在樁中心位置處；坍塌高度為3m~4.5m；坍塌位置在第一道與第二道支撐之間，多發(fā)生在具有弱-中等膨脹性的黏土和全風(fēng)化泥巖處；坍塌時間主要集中在開挖后25天~60天。4）樁間土破壞的原因主要有隨基坑開挖土體產(chǎn)生不均勻位移，從而引起土拱效應(yīng)，導(dǎo)致樁間土破壞；在樁間膨脹土體失水的過程中，樁與土分離，喪失樁側(cè)摩阻力，最終樁間土在自重應(yīng)力下破壞坍塌；受降雨和地下水的影響，產(chǎn)生膨脹力，土體重力增加，導(dǎo)致樁間土體發(fā)生破壞。5）采取以鋼筋網(wǎng)片、螺栓、預(yù)彎鋼帶、膨脹螺栓、受力支座等為主要材料的支護(hù)體系，用于膨脹土深基坑樁間土跨塌的治理，應(yīng)用效果良好。