沈 霄 云

(北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 310017)

軟土地區(qū)34 m超深地鐵基坑土壓力研究

沈 霄 云

(北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 310017)

基于杭州地鐵某超深車站的土壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了現(xiàn)有土壓力計算模型在軟土地區(qū)超深基坑設(shè)計中的適用性，通過分析土壓力變化數(shù)據(jù)，對超深基坑的設(shè)計提出了可行的建議。

土壓力，超深基坑，軟土地區(qū)，分布

1 概述

土壓力問題是土與結(jié)構(gòu)物相互作用的結(jié)果，是巖土工程的基本問題，也是地鐵基坑工程設(shè)計中首要確定的內(nèi)容。土壓力最早的研究者當(dāng)屬Coulomb(1773)和Rankine(1857)。他們的土壓力理論迄今已有200余年歷史，由于簡便實用仍然為工程界所采用。隨著人們認(rèn)識水平不斷提高，發(fā)現(xiàn)這些古典土壓力理論存在諸多問題，為此學(xué)者們從理論、試驗和數(shù)值方面做了工作來完善對土壓力的理解。土壓力的大小與分布是土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的相互作用的結(jié)果，它主要取決于圍護(hù)墻體的變位方式、方向和大小。工程經(jīng)驗表明，支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度和支撐的剛度、支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形形態(tài)及施工的時空效應(yīng)等對土壓力的分布和變化起著控制作用。本文基于整理杭州地鐵某超深車站的土壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析現(xiàn)有土壓力計算模型在軟土地區(qū)超深基坑設(shè)計中的適用性。

2 基坑工程土壓力理論

地鐵基坑工程的土壓力分布具有其獨(dú)特的工程條件，比如支撐布置、土性變化、地下水等因素。雖然土壓力并不完全處于靜止或主動土壓力極限狀態(tài)，但計算中為簡化，常采用靜止或主動土壓力進(jìn)行估計，甚至被動區(qū)也同樣受到被動土壓力來估計，再根據(jù)實踐的經(jīng)驗加上適當(dāng)?shù)男拚?，也就是常用的?jīng)驗土壓力系數(shù)。在被動區(qū)是隨著結(jié)構(gòu)的變形，土壓力逐漸由靜止土壓力向被動土壓力發(fā)展，但并未達(dá)到被動土壓力極限狀態(tài)，否則土體將開始破壞。被動區(qū)的土壓力通常宜根據(jù)結(jié)構(gòu)與土的相互作用來確定，稱為土的被動抗力。然而，抗力的總和必須保證小于被動土壓力，否則就得增加支撐，改變土壓力和結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，以保證被動區(qū)的安全。由于支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力是隨著開挖的進(jìn)程逐步形成，又隨著支撐的設(shè)置和每步開挖施工參數(shù)的差異而產(chǎn)生受力狀態(tài)的變化，因此其土壓力的分布與一般擋土墻存在著差異。下面以板樁墻為例來說明基坑支護(hù)上土壓力的形成過程，見圖1。

1)打入板樁時，在板樁兩側(cè)將產(chǎn)生側(cè)向壓力。由于板樁的擠壓作用將可能略大于靜止土壓力系數(shù)；2)開挖第一深度，卸除了上面一段一側(cè)的土壓力，板樁變形，另一側(cè)的土壓力減少，一般有可能進(jìn)入到主動狀態(tài)；3)設(shè)置支撐1，使板樁的變形有一定的恢復(fù)，土壓力加大，分布形式改變；4)繼續(xù)開挖至第二深度，板樁將引起新的側(cè)向變形，土壓力分布亦隨之改變；5)設(shè)置支撐2，并楔緊支撐1，就形成了新的土壓力分布圖式；6)繼續(xù)開挖至第三深度，板樁隨之向坑內(nèi)側(cè)位移，主動區(qū)土體亦向坑內(nèi)側(cè)移動，土壓力有一定的減小，而形成最終的土壓力分布圖式。當(dāng)然，繼續(xù)增加或減小支撐的預(yù)加軸力以及增大支撐2以下板樁的開挖暴露范圍和暴露時間，則在支撐2以下的部分板樁就發(fā)生相應(yīng)的位移，而土壓力也會有新改變。

3 工程概況

杭州地鐵某車站為地下四層島式車站，中心里程標(biāo)準(zhǔn)段底板埋深約32.7 m，盾構(gòu)井段底板埋深約34.2 m，結(jié)構(gòu)底板坐落在⑥2粉質(zhì)粘土和⑧1粘土上。地層物理力學(xué)性質(zhì)表見表1。

表1 地層物理力學(xué)性質(zhì)表

第一道支撐采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土支撐體系，下二層板和下三層板為逆做樓板，其他六道撐為鋼支撐。其中標(biāo)準(zhǔn)段：第二、三、五道為φ609(t=16 mm)鋼支撐，第四、六、七道為φ800(t=16 mm)鋼支撐；端頭井段：第二道～第五道為φ609(t=16 mm)鋼支撐，第六道為φ800(t=16 mm)鋼支撐，第七道為雙拼φ800(t=16 mm)鋼支撐。采用坑外降水來降低坑外水頭，減少土壓力。設(shè)計降深為地面以下15 m，實際降深為12 m左右。

4 各概況土壓力數(shù)值分析

目前車站已基本完工。

在施工初期埋設(shè)了6個土壓力觀測斷面。由于種種原因，有局部幾個觀測斷面的個別土壓力盒損毀，其中2號(基坑中部)、6號(東側(cè)端頭井)點(diǎn)數(shù)據(jù)較完整，滿足分析的需要。

本次試驗的土壓力盒采用振弦式傳感器，從地面以下8 m開始，每5 m～6 m設(shè)置一個測點(diǎn)(分別為地面以下8 m，13 m，18 m，23 m，28 m，33 m，38 m，43 m，49 m，54 m)。每天采集一次數(shù)據(jù)，從正式開挖開始監(jiān)測，目前已進(jìn)行了593次測量。

考慮到埋設(shè)時產(chǎn)生的誤差，初始值校準(zhǔn)歸零，因此，所得累計值均為埋設(shè)至今的土壓力變化值。分析中按靜止土壓力(采用地勘提供的土壓力系數(shù)計算所得)作為初始值，進(jìn)行數(shù)值修正。

鑒于在坑內(nèi)設(shè)置土壓力盒，基坑開挖過程中難以保護(hù)，所以本次僅對坑外主動區(qū)的土壓力進(jìn)行了監(jiān)測。

第一期：施工初期，東端頭井開挖5 m，基坑中部開挖4 m。計算土壓力為主動土壓力，理論上，主動土壓力為主動破壞的土壓力，為最小的土壓力。但是考慮到地墻成槽導(dǎo)致局部土壓力消散，而且埋設(shè)土壓力盒容易出現(xiàn)周邊土體不密實，所以測量所得土壓力略微小于主動土壓力(見圖2)。

第二期：東端頭井施工第四道撐(17 m)，基坑中部施工第三道撐(14 m)。隨著鋼支撐的架設(shè)土壓力逐漸變大，超過主動土壓力，逐漸穩(wěn)定(見圖3)。

第三期：東端頭井施工完下二層樓板(18 m)，基坑中部施工第四道撐(18.5 m)(見圖4)。

第四期：端頭井開挖下二層底板下方(21 m)，基坑中部施工完下二層底板(18 m)。此時，下二層樓板已基本完工(見圖5)。

第五期：端頭井施工下三層樓板(25 m)，基坑中部開挖下二層底板下方(21 m)。墻體變形可以看出墻體頂部出現(xiàn)負(fù)值，說明頂部在往外傾，有明顯往被動土壓力變形的趨勢(見圖6)。

第六期：端頭井施工完下三層底板(25 m)，基坑中部施工完下三層底板(25 m)。隨著施工開挖的加深，坑底以下的土壓力明顯減少，說明坑底以下地墻有向內(nèi)傾的趨向。由于地墻的測斜管是孔底修正的，所以變形一直為零，實際根據(jù)土壓力的走向，底部地墻向坑內(nèi)變形(見圖7)。

第七期：端頭井開挖下三層樓板下的地層(25 m)，基坑中部施工完下三層底板(25 m)(見圖8)。

第八期：端頭井施工結(jié)構(gòu)底板(34 m)，基坑中部施工完下三層底板(25 m)(見圖9)。

第九期：端頭井施工完結(jié)構(gòu)底板(34 m)，基坑中部施工結(jié)構(gòu)底板(33 m)(見圖10)。

第十期：端頭井施工完結(jié)構(gòu)底板和側(cè)墻(34 m)，基坑中部施工完結(jié)構(gòu)底板(33 m)。結(jié)構(gòu)已基本穩(wěn)定，坑底以下土壓力仍有向坑內(nèi)變化的趨勢(見圖11)。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)對比得出以下結(jié)論：1)由于地墻成槽施工和土壓力盒的埋設(shè)使原狀土的應(yīng)力有一定消散，使初始土壓力值基本吻合設(shè)計的主動土壓力值。說明土體擾動使貼近地墻的地層進(jìn)入主動破壞的應(yīng)力工況。2)基坑的開挖結(jié)合支撐的架設(shè)使土層應(yīng)力往靜止土壓力變化，土體逐漸穩(wěn)定。因此，設(shè)計時考慮采用主動土壓力作為基坑計算的邊界條件，其實荷載是略微偏小的。因為支撐和地墻的共同作用，使地層出現(xiàn)應(yīng)力重分布，尤其是支撐的位置地層的應(yīng)力表現(xiàn)為往靜止土壓力變化的趨勢。3)隨著基坑進(jìn)一步開挖，地墻插入比進(jìn)一步變小，地層進(jìn)一步往被動土壓力方向發(fā)展。體現(xiàn)在地墻頂部出現(xiàn)向基坑外側(cè)的位置，首道混凝土支撐出現(xiàn)較大的拉力，坑底位置地墻向基坑內(nèi)擠壓。使基坑上方出現(xiàn)土壓力進(jìn)一步增大，坑底以下土壓力進(jìn)一步減小，甚至出現(xiàn)矩形土壓力的模式。4)采用逆做兩道樓板，作為支撐。對土壓力的貢獻(xiàn)明顯，在下二層和下三層樓板的位置2號點(diǎn)的土壓力有明顯增加。

5 結(jié)語

1)基坑的土壓力隨基坑開挖不斷變化?？拥滓陨现饕w現(xiàn)為主動土壓力往被動土壓力變化的過程，地墻也出現(xiàn)往外傾的趨勢；坑底以下主要體現(xiàn)為靜止土壓力往主動土壓力，甚至比主動土壓力更小的土壓力發(fā)展，尤其是坑底位置發(fā)生較大、往坑內(nèi)的變形。最終開挖至坑底表現(xiàn)為上部為三角形荷載，下部為矩形荷載的模式。因此，設(shè)計采用主動土壓力作為計算模型，基坑上方是基本滿足的，坑底以下是偏大的，計算模型合理。2)支撐設(shè)計中采用兩道逆做樓板，對土壓力有較大影響，在樓板位置土壓力明顯變大。說明樓板的存在使土體更接近靜止土壓力，土體更加穩(wěn)定。印證了多道混凝土支撐，尤其是板帶對基坑穩(wěn)定的作用比較大。3)由于基坑開挖加深，地墻墻頂出現(xiàn)向基坑外的變形，同時首道混凝土支撐也出現(xiàn)較大拉力。因此，第一道支撐采用混凝土撐，既提供拉力，也能提供壓力，是基坑穩(wěn)定的保障。4)從土壓力的變化和分布來看，采用首道混凝土撐加逆做基坑的圍護(hù)設(shè)計方案對超深基坑是合理可行的，能較好保證基坑穩(wěn)定。但是本基坑以砂性土地層為主，在降水的條件下，地層具備較大強(qiáng)度，因此，設(shè)計方案是否能在軟土地層中使用，還需要更多的監(jiān)測和研究的應(yīng)用。

[1] 張文慧，田 軍，王保田，等.基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力與土體位移關(guān)系分析[J].河海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2005(5)：35-37.

[2] 李 蓓，趙錫宏.一種考慮擋土墻變形的深基坑非線性土壓力方法[J].巖土力學(xué)，2004(S2)：88-90.

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Research on 34 m ultra deep subway foundation pit soil pressure of soft soil area

Shen Xiaoyun

(BeijingUrbanConstructionDesignandDevelopmentGroupLimitedCompanybyShare,Hangzhou310017,China)

Based on the earth pressure monitoring data of Hangzhou subway a ultra deep station, this paper analyzed the applicability of existing earth pressure calculation model in soft soil base ultra deep foundation pit design, through the analysis on earth pressure variation data, provided feasible suggestions for ultra deep foundation pit design.

soil pressure, ultra deep foundation pit, soft soil area, distribution

2015-01-04

沈霄云(1982- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2015)08-0111-03

TU447

A