西安地铁深基坑变形模式统计规律分析.pdf

第 48 卷 第 3 期 西安建筑科技大学学报（自然科学版） Vol.48 No.3 2016 年 6 月 J. Xian Univ. of Arch. 2. School of Environmental and Chemical Engineering, Xian Polytechnic University, Xian 710048 Abstract A statistic analysis of the properties of the ground settlement and the lateral deation of soldier pile of the deep exca- vation in Xian metro station is pered. The result shows that Ground settlement of the deep excavation in Xian metro station mainly ranges from 0 mm to 12 mm, while the lateral deation of soldier pile mainly ranges from 0 mm to 8 mm, both of which are smaller than that of other areas. The shape of the foundation ground settlement is groove-like , which means the ground settle- ment of the area within 10m to 15m from the foundation pit wall is the biggest ,while that of the area 30 m away the foundation pit wall is smaller. The shape of the lateral deation of soldier pile is like convex or cantilever. Deation direction of most soldier pile is towards the foundation pit except for a very few piles are on the biggest deation of the convex shape takes at the pile 5 m to 15 m below ground, while the biggest deation of the cantilever shape is on the top of the pile, and the deation decrease with the increase of the distance to the top of the pile. Key words soil mechanics; collapsible loess; foundation pit engineering; Xian metro; deation model 收稿日期2015-12-31 修改稿日期2016-06-10 基金项目 国家自然科学基金项目资助项目 （51408463） ； 陕西省自然科学基础研究计划项目 （2016JQ5091） ； 陕西省教育厅专项科研计划项目 （15JK1413） ； 西安建筑科技大学科技计划项目（RC1375）；西安建筑科技大学科技项目（QN1409） 作者简介梅源（1983－），男，博士，讲师，主要从事岩土力学及工程技术方向的研究．E-mail my0326 黄土湿陷性具有极大的危害性[1]．作为黄土地 区第一个修建地铁的城市，西安地铁沿线土体多为 典型的湿陷性黄土，基坑工程变形影响因素比较复 杂，基坑开挖过程中风险较大，基坑变形控制问题 一直是工程人员关注的焦点． 针对深基坑变形规律的研究，已经积累了一些 重要的研究成果． LEUNG [2] 、 徐中华[3]、 王卫东[4]、 MASUDA [5]、李淑[6-7]分别分析了不同地区的基坑 变形特性及影响因素，但较少涉及黄土深基坑．虽 然有不少学者针对某单一黄土深基坑的变形规律 进行了分析，但由于数据量较少，而未能得到统计 规律，为向黄土地区地铁深基坑工程的设计和施工 提供参考，本文针对西安地铁车站深基坑地表沉降 及支护桩侧向变形性状开展了统计分析，对防止基 坑事故及优化设计具有重要意义． 1 基坑概况及沿线基本地质条件 西安地铁沿线多穿越渭河或浐河阶地、黄土梁 洼和黄土塬区[8]．地质条件复杂，湿陷性黄土、饱 和软黄土、饱和的粉细砂层、人工填土等特殊岩土 和不良地质以及地裂缝决定了西安地铁工程的特 殊地位，沿线主要土层物理力学参数平均值见表1. 表1 西安地铁沿线主要土层物理力学参数平均值 Tab.1 Average value of the mechanical parameters of the critical soil layer along Xi’an subway 土层 天然重度 γ/kNm-3 变形模量 E/MPa 泊松比 μ 粘聚力 c/kPa 内摩擦角 φ/ 杂填土Q4ml13.4 9 0.38 9.5 13.3 素填土Q4ml16.7 9 0.35 11.5 16.9 新黄土Q3eol16.8 22 0.32 37.2 21.7 老黄土Q2eol17.4 24 0.32 41.7 21.3 粗砂Q2al21.4 30 0.30 0 38.0 372 西 安 建 筑 科 技 大 学 学 报（自然科学版） 第 48 卷 为避免基坑变形影响因素过于复杂，本次统计 基坑形状均为矩形，均是采用灌注桩与钢支撑联合 支撑系统，基本信息见表2. 表2 统计的车站深基坑工程基本信息 Tab.2 Fundamental ination of the station foundation pit engineering 序号 车站名称 基坑尺寸 围护桩 嵌固深度/m长度/m 宽度/m 深度/m 1 万寿路[9-10] 135.6 21 27.1 9 2 通化门[11-12] 150.2 22.7 24.54 10.5 3 小寨（2号线）[13] 209.6 21.5 17.11 8 4 小寨（3号线）[13] 145.6521.7 23.16 11 5 南门[14] 190.2 22.5 17.0 7 6 尤家庄[15] 185 18.5 16.06 6 7 韦曲南[16] 241.7520.7 17.8 6 8 运动公园[17] 190.2 22.5 17 7 9 某车站[18] 225.7 24.9 15.6 4 10 五路口 （1号线） [19] 194.8 22.7 16.11 4 由表2可知，本次统计的基坑长度集中分布在 200 m左右，宽度集中分布在20 m左右，开挖深度 主要分布于15～20 m之间， 最大开挖深度达27.1 m， 开挖尺寸分布如图1所示． 图1 基坑开挖尺寸分布 Fig.1 Dimension distribution of the excavation 2 基坑最大变形量分布 本次统计共得到81个地表沉降测点有效测值 及710个桩体变形有效测值．图2为地表沉降测点的 最终变形值，图3为桩体侧向变形最终测值． 从图2可以看出基坑开挖主要引起地表沉降， 沉降测点占所有测点的97.53；沉降值为0～3 mm 的测点所占比率为23.46； 3～6 mm 测点所占比率 39.51为最高比率区段；6～9 mm 测点所占比率 18.52；9～12 mm 测点所占比率9.88；12～15 mm 测点所占比率2.47；15～18 mm 测点所占比 率1.23； 沉降值大于18 mm 的测点仅占2.46． 分 析发现基坑开挖不仅会使地表产生沉降，还会导 致地面隆起，隆起的测点不多且隆起值较小，介于 0～3 mm． 图2 地表沉降值分布 Fig.2 Value distribution of ground settlement 图3 支护桩侧向变形值分布 Fig.3 Value distribution of lateral deation of soldier pile 由图3可知 围护桩最大侧向变形为0～2 mm所 占比率为27.46，2～4 mm 区段所占比例为 30.70，是分布比例最高的区段；4～6 mm区段所 占比例为17.46；6～8 mm区段所占比例为9.01； 8～10 mm区段所占比例为4.65； 10～12 mm 区段 所占比例为3.24；大于12 mm区段仅占3.67． 对比发现，基坑地表沉降主要在0～12 mm 范 围，总体略大于墙体侧移（集中于0～8 mm），但 绝对变形量见其它土质基坑小，这与黄土特殊的结 构性和较高的强度有直接关系．本文统计结果与北 京地区深基坑工程开挖总体变形趋势基本一致[6-7]． 3 基坑基本变形模式 3.1 西安地铁深基坑与其它地区基坑变形对比分析 西安地区地铁深基坑变形与其他地区的对比 情况见表3． 5 10 15 20 25 30 35 5 10 15 20 25 30 35 50100150200250300350 基坑开挖深度H/m 基坑宽度B/m 基坑长度L/m L-B L-H 2.5 23.5 39.5 18.5 9.9 2.51.2 0.0 0.01.2 1.2 0 10 20 30 40 50 3～0 0～-3 -3～-6 -6～-9 -9～-12 -12～-15 -15～-18 -18～-21 -21～-24 -24～-27 -27～-30 地表沉降测值区间/mm 各区间测值个数所占比例 0.1 3.7 27.5 30.7 17.5 9.0 4.63.2 1.71.10.8 0 10 20 30 40 -4～-2 -2～0 0～2 2～4 4～6 6～8 8～10 10～12 12～14 14～16 16～18 桩体侧向变形测值区间/mm 各区间测值个数所占比例 第 3 期 梅源，等西安地铁深基坑变形模式统计规律分析373 表3 西安地铁车站深基坑变形与其它地区对比结果 Tab.3 Comparison results of the deep foundation pit in Xian metro station and other area 来源 土层条件 桩体侧移U/H / 地表沉降V/H / G. W. Clough[2] 硬黏土、 砂土 0.2000.150 C. Y. Ou[6] 台北软土 0.200～0.500 0.500～0.700 R. Fernie[27] 英国 较硬土 0.150～0.200 0.150 M. Long[4] 软土层 0.140～0.480 0.120～0.800 I. H. L. Wong[7] 软土层 0.150～0.500 0.200～0.500 E. H. Y. Leung[8] 香港城区 土层 0.130～0.230 0.020～0.120 Y. M. A. Hashash[29] 填土、 黏土等 0.070 0.050～0.150 徐中华[9] 上海软土0.4400.420 李淑 北京城区 土层 0.100～0.130 0.100 本文 西安黄土0.0360.043 由表3可知，西安地区地铁车站基坑最大侧移 平均值远小于其它地区，这说明黄土深基坑在天然 含水量状态下稳定性好，侧移及沉降均较小． 3.2 西安地铁深基坑典型变形曲线监测与分析 为说明西安地铁深基坑典型变形曲线，本文基 于某深基坑实测数据对支护桩变形及地表沉降的 变化规律加以分析．该车站长度约为150 m，车站 标准段宽度约为23 m，开挖深度为25 m．车站主体 围护结构采用钻孔灌注桩及钢管（Φ600）内支撑方 案，基坑内共设五层支撑．场地位于黄土梁洼区， 地表一般均布有厚度不均的全新统人工填土 （Q4ml）；其下为上更新统风积新黄土（Q3eol）、 层饱和软黄土（Q3eol）及古土壤（Q3el），再下为中 更新统风积老黄土（Q2eol）、冲积粉质黏土（Q2al）、 中砂等．选取的支护桩侧移监测点监测结果如图4 所示，地表沉降监测断面监测结果如图5所示． 从图4中可看出，在整个基坑的开挖过程中， 围护桩水平位移总体变化不大，围护桩水平位移的 最大值约有10 mm，与设计中桩体测斜报警值还相 差较大，这充分反映出了黄土深基坑不同与软土地 区的显著特点，黄土由于本身的结构性，侧向变形 较软土地区要小的多．在基坑开挖的初始阶段，支 护桩的侧向位移一般很小，呈前倾型曲线． 监测过程中发现，大部分桩体变形曲线变化趋 势相同（如图4a所示），呈抛物线分布，且在整 个基坑施工过程中，桩体变形最大位置随着开挖深 度的增加逐渐下移．从图4b中还可以发现，少部 分桩体变形规律较其它测点有显著的不同，整个支 护桩的位移沿深度方向是线性减小的，支护桩最大 位移出现在桩顶，这可能由于局部环境及荷载情况 差异所致．从图4中还可以看出，桩体的水平位移 不仅发生在开挖面以上，开挖面以下也会产生一定 的位移．所以，保证支护桩有一定的嵌固深度在设 计和施工过程中是非常必要的． a 支护桩侧移监测时程曲线1 b 支护桩侧移监测时程曲线2 图4 支护桩侧向变形监测曲线 Fig.4 Monitoring curve of lateral deation of soldier pile 图5 地表沉降变形监测曲线 Fig.5 Monitoring curve of ground settlement -25 -20 -15 -10 -5 0 -2024681012 支护桩侧向位移/mm 支护桩长度/m T1 d T10 d T20 d T30 d T40 d T50 d T60 d T90 d T120 d T150 d -16 -12 -8 -4 0 -10123456 支护桩侧向位移/mm 支护桩长度/m T1 d T10 d T20 d T30 d T40 d T50 d T60 d T90 d T120 d T150 d -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 051015202530 测点距基坑边缘距离/m 地表沉降值/mm T1 d T30 d T60 d T90 d T120 d T150 d T180 d T210 d T240 d T270 d 374 西 安 建 筑 科 技 大 学 学 报（自然科学版） 第 48 卷 从图5中可以看出，在基坑开挖过程中，最大 沉降点并不是距离基坑最近处，而是始终发生在距 基坑边缘一定距离处．该基坑的实测地面最大沉降 点位于距离基坑边13～15 m 的位置处，整体沉降 形状类似于“凹槽形”，且随着基坑开挖深度的增 加，沉降峰值逐渐向基坑侧靠近．在整个基坑开挖 过程中，最大的地面沉降值接近30 mm，并随着监 测点与基坑边距离的不断增加，沉降值又逐渐减 小，最后趋于稳定．每开挖一步，坑后地表的沉降 量都有一定程度的增加，每步开挖形成的地表沉降 分布曲线形状相似． 3.3 变形模式分析 为统计分析西安地铁深基坑支护桩侧向变形 及地表侧向变形的基本规律，本文将收集到的数据 采用统计方法处理，得到基坑地表沉降测点最终测 值统计图（如图6所示）及基坑支护桩侧向变形统 计图（如图7所示）． 图6 地表沉降变形模式 Fig.6 Model of ground settlement 图7 支护桩侧向变形模式 Fig.7 Model of lateral deation of soldier pile 由图6可知，西安地区地铁车站基坑地表变形 表现为“凹槽形”模式．除距基坑边缘约3 m处个 别测点表现为隆起外，其余均为沉降；距离坑壁 10～15 m内地表沉降值最大；距坑壁30 m以外沉降 较小，基本模式与北京地区深基坑地表变形模式相 似[6]． 由图7可知，西安地区地铁车站基坑支护桩变 形表现为两种变形模式，即“中凸形”或“悬臂形” 模式[7]．除个别测点支护桩顶部向基坑外变形外， 其余均向基坑内变形．“中凸形”模式变形的支护 桩距地表5～15 m内变形最大；“悬臂形”模式支 护桩顶变形最大，并随深度增加而逐渐减小．两种 变形模式下支护桩嵌固端可视为不动点．根据经 验，对于土质较好的基坑，桩侧土压力的作用往往 表现不明显，支护桩变形更接近于“悬臂形”模式； 当土质相对较软或部分土层发生湿陷时，桩侧土压 力的作用将会表现的较为突出，桩体变形模式更接 近于“中凸形”模式，类似于软土基坑． 4 结 论 1 西安地铁车站深基坑地表沉降变形主要集 中于0～12 mm 范围，支护桩侧向变形集中于0～8 mm范围，但两者均小于其它地区的统计值． 2 基坑开挖导致的地表沉降变形表现为 “凹槽 形”模式，距离坑壁10～15 m内地表沉降值最大， 坑壁30 m以外地表沉降较小，且随着基坑开挖深度 的增加，峰值逐渐向基坑侧靠近．支护桩侧向变形 分别表现为“中凸形”或“悬臂形”两种模式，距 地表5～15 m范围内侧向变形最大且在施工过程中， 桩体变形最大位置随着开挖深度的增加逐渐下移． 参考文献References [1] 王梅. 中国湿陷性黄土的结构性研究[D]. 太原 太原 理工大学, 2010. 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