深基坑工程中膨胀力设计取值分析

许亚军

(中铁隧道勘测设计院有限公司， 天津　300133)



深基坑工程中膨胀力设计取值分析

许亚军

(中铁隧道勘测设计院有限公司， 天津300133)

摘要：目前我国现行工程规范并未对膨胀土(岩)中深基坑工程的膨胀力设计取值给以明确规定，实际设计过程中膨胀力取值方法不一。以成都地铁3号线一期工程膨胀土(岩)范围明挖区间深基坑工程为例，对不同取值情况下设计结果与施工现场实测数据进行对比分析，找出实测值与理论计算值的对应关系，对于既能保证围护结构安全性又兼顾经济性的膨胀力设计值的选用具有较强的指导意义。

关键词：深基坑； 膨胀土(岩)； 膨胀力； 支撑轴力； 设计值； 实测值

0引言

膨胀土是指土中的黏粒主要成分是亲水矿物，具有明显吸水膨胀和失水收缩双重特性的黏性土[1]。吸水膨胀后的膨胀土如果受到周边约束，不能自由膨胀，便会在土体中产生膨胀力，膨胀力是基坑失稳和垮塌的关键因素。在我国的四川、湖北、贵州、广西等20多个省份都存在膨胀土，总面积在10万km2以上[2]，伴随市政及民用工程建设的快速发展，全国范围膨胀土地区的深基坑工程数量也在同步增加，基坑深度不断加大，不规则形状增加，设计中应考虑膨胀力作用，但目前行业内在基坑设计中，膨胀力的取值并没有统一的规定[3]。需要说明的是，深基坑挡土墙考虑膨胀土水平压力之后，工程造价将成倍增加。近年来随着膨胀土地区基坑安全事故的频繁发生，膨胀土基坑支护结构的设计问题才逐渐引起业内专家学者的重视与关注[4]，但国内对于膨胀土产生的水平力对基坑支护结构的作用及影响程度尚未形成共识[5]。目前多数专题研究侧重于大量的室内实验数据对比分析，研究不同条件下对应膨胀力的变化趋势且多集中在竖向膨胀力[6]对基础底部的作用，而在基坑支护设计中多是采取对勘察提供的膨胀力或指标参数考虑安全系数后运用，缺乏严格意义的指导依据[7]。综上所述，膨胀土地区作用在支护结构上的水平膨胀力取值大小，不仅要考虑工程的安全性，同时也要兼顾经济性的原则，这是目前做好基坑支护设计的难点。本文通过对膨胀力的不同取值进行理论计算分析，再根据现场基坑围护结构内力实测数据对理论计算结果进行对比分析，分析结果可为膨胀土地区深基坑设计参数取值提供一些指导。

1对比分析思路

以成都地铁3号线天回镇南站站前明挖区间基坑为依托进行研究分析。膨胀土遇水膨胀时沿各方向膨胀力大小是相同的，作用在围护结构上的膨胀力可按水平荷载考虑。设计中所取膨胀力设计值依据为现场勘察得出的土的物理力学性质，对应岩土规范确定膨胀力建议范围值，计算时取最大建议值的不同比例分工况进行计算分析。围护结构计算模型如图1所示，从模型可以看出作用在围护结构上的土压力由围护结构支撑轴力平衡，膨胀力设计值取值大小直接可由支撑轴力设计值得到反应。计算荷载取值时基坑周边超载取20 kPa，膨胀力根据地勘报告值取水平力作用在围护桩上计算，土压力按弹性法计算。现在的测量技术对工程现场的支撑轴力实际值的测量是相对准确的，故现在通过支撑轴力的实测值与设计值对比来反应出膨胀力对应值。支撑轴力设计值与设计所采用计算软件有一定关系；而现场膨胀力实际情况受施工措施影响较大，如果隔水措施及封闭措施做的好，膨胀力的实际值便会相对较小[8]。为了使本文对比分析具有普遍性，本对比分析基于以下条件进行。

1)围护结构计算中采用的膨胀力以及地质参数均以正式地质勘察建议值为依据。

2)计算软件采用理正深基坑7.3版软件。

3)现场施工严格按设计要求，能及时做好封闭和排水措施，控制好地层含水量。

2不同取值条件下支撑轴力设计值

天回镇南站站前明挖区间位于岷江三级阶地，是成都地区典型的膨胀土分布区域[9]。现场岩芯照片如图2所示。

根据勘察报告揭示，本明挖基坑范围地层主要为〈4-1-1〉黏土及〈5-1〉全风化泥岩；其中黏土自由膨胀率(FS)=21%～64%,平均值为52%；蒙托石含量为7.5%～16.3%,平均含量为14.02%；阳离子交换量

为145.00～259.00 mmol/kg，为弱膨胀土，试验条件下膨胀力为8.3～180.01 kPa,平均值为101.70 kPa；全风化泥岩自由膨胀率(FS)=40%～53%,平均值为46%；蒙托石含量为8.9%～14.0%,平均含量为12.30%；阳离子交换量为175.00～218.00 mmol/kg，为弱膨胀岩，试验条件下膨胀力为45.2～131.7 kPa,平均值为71.5 kPa。岩土物理力学指标见表1。

图1　围护结构计算模型

图2　现场岩芯照片

地层代号岩土名称时代与成因天然密度ρ/(g/cm3)天然含水量w/%孔隙比e黏聚力c/kPa内摩擦角φ/(°)压缩系数α0.1～0.2/(MPa-1)压缩模量Es0.1～0.2/MPa渗透系数K/(m/d)侧压力系数ξ<4-1-1>黏土1.9522.00.65532.516.50.1611.50.00750.44<5-1>全风化泥岩<5-2>强风化泥岩K2g2.0028.50.87434.016.00.3216.20.23510.412.1515.065.029.00.1016.00.027～2.010.35

该明挖基坑呈狭长条形，其中长度约为150 m，宽度约为20.2 m，标准段深度为11.2 m，采用桩加内支撑的支护形式，基坑围护结构横断面如图3所示。采用不同膨胀力取值条件支撑力设计值进行计算，以勘察测试得出土的物性指标对应规范手册建议值中最大膨胀力为基准，分别取最大膨胀力的不同比例作为水平荷载加载到围护结构上进行计算。

图3　明挖区间基坑横断断面图(单位： mm)

根据上述方法，按膨胀力取值不同分4种工况分别进行计算。

工况1： 取100%最大膨胀力作用，此时黏土层膨胀力为180.01 kPa，全风化岩层膨胀力为 131.7 kPa。

工况2： 取60%最大膨胀力作用，此时黏土层膨胀力为108.0 kPa，全风化岩层膨胀力为79.02 kPa。

工况3： 取30%最大膨胀力作用，此时黏土层膨胀力为54.0 kPa，全风化岩层膨胀力为39.51 kPa。

工况4： 取0%最大膨胀力作用，此时黏土层膨胀力为0，全风化岩层膨胀力为0。

在计算软件中输入计算参数后，得到不同工况下围护结构内力包络图，如图4—7所示。

(a) 支反力(单位： kN)(b) 弯矩(单位： kN·m)(c) 剪力(单位： kN)

图4不考虑膨胀力作用下围护结构内力包络图

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

(a) 支反力(单位： kN)(b) 弯矩(单位： kN·m)(c) 剪力(单位： kN)

图530%最大膨胀力作用内力包络图

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

(a) 支反力(单位： kN)(b) 弯矩(单位： kN·m)(c) 剪力(单位： kN)

图660%最大膨胀力作用内力包络图

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

由计算结果可知： 在不同膨胀力取值条件下，2道支撑的轴力设计值统计如图8和图9所示。

3现场监测取值结果

该基坑呈长条形布置，平面长度150 m范围内断面无变化，按间距30 m左右取5个断面进行监测，在整个施工开挖过程中全程开展监测工作，本次分析需要采集内支撑轴力值，采用仪器为轴力计，轴力计型号为YT-ZX-1030，采用读数仪(YT-RG-01)读数。轴力计大样及现场图片分别如图10和图11所示。

(a) 支反力(单位： kN)(b) 弯矩(单位： kN·m)(c) 剪力(单位： kN)

图7100%最大膨胀力作用内力包络图

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

图8　第1道支撑各工况下轴力设计值

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

图9　第2道支撑各工况下轴力设计值

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

监测工作从开始架撑开始，持续到支撑拆除，其中第1道和第2道支撑的预加轴力值为250 kN和700 kN，监测数据采集每天进行一次，起止日期为2013年4月27日—9月2日，持续时长4个月，测点分布在5个不同断面上，每个断面设置2个测点，共设置10个测点，一共采集数据852个。监测轴力随开挖工序而变化情况，平均每个测点采集数据85个，其中第1道支撑最大轴力出现在开挖至第2道支撑架撑位置时，各测点出现最大值的时间分别是5月20日、6月11日、6月23日、7月18日、8月2日；第2道支撑最大轴力出现在开挖至坑底时，各测点出现最大值的时间分别是6月7日、6月28日、7月16日、8月4日、8月20日。现在取每个测点监测的最大轴力进行统计，反应出各测点的最大监测轴力值，数据情况如图12和图13所示。

图10　轴力计照片

4对比分析

根据上述理论计算，第1道支撑在考虑100%最大膨胀力值时所得支撑轴力是不考虑膨胀力的334%，第2道支撑对应为173%。可见膨胀力对围护结构的影响是非常明显的，围护结构配筋所产生的经济指标变化也是较大的，由此可见选用膨胀力大小直接影响围护结构的概算指标。从现场实测值可以看出实测支撑轴力在一定范围内变化，实测值介于考虑30%最大膨胀力和完全不考虑膨胀力的计算值之间，如果考虑30%最大膨胀力，那么计算轴力值便能完全包络现场实测值；而且通过现场观察，监测值大的位置存在有少量管线漏水，可见膨胀土的膨胀力与其是否和水隔绝密切相关。

图11　现场基坑图片

图12　第1道支撑不同测点轴力数据统计图

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

图13　第2道支撑不同测点轴力数据统计图

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

在设计计算中如果考虑100%最大膨胀力时，计算值与实测值之间差距达60%，不符合实际情况，设计经济性差；如果完全不考虑膨胀力作用，实测值会出现超过计算值的情况，基坑不安全，存在倾覆危险。所以设计中适当考虑膨胀力取值，如本文论述的考虑最大膨胀力建议值30%参与计算，与实测值基本相符，同时也能保证安全。

5结论与建议

通过上文分析可形成以下结论，可供成都膨胀土地区深基坑设计作为参考。

1)在成都膨胀土地区深基坑围护结构设计计算中需要考虑膨胀力作用[10]，具体可选取经现场勘察确定膨胀土物性参数所对应的最大膨胀力建议值的30%及以上。

2)根据监测情况，膨胀力的产生及变化趋势与现场是否和水隔绝有直接关系，设计中要充分考虑隔水措施，一定程度上会减小支撑所承受的侧压力，提高基坑稳定的安全系数。

3)膨胀土地区膨胀力的大小受影响因素较多，但同一地区的膨胀土的力学特性表现会稳定在一个基本范围内，建议在开展设计工作前多收集周边类似基坑监测数据用于参考及数据分析，会对设计基坑支护参数具有安全性兼顾经济性的指导意义。

4)现行规范对基坑设计时膨胀力取值未作详细规定，设计在计算取值时存在一定随意性，需进一步开展统计和实测工作，以便在下一次规范修订时对基坑设计中膨胀力取值给出明确规定。

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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

中图分类号：U 45

文献标志码：A

文章编号：1672-741X(2016)04-0418-07

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

作者简介：许亚军(1977—)，男，河南济源人，1999年毕业于辽宁工程技术大学，水文地质及工程地质专业，本科，高级工程师，从事山岭隧道勘察及地下工程施工监测及隧道施工超前地质预报工作。E-mail: 82784055@qq.com。

收稿日期：2015-12-07； 修回日期： 2016-02-20