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地鐵車站軟土地基變形計(jì)算及處理方法*

2019-05-31 09:20
城市軌道交通研究 2019年5期
關(guān)鍵詞:軟土基底車站

李 智

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司,510010,廣州//工程師)

目前,對(duì)地鐵車輛段軟土地基(以下簡(jiǎn)為“軟基”)加固[1-2]及地鐵區(qū)間隧道軟土地基加固[3-5]的相關(guān)研究已較多,亦有對(duì)車站主體結(jié)構(gòu)基底加固的相關(guān)文獻(xiàn)[6-11],但這些研究?jī)H注重于施工技術(shù)[6,10-11]、數(shù)值分析[7]以及基坑控制[8-9]等方面,對(duì)基底承載力及變形的計(jì)算未見論述。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí),車站基底加固一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn),綜合考慮基底承載、變形及基坑開挖因素,由相關(guān)權(quán)威專家拍定加固方案。

本文依托佛山地鐵3號(hào)線大墩站一期工程,首先對(duì)軟基加固必要性進(jìn)行了深度分析;其次對(duì)目前常見的幾種軟基處理方案進(jìn)行綜合比選,提出了不考慮施工因素時(shí)的較優(yōu)處理方案,并成功應(yīng)用;最后根據(jù)目前行業(yè)狀態(tài)、施工效果及軟基車站位置,提出了地鐵軟基加固更加合理化的相關(guān)建議。

1 工程概況及水文地質(zhì)條件

佛山地鐵3號(hào)線大墩站位于現(xiàn)狀荷岳路與規(guī)劃文華南路交叉口,沿規(guī)劃文華南路呈南北向布置。車站總長(zhǎng)473.6 m,共設(shè)4個(gè)出入口及2組風(fēng)亭,周邊以魚塘及空地為主。

本站分兩期施工。一期基坑位于荷岳路路中以北區(qū)域,長(zhǎng)86.75 m;二期基坑為荷岳路路中以南區(qū)域,長(zhǎng)386.85 m。其中,一期基坑標(biāo)準(zhǔn)段寬19.7 m,深約16.6 m,采用800 mm厚地下連續(xù)墻+3道支撐。標(biāo)準(zhǔn)段第一、二道為混凝土支撐,第三道為雙拼鋼支撐,兩端均采用3道混凝土支撐。基坑開挖范圍內(nèi)主要為魚塘回填土、素填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、淤泥質(zhì)土。基底主要位于淤泥質(zhì)土層中,基底下軟土厚度約6~11 m,如圖1所示。軟土層相關(guān)參數(shù)如表1所示[12]。

圖1 大墩站基坑標(biāo)準(zhǔn)段橫剖面圖

表1 大墩站基底軟土層主要物理力學(xué)參數(shù)

2 加固必要性分析

對(duì)地鐵車站而言,普通兩層站埋深均在15 m以上,軟基以淤泥、淤泥質(zhì)土及淤泥質(zhì)粉細(xì)砂為主。地鐵結(jié)構(gòu)對(duì)地基承載力及變形控制要求較高,尤其是車站主體,沉降較大時(shí)將影響行車安全,需重點(diǎn)控制。

地鐵車站修建完成后,地鐵車站結(jié)構(gòu)(空心)替換了同等體積的原狀土,減輕了基底的壓力,且水位恢復(fù)至地面后,地鐵車站結(jié)構(gòu)尚需采取抗浮措施,因此,許多業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為不必計(jì)算基底承載力及變形。但地鐵車站施工不是瞬時(shí)完成的,車站基坑開挖后,坑底豎向荷載變?yōu)榱?,相?dāng)于卸載,此時(shí)坑內(nèi)土體會(huì)回彈,主體結(jié)構(gòu)施工及覆土?xí)r,在基底上加載,基底被壓縮。整個(gè)車站施工過程中,基底變形為先回彈,再壓縮,其回彈再壓縮變形不能忽略,尤其是軟基車站更不能忽略。本文從地基承載力、變形及基坑計(jì)算等方面進(jìn)行分析。

2.1 地基承載力

圖1所示的是普通標(biāo)準(zhǔn)兩層地鐵車站,埋深3 m,頂、中、底板及側(cè)墻厚度分別取0.8 m、0.4 m、0.9 m及0.7 m,頂、中、底板梁尺寸分別取1.2 m×1.8 m、0.8 m×1.0 m、1.2 m×2.0 m。覆土重度取20 kN/m3,混凝土重度取25 kN/m3。經(jīng)計(jì)算,施工期間(覆土完成,水位未上升時(shí))覆土荷載為60 kPa,頂板自重荷載為20 kPa,中板自重荷載為10 kPa,底板自重荷載為22.5 kPa,側(cè)墻自重荷載為20 kPa,梁自重荷載為3.8 kPa,則覆土后基底壓力pk=136.3 kPa。

基底淤泥質(zhì)土經(jīng)深度修正后的地基承載力特征值[13]為:

fa=fak+ηbr(b-3)+ηdrm(d-0.5)

(1)

式中:

fa——修正后的地基承載力特征值,kPa;

fak——地基承載力特征值,取勘察報(bào)告值(60 kPa);

ηb,ηd——分別為底板寬度和深度地基承載力修正系數(shù),對(duì)淤泥質(zhì)土,ηb=0,ηd=1;

r——底板以下土的重度,取浮重度,對(duì)淤泥質(zhì)土,r=7.4 kN/m3;

b——基礎(chǔ)底面寬度,b=3~6 m;

rm——底板以上土的有效加權(quán)平均重度,考慮基坑開挖前降水,取rm=17.4 kN/m3;

d——車站底板埋深,d=16.38 m。

計(jì)算可得,fa= 336 kPa。修正后的地基承載力遠(yuǎn)大于基底壓力,地基承載力滿足要求。

上述計(jì)算僅考慮了結(jié)構(gòu)本身所需的承載力,施工期間,施工機(jī)械所需的承載力與機(jī)械型號(hào)及施工方式有關(guān),未加固時(shí)可能存在機(jī)械陷入基坑情況,此時(shí),應(yīng)做好開挖前的排水固結(jié)等相關(guān)措施。

2.2 基底變形

普通民建的上部結(jié)構(gòu)變形主要由附加荷載引起,計(jì)算時(shí)一般忽略基礎(chǔ)開挖期間土層的回彈再壓縮變形。與地上結(jié)構(gòu)不同,地鐵車站全部埋置于地下,其變形主要為回彈再壓縮變形。針對(duì)圖1所示斷面,對(duì)未采取軟基處理時(shí)的變形進(jìn)行分析。為簡(jiǎn)化計(jì)算,近似取基底以上土層平均重度為17 kN/m3,基底以下淤泥質(zhì)土層厚度取11 m。

2.2.1 地基回彈變形計(jì)算

地基回彈變形量計(jì)算式為:

(2)

其中

pc=rcd

(3)

Eci=e0Es(0.003 2pc+1.5)

(4)

式中:

sc——地基的回彈變形量,mm;

ψc——回彈量計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)系數(shù),取1.0;

αi、αi-1——分別為基礎(chǔ)底面計(jì)算點(diǎn)至第i層土、第i-1層土底面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù),按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]附錄K取值;

zi、zi-1——分別為基礎(chǔ)底面至第i層土、第i-1層土底面的距離,本文中zi=11 m,zi-1=0;

pc——基底承受過的歷史最大壓力,按開挖前基底以上土層質(zhì)量計(jì)算,kPa;

rc——基底以上土層平均重度,考慮基坑開挖前降水,取rc=17 kN/m3;

Eci——土的回彈模量,根據(jù)文獻(xiàn)[14]計(jì)算,kPa;

e0——基底以下軟弱土層孔隙比;

Es——基底以下軟土層壓縮模量,MPa。

將參數(shù)代入式(2)~(4),計(jì)算可得:pc=278.46 kPa,Eci=9.213 MPa,sc=309 mm。

2.2.2 回彈再壓縮變形量計(jì)算

文獻(xiàn)[12]中無軟土臨界再壓縮比例及臨界再加載比例,本文近似按線性比例進(jìn)行計(jì)算:

(5)

式中:

根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》[15]要求,地鐵結(jié)構(gòu)豎向位移控制值為20 mm,故上述軟基需進(jìn)行處理。

2.2.3 不考慮底板荷載的回彈再壓縮變形量計(jì)算

當(dāng)變形發(fā)生在中板施工之前時(shí),可通過增加軌道高度及調(diào)整中板標(biāo)高的方式處理。實(shí)際計(jì)算變形時(shí),可在卸載及再加載中扣除底板自重荷載22.5 kPa,即:

pc=255.96 kPa

(6)

pk=113.8 kPa

(7)

將式(6)和式(7)代入式(5),算得回彈再壓縮變形量為137 mm,仍不滿足要求。

2.2.4 基底不同軟土厚度回彈再壓縮變形量計(jì)算

大墩站一期基坑基底軟土厚11 m,計(jì)算變形較大,需采取加固措施,但具體軟土多厚時(shí)需進(jìn)行加固,目前尚無相關(guān)理論。本文對(duì)普通地鐵車站不同軟基厚度變形量進(jìn)行了計(jì)算(見表2),結(jié)果表明,基底變形約為軟土厚度的0.015倍,基底存在軟土?xí)r均需處理。

表2 地鐵車站不同軟基厚度變形量

2.3 基坑開挖驗(yàn)算

利用里正深基坑軟件對(duì)圖1斷面進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 大墩站基坑計(jì)算結(jié)果

由表3可知,加固后基坑能有效減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和連續(xù)墻內(nèi)力,并能加大被動(dòng)區(qū)的土壓力。在基坑周邊存在重要建(構(gòu))筑物時(shí),加固作用明顯。

3 軟基處理方案

3.1 常用軟基處理方案

目前,常用的地鐵車站地基處理方案主要有鉆孔樁、堆載預(yù)壓排水固結(jié)法、強(qiáng)夯或強(qiáng)夯置換法、高壓旋噴樁、三軸攪拌樁[1-11]等。各方案的優(yōu)劣如下:

(1) 鉆孔樁:是一項(xiàng)成熟的地基處理方案,近年來較多應(yīng)用到地鐵車站結(jié)構(gòu),其優(yōu)點(diǎn)在于受力明確,工程造價(jià)相對(duì)較低,缺點(diǎn)是不能有效減小基坑開挖期間的變形,一般需與其余加固方案聯(lián)合使用。

(2) 三軸攪拌樁:目前我國(guó)華東、華南地區(qū)較多采用三軸攪拌樁加固,其施工工藝已較成熟,但造價(jià)相對(duì)較高。

(3) 堆載預(yù)壓排水固結(jié)法:該法造價(jià)較低、技術(shù)簡(jiǎn)單,但施工周期長(zhǎng),在地鐵工程中一般用于需大面積軟基處理的車輛段及停車場(chǎng)等。

(4) 強(qiáng)夯或強(qiáng)夯置換法:此法造價(jià)最低,但置換增加了基坑深度,增加了基坑開挖風(fēng)險(xiǎn),一般應(yīng)用于局部基底軟土較薄區(qū)域。

3.2 方案比選

大墩站一期施工段基坑總長(zhǎng)86.75 m,長(zhǎng)度較小,不適宜采用堆載預(yù)壓排水法;基底軟土厚6~11 m,不適宜采用強(qiáng)夯或強(qiáng)夯置換法。參考廣州、寧波、上海等地做法,通過設(shè)計(jì)總體組統(tǒng)籌分析,形成圖2所示的4個(gè)軟基處理方案并進(jìn)行比選。

a) 方案一b) 方案二

c) 方案三d) 方案四

尺寸單位:m

圖2 大墩站軟基加固方案

3.2.1 方案一:樁基+牛腿+三軸攪拌樁抽條

三軸攪拌樁抽條:由于軟土基坑開挖期間外側(cè)土壓力較大,內(nèi)側(cè)軟土能提供的被動(dòng)土壓力有限,在不加固的情況下,變形不受控,因此,考慮在連續(xù)墻接頭部位進(jìn)行抽條加固。抽條加固寬度2.05 m,橫向間距6 m(連續(xù)墻寬度),加固至基底以下4 m,相當(dāng)于一道支撐作用在連續(xù)墻上,減小連續(xù)墻豎向及橫向跨度,減小基坑開挖期間變形。

樁基:承擔(dān)柱子向下傳遞的豎向力。

牛腿:承擔(dān)側(cè)墻向下傳遞的豎向力。

本方案受力明確,造價(jià)較低(每延米約4.7萬元),但對(duì)牛腿預(yù)埋件要求較高,受控于施工方。

3.2.2 方案二:樁基+三軸攪拌樁抽條

三軸攪拌樁抽條及中部樁基作用同方案一,兩側(cè)采用樁基替換方案一中的牛腿。其優(yōu)點(diǎn)在于質(zhì)量可控,缺點(diǎn)是承臺(tái)施工周期長(zhǎng),不利于快速封底,且改變了兩側(cè)墻結(jié)構(gòu)受力狀態(tài),使結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜。本方案對(duì)防水施工影響最大,造價(jià)約為每延米5.0萬元。

3.2.3 方案三:三軸攪拌樁裙邊+抽條

橫向抽條除有類似方案一中的支撐作用外,與中部縱向抽條、兩側(cè)裙邊共同形成復(fù)合地基。中部抽條、裙邊與方案一中樁基、牛腿的作用相同。本方案僅采用一種加固手段,施工方便,且裙邊對(duì)基坑開挖變形控制有利,基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)更低,但其造價(jià)相對(duì)較高。按加固至基底以下11 m時(shí)計(jì)算,造價(jià)約為每延米9.2萬元,接近方案一加固費(fèi)用的2倍。

3.2.4 方案四:樁基+三軸攪拌樁裙邊+抽條

樁、抽條與裙邊的組合,中間一排樁替換方案三中的中部縱向抽條。此方案中樁、三軸攪拌樁優(yōu)劣同上,造價(jià)高于方案一和方案二,略低于方案三。

3.2.5 綜合比選

綜合上述分析,各方案優(yōu)缺點(diǎn)見表4。大墩站主要從造價(jià)和施工風(fēng)險(xiǎn)方面考慮。方案一與方案二造價(jià)相對(duì)較低,但方案一未改變主體結(jié)構(gòu)受力狀態(tài),風(fēng)險(xiǎn)較方案二低。方案一比方案三、方案四風(fēng)險(xiǎn)稍大,但方案三、方案四造價(jià)接近方案一的2倍。綜合考慮上述方案優(yōu)劣及佛山地鐵3號(hào)線相關(guān)情況,本站加固方案選擇方案一。

表4 大墩站軟基加固方案比選

4 施工情況

目前,大墩站一期已施工完畢,基底承載力及沉降經(jīng)復(fù)核滿足要求。施工期間,圖1中斷面基坑兩側(cè)連續(xù)墻實(shí)測(cè)位移與計(jì)算位移如表5所示。

由表5可知:① 計(jì)算與實(shí)測(cè)位移在開挖期間增長(zhǎng)較快,回筑階段變化較小,最大監(jiān)測(cè)位移大于最大計(jì)算位移;② 開挖第二層土?xí)r,設(shè)計(jì)工況(加固及不加固)計(jì)算位移均大于監(jiān)測(cè)位移,之后監(jiān)測(cè)位移均大于計(jì)算位移(這是因?yàn)榈谌冷撝渭茉O(shè)不及時(shí),導(dǎo)致第二、三層土同時(shí)開挖,連續(xù)墻位移發(fā)生突變,同時(shí)牛腿鋼筋接駁器預(yù)埋位置不準(zhǔn),導(dǎo)致大量植筋,延長(zhǎng)了工期,加大了變形;③ 東、西兩側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)扣除超挖變形影響后,最終變形分別為29.7 mm、28.8 mm,與設(shè)計(jì)變形最大值27.94 mm接近,說明加固效果與設(shè)計(jì)吻合。

表5 大墩站一期施工各工況連續(xù)墻位移對(duì)比 mm

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

(1) 軟基車站結(jié)構(gòu)基底承載力滿足要求,施工期間需做好排水固結(jié)或采取有效措施保證機(jī)械施工安全。

(2) 無上蓋地鐵車站基底變形可按回彈再壓縮進(jìn)行計(jì)算,基底存在軟弱土層時(shí),需采取加固措施,以滿足豎向變形要求。

(3) 加固對(duì)基坑開挖變形及內(nèi)力控制作用明顯,周邊存在重要建(構(gòu))筑物時(shí),需按加固控制。

(4) 牛腿+樁基+三軸攪拌樁抽條加固方案費(fèi)用最低,但需嚴(yán)控施工質(zhì)量,否則將影響牛腿質(zhì)量及加大基坑開挖風(fēng)險(xiǎn)。

(5) 不考慮費(fèi)用時(shí),三軸攪拌樁裙邊+抽條方案最優(yōu),但目前無加固后回彈試驗(yàn)作為支撐,其具體加固效果尚有待研究。

5.2 展望

(1) 建議地鐵軟基勘察報(bào)告提供基底回彈、再壓縮等相關(guān)參數(shù),為相關(guān)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

(2) 針對(duì)城市建成區(qū)軟土基坑,可對(duì)方案三進(jìn)行局部加固研究,提出最小加固厚度比,并考慮人工費(fèi)等,與其余方案進(jìn)行比選。對(duì)處于未建成區(qū)的軟土基坑,考慮周邊基坑開挖進(jìn)行主動(dòng)保護(hù)設(shè)計(jì),提出加固要求。

(3) 有條件時(shí),可對(duì)不同加固方案的基底最終沉降量進(jìn)行監(jiān)測(cè),并與理論計(jì)算進(jìn)行對(duì)比分析,從控制變形角度評(píng)判加固方案的優(yōu)劣性。

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