膨胀土地层地铁车站基坑围护结构受力与变形分析

徐仁中，袁顺德

( 1．中铁西北科学研究院有限公司，甘肃兰州　730000; 2．中铁西南科学研究院有限公司，四川成都　611731)



膨胀土地层地铁车站基坑围护结构受力与变形分析

徐仁中1，袁顺德2

( 1．中铁西北科学研究院有限公司，甘肃兰州730000; 2．中铁西南科学研究院有限公司，四川成都611731)

摘要:成都地铁天回镇南站位于膨胀土地层，基坑周边膨胀土在上层滞水浸泡下产生膨胀力作用于车站基坑围护结构上，在基坑开挖过程中围护桩体变形过大，桩端出现踢脚现象，极易导致围护结构体系失稳。针对这种情况，采用FLAC差分软件对车站围护结构及基坑开挖进行模拟计算，分析该膨胀土地层围护桩的合理插入深度及横撑轴力增量、桩体最大位移、桩端位移随膨胀力变化的规律，并提出确保围护结构稳定的应对措施。

关键词:膨胀土地铁车站深基坑围护结构受力变形

1　工程概况

成都地铁3号线天回镇南站位于成都军区总医院门前的川陕公路下方，车站主体沿川陕路布置，呈南北走向。车站长205. 7 m、宽36. 5 m、深18 m，顶板覆土约3 m。场地属于岷江水系Ⅲ级阶地。经勘察表明，场地土由第四系全新统人工填土层( Q4ml)、第四系中下更新统冰水沉积层( Q1fg+l2)及白垩系上统灌口组( K2g)基岩组成。地下水主要有2种类型:一是赋存于填土里的上层滞水，二是基岩裂隙水。渗透系数K约为0. 027～2. 01 m/d，平均为0. 44 m/d。属弱～中等透水层。

根据室内试验:白垩系上统灌口组K2g全风化泥岩自由膨胀率为40%～50%，平均值为43. 70%，蒙脱石含量为7. 8%～11. 4%，平均含量为9. 00%，阳离子交换量为185. 00～226. 00 mmol/kg，平均为199. 30 mmol/kg，试验条件下的膨胀力为21. 70～43. 80 kPa，平均值为36. 30 kPa; K2g强风化泥岩自由膨胀率为9%～36%，平均值为26. 67%，膨胀力5. 30～40. 70 kPa，平均值21. 95 kPa; K2g中等风化泥岩自由膨胀率为17. 0%～41. 0%，平均值为28. 71%，膨胀力10. 04 ～117. 45 kPa，平均值为46. 89 kPa，饱和吸水率7. 40%～11. 77%，平均值为9. 00%。

2　数值分析

2. 1计算模型及土层参数

成都地铁3号线天回镇南站车站长205. 7 m、宽36 m，位于膨胀土地层中，通过数值模型分析膨胀土的膨胀力对支护结构体系的受力与变形所产生的影响。

建立如图1所示二维平面模型进行模拟，开挖基坑宽B = 36 m，深H = 18 m，围护桩桩径为1. 0 m、长度L = 22 m。基坑开挖实行分层开挖，第一层开挖深度6 m，第二层开挖深度6 m，第三层开挖深度6 m，合计18 m到基坑底面，共架设三层φ609 mm厚16 mm钢管横撑。

图1数值计算模型

基坑围护结构参数:围护桩的杨氏弹性模量E = 30 GPa，泊松比μ= 0. 22。

钢管横撑的杨氏弹性模量E = 210 GPa，泊松比μ=0. 2。基坑围护结构和支撑采用弹性模型，岩土材料采用莫尔—库伦模型。

依据《成都地铁3号线一期工程详细勘察阶段天回镇南站岩土工程勘察报告》，土层物理力学参数取值见表1。

2. 2计算分析

膨胀土在浸水后产生膨胀力，对支护结构的受力和变形产生影响，下面从膨胀力与桩体最大位移、桩端位移、横撑轴力之间的关系进行分析。

表1天回镇南站土层物理力学参数

1)桩端位移与插入深度的关系(图2)

图2桩端位移与插入深度的关系

由图2可知:在相同膨胀力作用下，桩端位移随插入深度的增加而减小;在不同膨胀力作用下，从桩端位移与桩的插入深度关系曲线可以得出桩端插入坑底深度＞0. 44H( H为基坑开挖深度)时，桩端位移为0，踢脚现象消失。

2)横撑轴力的增量与膨胀力的关系

一般认为，围护桩插入深度为4 m( 0. 22H)时桩端锚固力最小，处于最不利工况，故以插入深度4 m时横撑轴力的增量与膨胀力的关系进行曲线拟合，得出横撑轴力的增量与膨胀力的线性表达式(见图3)。图3还给出了围护桩不同插入深度时横撑轴力增量与膨胀力的关系。

由图3可知，第一层横撑轴力的增量与膨胀力的计算公式为

第二层横撑轴力的增量与膨胀力的计算公式为

第三层横撑轴力的增量与膨胀力的计算公式为

式中: P为膨胀力。

图3横撑轴力增量与膨胀力的关系

根据上面的公式可以在基坑水平支撑的设计中按照横撑轴力增量与膨胀力的关系调整横撑的设计参数如竖向间距、水平间距、预加轴力来增加围护结构的稳定性保证基坑开挖的安全。

3)桩体最大位移增量与插入深度的关系(图4)

图4桩体最大位移增量与插入深度的关系

由图4可知，桩体最大位移增量随桩的插入深度增加而减小，说明增加桩的插入深度不仅能很好地控制桩端位移，而且能减小桩体最大位移。

3　车站基坑监测结果

围护桩典型水平位移监测结果如图5所示。可知车站围护桩插入基坑底面以下深度设计值为4 m ( 0. 22H)，通过监测围护结构桩内的18#(桩体)，24#(桩端)测斜管水平位移，桩体水平位移最大值达到46. 67 mm，桩端位移达到39. 5 mm，大大超过预警值。经分析由于车站基坑位于膨胀土地层中，基坑开挖后基坑周边坑底以上存在上层滞水和地表水补给，膨胀土在水的浸泡下产生膨胀力，使桩体产生较大的水平位移，引起桩端发生踢脚现象。

图5围护桩桩体水平位移监测曲线

根据数值分析和施工监测结果，可见膨胀土地层中桩端插入深度0. 22H( H为基坑开挖深度)时，由于桩体锚固深度不能满足受力要求，桩端发生踢脚现象，并使基坑侧壁出现2～8 mm的多条裂缝，显现围护结构体系即将失稳的险情。通过调整横撑的横向间距和竖向间距，加密横撑以及补打锚固树根桩，最终使险情得以控制，顺利完成车站主体结构的浇筑。

4　结论与建议

1)桩端位移随围护桩插入基坑底深度的增加而减小，在不同膨胀力作用下，围护桩插入深度需大于0. 44H( H为基坑开挖深度) ;在相同膨胀力作用下增加桩的插入深度不仅能减小桩端位移也能减小桩体最大位移增量。

2)在膨胀土地层中，应根据岩土工程勘察报告提供的膨胀力在设计时参照横撑轴力增量与膨胀力的关系调整横撑设计参数。

3)膨胀土易受外部环境影响，施工期间应加强监测及时反馈监测结果，供施工单位决策并采取措施排除隐患控制险情。

4)膨胀土作为特殊土受水浸泡后，不但土体发生软化强度降低，而且吸水膨胀产生膨胀力作用在围护结构上，导致基坑围护结构稳定性降低，因此必须做好地表防排水工作，基坑开挖后应及时网喷混凝土，封闭开挖面，隔断与大气环境的联系。

参考文献

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(责任审编孟庆伶)

Analysis of stress and deformation in enclosure structure of metro foundation pit in expensive soil stratum

XU Renzhong1，YUAN Shunde2
( 1．Northwest Research Institute Co．，Ltd．，China Railway Engineering Corporation，Lanzhou Gansu 730000，China; 2．Southwest Research Institute Co．，Ltd．，China Railway Engineering Corporation，Chengdu Sichuan 611731，China)

Abstract:Chengdutianhui town south metro station is located in the expansive soil layer．T he expansive soil surrounding foundation pit and soaking by the upper perched water produced expansion force applied to the station foundation pit retaining structure．During the excavation，the supporting pile deformation is too large and kicking phenomenon occurs in pile ends，which are easy to result in the enclosure structure system instability．Aimed at this situation，conducting the simulation calculation for the station enclosure structure and excavation by finite difference software-FLAC．Analysis the expansive soil layer supporting piles reasonable insert depth，the lateral brace axial force increment，the pile maximum displacement，and displacement laws of pile end changed with the expansion force to put forward the control measures．

Key words:Expansive soil; M etro Station; Deep foundation pit; Enclosure structure; Stress deformation

文章编号:1003-1995( 2016) 02-0084-04

作者简介:徐仁中( 1983—)，男，工程师，硕士。

收稿日期:2015-10-21;修回日期: 2015-11-20

中图分类号:TU94+2

文献标识码:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．21