膨胀土地层深基坑支护结构设计优化分析

郑 磊

(安徽诚信项目管理有限公司，安徽 合肥 230001)

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，结构形式为箱形框架结构。车站长209 m，标准段宽19.7 m，基坑深约16.8 m，支护桩选用桩长约22.1 m的φ800@1 100钻孔灌注桩，基坑共设置3道支撑，其中第一道为钢筋混凝土支撑，第二道和第三道均为φ609钢管支撑。

1.2 工程地质情况

四川路站地层主要分成3层，主要地层工程特征见表1。车站基坑坑底和桩底均位于⑥2层黏土层，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，主要地层物理力学指标见表2。

表1 主要地层工程特征表

表2 主要地层物理力学指标表

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

本项目的桩顶水平位移监测点总共布设了26个，现将其编号为ZQS1～ZQS26。其中ZQS1、ZQS2、ZQS3、ZQS4和ZQS20共5个监测点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，现只选取其中4个具有代表性的监测点进行分析研究，编号分别为ZQS6、ZQS12、ZQS16和ZQS23。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 现场桩顶水平位移变化曲线

从图1可以发现，编号ZQS6监测点最大水平位移值为3.8 mm，编号ZQS12监测点最大水平位移值为3.5 mm，编号ZQS16监测点最大水平位移值为3.9 mm，编号ZQS23监测点最大水平位移值为5 mm。在2018年4月21日—4月23日这段时间内，因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。4个监测点的桩顶水平位移值在下雨过后又逐渐减小并趋于正常水平，这就说明在降雨天气的影响下基坑支护结构上形成膨胀力附加应力场作用，导致桩顶水平位移值有一定程度的增大。

2.2 桩体深层水平位移现场监测数据分析

本项目的测斜孔总共布设了26个，现将其编号为ZQT1～ZQT26。为了简化分析过程，现只选取其中具有代表性的2个测斜孔进行分析，其编号分别为ZQT15和ZQT18。通过对现场监测数据处理得到2018年4月21日—4月27日这段时间内2个测斜孔的现场桩体深层水平位移变化曲线，具体如图2、图3所示。

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

从图2、图3可以发现，由于降雨天气的影响，编号ZQT15测斜孔最大桩体深层水平位移值达到40.85 mm，编号ZQT18的测斜孔最大桩体深层水平位移值达到25.18 mm。2个测斜孔的桩体深层水平位移值在2018年4月22日—4月23日这段时间内波动比较大，说明在降雨天气的影响下基坑支护结构上形成膨胀力附加应力场作用，导致桩体深层水平位移值有一定程度的增大。

4 对理正软件模拟计算结果进行分析

4.1 理正软件计算时膨胀力等效加载模型及取值大小的确定

膨胀力加载模型及取值大小的确定是膨胀土地层基坑支护结构设计过程中的关键问题。通过查阅相关资料文献后得到膨胀力的分布应满足以下条件：

(1)膨胀力是土体体积膨胀受到周围土体限制后所产生的内应力，因此膨胀力不会在地表处形成，而是随着深度增大而增大。

(2)膨胀力分布范围应沿基坑深度方向分布。

(3)基坑底面处膨胀力较小。由于随着基坑深度增加，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，但仍有大气急剧影响深度。

目前，膨胀力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5种情况，经过对比分析认为根据湿度场建立的膨胀土压力模型较为合适。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范围内，方向为水平作用于基坑支护结构临空面上。根据湿度场建立的膨胀土压力模型符合现场实际情况，模拟膨胀力取值采用室内实验标准值的30%基本合理[1]。

由于湿度场模型图形不规则，为了便于模拟计算，现将湿度场模型简化成三角形。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，本次水平膨胀力计算值采用30%P。因为理正软件没有现成的水平膨胀力加载模型，考虑采用等效替换的方式进行水平膨胀力加载。根据基坑开挖后水平膨胀力方向和大小的分析，模拟计算时将作用在支护结构上的水平膨胀力等效成与其作用方向和大小相等的地面三角形荷载，基底以下按1 m范围考虑，加载模型如图4所示。

图4 膨胀力等效加载计算简图

4.2 不同桩长情况下的桩体变形规律分析

为了分析支护桩桩体变形在不同桩长情况下的变化规律，在加载30%P水平膨胀力的情况下运用理正软件分别计算基坑见底后不同桩长时的桩体变形值，得到对应的桩体深层水平位移曲线。根据现场ZQT15和ZQT18测斜孔的位置，选取对应位置的支护桩作为分析研究对象，结果如图5～图7所示。

图5 原设计情况下测斜孔ZQT15和ZQT18对应位置的桩体深层水平位移曲线

图6 锚固深度位7 m时测斜孔ZQT15和ZQT18对应位置的桩体深层水平位移曲线

图7 锚固深度为8 m时测斜孔ZQT15和ZQT18对应位置的桩体深层水平位移曲线

从图5～图7可以发现，按原设计方案在加载30%P水平膨胀力的情况下进行模拟计算，编号为ZQT15和ZQT18的支护桩桩体深层水平位移最大值分别为48.105 mm和30.033 mm；在保持桩间距和桩径不变的情况下将支护桩桩长增加1.7 m、桩体锚固深度增加到7 m时，编号为ZQT15和ZQT18的支护桩桩体深层水平位移最大值分别为48.041 mm和29.316 mm；在保持桩间距和桩径不变的情况下将支护桩桩长增加2.7 m、桩体锚固深度增加到8 m时，编号为ZQT15和ZQT18的支护桩桩体深层水平位移最大值分别为48.077 mm和29.206 mm。对比分析可以得到支护桩桩长的改变对支护桩桩身变形值的影响作用较小，由于原设计方案中未考虑膨胀力的作用且现场实际工况较复杂，模拟计算结果与监测数据相比偏大且其规律性更强，但两者变化趋势基本吻合。

4.3 不同桩径情况下的桩体变形规律分析

为了分析支护桩桩体在不同桩径情况下的变形规律，在加载30%P水平膨胀力的情况下运用理正深基坑软件分别计算基坑见底后不同桩径时的桩体变形值，从而得到对应的桩体深层水平位移曲线。根据现场ZQT15和ZQT18测斜孔的位置，选取对应位置的支护桩作为分析研究对象，结果如图8、图9所示。

图8 桩径为d1000 mm时测斜孔ZQT15和ZQT18对应位置的桩体深层水平位移曲线

图9 桩径为d1200 mm时测斜孔ZQT15和ZQT18对应位置的桩体深层水平位移曲线

从图8、图9可以发现，按原设计方案在加载水平膨胀力的情况下进行模拟计算，编号为ZQT15和ZQT18的支护桩在原设计时的桩体深层水平位移最大值分别为48.105 mm和30.033 mm；在保持桩间距和桩长不变的情况下将支护桩桩径增加到1 000 mm时，测斜孔编号为ZQT15和ZQT18的支护桩桩体深层水平位移最大值分别为41.667 mm和28.734 mm；在保持桩间距和桩长不变的情况下将支护桩桩径增加到1 200 mm时，编号为ZQT15和ZQT18的支护桩桩体深层水平位移最大值分别为35.761 mm和16.617 mm。支护桩桩体位移曲线呈近似抛物线型，且桩体变形随着桩径的增大而变小，但其变化幅度随桩径的增加而逐渐变小。对比分析可以得到支护桩桩径的改变对支护桩桩身变形值的影响作用较明显，由于原设计方案中未考虑膨胀力的作用且现场实际工况较复杂，导致模拟计算结果与监测数据相比偏大，且其规律性更强，但两者变化趋势基本吻合。

4.4 不同桩间距情况下的桩体变形规律分析

为了分析支护桩桩体变形在不同桩间距情况下的变化规律，在加载30%P水平膨胀力的情况下运用理正深基坑软件分别计算基坑见底后不同桩间距时的桩体变形值，从而得到对应的桩体深层水平位移曲线。根据现场ZQT15和ZQT18测斜孔的位置，选取对应位置的支护桩作为分析研究对象，结果如图10、图11所示。

图10 桩间距为1 000 mm时测斜孔ZQT15和ZQT18对应位置的桩体深层水平位移曲线

图11 桩间距为1 200 mm时测斜孔ZQT15和ZQT18对应位置的桩体深层水平位移曲线

从图10、图11可以发现，在加载水平膨胀力的情况下按原基坑支护结构设计方案进行模拟计算，编号为ZQT15和ZQT18的支护桩在原设计时的桩体深层水平位移最大值分别为48.105 mm和30.033 mm；在保持桩长和桩径不变的情况下将支护桩桩间距增加到1 000 mm时，编号为ZQT15和ZQT18的支护桩桩体深层水平位移最大值分别为45.769 mm和33.704 mm；在保持桩长和桩径不变情况下将支护桩桩间距增加到1 200 mm时，测斜孔编号为ZQT15和ZQT18的支护桩桩体深层水平位移值最大分别为59.156 mm和22.674 mm。对比分析可以得到支护桩桩间距的改变对支护桩桩身变形值的影响作用较明显，由于原设计方案中未考虑膨胀力的作用现场实际工况较复杂的原因，模拟计算结果与监测数据相比偏大且其规律性更强，但两者变化趋势基本吻合。

5 结 论

通过对现场基坑监测数据和理正软件模拟计算结果进行对比分析得到如下结论：

(1)由于受到降雨等天气的影响，膨胀土地层基坑支护结构上形成膨胀土附加应力场，导致基坑支护结构变形有一定程度的增加。

(2)运用理正软件进行膨胀土地层深基坑开挖模拟计算时，水平膨胀力采用在地面和一定深度加载三角形荷载的等效方法是可行的。

(3)支护桩的桩径和桩间距的改变对桩身变形值的影响作用较明显，通过改变这两个设计参数进行设计优化是合理的。