近年来地铁建设在全国各地蓬勃发展,在地铁建设过程中会遇到各种土质情况,针对不同的土质应采取相应的围护结构以保证基坑和周边环境的安全。基坑围护的主要荷载为主动土压力,因此研究主动土压力的大小和分布对了解围护结构受力情况具有重要的意义。

国内外众多研究者对基坑开挖时土压力的大小和分布等做了探索。Terzaghi等^[1]提出实测土压力与经典土压力理论不相符,实测的土压力呈非线性分布,而经典土压力理论计算的结果却是直线分布; 赵涛^[2]的研究发现基坑开挖引起的地下连续墙土压力分布呈非线性的波动特征; 宋征^[3]在经典土压力理论的基础上,分析了墙后土体的应力状态,推导了考虑墙背摩擦情况的土压力系数和土压力计算方法; 侯大伟^[4]研究了土体位移对围护结构土压力分布的影响,建立了土压力与墙体位移的关系曲线,得到了考虑位移的土压力计算方法; 丁克胜等^[5]分析了天津软土地区采用逆作法施工的某深基坑工程,得到了土压力和墙体侧向变形的关系; 屈志英^[6]研究了黄土地区围护桩桩后的土压力,认为桩后土压力值小于静止土压力,接近主动土压力; 李涛等^[7]分析了北京地铁车站的土压力实测数据,得到了实测土压力上部为三角形、下部为矩形的分布规律; 姚爱军等^[8]研究了长春某基坑工程双排桩支护结构的土压力分布规律,发现排桩桩前土压力大致呈“右凸”形分布; 蒋忠信等^[9]研究了南昆铁路支护结构的主动土压力,得到主动土压力大致呈抛物线分布。应宏伟等^[10]提出了任意位移柔性挡墙主动土压力合力的计算公式、土压力分布及合力作用点高度的计算方法; 张家国等^[11]分析了排桩框架结构的变形和内力及桩径、桩端地层等因素对桩后土压力的影响,得出围护桩桩后土压力接近三角形分布; 刘方克等^[12]分析了土岩组合地区围护结构变形的实测数据,得到嵌岩桩基坑的围护结构侧移最大值与基坑深度的比值为0.3‰～2.4‰。

上述研究主要针对软土地区、砂质土地区的土压力分布模式及围护结构变形情况,尚少涉及上软下硬土岩组合地区基坑开挖的土压力分布和围护结构变形,对此,本研究依托浙江金华地区土岩组合地层条件下的某地铁深基坑工程,通过现场实测和理论计算分析基坑在不同工况下的受力特征和围护结构性状。

图1 围护结构典型剖面图(单位:mm)
Fig.1 Cross-section of enclosure structure(unit: mm)

金华万达广场地铁车站主体结构为地下三层单柱双跨混凝土框架结构,车站采用明挖法(局部盖挖)施工,标准段宽度为20.2 m,基坑开挖深度为24.0～25.0 m。车站总长约为182.0 m。围护结构采用钻孔灌注桩+内支撑,桩径为1 m,桩间距为1.2 m,桩体嵌固深度为5 m,地下8.5 m以下均为中风化泥质粉砂岩,强度较高,共设3道内支撑,围护结构典型剖面图如图1所示。第一道为混凝土支撑,第二、三道为钢支撑。钻孔灌注桩间采用高压旋喷桩止水,桩间土采用挂网喷射混凝土支护。

本工程地层由上至下依次为:素填土,层厚为1.4～6.8 m; 粉砂,层厚为0.6～1.3 m; 圆砾,层厚为1.9～4.9 m; 强风化泥质粉砂岩,层厚为0.4～2.0 m; 中风化泥质粉砂岩,层厚为6.0～34.0 m。中风化泥质粉砂岩层顶面在地表以下约8.5 m处,见岩面位于地表以下8.5 m,各土层基本物理力学参数见表1,各参数指标由勘察单位的地勘报告提供。

表1 土层基本物理力学参数
Table 1 Basic physical and mechanical parameters of soil layer

图2 监测点剖面图(单位:mm)
Fig.2 Cross-section of monitoring point(unit: mm)

本地铁站周边未见地表水分布。场地西侧距离武义江约150～300 m,武义江水与本场地地下水联系较弱。勘探深度范围内地下水类型主要可分为潜水和基岩裂隙水,水位埋深2.70～6.50 m。地下水位埋深和变化幅度受季节和大气降水的影响,动态变化大,水位变化幅度一般在1.0～3.0 m。

科研监测内容包括:土体深层水平位移、土压力。监测方案如下:取基坑长边标准段3个断面桩体内埋设仪器,桩代号分别为B137、C14、C60; 土压力盒安装采用挂布法,主动区和被动区各安装7个土压力盒,监测点剖面图如图2所示。由于施工问题和土压力盒的存活率,在主动侧只存活了桩下1.5、8.5、21、28 m处的4个土压力盒,在被动侧存活了8.5、14.8、24.4、28 m处的4个土压力盒。

图3为金华万达广场地铁基坑平面监测布置图,选取1-1剖面进行分析,其中C14桩位于标准段,在C14桩内挂有土压力盒、测斜管等科研仪器,现对基坑外主动土压力进行分析。

在基坑开挖过程中,土压力是不断变化的,其分布受到施工工况、围护结构变形、支撑架设及各种施工机械布置等因素的影响,实际上是由时间(挖深)、围护结构变形及荷载等因素综合作用的结果。

图4为实测主动土压力随工况的变化,其中图4(a)、(b)分别为开挖深度在见岩面(大约在地面以下8.5 m)以上及见岩面以下的主动土压力随着深度的变化情况。

图3 基坑平面监测布置图
Fig.3 Monitoring layout of foundation pit plan

图4 实测主动土压力随工况的变化
Fig.4 Variation of measured active earth pressure with working conditions

由图4可知,当开挖深度在见岩面以上时,沿深度方向主动土压力随深度的增加而增加; 但在同一埋深处的主动土压力却随开挖深度的增加而减小,因为此时随开挖深度的增加,土体位移变大,主动土压力减小; 总体上主动土压力分布近似为三角形分布,与Rankine主动土压力分布模式相同。当开挖深度在见岩面以下,土层为中风化泥质粉砂岩时,土压力分布大致为3段:第1段为地表至地表以下8.5 m,分布模式近似呈三角形分布,其中地表至地表以下2 m范围的主动土压力与理论值出入较大,其主要原因是现场施工使得地表附近的土体扰动较大; 2～8.5 m之间的土压力分布为线性分布,与Rankine土压力理论较符合,主动土压力随深度的增加而增加; 第2段为地表以下8.5～21 m,主动土压力随深度的增加而减小,主要原因是随着深度的增加,中风化泥质粉砂岩从上方的碎岩石变为完整性较好的岩石,对围护结构的作用力较小; 第3段为地表以下21～28 m,主动土压力随深度的增加而增大,其主要原因是坑底24 m处中风化岩石强度较高,限制了土体的位移,主动土压力增大。从实测结果来看,围护结构上的土压力分布近似为R形。

不同地质条件下的桩撑式围护结构的主动土压力分布模式有较大的不同。例如:软土地区,深基坑实测主动土压力均大于按照Rankine主动土压力公式的计算值,但实测值与计算值的趋势总体一致,大致呈三角形分布,Rankine理论^[13]较适用; 卵石地区实测主动土压力分布模式近似为上部R形下部为矩形^[14]; 对于本研究涉及的中风化泥质粉砂岩地区,其主动土压力分布模式表现为R形分布,这与Rankine理论有较大的差异。

表2列出了不同工况下土压力的实测值和Rankine理论值。由表2可知,基坑开挖到底时最大实测主动土压力约为0.13 MPa,同样开挖深度的上海软土地区的最大主动土压力实测值为0.25 MPa^[15]112,可见,土岩地区的最大主动土压力约为软土地区的0.52倍。表3为基坑开挖到底时见岩面上下各土层实测主动土压力合力值与Rankine主动土压力合力值的比值统计表。实测值是基坑开挖到底时的土压力值,无实测点的土层主动土压力采用插值法取得,比值采用面积比(图4(b)中,每层土主动土压力合力值为ABCD所包围的面积)。加权平均值为各土层土压力实测值与理论值的比值与相应土层厚度的乘积,除以总土层厚度。加权平均值能够反映基坑开挖过程中主动土压力实测值与Rankine主动土压力计算值之间的差异。由表3可知:在见岩面以上,实测土压力与Rankine理论值比较接近,实测值与理论值的比值约为0.81; 在见岩面以下,实测值与理论值相差较大,两者比值约为0.48。

表2 主动土压力实测值与Rankine理论值
Table 2 Measured value and theoretical value of active earth pressure

图5为实测主动土压力随开挖深度的变化图,由图可知,在整个施工过程中埋深1.5 m处的土压力变化稳定,其原因可能是圈梁对桩顶有限制作用,使上部土压力基本上处于稳定状态。埋深8.5 m处土

表3 不同深度处实测主动土压力合力值与Rankine主动土压力合力值的比值
Table 3 Ratio of measured active earth pressure resultant value to the Rankineactive earth pressure resultant value at different depths

图5 实测主动土压力随开挖深度的变化
Fig.5 Time history curve of measured active earth pressure with excavation depth

压力并非一直在减小,而是一个动态变化过程,开挖初期土压力随开挖深度的增加而减小,当第二道钢支撑架设后,钢支撑限制了围护结构与土体位移,使作用在围护结构上的土压力增大,当开挖到15 m以下时对埋深8.5 m处土压力的影响较小,土压力较稳定,变化不大。埋深在21、28 m处见岩面以下的主动土压力随开挖深度的增加呈现出先不变后减小的趋势,其原因主要是初期该两处处于静止土压力状态,随着开挖深度的增加转变为主动土压力,且主动土压力随开挖深度的增加而减小,这与基坑开挖的工程性状相符合。

综上可知:随着开挖深度的增加,岩面以上各埋深处的土压力波动较小,基本上不变; 而岩面以下各埋深处的土压力随开挖深度的增加而减小。

土压力的产生与土体位移有着紧密的关系,不同深度处的围护结构的土体水平位移不同,因此围护结构外的土压力也不同^[15]93。而实际工程中,基坑处于安全状态,围护结构后土体未形成连续的滑动面,未达到极限平衡状态,处于静止土压力与主动土压力之间。

图6 不同工况下桩体水平位移与埋深的关系
Fig.6 Relationship between horizontal displacement

图6为不同工况下桩体水平位移与埋深的关系,由图可知,随着开挖深度的增加,桩体水平位移逐渐增大,位移随深度分布曲线呈两头小中间大的“鼓胀”形,且最大桩体位移出现在见岩面处。其原因是开挖初期混凝土支撑的架设易控制支撑附近桩体的变形,见岩面处为土和岩层的交界处,岩土体性质发生突变; 深处的土质为中风化泥质粉砂岩,强度较高,这对桩体位移的影响较小。

图7 实测土压力-位移关系
Fig.7 Active earth pressure-displacement curve of pile and buried depth under different working conditions

图7为土岩地区实测土压力与位移的关系曲线,由图可知,实测主动土压力随土体水平位移的增加而减小。见岩面以上,埋深8.5 m处当基坑开挖到9 m时土体水平位移达到4.2 mm时,土压力基本上不再变化; 见岩面以下土层全为中风化泥质粉砂岩,在埋深21 m处当土体位移达到3.8 mm时,土压力不再变化; 而埋深28 m处的土压力随土体位移的增加而减小,处于主动土压力与静止土压力之间。

支护桩桩身及坑外土体位移与土压力大小密切相关,选取其中一个剖面在不同工况时的水平位移变化情况进行分析,土岩组合地层深层土体水平位移随工况的变化如图8所示,由图可知:开挖面在见岩面以上时,最大土体位移位于地表,主要是因为地表土质为素填土,压缩性大,位移受施工影响较大; 当基坑开挖4 m(粉砂层)时,8.5 m处土体位移由1.2 mm明显减小到0.2 mm,且8.5 m以下的土体位移与未开挖时相同,上部开挖到4 m时对8.5 m以下无影响,可知开挖到4 m时对基坑的影响深度约为1.1倍开挖深度(H); 当基坑开挖7 m(圆砾层),13.5 m处土体位移由1.9 mm明显减小到0.4 mm,且13.5 m以下的土体位移与未开挖时相同,可知开挖7 m时对基坑的影响深度约为0.93H; 当基坑开挖9 m时,15 m处土体位移明显减小,15 m以下的土体位移与未开挖时相同,可知开挖9 m时对基坑的影响深度约为0.67H; 当开挖在见岩面以下(中风化泥质粉砂岩土层)时,开挖到12 m时,19 m处土体位移明显减小,且深处的位移与未开挖时相同,可知开挖12 m时对基坑的影响深度大约为0.58H; 开挖到15 m及以下时土体都产生了位移是因为受到了开挖工况的影响。

图8 深层土体位移随工况的变化
Fig.8 Variation of deep soil displacement under different working conditions

开挖到底时最大土体位移在地表处,主要是混凝土支撑位于地表以下2 m处,见岩面以上土体性质较差,压缩性大,产生的位移也大; 见岩面处为土和岩层的交界处,岩土体性质发生突变,土体水平位移也较大。

通过对金华地区万达广场地铁站土岩组合实测数据的分析,可以得到以下几点结论:

1)基坑开挖过程中,土岩组合地区主动土压力分布模式表现为三角形分布; 开挖在见岩面以下时,围护结构上的主动土压力分布由三角形分布演变为R形分布。

2)开挖深度相同条件下的基坑,土岩组合地区的最大主动土压力约为软土地区的0.52倍。在见岩面以上,实测值与理论值的比值约为0.81; 在见岩面以下,实测值与理论值相差较大,两者比值约为0.48。随着开挖深度的增加,见岩面以上各埋深处的土压力基本上不变; 而见岩面以下各埋深处的土压力随开挖深度的增加而减小。

3)土岩组合地区最大水平位移位于地表。当开挖在见岩面以上土层时,对基坑的影响深度约为0.93～1.1H; 当开挖在岩面以下岩石层时,对基坑的影响深度约为0.58～0.67H。