膨胀土地层地铁车站基坑围护结构稳定性探讨

杨圣春，许有俊，孙海枫

(1.内蒙古科技大学，内蒙古 包头 014010;2.西南交通大学，四川 成都 610031)

膨胀土地层地铁车站基坑围护结构稳定性探讨

杨圣春1，许有俊1，孙海枫2

(1.内蒙古科技大学，内蒙古 包头 014010;2.西南交通大学，四川 成都 610031)

在膨胀土地区修建地铁车站，基坑的开挖、围护是一项工程难题。受基坑开挖对膨胀土的扰动影响，地表水渗入后，丰富的裂隙吸水膨胀，导致膨胀土的压缩模量、抗剪强度等力学指标降低，造成围护桩桩体变形增大、横撑轴力增加。本文采用有限差分软件FLAC模拟分析膨胀土的压缩模量、抗剪强度指标降低时围护桩体水平位移的变化规律，并分析地铁车站施工监测得到的实测桩体水平位移、横撑轴力的数据，结合工程实践提出控制围护结构稳定性的措施。

膨胀土 地铁车站 基坑 围护结构

1 工程概况

成都地铁川师站位于成龙路和菱安路路口东北角的地块内，呈东北、西南方向布置。川师站基坑深度为27.72 m，车站总长为157 m，基坑宽度为22.5 m(包括两侧围护桩各外放100 mm)。主体围护结构形式为: φ1 200钻孔灌注桩+内支撑相结合形式。钻孔灌注桩桩间距根据计算按1 600 mm排列，主体围护桩插入深度为5 m，局部出入口悬臂桩插入深度约为9 m。内支撑采用钢管撑，水平间距为2.5～5.0 m。

2 工程地质

川师站地处成都平原区与龙泉山低山丘陵区过渡带，处于川西平原岷江水系Ⅲ级阶地，主要为山前台地地貌，次为剥蚀型丘、岗、谷地貌。

车站范围内特殊岩土为人工填土、膨胀土、膨胀岩和风化岩。

车站范围内人工填筑土为素填土〈1-1〉和杂填土〈1-2〉，以卵石土和碎石土、黏性土为主，充填大量建筑垃圾，一般未经压实，广泛分布于车站地表，厚2～6 m。该层土均一性差，多为欠压密土，结构疏松，具有强度低，压缩性高，受压易变形、渗透系数变化大等特点。

车站表层人工填土之下成层分布的为淤泥质土及黏性土:〈2-1〉淤泥质土、〈3-1-2〉黏土、〈4-1〉黏土，以下为〈5-1-1〉全风化泥岩。根据室内试验:〈2-1〉淤泥质土，阳离子(NH4+)交换量为 172.50～297.4 mmol/kg，蒙脱石含量为11.43% ～17.20%，自由膨胀率41%～60%;〈3-1-2〉黏土，阳离子(NH4+)交换量为145.80～287.7 mmol/kg，蒙脱石含量为11.43% ～21.50%，自由膨胀率47% ～68%。根据区域地质以及室内试验资料综合判定:〈2-1〉淤泥质土、〈3-1-2〉黏土、〈4-1〉黏土、〈5-1-1〉全风化泥岩为弱～中等膨胀土。

车站下伏基岩为白垩系上统灌口组(K2g)泥岩，具有遇水膨胀、软化、崩解，失水收缩、开裂的特点。据本次勘察所取泥岩的试验资料，饱和吸水率10.15%～56.19%，膨胀力52～181 kPa;自由膨胀率14% ～43%。

3 数值模拟分析

根据成都地铁川师站的特点，建立数值分析模型，分析膨胀土受水浸湿后压缩模量降低、抗剪强度指标降低对支护结构的变形产生的影响。

采用二维平面模型，开挖基坑宽22 m，深28 m，围护桩长度33 m。

基坑开挖数值计算模型如图1所示。实行分层开挖，第1层挖深6 m，第2层挖深5 m，第3层挖深6 m，第4层挖深5 m，第5层挖深6 m，合计28 m到基坑底面。

围护结构参数:围护桩的杨氏弹性模量 E= 31 GPa，直径φ=1 200 mm，泊松比μ=0.2。

钢管横撑的杨氏弹性模量E=210 GPa，直径φ= 609 mm，壁厚t=16 mm，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。

图1 数值计算模型

根据《川师站详勘阶段岩土工程勘察报告》中岩土物理力学指标设计参数建议值表，川师站土层物理力学参数取值参见表1。

试验表明，土吸水愈多膨胀量愈大，其强度降低愈多，俗称“天晴一把刀，下雨一团糟”，膨胀土在水浸后，压缩模量、抗剪强度指标降低，将对支护结构的受力和变形产生影响，桩体变形增大。

大量试验数据分析表明，桩水平位移增加值与膨胀土压缩模量降低值的变化关系可用公式表示为

表1 川师站土层物理力学参数

式中:u为桩体水平位移，mm;Es为压缩模量，MPa。

由图2可知，桩体水平位移会随着膨胀土内摩擦角的减小而增大，当膨胀土内摩擦角＜10°以后再继续减小，桩体位移将会急剧增大;随膨胀土黏聚力减小桩体水平位移不断增加。

图2 内摩擦角、黏聚力与桩体水平位移变化曲线

通过分析以上计算结果可见:膨胀土的压缩模量、内摩擦角及黏聚力减小均对桩体水平位移产生影响。因此在施工时应尽量减少对膨胀土的扰动，尽量减少浸水导致压缩模量及抗剪强度指标的降低。

4 现场监测数据分析

横撑轴力、围护桩体水平位移监测测点布置见图3，监测横断面沿基坑长度方向间隔一道横撑布置。

从测斜管桩体水平位移曲线及桩体水平位移—时间曲线(见图4)可知，雨水从地面裂隙浸入，导致桩体水平位移增大，横撑轴力增加。施工单位采取地表注浆加固措施，浆液填充膨胀土裂隙，在水的浸泡下，导致膨胀土强度进一步降低，作用在围护结构上的侧压力增大，引起桩体水平位移急剧增大。施工单位根据监测数据反馈的信息，立即采取了加密架设钢支撑措施，对桩体变形进行了控制。

图3 车站基坑监测横断面布置

从横撑轴力—时间曲线(图5)可知，横撑轴力急剧增大，马上加密横撑，横撑轴力变化渐渐趋于稳定，这一点从图4桩体水平位移监测曲线中得到证实。

图4 第四断面桩体水平位移—时间曲线

图5 横撑轴力—时间曲线

5 施工存在的问题及处理措施

1)施工过程中存在的问题:①基坑周边地表产生裂缝，未做好地表防水处理，雨水及施工用水渗入地面以下;②基坑开挖后，在地表进行注浆加固，膨胀土裂隙丰富，浆液四处渗透，导致膨胀土抗剪强度降低，桩体变形急剧增大;③施工未按规范操作，横撑架设后未及时施加轴力控制桩体变形，导致桩体变形较大。

2)处理措施:①由于膨胀土具有与一般土层的不同特性——遇水膨胀、强度降低，因此应选择在开挖前对土层进行地表注浆预加固，让水泥砂浆对膨胀土裂隙进行填充，提高膨胀土的物理力学性质后，再进行基坑开挖，尽量不在基坑开挖后进行地表注浆;②对地面进行防水处理，防止地表水浸入;③基坑开挖后及时喷浆护面，缩短膨胀土与大气的接触时间;④膨胀土受水浸湿后膨胀，但给膨胀土一个约束力则可以限制其水平向膨胀，降低膨胀土膨胀对围护结构造成的危害。适当加密横撑，避免横撑因受力过大而失稳，可以控制桩体水平位移在允许范围内。

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(责任审编 赵其文)

U231.4

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.17

2015-05-31;

:2015-08-06

内蒙古自治区自然科学基金(2012MS0713)

杨圣春(1978— )，男，讲师，硕士。

1003-1995(2015)11-0055-03