梅 源，袁一力，胡長明，王雪艷,2，趙 楠

(1.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2.西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710048 )

黃土濕陷性具有極大的危害性[1].作為黃土地區(qū)第一個修建地鐵的城市，西安地鐵沿線土體多為典型的濕陷性黃土，基坑工程變形影響因素比較復(fù)雜，基坑開挖過程中風(fēng)險較大，基坑變形控制問題一直是工程人員關(guān)注的焦點.

針對深基坑變形規(guī)律的研究，已經(jīng)積累了一些重要的研究成果.LEUNG[2]、徐中華[3]、王衛(wèi)東[4]、MASUDA[5]、李淑[6-7]分別分析了不同地區(qū)的基坑變形特性及影響因素，但較少涉及黃土深基坑.雖然有不少學(xué)者針對某單一黃土深基坑的變形規(guī)律進(jìn)行了分析，但由于數(shù)據(jù)量較少，而未能得到統(tǒng)計規(guī)律，為向黃土地區(qū)地鐵深基坑工程的設(shè)計和施工提供參考，本文針對西安地鐵車站深基坑地表沉降及支護樁側(cè)向變形性狀開展了統(tǒng)計分析，對防止基坑事故及優(yōu)化設(shè)計具有重要意義.

1 基坑概況及沿線基本地質(zhì)條件

西安地鐵沿線多穿越渭河或浐河階地、黃土梁洼和黃土塬區(qū)[8].地質(zhì)條件復(fù)雜，濕陷性黃土、飽和軟黃土、飽和的粉細(xì)砂層、人工填土等特殊巖土和不良地質(zhì)以及地裂縫決定了西安地鐵工程的特殊地位，沿線主要土層物理力學(xué)參數(shù)平均值見表1.

表1 西安地鐵沿線主要土層物理力學(xué)參數(shù)平均值Tab.1 Average value of the mechanical parameters of the critical soil layer along Xi’an subway

為避免基坑變形影響因素過于復(fù)雜，本次統(tǒng)計基坑形狀均為矩形，均是采用灌注樁與鋼支撐聯(lián)合支撐系統(tǒng)，基本信息見表2.

表2 統(tǒng)計的車站深基坑工程基本信息Tab.2 Fundamental information of the station foundation pit engineering

由表2可知，本次統(tǒng)計的基坑長度集中分布在200 m左右，寬度集中分布在20 m左右，開挖深度主要分布于15～20 m之間，最大開挖深度達(dá)27.1 m，開挖尺寸分布如圖1所示.

圖1 基坑開挖尺寸分布Fig.1 Dimension distribution of the excavation

2 基坑最大變形量分布

本次統(tǒng)計共得到81個地表沉降測點有效測值及710個樁體變形有效測值.圖2為地表沉降測點的最終變形值，圖3為樁體側(cè)向變形最終測值.

從圖2可以看出：基坑開挖主要引起地表沉降，沉降測點占所有測點的97.53%；沉降值為0～3 mm的測點所占比率為23.46%；3～6 mm 測點所占比率39.51%為最高比率區(qū)段；6～9 mm 測點所占比率18.52%；9～12 mm 測點所占比率9.88%；12～15 mm 測點所占比率2.47%；15～18 mm 測點所占比率1.23%；沉降值大于18 mm 的測點僅占2.46%.分析發(fā)現(xiàn)：基坑開挖不僅會使地表產(chǎn)生沉降，還會導(dǎo)致地面隆起，隆起的測點不多且隆起值較小，介于0～3 mm.

圖2 地表沉降值分布Fig.2 Value distribution of ground settlement

圖3 支護樁側(cè)向變形值分布Fig.3 Value distribution of lateral deformation of soldier pile

由圖3可知：圍護樁最大側(cè)向變形為0～2 mm所占比率為27.46%，2～4 mm 區(qū)段所占比例為30.70%，是分布比例最高的區(qū)段；4～6 mm區(qū)段所占比例為17.46%；6～8 mm區(qū)段所占比例為9.01%；8～10 mm區(qū)段所占比例為4.65%；10～12 mm 區(qū)段所占比例為3.24%；大于12 mm區(qū)段僅占3.67%.

對比發(fā)現(xiàn)，基坑地表沉降主要在0～12 mm 范圍，總體略大于墻體側(cè)移（集中于0～8 mm），但絕對變形量見其它土質(zhì)基坑小，這與黃土特殊的結(jié)構(gòu)性和較高的強度有直接關(guān)系.本文統(tǒng)計結(jié)果與北京地區(qū)深基坑工程開挖總體變形趨勢基本一致[6-7].

3 基坑基本變形模式

3.1 西安地鐵深基坑與其它地區(qū)基坑變形對比分析

西安地區(qū)地鐵深基坑變形與其他地區(qū)的對比情況見表3.

表3 西安地鐵車站深基坑變形與其它地區(qū)對比結(jié)果Tab.3 Comparison: results of the deep foundation pit in Xi'an metro station and other area

由表3可知，西安地區(qū)地鐵車站基坑最大側(cè)移平均值遠(yuǎn)小于其它地區(qū)，這說明黃土深基坑在天然含水量狀態(tài)下穩(wěn)定性好，側(cè)移及沉降均較小.

3.2 西安地鐵深基坑典型變形曲線監(jiān)測與分析

為說明西安地鐵深基坑典型變形曲線，本文基于某深基坑實測數(shù)據(jù)對支護樁變形及地表沉降的變化規(guī)律加以分析.該車站長度約為150 m，車站標(biāo)準(zhǔn)段寬度約為23 m，開挖深度為25 m.車站主體圍護結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁及鋼管（Φ600）內(nèi)支撐方案，基坑內(nèi)共設(shè)五層支撐.場地位于黃土梁洼區(qū)，地表一般均布有厚度不均的全新統(tǒng)人工填土（Q4ml）；其下為上更新統(tǒng)風(fēng)積新黃土（Q3eol）、層飽和軟黃土（Q3eol）及古土壤（Q3el），再下為中更新統(tǒng)風(fēng)積老黃土（Q2eol）、沖積粉質(zhì)黏土（Q2al）、中砂等.選取的支護樁側(cè)移監(jiān)測點監(jiān)測結(jié)果如圖4所示，地表沉降監(jiān)測斷面監(jiān)測結(jié)果如圖5所示.

從圖4中可看出，在整個基坑的開挖過程中，圍護樁水平位移總體變化不大，圍護樁水平位移的最大值約有10 mm，與設(shè)計中樁體測斜報警值還相差較大，這充分反映出了黃土深基坑不同與軟土地區(qū)的顯著特點，黃土由于本身的結(jié)構(gòu)性，側(cè)向變形較軟土地區(qū)要小的多.在基坑開挖的初始階段，支護樁的側(cè)向位移一般很小，呈前傾型曲線.

監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)，大部分樁體變形曲線變化趨勢相同（如圖4(a)所示），呈拋物線分布，且在整個基坑施工過程中，樁體變形最大位置隨著開挖深度的增加逐漸下移.從圖4(b)中還可以發(fā)現(xiàn)，少部分樁體變形規(guī)律較其它測點有顯著的不同，整個支護樁的位移沿深度方向是線性減小的，支護樁最大位移出現(xiàn)在樁頂，這可能由于局部環(huán)境及荷載情況差異所致.從圖4中還可以看出，樁體的水平位移不僅發(fā)生在開挖面以上，開挖面以下也會產(chǎn)生一定的位移.所以，保證支護樁有一定的嵌固深度在設(shè)計和施工過程中是非常必要的.

圖4 支護樁側(cè)向變形監(jiān)測曲線Fig.4 Monitoring curve of lateral deformation of soldier pile

圖5 地表沉降變形監(jiān)測曲線Fig.5 Monitoring curve of ground settlement

從圖5中可以看出，在基坑開挖過程中，最大沉降點并不是距離基坑最近處，而是始終發(fā)生在距基坑邊緣一定距離處.該基坑的實測地面最大沉降點位于距離基坑邊13～15 m 的位置處，整體沉降形狀類似于“凹槽形”，且隨著基坑開挖深度的增加，沉降峰值逐漸向基坑側(cè)靠近.在整個基坑開挖過程中，最大的地面沉降值接近30 mm，并隨著監(jiān)測點與基坑邊距離的不斷增加，沉降值又逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定.每開挖一步，坑后地表的沉降量都有一定程度的增加，每步開挖形成的地表沉降分布曲線形狀相似.

3.3 變形模式分析

為統(tǒng)計分析西安地鐵深基坑支護樁側(cè)向變形及地表側(cè)向變形的基本規(guī)律，本文將收集到的數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計方法處理，得到基坑地表沉降測點最終測值統(tǒng)計圖（如圖6所示）及基坑支護樁側(cè)向變形統(tǒng)計圖（如圖7所示）.

圖6 地表沉降變形模式Fig.6 Model of ground settlement

圖7 支護樁側(cè)向變形模式Fig.7 Model of lateral deformation of soldier pile

由圖6可知，西安地區(qū)地鐵車站基坑地表變形表現(xiàn)為“凹槽形”模式.除距基坑邊緣約3 m處個別測點表現(xiàn)為隆起外，其余均為沉降；距離坑壁10～15 m內(nèi)地表沉降值最大；距坑壁30 m以外沉降較小，基本模式與北京地區(qū)深基坑地表變形模式相似[6].

由圖7可知，西安地區(qū)地鐵車站基坑支護樁變形表現(xiàn)為兩種變形模式，即“中凸形”或“懸臂形”模式[7].除個別測點支護樁頂部向基坑外變形外，其余均向基坑內(nèi)變形.“中凸形”模式變形的支護樁距地表5～15 m內(nèi)變形最大；“懸臂形”模式支護樁頂變形最大，并隨深度增加而逐漸減小.兩種變形模式下支護樁嵌固端可視為不動點.根據(jù)經(jīng)驗，對于土質(zhì)較好的基坑，樁側(cè)土壓力的作用往往表現(xiàn)不明顯，支護樁變形更接近于“懸臂形”模式；當(dāng)土質(zhì)相對較軟或部分土層發(fā)生濕陷時，樁側(cè)土壓力的作用將會表現(xiàn)的較為突出，樁體變形模式更接近于“中凸形”模式，類似于軟土基坑.

4 結(jié) 論

(1)西安地鐵車站深基坑地表沉降變形主要集中于0～12 mm 范圍，支護樁側(cè)向變形集中于0～8 mm范圍，但兩者均小于其它地區(qū)的統(tǒng)計值.

(2)基坑開挖導(dǎo)致的地表沉降變形表現(xiàn)為“凹槽形”模式，距離坑壁10～15 m內(nèi)地表沉降值最大，坑壁30 m以外地表沉降較小，且隨著基坑開挖深度的增加，峰值逐漸向基坑側(cè)靠近.支護樁側(cè)向變形分別表現(xiàn)為“中凸形”或“懸臂形”兩種模式，距地表5～15 m范圍內(nèi)側(cè)向變形最大且在施工過程中，樁體變形最大位置隨著開挖深度的增加逐漸下移.

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