許亞軍

(中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司， 天津　300133)

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深基坑工程中膨脹力設(shè)計(jì)取值分析

許亞軍

(中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司， 天津300133)

摘要：目前我國現(xiàn)行工程規(guī)范并未對(duì)膨脹土(巖)中深基坑工程的膨脹力設(shè)計(jì)取值給以明確規(guī)定，實(shí)際設(shè)計(jì)過程中膨脹力取值方法不一。以成都地鐵3號(hào)線一期工程膨脹土(巖)范圍明挖區(qū)間深基坑工程為例，對(duì)不同取值情況下設(shè)計(jì)結(jié)果與施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，找出實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)于既能保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全性又兼顧經(jīng)濟(jì)性的膨脹力設(shè)計(jì)值的選用具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：深基坑； 膨脹土(巖)； 膨脹力； 支撐軸力； 設(shè)計(jì)值； 實(shí)測(cè)值

0引言

膨脹土是指土中的黏粒主要成分是親水礦物，具有明顯吸水膨脹和失水收縮雙重特性的黏性土[1]。吸水膨脹后的膨脹土如果受到周邊約束，不能自由膨脹，便會(huì)在土體中產(chǎn)生膨脹力，膨脹力是基坑失穩(wěn)和垮塌的關(guān)鍵因素。在我國的四川、湖北、貴州、廣西等20多個(gè)省份都存在膨脹土，總面積在10萬km2以上[2]，伴隨市政及民用工程建設(shè)的快速發(fā)展，全國范圍膨脹土地區(qū)的深基坑工程數(shù)量也在同步增加，基坑深度不斷加大，不規(guī)則形狀增加，設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮膨脹力作用，但目前行業(yè)內(nèi)在基坑設(shè)計(jì)中，膨脹力的取值并沒有統(tǒng)一的規(guī)定[3]。需要說明的是，深基坑擋土墻考慮膨脹土水平壓力之后，工程造價(jià)將成倍增加。近年來隨著膨脹土地區(qū)基坑安全事故的頻繁發(fā)生，膨脹土基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問題才逐漸引起業(yè)內(nèi)專家學(xué)者的重視與關(guān)注[4]，但國內(nèi)對(duì)于膨脹土產(chǎn)生的水平力對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用及影響程度尚未形成共識(shí)[5]。目前多數(shù)專題研究側(cè)重于大量的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，研究不同條件下對(duì)應(yīng)膨脹力的變化趨勢(shì)且多集中在豎向膨脹力[6]對(duì)基礎(chǔ)底部的作用，而在基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中多是采取對(duì)勘察提供的膨脹力或指標(biāo)參數(shù)考慮安全系數(shù)后運(yùn)用，缺乏嚴(yán)格意義的指導(dǎo)依據(jù)[7]。綜上所述，膨脹土地區(qū)作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的水平膨脹力取值大小，不僅要考慮工程的安全性，同時(shí)也要兼顧經(jīng)濟(jì)性的原則，這是目前做好基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。本文通過對(duì)膨脹力的不同取值進(jìn)行理論計(jì)算分析，再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，分析結(jié)果可為膨脹土地區(qū)深基坑設(shè)計(jì)參數(shù)取值提供一些指導(dǎo)。

1對(duì)比分析思路

以成都地鐵3號(hào)線天回鎮(zhèn)南站站前明挖區(qū)間基坑為依托進(jìn)行研究分析。膨脹土遇水膨脹時(shí)沿各方向膨脹力大小是相同的，作用在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的膨脹力可按水平荷載考慮。設(shè)計(jì)中所取膨脹力設(shè)計(jì)值依據(jù)為現(xiàn)場(chǎng)勘察得出的土的物理力學(xué)性質(zhì)，對(duì)應(yīng)巖土規(guī)范確定膨脹力建議范圍值，計(jì)算時(shí)取最大建議值的不同比例分工況進(jìn)行計(jì)算分析。圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖1所示，從模型可以看出作用在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力由圍護(hù)結(jié)構(gòu)支撐軸力平衡，膨脹力設(shè)計(jì)值取值大小直接可由支撐軸力設(shè)計(jì)值得到反應(yīng)。計(jì)算荷載取值時(shí)基坑周邊超載取20 kPa，膨脹力根據(jù)地勘報(bào)告值取水平力作用在圍護(hù)樁上計(jì)算，土壓力按彈性法計(jì)算。現(xiàn)在的測(cè)量技術(shù)對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)的支撐軸力實(shí)際值的測(cè)量是相對(duì)準(zhǔn)確的，故現(xiàn)在通過支撐軸力的實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值對(duì)比來反應(yīng)出膨脹力對(duì)應(yīng)值。支撐軸力設(shè)計(jì)值與設(shè)計(jì)所采用計(jì)算軟件有一定關(guān)系；而現(xiàn)場(chǎng)膨脹力實(shí)際情況受施工措施影響較大，如果隔水措施及封閉措施做的好，膨脹力的實(shí)際值便會(huì)相對(duì)較小[8]。為了使本文對(duì)比分析具有普遍性，本對(duì)比分析基于以下條件進(jìn)行。

1)圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算中采用的膨脹力以及地質(zhì)參數(shù)均以正式地質(zhì)勘察建議值為依據(jù)。

2)計(jì)算軟件采用理正深基坑7.3版軟件。

3)現(xiàn)場(chǎng)施工嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求，能及時(shí)做好封閉和排水措施，控制好地層含水量。

2不同取值條件下支撐軸力設(shè)計(jì)值

天回鎮(zhèn)南站站前明挖區(qū)間位于岷江三級(jí)階地，是成都地區(qū)典型的膨脹土分布區(qū)域[9]。現(xiàn)場(chǎng)巖芯照片如圖2所示。

根據(jù)勘察報(bào)告揭示，本明挖基坑范圍地層主要為〈4-1-1〉黏土及〈5-1〉全風(fēng)化泥巖；其中黏土自由膨脹率(FS)=21%～64%,平均值為52%；蒙托石含量為7.5%～16.3%,平均含量為14.02%；陽離子交換量

為145.00～259.00 mmol/kg，為弱膨脹土，試驗(yàn)條件下膨脹力為8.3～180.01 kPa,平均值為101.70 kPa；全風(fēng)化泥巖自由膨脹率(FS)=40%～53%,平均值為46%；蒙托石含量為8.9%～14.0%,平均含量為12.30%；陽離子交換量為175.00～218.00 mmol/kg，為弱膨脹巖，試驗(yàn)條件下膨脹力為45.2～131.7 kPa,平均值為71.5 kPa。巖土物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

圖1　圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

圖2　現(xiàn)場(chǎng)巖芯照片

地層代號(hào)巖土名稱時(shí)代與成因天然密度ρ/(g/cm3)天然含水量w/%孔隙比e黏聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)壓縮系數(shù)α0.1～0.2/(MPa-1)壓縮模量Es0.1～0.2/MPa滲透系數(shù)K/(m/d)側(cè)壓力系數(shù)ξ<4-1-1>黏土1.9522.00.65532.516.50.1611.50.00750.44<5-1>全風(fēng)化泥巖<5-2>強(qiáng)風(fēng)化泥巖K2g2.0028.50.87434.016.00.3216.20.23510.412.1515.065.029.00.1016.00.027～2.010.35

該明挖基坑呈狹長條形，其中長度約為150 m，寬度約為20.2 m，標(biāo)準(zhǔn)段深度為11.2 m，采用樁加內(nèi)支撐的支護(hù)形式，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫斷面如圖3所示。采用不同膨脹力取值條件支撐力設(shè)計(jì)值進(jìn)行計(jì)算，以勘察測(cè)試得出土的物性指標(biāo)對(duì)應(yīng)規(guī)范手冊(cè)建議值中最大膨脹力為基準(zhǔn)，分別取最大膨脹力的不同比例作為水平荷載加載到圍護(hù)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行計(jì)算。

圖3　明挖區(qū)間基坑橫斷斷面圖(單位： mm)

根據(jù)上述方法，按膨脹力取值不同分4種工況分別進(jìn)行計(jì)算。

工況1： 取100%最大膨脹力作用，此時(shí)黏土層膨脹力為180.01 kPa，全風(fēng)化巖層膨脹力為 131.7 kPa。

工況2： 取60%最大膨脹力作用，此時(shí)黏土層膨脹力為108.0 kPa，全風(fēng)化巖層膨脹力為79.02 kPa。

工況3： 取30%最大膨脹力作用，此時(shí)黏土層膨脹力為54.0 kPa，全風(fēng)化巖層膨脹力為39.51 kPa。

工況4： 取0%最大膨脹力作用，此時(shí)黏土層膨脹力為0，全風(fēng)化巖層膨脹力為0。

在計(jì)算軟件中輸入計(jì)算參數(shù)后，得到不同工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力包絡(luò)圖，如圖4—7所示。

(a) 支反力(單位： kN)(b) 彎矩(單位： kN·m)(c) 剪力(單位： kN)

圖4不考慮膨脹力作用下圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力包絡(luò)圖

Fig. 4Envelope diagram of internal force of retaining structure without consideration of expansion force

(a) 支反力(單位： kN)(b) 彎矩(單位： kN·m)(c) 剪力(單位： kN)

圖530%最大膨脹力作用內(nèi)力包絡(luò)圖

Fig. 5Envelope diagram of internal force under effect of 30% the maximum expansion force

(a) 支反力(單位： kN)(b) 彎矩(單位： kN·m)(c) 剪力(單位： kN)

圖660%最大膨脹力作用內(nèi)力包絡(luò)圖

Fig. 6Envelope diagram of internal force under effect of 60% the maximum expansion force

由計(jì)算結(jié)果可知： 在不同膨脹力取值條件下，2道支撐的軸力設(shè)計(jì)值統(tǒng)計(jì)如圖8和圖9所示。

3現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)取值結(jié)果

該基坑呈長條形布置，平面長度150 m范圍內(nèi)斷面無變化，按間距30 m左右取5個(gè)斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在整個(gè)施工開挖過程中全程開展監(jiān)測(cè)工作，本次分析需要采集內(nèi)支撐軸力值，采用儀器為軸力計(jì)，軸力計(jì)型號(hào)為YT-ZX-1030，采用讀數(shù)儀(YT-RG-01)讀數(shù)。軸力計(jì)大樣及現(xiàn)場(chǎng)圖片分別如圖10和圖11所示。

(a) 支反力(單位： kN)(b) 彎矩(單位： kN·m)(c) 剪力(單位： kN)

圖7100%最大膨脹力作用內(nèi)力包絡(luò)圖

Fig. 7Envelope diagram of internal force under action of maximum expansion force

圖8　第1道支撐各工況下軸力設(shè)計(jì)值

Fig. 8Design values of axial force of first support under four conditions

圖9　第2道支撐各工況下軸力設(shè)計(jì)值

Fig. 9Design values of axial force of second support under four conditions

監(jiān)測(cè)工作從開始架撐開始，持續(xù)到支撐拆除，其中第1道和第2道支撐的預(yù)加軸力值為250 kN和700 kN，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集每天進(jìn)行一次，起止日期為2013年4月27日—9月2日，持續(xù)時(shí)長4個(gè)月，測(cè)點(diǎn)分布在5個(gè)不同斷面上，每個(gè)斷面設(shè)置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，共設(shè)置10個(gè)測(cè)點(diǎn)，一共采集數(shù)據(jù)852個(gè)。監(jiān)測(cè)軸力隨開挖工序而變化情況，平均每個(gè)測(cè)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)85個(gè)，其中第1道支撐最大軸力出現(xiàn)在開挖至第2道支撐架撐位置時(shí)，各測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)最大值的時(shí)間分別是5月20日、6月11日、6月23日、7月18日、8月2日；第2道支撐最大軸力出現(xiàn)在開挖至坑底時(shí)，各測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)最大值的時(shí)間分別是6月7日、6月28日、7月16日、8月4日、8月20日?，F(xiàn)在取每個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的最大軸力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，反應(yīng)出各測(cè)點(diǎn)的最大監(jiān)測(cè)軸力值，數(shù)據(jù)情況如圖12和圖13所示。

圖10　軸力計(jì)照片

4對(duì)比分析

根據(jù)上述理論計(jì)算，第1道支撐在考慮100%最大膨脹力值時(shí)所得支撐軸力是不考慮膨脹力的334%，第2道支撐對(duì)應(yīng)為173%?？梢娕蛎浟?duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響是非常明顯的，圍護(hù)結(jié)構(gòu)配筋所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)變化也是較大的，由此可見選用膨脹力大小直接影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)的概算指標(biāo)。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值可以看出實(shí)測(cè)支撐軸力在一定范圍內(nèi)變化，實(shí)測(cè)值介于考慮30%最大膨脹力和完全不考慮膨脹力的計(jì)算值之間，如果考慮30%最大膨脹力，那么計(jì)算軸力值便能完全包絡(luò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值；而且通過現(xiàn)場(chǎng)觀察，監(jiān)測(cè)值大的位置存在有少量管線漏水，可見膨脹土的膨脹力與其是否和水隔絕密切相關(guān)。

圖11　現(xiàn)場(chǎng)基坑圖片

圖12　第1道支撐不同測(cè)點(diǎn)軸力數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖

Fig. 12Axial forces of first support measured at different monitoring points

圖13　第2道支撐不同測(cè)點(diǎn)軸力數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖

Fig. 13Axial forces of second support measured at different monitoring points

在設(shè)計(jì)計(jì)算中如果考慮100%最大膨脹力時(shí)，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間差距達(dá)60%，不符合實(shí)際情況，設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性差；如果完全不考慮膨脹力作用，實(shí)測(cè)值會(huì)出現(xiàn)超過計(jì)算值的情況，基坑不安全，存在傾覆危險(xiǎn)。所以設(shè)計(jì)中適當(dāng)考慮膨脹力取值，如本文論述的考慮最大膨脹力建議值30%參與計(jì)算，與實(shí)測(cè)值基本相符，同時(shí)也能保證安全。

5結(jié)論與建議

通過上文分析可形成以下結(jié)論，可供成都膨脹土地區(qū)深基坑設(shè)計(jì)作為參考。

1)在成都膨脹土地區(qū)深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算中需要考慮膨脹力作用[10]，具體可選取經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察確定膨脹土物性參數(shù)所對(duì)應(yīng)的最大膨脹力建議值的30%及以上。

2)根據(jù)監(jiān)測(cè)情況，膨脹力的產(chǎn)生及變化趨勢(shì)與現(xiàn)場(chǎng)是否和水隔絕有直接關(guān)系，設(shè)計(jì)中要充分考慮隔水措施，一定程度上會(huì)減小支撐所承受的側(cè)壓力，提高基坑穩(wěn)定的安全系數(shù)。

3)膨脹土地區(qū)膨脹力的大小受影響因素較多，但同一地區(qū)的膨脹土的力學(xué)特性表現(xiàn)會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)基本范圍內(nèi)，建議在開展設(shè)計(jì)工作前多收集周邊類似基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)用于參考及數(shù)據(jù)分析，會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)基坑支護(hù)參數(shù)具有安全性兼顧經(jīng)濟(jì)性的指導(dǎo)意義。

4)現(xiàn)行規(guī)范對(duì)基坑設(shè)計(jì)時(shí)膨脹力取值未作詳細(xì)規(guī)定，設(shè)計(jì)在計(jì)算取值時(shí)存在一定隨意性，需進(jìn)一步開展統(tǒng)計(jì)和實(shí)測(cè)工作，以便在下一次規(guī)范修訂時(shí)對(duì)基坑設(shè)計(jì)中膨脹力取值給出明確規(guī)定。

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Analysis of Design Values of Swelling Force in Construction of Deep Foundation Pits

XU Yajun

(ChinaRailwayTunnelSurvey&DesignInstituteCo.,Ltd.,Tianjin300133,China)

Abstract:The design values of swelling force in the construction of deep foundation pits have not been decided in China’s current technical specifications. In this paper, the comparison between design results of internal force of foundation pit of Phase 1 on Chengdu Metro Line No. 3 and site monitoring results is made in terms of different swelling force design values. The relationship between monitoring results and theoretical calculation results is studied. The study resalts can provide guidance for design values of swelling force in construction of deep foundation of similar projects in the future.

Keywords:deep foundation pit; swelling soil/rock; swelling force; support axial forces; design value; measured value

中圖分類號(hào)：U 45

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-741X(2016)04-0418-07

DOI:10.3973.j/issn.1672-741X.2016.04.008

作者簡介：許亞軍(1977—)，男，河南濟(jì)源人，1999年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)，水文地質(zhì)及工程地質(zhì)專業(yè)，本科，高級(jí)工程師，從事山嶺隧道勘察及地下工程施工監(jiān)測(cè)及隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。E-mail: 82784055@qq.com。

收稿日期：2015-12-07； 修回日期： 2016-02-20