鄭 磊,周盛全

(1.安徽公共資源交易集團(tuán)項(xiàng)目管理有限公司,安徽 合肥 230001;2.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院,安徽 淮南 232001)

由于膨脹土含有粘粒及親水性較強(qiáng)的蒙脫石、伊利石和高嶺土等黏土礦物成分,具有失水收縮和吸水膨脹等物理特性[1]。其礦物成分具有較強(qiáng)的親水性,因內(nèi)部結(jié)晶質(zhì)排列不同,與水結(jié)合時(shí)體積變化也存在差異。原因在于水滲入晶層之間會(huì)形成水膜夾層引起晶格擴(kuò)張,導(dǎo)致土體膨脹;反之失水收縮干裂[2]。吸水膨脹后的膨脹土若受到周邊約束不能自由膨脹,便會(huì)在土體中產(chǎn)生膨脹力[3],降低安全性。

膨脹土地層基坑工程在降雨等外部環(huán)境的影響下會(huì)在支護(hù)結(jié)構(gòu)上形成附加應(yīng)力場,降低基坑工程的安全性[4]。為了驗(yàn)證膨脹作用力對(duì)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形與受力影響程度,在進(jìn)行基坑開挖數(shù)值模擬時(shí)加載一定的水平膨脹力,得出相應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力計(jì)算值,對(duì)比現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),可對(duì)設(shè)計(jì)與施工起到一定的參考作用。

1 工程概況

1.1 工程設(shè)計(jì)概況

合肥市軌道交通5號(hào)線四川路站為地下雙層雙跨、局部雙層三跨島式站臺(tái)車站,為箱形框架結(jié)構(gòu)。車站長209 m,標(biāo)準(zhǔn)段寬19.7 m,基坑深約16.8 m,支護(hù)樁為樁長約22.1 m的Ф800@1100鉆孔灌注樁?；庸苍O(shè)置3道支撐,其中第1道為鋼筋混凝土支撐,第2道和第3道均為Ф609鋼管支撐。

1.2 工程地質(zhì)情況

四川路站主要地層工程特征及物理力學(xué)指標(biāo)見表1。車站基坑坑底和樁底均位于⑥2黏土層,含大量親水性礦物,裂隙發(fā)育,是一種典型的膨脹土地層,具有中等偏弱膨脹性。

表1 四川路站主要地層工程特征及物理力學(xué)指標(biāo)

2 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.1 樁頂水平位移現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

樁頂水平位移監(jiān)測點(diǎn)總共布設(shè)了26個(gè),編號(hào)為ZQS1～ZQS26。其中,ZQS1、ZQS2、ZQS3、ZQS4、ZQS20測點(diǎn)在施工過程中遭到嚴(yán)重破壞,無法正常監(jiān)測。為簡化分析過程,現(xiàn)只選取基坑標(biāo)準(zhǔn)段中具有代表性的4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)ZQS6、ZQS12、ZQS16、ZQS23進(jìn)行分析研究。通過對(duì)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)處理,得到2018年4月份現(xiàn)場樁頂水平位移變化曲線如圖1所示。

圖1 2018年4月份現(xiàn)場樁頂水平位移變化曲線

從圖1可以發(fā)現(xiàn),編號(hào)ZQS6、ZQS12、ZQS16、ZQS23監(jiān)測點(diǎn)最大水平位移值分別為4.3、3.5、3.9、5 mm。在2018年4月21日—4月23日,由于受外界降雨天氣的影響,4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的樁頂水平位移值有一定程度的增大,但下雨過后又逐漸減小并趨于正常水平。

2.2 樁體深層水平位移現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

測斜孔總共布設(shè)了26個(gè),編號(hào)為ZQT1～ZQT26。其中,編號(hào)為ZQT1和ZQT26的測斜孔在施工過程中遭到嚴(yán)重破壞,無法正常監(jiān)測。為了簡化分析過程,現(xiàn)在只選取基坑標(biāo)準(zhǔn)段中具有代表性的2個(gè)測斜孔ZQT15和ZQT18進(jìn)行分析。通過處理現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),得到2018年4月份2個(gè)測斜孔的樁體深層水平位移變化曲線分別如圖2～3所示。從圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn),由于受外部降雨影響,ZQT15和ZQT18的測斜孔最大樁體深層水平位移值分別達(dá)到40.85、25.18 mm。2個(gè)測斜孔的樁體深層水平位移值在4月22日—4月23日波動(dòng)比較大。

圖2 ZQT15樁體深層水平位移變化曲線

圖3 ZQT18樁體深層水平位移變化曲線

2.3 鋼支撐軸力現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

共布設(shè)8組鋼支撐軸力計(jì),分別設(shè)置在第2道和第3道鋼支撐上,編號(hào)為ZCL01～ZCL08。為簡化分析過程,現(xiàn)在基坑標(biāo)準(zhǔn)段第2道和第3道鋼支撐上分別選取1個(gè)具有代表性的軸力計(jì)ZCL02和ZCL06作為分析對(duì)象。2道鋼支撐軸力值變化曲線如圖4所示。由圖4可知,因?yàn)榛踊疽姷?鋼支撐軸力值基本處于穩(wěn)定狀態(tài),波動(dòng)較小。但受降雨天氣的影響,4月22日ZCL02鋼支撐的軸力值達(dá)到1 467.3 kN,4月23日ZCL06鋼支撐的軸力值達(dá)到818.4 kN。此外,鋼支撐軸力值在4月21日—4月23日有一定程度的增大,波動(dòng)較大。

圖4 2道鋼支撐軸力值變化曲線

3 基坑開挖數(shù)值模擬計(jì)算分析

3.1 膨脹力加載模型及取值大小的確定

膨脹力的分布應(yīng)滿足如下條件：①膨脹力不能在地表處形成,是土體體積膨脹受到周圍土體限制后所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力,隨著深度增大而增大;②膨脹力沿基坑深度方向分布[5];③基坑底面處膨脹力較小。隨著基坑深度增加,濕度變化變小,土體密實(shí)度增大,雨水入滲較為困難,膨脹力將逐漸減小[6]。

目前,加載模型主要包括上三角形模型、全三角形模型、梯形模型、矩形模型和濕度場模型。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),根據(jù)濕度場建立的膨脹土壓力模型符合現(xiàn)場實(shí)際情況。該模型的分布范圍為整個(gè)開挖深度范圍,基底以下取1～2 m,方向?yàn)樗阶饔糜诨又ёo(hù)結(jié)構(gòu)臨空面上[4],模擬膨脹力取值采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)值的30%基本合理[5]。

濕度場模型圖形不規(guī)則,為便于模擬計(jì)算,現(xiàn)將濕度場模型簡化成三角形,膨脹力加載簡化模型如圖5所示。通過查閱本標(biāo)段巖土工程勘察報(bào)告得到膨脹力室內(nèi)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)值(P)為67.6 kPa,水平膨脹力計(jì)算值取30%P。

圖5 膨脹力加載簡化模型

3.2 基坑開挖模型的建立及計(jì)算工況

1)運(yùn)用Midas GTS/NX有限元軟件[7-8]建立基坑開挖三維模型,從而實(shí)現(xiàn)基坑開挖過程的數(shù)值模擬計(jì)算分析,土體采用莫爾-庫侖本構(gòu)模型,樁體和鋼支撐采用彈性本構(gòu)模型,并定義各施工階段。

由圣維南原理可知,基坑對(duì)周圍土體的影響將隨著開挖面遠(yuǎn)離開挖部位而逐漸消失。按照工程經(jīng)驗(yàn)及有限元計(jì)算結(jié)果,本基坑的開挖影響寬度為開挖深度的3～4倍,影響深度為開挖深度的2～4倍[9]。四川路站基坑標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸為209 m(長)×19.7 m(寬),深度約為16.8 m。按照工程經(jīng)驗(yàn)分析,最終確定該基坑開挖模型為276 m(長)×87 m(寬)×50 m(深)的長方體模型。由于基坑周邊建筑物均不在影響范圍內(nèi),地面超載按照設(shè)計(jì)值30%P計(jì)算,作用在基坑周圍土體影響范圍內(nèi)。邊界條件使用模型的側(cè)邊限制水平位移,底面限制垂直位移,地表不作為自由表面限制位移。支護(hù)樁采用板單元進(jìn)行模擬,鋼支撐采用桁架單元來模擬。由于在模擬計(jì)算過程中,支護(hù)樁所形成的網(wǎng)格量非常龐大,造成計(jì)算不便,所以按照排樁與地連墻抗彎剛度相等的原理,將支護(hù)樁等效為地下連續(xù)墻形式來簡化計(jì)算過程,受力形式與地下連續(xù)墻類似。

如果采用直徑為D的樁,兩個(gè)樁邊緣之間的間距為t,則把樁等效為長度為(D+t)的連續(xù)墻,根據(jù)抗彎剛度相似理論,根據(jù)式(1)計(jì)算后的地下連續(xù)墻厚度為35 cm。

(1)

2)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際施工情況,將基坑開挖過程劃分為4個(gè)工況[10]。工況1,基坑開挖至2 m深度時(shí),及時(shí)施作第1道鋼筋混凝土支撐;工況2,基坑開挖至8.8 m深度時(shí),及時(shí)架設(shè)第2道鋼支撐;工況3,基坑開挖至14.8 m深度時(shí),及時(shí)架設(shè)第3道鋼支撐;工況4,基坑開挖至16.8 m深度時(shí),及時(shí)澆筑鋼筋混凝土底板。

3.3 加載膨脹力時(shí)的基坑開挖數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

由于受到降雨等外部環(huán)境影響,基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生膨脹力附加應(yīng)力場[11]。為了簡化模擬計(jì)算過程,在模擬基坑開挖過程中按照濕度場模型對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)加載30%P的水平膨脹力。由數(shù)值模擬結(jié)果可知,基坑周邊的土層沉降量和位移量隨著基坑開挖深度增大而增大。

1)基坑支護(hù)樁樁體位移分析。工況4端頭樁、標(biāo)準(zhǔn)段樁體位移云圖如圖6～7所示。

圖6 工況4端頭樁樁體位移云圖

圖7 工況4標(biāo)準(zhǔn)段樁體位移云圖

通過云圖對(duì)比發(fā)現(xiàn),隨著基坑開挖深度增大,支護(hù)樁樁體變形值越來越大。支護(hù)樁樁體變形值在基坑見底后達(dá)到最大值。端頭樁樁體位移最大值達(dá)到27.9 mm,基坑標(biāo)準(zhǔn)段支護(hù)樁樁體位移最大值達(dá)到28.5 mm。

2)鋼支撐軸力峰值變化分析。工況4鋼支撐軸力變化云圖如圖8所示。從圖8可以發(fā)現(xiàn),隨著開挖深度增大,鋼支撐軸力值也不斷增大。第2道鋼支撐軸力值在基坑開挖見底后達(dá)到最大值1 503.8 kN;第3道鋼支撐橫撐最大軸力值為1 142.9 kN。

圖8 工況4鋼支撐軸力變化云圖

4 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果間的對(duì)比分析

4.1 樁頂水平位移現(xiàn)場監(jiān)測值與模擬值的對(duì)比分析

以ZQS6和ZQS23監(jiān)測樁為研究對(duì)象,樁頂水平位移現(xiàn)場監(jiān)測值和模擬值如圖9所示。

圖9 樁頂水平位移現(xiàn)場監(jiān)測值和模擬值

從圖9可以發(fā)現(xiàn),數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測值較為接近,且變化趨勢(shì)一致,說明模擬值是合理的。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),降雨條件下膨脹土地層形成了膨脹土附加應(yīng)力場,從而導(dǎo)致基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性降低。因現(xiàn)場工況復(fù)雜多變,實(shí)際基坑開挖過程中可能存在超挖和鋼支撐架設(shè)不及時(shí)現(xiàn)象,所以現(xiàn)場監(jiān)測值相對(duì)偏大,沒有模擬值規(guī)律性強(qiáng)。

4.2 樁體深層水平位移現(xiàn)場監(jiān)測值與模擬值的對(duì)比分析

由于4月21日—4月23日期間多雨,基坑周圍土體在支護(hù)結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生膨脹土附加應(yīng)力場作用。4月23日降雨量較大,為了簡化分析過程,特以此日樁體深層水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)作為分析研究對(duì)象。分析測斜孔ZQT15和ZQT18的監(jiān)測數(shù)據(jù),得到樁體深層水平位移變化曲線,再將其與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,得到兩者的變化關(guān)系曲線如圖10～11所示。

圖10 ZQT15樁體深層水平位移現(xiàn)場監(jiān)測值和模擬值

圖11 ZQT18樁體深層水平位移現(xiàn)場監(jiān)測值和模擬值

從圖10～11可以看出,由于受降雨天氣的影響,ZQT15和ZQT18兩個(gè)測斜孔的監(jiān)測值數(shù)據(jù)在4月23日顯著增大,然后又逐漸降低,并趨于穩(wěn)定狀態(tài)。ZQT15和ZQT18的測斜孔現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和模擬值較為接近,且兩者樁體深層水平位移變化趨勢(shì)基本吻合,表明數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果是合理的。

4.3 鋼支撐軸力模擬值與現(xiàn)場監(jiān)測值對(duì)比分析

對(duì)4月15日—4月30日第2道和第3道鋼支撐軸力的現(xiàn)場監(jiān)測值進(jìn)行分析,得到基坑見底后編號(hào)為ZCL02和ZCL06軸力計(jì)的軸力峰值。各道鋼支撐軸力現(xiàn)場監(jiān)測值峰值和模擬值峰值匯總見表2。由于基坑開挖工作基本完成,鋼支撐軸力在4月15日—4月30日處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài),軸力值波動(dòng)非常小。但是,受外部降雨等條件的影響,鋼支撐軸力值在4月21日—4月23日出現(xiàn)波動(dòng),鋼支撐軸力值略有增加。其中,ZCL02、ZCL06的鋼支撐軸力值于4月22日達(dá)到峰值,軸力值分別達(dá)到1 467.3、818.4 kN。現(xiàn)場監(jiān)測值和模擬值比值系數(shù)處于1.03～1.4內(nèi),兩者是基本相符的。

表2 各道鋼支撐軸力現(xiàn)場監(jiān)測值峰值和模擬值峰值匯總

5 結(jié)論

根據(jù)濕度場簡化模型進(jìn)行膨脹土地層基坑開挖數(shù)值模擬計(jì)算是可行的,現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和模擬值基本吻合。由于受到降雨等外部環(huán)境的影響,膨脹土地層基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)上將形成膨脹土附加應(yīng)力場,導(dǎo)致基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形值和內(nèi)力值均有一定程度增加。在降雨天氣的影響下,膨脹土地區(qū)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性有一定程度降低,進(jìn)行基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮膨脹力的作用,不可忽略不計(jì)。