成都膨胀土深基坑桩间土破坏模式及原因分析

李江峰

（中铁十二局集团第四工程有限公司，陕西 西安 710024）

0 引言

膨胀土具有超固结性、裂隙性、遇水膨胀、失水收缩等特性。膨胀土在我国广泛分布，遍及20余个省、市、自治区，成都地区主要分布在东部。成都东部深基坑工程施工中采用排桩支护，施工简单、经济合理、无震动噪声，但桩间膨胀土体出现严重坍塌破坏问题，影响了施工安全。目前已有学者针对膨胀土体破坏的模式及原因进行了分析，周大利、史艳等人根据不同土层的分布并基于极限平衡法的分析方法，得出土体滑坡的极限平衡条件；程展林等人[进行了大型膨胀土模型试验，研究表明膨胀土体在吸湿条件下会产生浅层破坏；刘根通过室内试验发现干湿循环后强度指标呈衰减的趋势，会引起土体破坏；梁树、严光辉等人通过室内外剪切试验发现含水率的增加和抗剪强度指标的下降可引起膨胀土体破坏；鲍燕妮采用室内试验发现了膨胀土吸水膨胀导致局部崩塌的破坏模式。大部分学者对膨胀土体整体稳定性研究较多，但对围护桩间膨胀土体的稳定性及破坏模式研究较少。

因此，该文对成都轨道交通17号线二期东延线车站深基坑出现的桩间土破坏问题进行研究，并提出有效控制措施，从而为设计及施工提供有力的保障。

1 工程概况

成都轨道交通17号线威灵站总长323.3m，标准段总宽23.5m，基坑深度20.8m~30m。车站竖向设置三道支撑，桩间采用挂网喷射混凝土支护，围护结构采用围护桩+内支撑的形式。地下水位平均埋深在3.3m。

1.1 地质情况

威灵车站基坑地质情况从地面往下依次为杂填土、黏土（可塑）、黏土夹卵石（可塑）、全风化泥岩、强风化泥岩、中等风化泥岩，详细地质状况如图1所示。

图1 车站基坑地质断面图

杂填土：灰褐色、灰黄色，主要成分为黏土充填，局部含大量混凝土砼块等建筑垃圾，揭示层厚0.5m~4.7m。

黏土（可塑）：褐黄色，硬塑状，絮状结构，土质较均匀，主要由黏粒组成，具有弱膨胀性，揭示层厚0.5m~4.7m。

黏土夹卵石（可塑）：灰黄、褐黄色，可塑状，土质较均匀，主要由黏粒组成，局部含较多卵石，具有弱膨胀性，揭示层厚0.7m~4.1m。

全风化泥岩：紫红色，泥质结构，主要由黏土矿物组成，具有弱、中等膨胀性，揭示层厚0.7m~4.0m。

强风化泥岩：紫红色、褐红色，主要由黏土矿物组成，节理、裂隙很发育，揭示层厚0.5m~4.2m。

中等风化泥岩：紫红色、褐红色，主要由黏土矿物组成，节理、裂隙不发育~较发育，一般在基坑最底层。

1.2 支护参数

基坑车站围护桩采用钢筋混凝土桩，采用旋挖钻机钻孔，现场灌注混凝土。桩径为1.8m，桩间距0.6m，围护桩嵌入基坑底以下3.5m。

基坑开挖按照3m一层的厚度分层开挖，开挖一层后，立即对桩间土体安装焊接钢筋网片，然后搭接竖向和纵向的连接钢筋，做好临时固定，最后喷锚混凝土形成一个完整的桩间土体的支护体系。

2 膨胀土物理力学特性

此次膨胀土的物理力学特性研究对象为威灵车站深基坑工程中的典型膨胀土，土体呈灰黄色，无味，含水率较高，土质较均匀，主要由黏粒组成，对取回的土样进行了微观结构分析和膨胀特性研究。

2.1 膨胀土微观结构分析

该试验采用高分辨场发射扫描电子显微镜，对试样在放大5000倍率的条件下进行扫描，发现膨胀土样的全貌为黏土，结构疏松，孔隙发育，其孔径大小一般为2m~6m，土颗粒间的孔隙相对明显，孔隙形状不规则，土颗粒微观排列特征呈现片状，颗粒主要为鳞片状黏土矿物，定向排列结构主要为鳞绿泥石-绿蒙混层，详细结构如图2所示。

图2 膨胀土微观结构图

该能谱分析试验与扫描电子显微镜透射、电子显微镜同时进行，是选定了特定点区域进行的能谱仪分析。通过试验表明该地区膨胀土样中的主要元素为O、Al、Si、K、Fe、Au等，二氧化硅SiO是黏土的主要矿物成分，所以其中O原子占比最高，其次是Si原子。土颗粒中各元素占比见表1。

表1 膨胀土样在5000倍率下土颗粒中各元素占比表

2.2 膨胀土膨胀特性研究

试验土样取自威灵站深基坑工程中的典型膨胀土，共进行6次自由膨胀率试验，取其平均值，最终求得土的自由膨胀率为45.40%，判定为弱膨胀土。试验结果见表2。

表2 自由膨胀率试验结果表

无荷膨胀率是衡量膨胀土膨胀变形特性的一个非常重要的室内试验指标。该膨胀土试样在无荷载作用下进行，膨胀土在不同的含水率下所对应的试验结果如图3所示。

图3 不同含水率下的无荷载膨胀时程曲线图

可以看出，土体在无上覆荷载的作用下遇水后发生膨胀，膨胀主要发生在土体浸水后的0h~6h；6h后，土体几乎处于稳定状态，膨胀速率很慢，膨胀变形很小，膨胀土的无荷载膨胀率与土样的含水率有很大关系，随土样含水率的增加而降低。

3 桩间土破坏特征分析

3.1 现场调查

通过调查地铁深基坑支护桩桩间土破坏情况发现，在基坑车站施工的过程中，多处位置出现桩间土塌落的问题，现选取3个典型案例进行研究分析（图4）。

图4（a）显示基坑车站右线侧壁桩间土发生坍塌，坍塌高度为3m，坍塌深度为桩中心线内侧0.2m。坍塌时间为开挖后25天，坍塌处地质情况为可塑性的黏土，具有弱膨胀性。崩塌出的土体为黄色黏土，土颗粒松散。破坏位置周边基坑壁可见明显的地下水渗出痕迹。坍塌当日的天气为小雨。

图4（b）显示基坑车站左线侧壁桩间土垮塌，坍塌高度在第一道支撑以下4.5m，坍塌深度为桩中心位置。坍塌时间为开挖后50天，坍塌处地质情况为硬塑状的黏土，底部有少量的全风化红色泥岩，具有弱膨胀性，坍塌崩出的土体松散。坍塌部位在水平面上呈拱形，相邻基坑壁有明显的地下水渗出痕迹，固定在桩上的钢筋网片被挤出破坏。垮塌当日天气为中雨。

图4 桩间土破坏案例调查

图4（c）显示基坑车站左线侧壁桩间土发生坍塌，坍塌高度在第一道支撑至第二道支撑之间约1.5m，坍塌深度为基坑壁往里0.6m，即桩中心位置处。坍塌时间为开挖后60天，坍塌处地质情况为硬塑状的黏土，具有弱膨胀性，坍塌崩出的土体松散，固定在围护桩上的钢筋网片被坍塌的土体挤出破坏。破坏位置附近的基坑壁上可见明显的地下水渗出痕迹。坍塌当日的天气为多云转小雨。

3.2 桩间土破坏特征分析

通过分析上述典型的桩间土坍塌案例可知，膨胀土基坑车站桩间土主要坍塌破坏特征如图5和图6所示。

图5 桩间土坍塌平面图

如图5所示，结合桩间土坍塌案例分析，可知桩间土坍塌的破坏主要有以下5个特征：1）坍塌深度范围一般在围护桩中心线处，少数情况超过了桩中心处，在中心线内侧0.2m处，坍塌部位在水平面上呈拱形形状，如图5、图6所示。2）坍塌高度范围一般为1.5m~4.5m，桩间土体一般垮塌到钢围檩位置处。3） 垮塌位置多数在第一道支撑和第二道支撑之间，也有一部分在第二、第三道支撑之间；多发生在具有弱-中等膨胀性的黏土和全风化泥岩处。4）坍塌蹦出土体多为黄色黏土和少量红色泥岩，坍塌出的土颗粒十分松散，并在地面形成锥形，如图6所示。5）坍塌时间主要集中在开挖后25天~60天，坍塌当日天气一般为小雨或中雨。

图6 桩间土体破坏特征三维图

4 桩间土破坏原因分析

4.1 土拱效应

在膨胀土地铁车站深基坑开挖过程中，由于支护桩横向水平位移小于桩间土的横向水平位移，造成桩后的土体对桩产生不均匀压力，桩间土靠近桩体一定范围内的土体横向位移受到桩体的约束，越靠近桩间土中间，受到桩体的约束越小，即桩体两侧位移小，而两桩中间的土体位移大，这种情况会引发桩间土体与桩后土体自身抗剪强度的发挥，在土体内部形成“楔紧”的作用，即在两桩之间形成了相对稳定的土拱效应，因此距离两桩体较远的土体在土压力作用下发生挤出破坏，挤出破坏后两桩体之间形成拱形破坏面。

4.2 桩土分离

膨胀土基坑开挖后，基坑壁暴露在大气环境的作用下，经过一段时间后，膨胀土体水分逐渐蒸发，由于膨胀土显著失水收缩的特性，导致膨胀土体产生大量裂缝，尤其是在土体与围护桩之间最严重，随着时间的推移，水分不断蒸发，裂缝逐渐扩大，最终导致膨胀土体与维护桩完全分离，丧失桩侧摩阻力，最后在自重应力的作用下发生坍塌。

4.3 降雨影响

当发生桩间土破坏时，当天成都地区天气多为小雨，雨水入渗到之前因收缩而产生的裂缝中，导致土体膨胀，因含水量增加而导致桩侧阻力和桩端阻力降低，土体重力又不断增加，导致下滑力增加，从而稳定性系数值变小，桩间土体失去原有的稳定性，造成桩间土的垮塌。破坏位置附近的基坑壁上可见明显的地下水渗出痕迹，由此表明桩间的土体含水率较高，产生了膨胀力，桩间土体往基坑内侧发生挤出破坏。

5 防治措施

通过桩间土破坏特征的描述、分析坍塌原因，该文提出一种膨胀土地层深基坑排桩桩间土支护措施，主要解决了膨胀土地层深基坑工程施工中桩间土破坏造成的工程安全及质量事故等难题。

膨胀土深基坑桩间土支护体系如图7所示，主要包括钢筋网片、螺栓、预弯钢带、膨胀螺栓、受力支座等。

图7 膨胀土深基坑桩间土支护体系图

该桩间土坍塌支护体系防治措施具体实施方案如下：1）膨胀土深基坑开挖后，在围护桩上安装受力支座。2）桩间土支护加固装置支座安装完成后，安装焊接钢筋网片，做好临时固定。3）安装预制好的钢带，将钢带安装在预先安装好的支座上，支座上下间距根据实际工程情况待定，横向间距为桩间距，在支座上安装钢带，并用加强螺栓进行固定，桩中间位置用扎丝将钢带与钢筋网片绑扎牢固，使预弯钢带水平面垂直于桩间土面，达到桩间土变形时的最佳受力效果。4）桩间土支护体系的骨架完成后，喷射的混凝土刚好将支护体系骨架覆盖，喷射厚度达到实际的保护层厚度即可，使其钢带、钢筋网片、桩上支座、喷射混凝土等形成一个强有力的膨胀土地铁深基坑排桩支护桩间土支护整体，确保施工期间桩间土稳定。

该防治措施有效控制了膨胀土地铁深基坑排桩支护桩间土的变形破坏，降低了因桩间土破坏坍塌而发生工程事故的可能性，保障了工程的施工安全。

6 结论

该文以成都轨道交通17号线二期东延线车站深基坑开挖支护桩桩间土稳定性为研究对象，进行了膨胀土体的宏微观物理力学试验和现场桩间土破坏案例调查，结合理论分析，得出了以下结论：1）成都地区膨胀土微观结构主要表现为结构疏松，孔隙发育，孔径大小一般为2m~6m，形状不规则，土颗粒微观排列主要为鳞绿泥石-绿蒙混层，土样中的主要元素为O、Al、Si、K、Fe、Au，二氧化硅SiO是黏土的主要矿物成分。2）基坑车站膨胀土的自由膨胀率为45.40%，属于弱膨胀土；膨胀主要发生在土体浸水后的0h~6h，无荷载膨胀率随土样含水率的增加而降低。3）桩间土破坏的特征为坍塌深度一般在桩中心位置处；坍塌高度为3m~4.5m；坍塌位置在第一道与第二道支撑之间，多发生在具有弱-中等膨胀性的黏土和全风化泥岩处；坍塌时间主要集中在开挖后25天~60天。4）桩间土破坏的原因主要有随基坑开挖土体产生不均匀位移，从而引起土拱效应，导致桩间土破坏；在桩间膨胀土体失水的过程中，桩与土分离，丧失桩侧摩阻力，最终桩间土在自重应力下破坏坍塌；受降雨和地下水的影响，产生膨胀力，土体重力增加，导致桩间土体发生破坏。5）采取以钢筋网片、螺栓、预弯钢带、膨胀螺栓、受力支座等为主要材料的支护体系，用于膨胀土深基坑桩间土跨塌的治理，应用效果良好。