降雨条件下膨胀土地层基坑支护结构的变形分析

郑 磊,周盛全

(1.安徽公共资源交易集团项目管理有限公司,安徽 合肥 230001;2.安徽理工大学 土木建筑学院,安徽 淮南 232001)

由于膨胀土含有粘粒及亲水性较强的蒙脱石、伊利石和高岭土等黏土矿物成分,具有失水收缩和吸水膨胀等物理特性[1]。其矿物成分具有较强的亲水性,因内部结晶质排列不同,与水结合时体积变化也存在差异。原因在于水渗入晶层之间会形成水膜夹层引起晶格扩张,导致土体膨胀;反之失水收缩干裂[2]。吸水膨胀后的膨胀土若受到周边约束不能自由膨胀,便会在土体中产生膨胀力[3],降低安全性。

膨胀土地层基坑工程在降雨等外部环境的影响下会在支护结构上形成附加应力场,降低基坑工程的安全性[4]。为了验证膨胀作用力对深基坑支护结构变形与受力影响程度,在进行基坑开挖数值模拟时加载一定的水平膨胀力,得出相应的支护结构变形和内力计算值,对比现场监测数据,可对设计与施工起到一定的参考作用。

1 工程概况

1.1 工程设计概况

合肥市轨道交通5号线四川路站为地下双层双跨、局部双层三跨岛式站台车站,为箱形框架结构。车站长209 m,标准段宽19.7 m,基坑深约16.8 m,支护桩为桩长约22.1 m的Ф800@1100钻孔灌注桩。基坑共设置3道支撑,其中第1道为钢筋混凝土支撑,第2道和第3道均为Ф609钢管支撑。

1.2 工程地质情况

四川路站主要地层工程特征及物理力学指标见表1。车站基坑坑底和桩底均位于⑥2黏土层,含大量亲水性矿物,裂隙发育,是一种典型的膨胀土地层,具有中等偏弱膨胀性。

表1 四川路站主要地层工程特征及物理力学指标

2 现场监测数据分析

2.1 桩顶水平位移现场监测数据分析

桩顶水平位移监测点总共布设了26个,编号为ZQS1～ZQS26。其中,ZQS1、ZQS2、ZQS3、ZQS4、ZQS20测点在施工过程中遭到严重破坏,无法正常监测。为简化分析过程,现只选取基坑标准段中具有代表性的4个监测点ZQS6、ZQS12、ZQS16、ZQS23进行分析研究。通过对现场监测数据处理,得到2018年4月份现场桩顶水平位移变化曲线如图1所示。

图1 2018年4月份现场桩顶水平位移变化曲线

从图1可以发现,编号ZQS6、ZQS12、ZQS16、ZQS23监测点最大水平位移值分别为4.3、3.5、3.9、5 mm。在2018年4月21日—4月23日,由于受外界降雨天气的影响,4个监测点的桩顶水平位移值有一定程度的增大,但下雨过后又逐渐减小并趋于正常水平。

2.2 桩体深层水平位移现场监测数据分析

测斜孔总共布设了26个,编号为ZQT1～ZQT26。其中,编号为ZQT1和ZQT26的测斜孔在施工过程中遭到严重破坏,无法正常监测。为了简化分析过程,现在只选取基坑标准段中具有代表性的2个测斜孔ZQT15和ZQT18进行分析。通过处理现场监测数据,得到2018年4月份2个测斜孔的桩体深层水平位移变化曲线分别如图2～3所示。从图2和图3可以发现,由于受外部降雨影响,ZQT15和ZQT18的测斜孔最大桩体深层水平位移值分别达到40.85、25.18 mm。2个测斜孔的桩体深层水平位移值在4月22日—4月23日波动比较大。

图2 ZQT15桩体深层水平位移变化曲线

图3 ZQT18桩体深层水平位移变化曲线

2.3 钢支撑轴力现场监测数据分析

共布设8组钢支撑轴力计,分别设置在第2道和第3道钢支撑上,编号为ZCL01～ZCL08。为简化分析过程,现在基坑标准段第2道和第3道钢支撑上分别选取1个具有代表性的轴力计ZCL02和ZCL06作为分析对象。2道钢支撑轴力值变化曲线如图4所示。由图4可知,因为基坑基本见底,钢支撑轴力值基本处于稳定状态,波动较小。但受降雨天气的影响,4月22日ZCL02钢支撑的轴力值达到1 467.3 kN,4月23日ZCL06钢支撑的轴力值达到818.4 kN。此外,钢支撑轴力值在4月21日—4月23日有一定程度的增大,波动较大。

图4 2道钢支撑轴力值变化曲线

3 基坑开挖数值模拟计算分析

3.1 膨胀力加载模型及取值大小的确定

膨胀力的分布应满足如下条件：①膨胀力不能在地表处形成,是土体体积膨胀受到周围土体限制后所产生的内应力,随着深度增大而增大;②膨胀力沿基坑深度方向分布[5];③基坑底面处膨胀力较小。随着基坑深度增加,湿度变化变小,土体密实度增大,雨水入渗较为困难,膨胀力将逐渐减小[6]。

目前,加载模型主要包括上三角形模型、全三角形模型、梯形模型、矩形模型和湿度场模型。对比分析发现,根据湿度场建立的膨胀土压力模型符合现场实际情况。该模型的分布范围为整个开挖深度范围,基底以下取1～2 m,方向为水平作用于基坑支护结构临空面上[4],模拟膨胀力取值采用室内实验标准值的30%基本合理[5]。

湿度场模型图形不规则,为便于模拟计算,现将湿度场模型简化成三角形,膨胀力加载简化模型如图5所示。通过查阅本标段岩土工程勘察报告得到膨胀力室内实验标准值(P)为67.6 kPa,水平膨胀力计算值取30%P。

图5 膨胀力加载简化模型

3.2 基坑开挖模型的建立及计算工况

1)运用Midas GTS/NX有限元软件[7-8]建立基坑开挖三维模型,从而实现基坑开挖过程的数值模拟计算分析,土体采用莫尔-库仑本构模型,桩体和钢支撑采用弹性本构模型,并定义各施工阶段。

由圣维南原理可知,基坑对周围土体的影响将随着开挖面远离开挖部位而逐渐消失。按照工程经验及有限元计算结果,本基坑的开挖影响宽度为开挖深度的3～4倍,影响深度为开挖深度的2～4倍[9]。四川路站基坑标准断面尺寸为209 m(长)×19.7 m(宽),深度约为16.8 m。按照工程经验分析,最终确定该基坑开挖模型为276 m(长)×87 m(宽)×50 m(深)的长方体模型。由于基坑周边建筑物均不在影响范围内,地面超载按照设计值30%P计算,作用在基坑周围土体影响范围内。边界条件使用模型的侧边限制水平位移,底面限制垂直位移,地表不作为自由表面限制位移。支护桩采用板单元进行模拟,钢支撑采用桁架单元来模拟。由于在模拟计算过程中,支护桩所形成的网格量非常庞大,造成计算不便,所以按照排桩与地连墙抗弯刚度相等的原理,将支护桩等效为地下连续墙形式来简化计算过程,受力形式与地下连续墙类似。

如果采用直径为D的桩,两个桩边缘之间的间距为t,则把桩等效为长度为(D+t)的连续墙,根据抗弯刚度相似理论,根据式(1)计算后的地下连续墙厚度为35 cm。

(1)

2)根据现场实际施工情况,将基坑开挖过程划分为4个工况[10]。工况1,基坑开挖至2 m深度时,及时施作第1道钢筋混凝土支撑;工况2,基坑开挖至8.8 m深度时,及时架设第2道钢支撑;工况3,基坑开挖至14.8 m深度时,及时架设第3道钢支撑;工况4,基坑开挖至16.8 m深度时,及时浇筑钢筋混凝土底板。

3.3 加载膨胀力时的基坑开挖数值模拟计算结果分析

由于受到降雨等外部环境影响,基坑支护结构上产生膨胀力附加应力场[11]。为了简化模拟计算过程,在模拟基坑开挖过程中按照湿度场模型对支护结构加载30%P的水平膨胀力。由数值模拟结果可知,基坑周边的土层沉降量和位移量随着基坑开挖深度增大而增大。

1)基坑支护桩桩体位移分析。工况4端头桩、标准段桩体位移云图如图6～7所示。

图6 工况4端头桩桩体位移云图

图7 工况4标准段桩体位移云图

通过云图对比发现,随着基坑开挖深度增大,支护桩桩体变形值越来越大。支护桩桩体变形值在基坑见底后达到最大值。端头桩桩体位移最大值达到27.9 mm,基坑标准段支护桩桩体位移最大值达到28.5 mm。

2)钢支撑轴力峰值变化分析。工况4钢支撑轴力变化云图如图8所示。从图8可以发现,随着开挖深度增大,钢支撑轴力值也不断增大。第2道钢支撑轴力值在基坑开挖见底后达到最大值1 503.8 kN;第3道钢支撑横撑最大轴力值为1 142.9 kN。

图8 工况4钢支撑轴力变化云图

4 现场监测数据和数值模拟计算结果间的对比分析

4.1 桩顶水平位移现场监测值与模拟值的对比分析

以ZQS6和ZQS23监测桩为研究对象,桩顶水平位移现场监测值和模拟值如图9所示。

图9 桩顶水平位移现场监测值和模拟值

从图9可以发现,数值模拟结果与现场监测值较为接近,且变化趋势一致,说明模拟值是合理的。通过对比发现,降雨条件下膨胀土地层形成了膨胀土附加应力场,从而导致基坑支护结构的安全性降低。因现场工况复杂多变,实际基坑开挖过程中可能存在超挖和钢支撑架设不及时现象,所以现场监测值相对偏大,没有模拟值规律性强。

4.2 桩体深层水平位移现场监测值与模拟值的对比分析

由于4月21日—4月23日期间多雨,基坑周围土体在支护结构上产生膨胀土附加应力场作用。4月23日降雨量较大,为了简化分析过程,特以此日桩体深层水平位移监测数据作为分析研究对象。分析测斜孔ZQT15和ZQT18的监测数据,得到桩体深层水平位移变化曲线,再将其与数值模拟结果进行对比,得到两者的变化关系曲线如图10～11所示。

图10 ZQT15桩体深层水平位移现场监测值和模拟值

图11 ZQT18桩体深层水平位移现场监测值和模拟值

从图10～11可以看出,由于受降雨天气的影响,ZQT15和ZQT18两个测斜孔的监测值数据在4月23日显著增大,然后又逐渐降低,并趋于稳定状态。ZQT15和ZQT18的测斜孔现场监测数据和模拟值较为接近,且两者桩体深层水平位移变化趋势基本吻合,表明数值模拟计算结果是合理的。

4.3 钢支撑轴力模拟值与现场监测值对比分析

对4月15日—4月30日第2道和第3道钢支撑轴力的现场监测值进行分析,得到基坑见底后编号为ZCL02和ZCL06轴力计的轴力峰值。各道钢支撑轴力现场监测值峰值和模拟值峰值汇总见表2。由于基坑开挖工作基本完成,钢支撑轴力在4月15日—4月30日处于相对稳定状态,轴力值波动非常小。但是,受外部降雨等条件的影响,钢支撑轴力值在4月21日—4月23日出现波动,钢支撑轴力值略有增加。其中,ZCL02、ZCL06的钢支撑轴力值于4月22日达到峰值,轴力值分别达到1 467.3、818.4 kN。现场监测值和模拟值比值系数处于1.03～1.4内,两者是基本相符的。

表2 各道钢支撑轴力现场监测值峰值和模拟值峰值汇总

5 结论

根据湿度场简化模型进行膨胀土地层基坑开挖数值模拟计算是可行的,现场监测数据和模拟值基本吻合。由于受到降雨等外部环境的影响,膨胀土地层基坑支护结构上将形成膨胀土附加应力场,导致基坑支护结构的变形值和内力值均有一定程度增加。在降雨天气的影响下,膨胀土地区基坑支护结构安全稳定性有一定程度降低,进行基坑支护设计时应考虑膨胀力的作用,不可忽略不计。