徐州地区轨道交通深基坑含砂姜粘土层水土压力分析及应用*

耿培刚，王国良，郑亮亮

（1.徐州市城市轨道交通有限责任公司，江苏 徐州 221000；2.上海元易勘测设计有限公司，上海 201210）

在徐州局部地区，第四系更新统Q3地层时代的5-3-4层含有含量较多的钙质结核，定名为含砂姜粘土层［1］。目前行业仍视其为弱透水层或隔水层，渗透系数普遍在10－6～10－7m／s。对于渗透系数较小的土层（粘土、黏质粉土）可采用水土合算进行水土压力计算，对于渗透系数较大的土层（砂质粉土、粉土及碎石土）等应采用水土分算进行水土压力计算。故按照传统经验，徐州轨道交通深基坑含砂姜粘土层采用水土合算的方式更经济合理［2］。

另外根据工程经验，徐州部分地区5-3-4含砂姜粘土层透水性较强，渗透系数较大。徐州轨道交通1号线杏山子站在基坑开挖至5-3-4层含砂姜粘土层时降排水困难。另外在降水过程中，坑外水位下降明显，基坑外土体发生固结变形较大。徐州轨道交通2号线二环北路站抽水试验也发现水量较大的现象。这表明徐州局部区域5-3-4含砂姜粘土层具有较强的透水性，具有明显的水土分算特征［3］。

因此本文通过现场试验与理论计算，研究徐州地区轨道交通深基坑含砂姜粘土层水土分算或水土合算合理性，研究结果对围护设计的安全及经济性具有重要的意义。

1 现场试验

现场水土压力监测试验在徐州轨道交通2号线二环北路站进行，岩土工程勘察报告显示二环北路站出水量较为丰富。二环北路站基坑开挖深度约19m，采用地下连续墙作为围护结构。基坑影响范围内含有5-3-4含砂姜粘土层，层顶埋深在18.0～22.8m，厚约18.0～25.0m。土层主要由黏质粉土、黏土为主，其中5-3-4层褐黄色、硬塑，含有较多的砂姜，颗粒粒径在0.5～10cm。二环北路站各层土层性质如表1所示。

表1 二环北路土层性质与参数

本次试验采用正弦式孔隙水压力计及正弦式水土压力盒进行试验，利用自动测量系统测定不同时段的频率,再根据振弦频率和压力关系公式得出孔隙水压力值或水土压力值.现场设置3组试验,分别埋设在地面以下20,25m及28m位置,试验紧贴地下连续墙外侧布置,水土压力盒平行地下连续墙布置.根据朗肯土压力计算公式[4],水土合算水土压力为:

式中,γ饱为监测点以上土层饱和重度,取20kN/m3,地下水位以上用土的天然重度代替饱和重度,h为土的厚度,c及φ分别为监测点处的黏聚力及内摩擦角.

对于水土分算的情况,水土压力可直接由水压力及土压力直接相加得到,即:

式中,γ为监测点以上土层浮重度,地下水位以上用土的天然重度代替浮重度,h1为每层土的厚度,h2为地下水面至监测点的高度,本次现场试验中Pw可用孔隙水压力计直接测定.

在对孔隙水压力及水土压力盒监测结果分析的基础上,与水土合算及水土分算的结果进行对比,如图1所示.

图1 水土压力理论计算值与实测值对比分析

通过水土压力理论计算值及实测值对比分析可知,5-3-4含砂姜粘土层水土压力采用分算计算模式更符合实际情况.

根据徐州轨道交通岩土工程勘察报告,5-3-4含砂姜粘土层室内土工试验得出的渗透系数在10-7m/s,符合一般黏性土的渗透特性;另一方面,现场抽水试验得出的渗透系数一般在10-3m/s左右,符合砂土的渗透特性[5].土层渗透性强弱首先取决于孔隙的大小和连通性,直接与土的成因、颗粒大小、颗粒级配、黏粒含量及土的密实度等有关.由于尺寸限制,室内土工试验无法真实反映土层内孔隙的连通特性,故现场试验得出的渗透系数10-3m/s更符合实际情况.因此对于出水量较大的区域,5-3-4层含砂姜粘土层采取水土压力分算符合实际受力情况.

2 理论计算分析

2.1 计算模型分析

徐州5-3-4含砂姜粘土层厚度较大,采用水土压力采用合算或分算计算方式对基坑自身安全及周边环境变形的预估有重要影响.本文以徐州某地铁基坑为例,利用FRWS8.0基坑设计软件分别对5-3-4含砂姜粘土层采用水土分算及合算进行分析,探讨采用水土分算在有限元计算过程中的必要性.

本地铁基坑采用地下连续墙作为围护结构,厚度800mm,场地整平后自然地坪高程为+36.320m,采用1道混凝土支撑加3道钢支撑的形式,第1道混凝土支撑中心标高+34.520m,截面为800mmX 1000mm,3道钢支撑均采用φ800mmX16mm的钢管支撑,中心间距分别为27.620,23.820,20.020m,坑底标高为+16.460m.地下水位按照地表以下4m计算,计算模型如图2所示.基坑的支撑形式如表2所示.

图2 FRWS计算模型

2.2 计算结果分析

本文对5-3-4层分别采取水土分算及合算进行分析,并对地下连续墙内力变形值、基坑安全稳定性及周边环境变形3方面进行对比.

表2 徐州某地铁基坑支撑参数

2.2.1 地下连续墙变形内力包络图

当5-3-4层水土压力采用水土合算时，地下连续墙的变形内力包络图如图3所示。

图3 采用水土合算时的变形内力包络图

当5-3-4层水土压力采用水土分算时，地下连续墙的变形内力包络图如图4所示。

图4 采用水土分算时的变形内力包络图

根据模拟结果，当5-3-4层采用水土分算时，最大位移从13.8mm增加到15.1mm，增加9.4%；围护结构弯矩最大值变化不大；剪力最大值从488.0kN增加到533.2kN，增加9.3%。围护结构变形的增加容易造成周边环境土体位移，给周围建筑带来不利影响；围护结构弯矩及剪力的增加导致地下连续墙内力有所增大。

2.2.2 基坑稳定性分析

当5-3-4层水土压力采用水土合算时，围护结构抗倾覆稳定性如图5所示。当采用水土分算时，围护结构抗倾覆稳定性如图6所示。

根据模拟结果可知，当5-3-4层采用水土分算时，围护结构抗倾覆稳定性从3.38下降到2.17，降低36%。由此可见，5-3-4层水土分算或合算对围护结构抗倾覆稳定性有显著影响。

图5 采用水土合算时的基坑抗倾覆稳定性

图6 采用水土分算时的基坑抗倾覆稳定

由于围护结构整体稳定性和抗隆起稳定性只与地下连续墙插入比、土体c，φ有关，与水土分算及合算无关，这里就不再进行比较。

2.2.3 对周边环境的影响分析

当5-3-4层水土压力采用水土合算时，周边地表沉降计算结果如图7所示。

图7 采用水土合算时的周边地表沉降

当5-3-4层水土压力采用水土分算时，周边地表沉降计算结果如图8所示。

图8 采用水土分算时的周边地表沉降

根据模拟结果可知，当5-3-4层采用水土分算时，地表最大沉降从12.6mm增加到14.7mm，增加17%，可见5-3-4含砂姜粘土层水土分算时，地表最大沉降有所增加。

5-3-4含砂姜粘土层水土压力采用水土分算或合算对围护结构的内力、抗倾覆稳定性及周边环境土体沉降有着较大的影响，其中抗倾覆稳定性影响最大。板式支护结构抗倾覆稳定性主要和围护结构插入比及最后1道支撑的位置有关，在最后1道支撑位置确定的情况下，只能通过增加插入比才能有效提高围护结构抗倾覆稳定性［6］。故当通过现场抽水试验判定5-3-4层渗透性强时，采用水土分算的水土压力计算模式对基坑安全稳定性及周边环境变形的预估有着重要意义。

3 结语

本文从工程经验出发，通过现场水土压力监测试验对5-3-4含砂姜粘土层水土压力进行监测，并与理论计算值进行了对比，得出如下结论。

1）在水量较为丰富的区域，5-3-4含砂姜粘土层水土压力采用分算计算方式更加符合实际；

2）5-3-4含砂姜粘土层水土压力的计算模式由土层渗透性强弱决定，现场试验能够较好地反映5-3-4含砂姜粘土层的渗透特性，证明了采取水土压力分算计算方式的合理性。

3）5-3-4层含砂姜粘土层水土压力采用水土分算或合算对围护结构的内力、抗倾覆稳定性及周边环境土体沉降有着较大的影响，其中抗倾覆稳定性影响最大。

4）对于渗透性强的5-3-4层，采用水土分算的计算模式对基坑安全稳定性及周边环境变形的预估有着重要意义。