膨脹土地層深基坑支護結構設計優化分析

鄭 磊

(安徽誠信項目管理有限公司，安徽 合肥 230001)

1 工程概況

1.1 工程設計概況

合肥市軌道交通5號線四川路站為地下雙層雙跨、局部雙層三跨島式站臺車站，結構形式為箱形框架結構。車站長209 m，標準段寬19.7 m，基坑深約16.8 m，支護樁選用樁長約22.1 m的φ800@1 100鉆孔灌注樁，基坑共設置3道支撐，其中第一道為鋼筋混凝土支撐，第二道和第三道均為φ609鋼管支撐。

1.2 工程地質情況

四川路站地層主要分成3層，主要地層工程特征見表1。車站基坑坑底和樁底均位于⑥2層黏土層，含大量親水性礦物，裂隙發育，是一種典型的膨脹土地層，具有中等偏弱膨脹性，主要地層物理力學指標見表2。

表1 主要地層工程特征表

表2 主要地層物理力學指標表

2 現場監測數據分析

2.1 樁頂水平位移現場監測數據分析

本項目的樁頂水平位移監測點總共布設了26個，現將其編號為ZQS1～ZQS26。其中ZQS1、ZQS2、ZQS3、ZQS4和ZQS20共5個監測點在施工過程中遭到嚴重破壞，無法正常監測。為了簡化分析過程，現只選取其中4個具有代表性的監測點進行分析研究，編號分別為ZQS6、ZQS12、ZQS16和ZQS23。通過對現場監測數據處理得到2018年4月份現場樁頂水平位移變化曲線，如圖1所示。

圖1 現場樁頂水平位移變化曲線

從圖1可以發現，編號ZQS6監測點最大水平位移值為3.8 mm，編號ZQS12監測點最大水平位移值為3.5 mm，編號ZQS16監測點最大水平位移值為3.9 mm，編號ZQS23監測點最大水平位移值為5 mm。在2018年4月21日—4月23日這段時間內，因外界降雨天氣的影響，4個監測點的樁頂水平位移值有一定程度的增大。4個監測點的樁頂水平位移值在下雨過后又逐漸減小并趨于正常水平，這就說明在降雨天氣的影響下基坑支護結構上形成膨脹力附加應力場作用，導致樁頂水平位移值有一定程度的增大。

2.2 樁體深層水平位移現場監測數據分析

本項目的測斜孔總共布設了26個，現將其編號為ZQT1～ZQT26。為了簡化分析過程，現只選取其中具有代表性的2個測斜孔進行分析，其編號分別為ZQT15和ZQT18。通過對現場監測數據處理得到2018年4月21日—4月27日這段時間內2個測斜孔的現場樁體深層水平位移變化曲線，具體如圖2、圖3所示。

圖2 ZQT15樁體深層水平位移變化曲線

圖3 ZQT18樁體深層水平位移變化曲線

從圖2、圖3可以發現，由于降雨天氣的影響，編號ZQT15測斜孔最大樁體深層水平位移值達到40.85 mm，編號ZQT18的測斜孔最大樁體深層水平位移值達到25.18 mm。2個測斜孔的樁體深層水平位移值在2018年4月22日—4月23日這段時間內波動比較大，說明在降雨天氣的影響下基坑支護結構上形成膨脹力附加應力場作用，導致樁體深層水平位移值有一定程度的增大。

4 對理正軟件模擬計算結果進行分析

4.1 理正軟件計算時膨脹力等效加載模型及取值大小的確定

膨脹力加載模型及取值大小的確定是膨脹土地層基坑支護結構設計過程中的關鍵問題。通過查閱相關資料文獻后得到膨脹力的分布應滿足以下條件：

(1)膨脹力是土體體積膨脹受到周圍土體限制后所產生的內應力，因此膨脹力不會在地表處形成，而是隨著深度增大而增大。

(2)膨脹力分布范圍應沿基坑深度方向分布。

(3)基坑底面處膨脹力較小。由于隨著基坑深度增加，濕度變化變小，土體密實度增大，雨水入滲較為困難，膨脹力將逐漸減小，但仍有大氣急劇影響深度。

目前，膨脹力加載模型主要包括上三角形模型、全三角形模型、梯形模型、矩形模型和濕度場模型5種情況，經過對比分析認為根據濕度場建立的膨脹土壓力模型較為合適。該模型的分布范圍為整個開挖深度范圍，基底以下取1～2 m范圍內，方向為水平作用于基坑支護結構臨空面上。根據濕度場建立的膨脹土壓力模型符合現場實際情況，模擬膨脹力取值采用室內實驗標準值的30%基本合理[1]。

由于濕度場模型圖形不規則，為了便于模擬計算，現將濕度場模型簡化成三角形。通過查閱本標段巖土工程勘察報告得到膨脹力室內實驗標準值P為67.6 kPa，本次水平膨脹力計算值采用30%P。因為理正軟件沒有現成的水平膨脹力加載模型，考慮采用等效替換的方式進行水平膨脹力加載。根據基坑開挖后水平膨脹力方向和大小的分析，模擬計算時將作用在支護結構上的水平膨脹力等效成與其作用方向和大小相等的地面三角形荷載，基底以下按1 m范圍考慮，加載模型如圖4所示。

圖4 膨脹力等效加載計算簡圖

4.2 不同樁長情況下的樁體變形規律分析

為了分析支護樁樁體變形在不同樁長情況下的變化規律，在加載30%P水平膨脹力的情況下運用理正軟件分別計算基坑見底后不同樁長時的樁體變形值，得到對應的樁體深層水平位移曲線。根據現場ZQT15和ZQT18測斜孔的位置，選取對應位置的支護樁作為分析研究對象，結果如圖5～圖7所示。

圖5 原設計情況下測斜孔ZQT15和ZQT18對應位置的樁體深層水平位移曲線

圖6 錨固深度位7 m時測斜孔ZQT15和ZQT18對應位置的樁體深層水平位移曲線

圖7 錨固深度為8 m時測斜孔ZQT15和ZQT18對應位置的樁體深層水平位移曲線

從圖5～圖7可以發現，按原設計方案在加載30%P水平膨脹力的情況下進行模擬計算，編號為ZQT15和ZQT18的支護樁樁體深層水平位移最大值分別為48.105 mm和30.033 mm；在保持樁間距和樁徑不變的情況下將支護樁樁長增加1.7 m、樁體錨固深度增加到7 m時，編號為ZQT15和ZQT18的支護樁樁體深層水平位移最大值分別為48.041 mm和29.316 mm；在保持樁間距和樁徑不變的情況下將支護樁樁長增加2.7 m、樁體錨固深度增加到8 m時，編號為ZQT15和ZQT18的支護樁樁體深層水平位移最大值分別為48.077 mm和29.206 mm。對比分析可以得到支護樁樁長的改變對支護樁樁身變形值的影響作用較小，由于原設計方案中未考慮膨脹力的作用且現場實際工況較復雜，模擬計算結果與監測數據相比偏大且其規律性更強，但兩者變化趨勢基本吻合。

4.3 不同樁徑情況下的樁體變形規律分析

為了分析支護樁樁體在不同樁徑情況下的變形規律，在加載30%P水平膨脹力的情況下運用理正深基坑軟件分別計算基坑見底后不同樁徑時的樁體變形值，從而得到對應的樁體深層水平位移曲線。根據現場ZQT15和ZQT18測斜孔的位置，選取對應位置的支護樁作為分析研究對象，結果如圖8、圖9所示。

圖8 樁徑為d1000 mm時測斜孔ZQT15和ZQT18對應位置的樁體深層水平位移曲線

圖9 樁徑為d1200 mm時測斜孔ZQT15和ZQT18對應位置的樁體深層水平位移曲線

從圖8、圖9可以發現，按原設計方案在加載水平膨脹力的情況下進行模擬計算，編號為ZQT15和ZQT18的支護樁在原設計時的樁體深層水平位移最大值分別為48.105 mm和30.033 mm；在保持樁間距和樁長不變的情況下將支護樁樁徑增加到1 000 mm時，測斜孔編號為ZQT15和ZQT18的支護樁樁體深層水平位移最大值分別為41.667 mm和28.734 mm；在保持樁間距和樁長不變的情況下將支護樁樁徑增加到1 200 mm時，編號為ZQT15和ZQT18的支護樁樁體深層水平位移最大值分別為35.761 mm和16.617 mm。支護樁樁體位移曲線呈近似拋物線型，且樁體變形隨著樁徑的增大而變小，但其變化幅度隨樁徑的增加而逐漸變小。對比分析可以得到支護樁樁徑的改變對支護樁樁身變形值的影響作用較明顯，由于原設計方案中未考慮膨脹力的作用且現場實際工況較復雜，導致模擬計算結果與監測數據相比偏大，且其規律性更強，但兩者變化趨勢基本吻合。

4.4 不同樁間距情況下的樁體變形規律分析

為了分析支護樁樁體變形在不同樁間距情況下的變化規律，在加載30%P水平膨脹力的情況下運用理正深基坑軟件分別計算基坑見底后不同樁間距時的樁體變形值，從而得到對應的樁體深層水平位移曲線。根據現場ZQT15和ZQT18測斜孔的位置，選取對應位置的支護樁作為分析研究對象，結果如圖10、圖11所示。

圖10 樁間距為1 000 mm時測斜孔ZQT15和ZQT18對應位置的樁體深層水平位移曲線

圖11 樁間距為1 200 mm時測斜孔ZQT15和ZQT18對應位置的樁體深層水平位移曲線

從圖10、圖11可以發現，在加載水平膨脹力的情況下按原基坑支護結構設計方案進行模擬計算，編號為ZQT15和ZQT18的支護樁在原設計時的樁體深層水平位移最大值分別為48.105 mm和30.033 mm；在保持樁長和樁徑不變的情況下將支護樁樁間距增加到1 000 mm時，編號為ZQT15和ZQT18的支護樁樁體深層水平位移最大值分別為45.769 mm和33.704 mm；在保持樁長和樁徑不變情況下將支護樁樁間距增加到1 200 mm時，測斜孔編號為ZQT15和ZQT18的支護樁樁體深層水平位移值最大分別為59.156 mm和22.674 mm。對比分析可以得到支護樁樁間距的改變對支護樁樁身變形值的影響作用較明顯，由于原設計方案中未考慮膨脹力的作用現場實際工況較復雜的原因，模擬計算結果與監測數據相比偏大且其規律性更強，但兩者變化趨勢基本吻合。

5 結 論

通過對現場基坑監測數據和理正軟件模擬計算結果進行對比分析得到如下結論：

(1)由于受到降雨等天氣的影響，膨脹土地層基坑支護結構上形成膨脹土附加應力場，導致基坑支護結構變形有一定程度的增加。

(2)運用理正軟件進行膨脹土地層深基坑開挖模擬計算時，水平膨脹力采用在地面和一定深度加載三角形荷載的等效方法是可行的。

(3)支護樁的樁徑和樁間距的改變對樁身變形值的影響作用較明顯，通過改變這兩個設計參數進行設計優化是合理的。