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砂质地层深基坑土压力分析研究

发表时间：2020/8/11 来源：《基层建设》2020年第10期作者：刘景华

[导读] 摘要：目前国内轨道交通建设催生了许多深大的地下工程项目如超深地铁车站，宽大的地下停车场等等，这些项目均涉及深、大基坑设计，基坑设计的首要任务就是合理确定土压力的大小和分布方式。

        广州市盾建地下工程有限公司广东广州 510000
        摘要：目前国内轨道交通建设催生了许多深大的地下工程项目如超深地铁车站，宽大的地下停车场等等，这些项目均涉及深、大基坑设计，基坑设计的首要任务就是合理确定土压力的大小和分布方式。传统的设计理论根据挡土结构变位的方向和大小，仅考虑三种极限状态下的土压力即主动、被动和静止土压力。本文主要分析砂质地层深基坑土压力，提出一些个人观点，以供参考。
        关键词：地质工程；地铁；深基坑；砂质地层；土压力
        1引言
        近年来的许多研究表明，作用在挡土结构物上的土压力不是一个定值，其大小不仅与挡土结构的高度、刚度、土体性质有关，而且随着挡土结构物的变形而变化，土压力有一个渐变的范围。基坑设计中，按照强度控制设计的思想采用的是极限土压力理论，但是要达到极限土压力，往往变形很大，特别是主动土压力。实际情况是挡土结构没有达到那么大的变形，所以达不到极限土压力，因此按照变形控制理论进行基坑设计是很必要的。位移相关的土压力研究，有许多学者做出了贡献。梅国雄用指数形式表达非线性土压力模型;多位研究人员都采用双曲线模型来表达土压力与位移关系。
        没有引入墙后土体应变的假设，使得非线性土压力的参数和土体的基本性质结合不够紧密。本文采用前人考虑位移的土压力理论，编制了简单计算程序，通过对地铁砂质地层车站基坑侧土压力实测结果和理论值的对比分析，对监测结果进行了甄别，反演土压力和位移变化的关系，以期揭示基坑侧土压力的发展变化过程。随着基坑开挖深度增加，墙体发生侧向变形，墙后主动区土压力由静止土压力逐渐向主动土压力过渡。土体是一种弹塑性材料，当主动区土体达到极限平衡时，土压力变为经典的极限土压力(主动土压力)，此时主动区形成的位移即为极限位移。一般基坑工程都有相应日期的测斜管监测数据，那么只要能确定主动区的极限位移，就可以确定对应变形情况下的土压力。按照考虑变形的深基坑土压力理论，土压力分布规律符合传统极限土压力理论，趋近于朗肯主动极限土压力，不可能趋近于零。通过对地铁砂质地层深基坑土压力的实测数据发现，基坑某一深度范围的实测土压力结果趋近于零。分析研究认为由于基坑采取坑外降水措施后粉砂土体具有一定自稳性，当基坑变形较大时围护结构和土体发生一定范围的脱空，导致实测土压力趋近于零。
        2工程实例
        地铁市民中心站为地下双层岛式车站，车站总长310m，车站宽度21.5m。车站顶板覆土埋深约5m，车站结构底板埋深约21m，坐落在粉砂土及砂质粉土及砂质粉土夹粉砂层，地下水位埋深约0.85～3.45m。车站围护结构采用1000地下连续墙，墙长约为33m～38m，插入比1∶0.8。车站主体基坑内支撑采用φ609钢管支撑，共设6道支撑结合两道换撑。深厚富水砂层深基坑施工风险高、技术难度大、结构受力复杂。以某城市地铁深基坑工程为依托,通过现场测试和数值模拟方法,研究了深厚富水砂层排桩挡墙深基坑施工变形特性。研究结果表明:排桩挡墙水平位移分布曲线随开挖深度按斜线形—弓形—倒V形路径演变;排桩挡墙最大水平位移及其位置与开挖深度的关系可用线性函数描述,最大水平位移Ux,max约为（0.03%～0.15%）he（he为开挖深度）,最大水平位移位置Hx,max约为（0.4～1.0）he;地表竖向位移随时间近似呈倒S形曲线分布,地表竖向位移沿横向水平距离呈凹槽形分布,沉降槽宽度约为（1.0～2.0）he,最大地表竖向位移位置距基坑边沿水平距离约为（0.30～0.50）he;保证止水帷幕施工质量及其防渗效果、重视并充分发挥基坑施工监测的预判和反馈作用有利于深厚富水砂层深基坑施工安全。
        本场地地基土属于中软场地，场地类别为III类。车站范围内地基土划分为5个大层，13个亚层。土层总体特征是:高含水量和大孔隙比、高压缩性、低强度，粉土、砂土透水性好，易产生流砂。车站附近有U型槽、地下水泵房工业建筑，尤其是车站北沿市民中心大楼2#、3#、6#出入口采用人工方式开挖，对开挖期间维持基坑的稳定、安全带来一定的难度，地下管线也较为复杂。

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车站南侧有一规划的用地，在车站基坑围护施工期间，该规划用地同时开始基坑围护施工。基坑施工完成后，从地面到15m深度处实测土压力非常小，接近0。通过查阅资料分析造成此种土压力分布的原因有:
        (1)该基坑施工时采取了坑外降水措施，设计降水深度为地面下8m。该基坑施工的同时其北侧紧邻的波浪文化城基坑工程也在同时施工降水，距离该基坑水平距离10m多。两基坑降水结合在一起使得基坑主动区土体有效应力提高，砂质土层自稳能力比较明显;
        (2)由于地区的粉砂土降水后具有一定粘聚性，当基坑开挖使墙体产生倾斜位移时，墙体位移与土体变形不协调，形成墙体与土体间虚空的区段。墙体测斜位移大于土体的测斜位移约3～4mm。也就是说在基坑某深度范围处，土体和墙体的脱开导致实际测量的主动区土压力值较计算值小。土压力和水压力随着基坑开挖逐渐变小。一方面是因为基坑开挖过程中采取了坑外降水措施，实测地下水位约地面以下15m，使得水压力减小;另一方面，是由于围护结构变形增大，使得主动区土压力逐渐减小至朗肯主动土压力。根据前述的理论分析，由于土体是一种弹塑性材料，当土体变形达到极限平衡时，土体的土压力规律符合传统极限土压力理论，但实际土压力分布不可能趋近于零。为了解富水软弱地层沉桩过程中桩周水土压力变化规律,进而指导现场施工,开展沉桩过程中土压力和孔隙水压力现场监测分析。结果表明:沉桩过程中桩周孔隙水压力和土压力显著增长;孔压占比超过60%,最高达88%,易引起桩周有效应力损失,降低桩身稳定性;沉桩对桩周土压力影响范围较广,本项目实测中水平向影响范围为20倍桩宽;深度方向桩端距测点30倍桩宽开始影响孔隙水压力,距离10倍桩宽内影响显著增加;水土压力7 d后即可下降48%。在现场施工中,应通过控制沉桩速率、改变沉桩顺序等方法减小桩周挤土和孔压影响。
        以砂层深基坑成槽施工为研究背景,通过现场试验和数值模拟方法研究深厚砂层深基坑泥浆槽壁稳定性特征及其影响因素。研究结果表明:泥浆液面波动是诱发深厚砂层深基坑槽壁发生浅层失稳的重要原因,其失稳区域为顶面下2.0～7.5 m范围的粉土层和砂性土层;槽壁水平变形沿深度方向呈上大下小的非对称"鼓肚"形曲线分布,地表竖向变形沿横向水平距离呈"勺子"形曲线分布,最大沉降值位置距槽壁水平距离约(0.10～0.15)he(he为成槽深度),沉降槽宽度约为(1.0～1.5)he;提高泥浆液面高度、降低地下水位、合理设置槽壁加固体间距均有利于深厚砂层深基坑成槽槽壁稳定。研究成果可为同类工程深基坑槽壁稳定性控制和施工参数优化提供参考。
        3结论
        通过本文理论和实测的对比分析，主要得出如下结论。从理论上分析，基坑主动区实际土压力值介于主动土压力和静止土压力之间，当土体变形超过极限位移，达到极限状态时土压力为主动极限土压力。粉砂土地区基坑工程采用的坑外降水对基坑稳定性非常有益，降水后使得基坑主动区土体有一定自稳能力，减小了围护结构上的侧土压力分布，能有效控制基坑变形。根据朗肯土压力理论计算，基坑某一深度处侧土压力为主动土压力。而施工现场，粉砂土基坑工程坑外降水后，围护墙和外侧土体在某一深度范围存在一定程度的脱开情况，导致实测土压力趋于零。
        参考文献
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