徐州地鐵車站含砂姜黏土層水土壓力研究

胡恒帥

（徐州市城市軌道交通有限責(zé)任公司，江蘇 徐州 221000）

目前，地下水位以下的土壓力計算有兩種模式，即水土分算和水土合算。文章通過車站基坑現(xiàn)場原位監(jiān)測，直接獲得作用于圍護結(jié)構(gòu)體上的實際水土壓力，并與設(shè)計計算數(shù)值進行對比，以指導(dǎo)基坑的實際設(shè)計、施工；同時根據(jù)砂姜含量大小及滲透系數(shù)大小，提出了水土壓力計算的混合算法。

1 工程概況、監(jiān)測布置及監(jiān)測結(jié)果分析

1.1 車站概況

二環(huán)北路站是徐州市城市軌道交通2號線的第5站，位于中山北路與二環(huán)北路交叉路口西北象限，沿中山北路南北向設(shè)置，處于徐運新河以南。車站為12m島式站臺，地下2層雙跨、三跨矩形框架結(jié)構(gòu)。

1.2 監(jiān)測布置

文章以徐州市軌道交通2號線二環(huán)北路站基坑工程為工程案例，在基坑抽水試驗區(qū)分別布設(shè)1組土壓力、1組孔隙水壓力，監(jiān)測其孔隙水壓力和土壓力，監(jiān)測點布置在不同深度的土層內(nèi)，如表1所示。

表1 監(jiān)測點對應(yīng)土層

1.3 監(jiān)測結(jié)果及試驗分析

自基坑降水開始，基坑開挖至3.0m時，得到水土壓力實測數(shù)據(jù)如表2所示。

通常認(rèn)為，黏土層中結(jié)合水不傳遞靜水壓力，將土體中土壓力和水壓力合在一起按飽和重度考慮，即采用水土合算。但由于砂姜結(jié)石的存在，使得含砂姜土層的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生較大的改變，土層滲透性增強，水土合算是否能真實反映含砂姜黏土層的力學(xué)特性值得探討。對此，通過對含砂姜黏土層不同深度處的水壓力和土壓力進行現(xiàn)場試驗監(jiān)測，結(jié)合水土分算與合算的理論計算，以期驗證水土壓力分、合算的計算方法，為后續(xù)類似工程提供借鑒[1-2]。現(xiàn)場試驗涉及土層如表3所示。

表3 現(xiàn)場試驗涉及土層參數(shù)一覽表

現(xiàn)場試驗時，地下水位為地面以下4m，土的重度為18kN/cm3，飽和重度取20kN/cm3，水土分算、合算和試驗監(jiān)測結(jié)果如表4所示。

根據(jù)水土分算和水土合算以及試驗監(jiān)測結(jié)果對比分析，得到水土壓力曲線，如圖1所示。

表4 水土分算、合算和試驗監(jiān)測結(jié)果對比一覽表

圖1 水土壓力對比曲線

當(dāng)土層為含砂姜黏土層時，水土壓力實際監(jiān)測結(jié)果介于水土分算值與水土合算值之間，但較接近于水土分算結(jié)果。因此嚴(yán)格來說，對于砂姜黏土層，并不能采用單一的水土分算或水土合算計算方法。

2 水土混合算法研究

基于前述水土分、合算法的試驗分析可知，任何單一的水土分算或水土合算均不能很好地表征砂姜黏土層的物理力學(xué)性質(zhì)。砂姜黏土層特殊的力學(xué)性質(zhì)主要由砂姜結(jié)石所導(dǎo)致，考慮砂姜結(jié)石在砂姜黏土層中的含量及空間分布特征，提出針對性的混合算法：

式中：Pa和Pp為主動和被動土壓力；α為砂姜層中砂姜結(jié)石的特征系數(shù)（考慮含量和分布特征）；Pah和Paf分別為水土合算和分算的主動土壓力；Pph和Ppf分別為水土合算和分算的被動土壓力。根據(jù)全芯鉆孔試驗可知，砂姜結(jié)石的空間分布無規(guī)律，故此次不考慮空間分布特征，僅將含量作為此次分析的取值依據(jù)[3-4]。

根據(jù)此研究，由于砂姜結(jié)石含量與該土層的滲透系數(shù)具有正相關(guān)性，而滲流作用對圍護結(jié)構(gòu)影響也可通過滲透系數(shù)反映，因此系數(shù)α的確定須基于砂姜含量大小并考慮流固耦合作用。

當(dāng)土層中沒有砂姜結(jié)石時，即為正常黏土層，此時α取值為0，混合算法退化為水土合算；當(dāng)砂姜結(jié)石含量為100%時，即土層中全部為砂姜結(jié)石，此時α取值為1，混合算法退化為水土分算；砂姜結(jié)石含量為3%～13.7%時，系數(shù)α迅速從0.1增大到0.8。故砂姜結(jié)石含量相對較少的砂姜黏土層，取α為0.1；對于砂姜含量相對較多的土層，取α為0.85。據(jù)此進行計算，不同算法結(jié)果的對比曲線如圖2所示。

圖2 不同算法的比較曲線

由圖2可知，由于考慮了砂姜含量，采用提出的混合算法計算砂姜黏土層水土壓力比水土分算和合算更加接近現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，在一定程度上避免了單一分算或合算計算的誤差，更加符合砂姜層實際情況。

3 結(jié)論

（1）對于含砂姜黏土層的圍護結(jié)構(gòu)水土壓力計算，通過理論公式與現(xiàn)場土壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，水土壓力現(xiàn)場實測結(jié)果介于水土分算結(jié)果與水土合算之間，因此對于砂姜黏土層，不宜采用單一的水土分算或水土合算計算方法。分析場地工點所處地段含砂姜含量較大，滲透性較強，土性更接近砂性土，故場地土壓力監(jiān)測結(jié)果值與水土分算時水土壓力值更為接近。

（2）通過引入砂姜結(jié)石特征系數(shù)α，提出了考慮砂姜結(jié)合含量以及滲流流固耦合效應(yīng)的混合算法，并采用對比分析和數(shù)值分析討論了算法的合理性，在一定程度上避免了單一分算或合算計算的跳躍性，更加符合砂姜黏土層實際情況。