徐州地區軌道交通深基坑含砂姜粘土層水土壓力分析及應用*

耿培剛，王國良，鄭亮亮

（1.徐州市城市軌道交通有限責任公司，江蘇 徐州 221000；2.上海元易勘測設計有限公司，上海 201210）

在徐州局部地區，第四系更新統Q3地層時代的5-3-4層含有含量較多的鈣質結核，定名為含砂姜粘土層［1］。目前行業仍視其為弱透水層或隔水層，滲透系數普遍在10－6～10－7m／s。對于滲透系數較小的土層（粘土、黏質粉土）可采用水土合算進行水土壓力計算，對于滲透系數較大的土層（砂質粉土、粉土及碎石土）等應采用水土分算進行水土壓力計算。故按照傳統經驗，徐州軌道交通深基坑含砂姜粘土層采用水土合算的方式更經濟合理［2］。

另外根據工程經驗，徐州部分地區5-3-4含砂姜粘土層透水性較強，滲透系數較大。徐州軌道交通1號線杏山子站在基坑開挖至5-3-4層含砂姜粘土層時降排水困難。另外在降水過程中，坑外水位下降明顯，基坑外土體發生固結變形較大。徐州軌道交通2號線二環北路站抽水試驗也發現水量較大的現象。這表明徐州局部區域5-3-4含砂姜粘土層具有較強的透水性，具有明顯的水土分算特征［3］。

因此本文通過現場試驗與理論計算，研究徐州地區軌道交通深基坑含砂姜粘土層水土分算或水土合算合理性，研究結果對圍護設計的安全及經濟性具有重要的意義。

1 現場試驗

現場水土壓力監測試驗在徐州軌道交通2號線二環北路站進行，巖土工程勘察報告顯示二環北路站出水量較為豐富。二環北路站基坑開挖深度約19m，采用地下連續墻作為圍護結構。基坑影響范圍內含有5-3-4含砂姜粘土層，層頂埋深在18.0～22.8m，厚約18.0～25.0m。土層主要由黏質粉土、黏土為主，其中5-3-4層褐黃色、硬塑，含有較多的砂姜，顆粒粒徑在0.5～10cm。二環北路站各層土層性質如表1所示。

表1 二環北路土層性質與參數

本次試驗采用正弦式孔隙水壓力計及正弦式水土壓力盒進行試驗，利用自動測量系統測定不同時段的頻率,再根據振弦頻率和壓力關系公式得出孔隙水壓力值或水土壓力值.現場設置3組試驗,分別埋設在地面以下20,25m及28m位置,試驗緊貼地下連續墻外側布置,水土壓力盒平行地下連續墻布置.根據朗肯土壓力計算公式[4],水土合算水土壓力為:

式中,γ飽為監測點以上土層飽和重度,取20kN/m3,地下水位以上用土的天然重度代替飽和重度,h為土的厚度,c及φ分別為監測點處的黏聚力及內摩擦角.

對于水土分算的情況,水土壓力可直接由水壓力及土壓力直接相加得到,即:

式中,γ為監測點以上土層浮重度,地下水位以上用土的天然重度代替浮重度,h1為每層土的厚度,h2為地下水面至監測點的高度,本次現場試驗中Pw可用孔隙水壓力計直接測定.

在對孔隙水壓力及水土壓力盒監測結果分析的基礎上,與水土合算及水土分算的結果進行對比,如圖1所示.

圖1 水土壓力理論計算值與實測值對比分析

通過水土壓力理論計算值及實測值對比分析可知,5-3-4含砂姜粘土層水土壓力采用分算計算模式更符合實際情況.

根據徐州軌道交通巖土工程勘察報告,5-3-4含砂姜粘土層室內土工試驗得出的滲透系數在10-7m/s,符合一般黏性土的滲透特性;另一方面,現場抽水試驗得出的滲透系數一般在10-3m/s左右,符合砂土的滲透特性[5].土層滲透性強弱首先取決于孔隙的大小和連通性,直接與土的成因、顆粒大小、顆粒級配、黏粒含量及土的密實度等有關.由于尺寸限制,室內土工試驗無法真實反映土層內孔隙的連通特性,故現場試驗得出的滲透系數10-3m/s更符合實際情況.因此對于出水量較大的區域,5-3-4層含砂姜粘土層采取水土壓力分算符合實際受力情況.

2 理論計算分析

2.1 計算模型分析

徐州5-3-4含砂姜粘土層厚度較大,采用水土壓力采用合算或分算計算方式對基坑自身安全及周邊環境變形的預估有重要影響.本文以徐州某地鐵基坑為例,利用FRWS8.0基坑設計軟件分別對5-3-4含砂姜粘土層采用水土分算及合算進行分析,探討采用水土分算在有限元計算過程中的必要性.

本地鐵基坑采用地下連續墻作為圍護結構,厚度800mm,場地整平后自然地坪高程為+36.320m,采用1道混凝土支撐加3道鋼支撐的形式,第1道混凝土支撐中心標高+34.520m,截面為800mmX 1000mm,3道鋼支撐均采用φ800mmX16mm的鋼管支撐,中心間距分別為27.620,23.820,20.020m,坑底標高為+16.460m.地下水位按照地表以下4m計算,計算模型如圖2所示.基坑的支撐形式如表2所示.

圖2 FRWS計算模型

2.2 計算結果分析

本文對5-3-4層分別采取水土分算及合算進行分析,并對地下連續墻內力變形值、基坑安全穩定性及周邊環境變形3方面進行對比.

表2 徐州某地鐵基坑支撐參數

2.2.1 地下連續墻變形內力包絡圖

當5-3-4層水土壓力采用水土合算時，地下連續墻的變形內力包絡圖如圖3所示。

圖3 采用水土合算時的變形內力包絡圖

當5-3-4層水土壓力采用水土分算時，地下連續墻的變形內力包絡圖如圖4所示。

圖4 采用水土分算時的變形內力包絡圖

根據模擬結果，當5-3-4層采用水土分算時，最大位移從13.8mm增加到15.1mm，增加9.4%；圍護結構彎矩最大值變化不大；剪力最大值從488.0kN增加到533.2kN，增加9.3%。圍護結構變形的增加容易造成周邊環境土體位移，給周圍建筑帶來不利影響；圍護結構彎矩及剪力的增加導致地下連續墻內力有所增大。

2.2.2 基坑穩定性分析

當5-3-4層水土壓力采用水土合算時，圍護結構抗傾覆穩定性如圖5所示。當采用水土分算時，圍護結構抗傾覆穩定性如圖6所示。

根據模擬結果可知，當5-3-4層采用水土分算時，圍護結構抗傾覆穩定性從3.38下降到2.17，降低36%。由此可見，5-3-4層水土分算或合算對圍護結構抗傾覆穩定性有顯著影響。

圖5 采用水土合算時的基坑抗傾覆穩定性

圖6 采用水土分算時的基坑抗傾覆穩定

由于圍護結構整體穩定性和抗隆起穩定性只與地下連續墻插入比、土體c，φ有關，與水土分算及合算無關，這里就不再進行比較。

2.2.3 對周邊環境的影響分析

當5-3-4層水土壓力采用水土合算時，周邊地表沉降計算結果如圖7所示。

圖7 采用水土合算時的周邊地表沉降

當5-3-4層水土壓力采用水土分算時，周邊地表沉降計算結果如圖8所示。

圖8 采用水土分算時的周邊地表沉降

根據模擬結果可知，當5-3-4層采用水土分算時，地表最大沉降從12.6mm增加到14.7mm，增加17%，可見5-3-4含砂姜粘土層水土分算時，地表最大沉降有所增加。

5-3-4含砂姜粘土層水土壓力采用水土分算或合算對圍護結構的內力、抗傾覆穩定性及周邊環境土體沉降有著較大的影響，其中抗傾覆穩定性影響最大。板式支護結構抗傾覆穩定性主要和圍護結構插入比及最后1道支撐的位置有關，在最后1道支撐位置確定的情況下，只能通過增加插入比才能有效提高圍護結構抗傾覆穩定性［6］。故當通過現場抽水試驗判定5-3-4層滲透性強時，采用水土分算的水土壓力計算模式對基坑安全穩定性及周邊環境變形的預估有著重要意義。

3 結語

本文從工程經驗出發，通過現場水土壓力監測試驗對5-3-4含砂姜粘土層水土壓力進行監測，并與理論計算值進行了對比，得出如下結論。

1）在水量較為豐富的區域，5-3-4含砂姜粘土層水土壓力采用分算計算方式更加符合實際；

2）5-3-4含砂姜粘土層水土壓力的計算模式由土層滲透性強弱決定，現場試驗能夠較好地反映5-3-4含砂姜粘土層的滲透特性，證明了采取水土壓力分算計算方式的合理性。

3）5-3-4層含砂姜粘土層水土壓力采用水土分算或合算對圍護結構的內力、抗傾覆穩定性及周邊環境土體沉降有著較大的影響，其中抗傾覆穩定性影響最大。

4）對于滲透性強的5-3-4層，采用水土分算的計算模式對基坑安全穩定性及周邊環境變形的預估有著重要意義。