平顶山市膨胀土深基坑支护设计研究

翟聚云，马明江，薛　娜

(河南城建学院 土木工程学院，河南 平顶山467036)



平顶山市膨胀土深基坑支护设计研究

翟聚云，马明江，薛娜

(河南城建学院 土木工程学院，河南 平顶山467036)

摘要：分析了影响平顶山深基坑设计及稳定性的因素，对造成深基坑坍塌的主要地层膨胀土进行试验研究，得到平顶山膨胀土抗剪强度参数随含水量的变化规律：相同干密度情况下，当含水量较小时，黏聚力随含水量增大而增大，当增大到一定数值时，随含水量的增大而减小；随着含水量增加，内摩擦角逐渐减小。根据研究结果，针对工程实际，采用不同支护形式进行深基坑工程支护设计。

关键词：深基坑；膨胀土；支护设计；含水量

深基坑与当地的工程地质及水文地质条件密切相关，深基坑支护体系设计要因地制宜。平顶山市位于河南省中南部，属亚热气候带向暖湿气候带过渡带，属大陆性季风气候，冷暖空气交汇频繁，气候变化四季分明，对平顶山市深基坑受气候变化影响进行研究具有十分重要的意义。

对平顶山市的地层，研究者进行了较多的研究[1-2]，对平顶山季风气候也有报道[3]，研究者虽然对深基坑有大量的研究[4-6]，但对平顶山市区深基坑的探讨较少[7]，在已有资料中气候条件对深基坑设计影响的研究比较少见。

1平顶山市气候概述

平顶山市地处豫西山地和淮河平原过渡带。平顶山地区地形位于南北两山带之间，形成狭长的走廊式洼地，此种特殊的地形，使得大风日多而且风速也较大，季风气候显著，年平均风速 2.0～2.6 m/s，随着冬夏季环流转换。平顶山市年平均降水量在631.6～824.4 mm，年平均气温在14.8～15.4 ℃，其中最高温度出现在7月份，平均为27.6 ℃，最低温度出现在1月份，平均为1.2 ℃。

2平顶山市地层特征

市区内大部分地区为晚更新世地层，但表层有数米的第四纪全新世冲积物，市区北部为早更新世黏土。平顶山地区内地层发育完整，地层的主要情况为：

(1)岩体。

根据岩石的成因、岩性及结构，将岩体类型划分为碎屑岩类、碳酸盐岩类、变质岩类及岩浆岩类。

(2)土的基本类型及特征。

松散土按粒度成分及工程地质特征划分为碎石类土、砂类土、黏性土及膨胀土四种类型。碎石类土包括碎石土及砂卵砾石土，泥质碎石土分布于山前地带，主要由更新统碎石、卵石、块石等组成，黏性土胶结；砂类土分布于沙河冲积平原，岩性主要为更新统中粗砂、中砂及粉细砂；黏性土，属全新统和上更新统，主要分布于山前倾斜平原地带，山间谷地及沙河、汝河冲积平原区。岩性主要有灰黄色、棕黄色亚黏土及灰黄色亚黏土及亚砂土等，天然状态下一般呈硬塑可塑状态，部分呈软塑状态；膨胀土主要为下更新统湖相沉积的黏性土。

以土层的时代成因、岩性及物理力学性能指标划分，将平顶山市平原区30 m深度内松散堆积层自上而下划分为6个工程地质层(见表1)。

表1　平原区松散堆积物工程地质层划分表

岩土物理、力学性质指标见表2。

表2　岩土物理、力学性质指标

3平顶山地区膨胀土

平顶山市区膨胀土属中等胀缩土，局部属强胀缩土。膨胀土主要有3种类型[9]：灰白色钙质黏土、灰绿色黏土和棕红色黏土。三类膨胀土常混杂在一起，空间上较难区分。灰白色钙质膨胀土，松散、颗粒极细，具滑感，含大量钙质结核，膨胀性弱，收缩性大，透水性好；灰绿色膨胀土，岩性以绿色黏土为主，致密，呈坚硬硬塑状态，常含有锰质结核，主要分布于西部薛庄、电厂一带，厚度一般2～10 m；棕红色膨胀土，呈坚硬硬塑状态，含有豆状铁锰质结核及大量钙质团块。裂隙发育，裂面常被灰绿色黏土充填，透水性差，主要分布于洼地及平原区，厚度一般大于50 m。

3.1抗剪强度试验

试验使用的膨胀土位于襄城县湛北乡姜店村西约500 m，李成功村北侧，S329省道南侧。灰绿色或棕红色黏土，埋深8 m，厚度比较大，20 m孔深未穿透。试验在河南城建学院的工程力学试验室进行。

试验分别配制4个不同含水量，每个含水量配制不同干密度的重塑膨胀土，进行剪切强度试验。为了研究水分对抗剪强度的影响，对抗剪强度指标内聚力和内摩擦角的试验结果进行汇总(见图1、图2)。

图1　黏聚力-含水量曲线

图2　内摩擦角-含水量曲线

由图1可以看出:当含水量较小时，土颗粒的黏结程度较差，黏聚力随含水量增大而增大;当增大到一定数值时，土颗粒变得更容易滑动，内摩擦角随含水量的增大而减小。由图2可以看出，相同干密度情况下，随着含水量增加，内摩擦角急剧减小。

该结果很好地解释了膨胀土地基的工程现象，由于水敏感性，工程边坡中普遍存在溜塌现象，边坡表层、强风化层内的土体吸水过饱和，沿坡面向下产生流塑性溜塌现象，形成土边坡表层最普遍的一种病害。边坡浅层膨胀土体在湿胀干缩效应与风化作用影响下，由于裂缝切割以及水的作用，土体强度衰减，丧失稳定，在雨季常沿一定滑面整体滑移并有坍落现象，且与边坡坡度无关。

3.2地基含水量变化随埋深的变化

平顶山大气影响深度一般小于4 m，大气影响急剧层深度为2 m[8]。膨胀土地基的水分变化及胀缩变形一般只发生在地表一定深度内，膨胀土的活动带即为大气影响深度。

随着含水率的变化，抗剪强度在变化。因此，在深基坑设计过程中，把锚杆长度分成有限个单元，分别进行侧阻力计算。在饱和区域内，膨胀土的抗剪强度几乎为0，土钉或锚杆长度取值在计算值的基础上适当增加，增加的长度可取大气影响深度，约取为4 m。

4支护设计案例

本文取平顶山有代表性土层的深基坑进行支护设计计算，参数选取以平顶山市区平原地带进行分析研究。分别用土钉墙和桩锚进行支护分析。

某深度为7.5 m的基坑土层参数为：第一层，粉质黏土，c=10 kPa，φ=15°，γ=18 kN/m3，层厚0.75 m；第二层，黑色粉质黏土，c=13 kPa，φ=10°，γ=19 kN/m3，层厚3 m；第三层，棕色黏土，含砂卵石，c=43 kPa，φ=17°，γ=20 kN/m3。深基坑的安全等级为二级，超载值q=20 kPa。

4.1土钉墙支护形式

对土钉墙进行稳定性验算：内部稳定性条分法安全系数为1.5，外部稳定性验算抗滑动安全系数6.12，抗倾覆稳定性安全系数12.79，满足要求。

1891年，一支50人的英军小分队在罗得西亚（即津巴布韦）用4挺马克沁机枪击退5000名祖鲁人进攻，并使3000名祖鲁人丧命，殖民者的残暴足见一斑。1898年，苏丹的恩图曼之战中，2万名伊斯兰教托钵僧被英国侵略军屠杀，其中的3/4死在马克沁机枪阵地前。而在1916年7月的索姆河战役中，当英法联军凭借强大的炮火准备，信心十足地从40公里宽的正面发动对德军的进攻时，遭到了德军240挺马克沁MG08型重机枪的疯狂扫射，英法联军顿时像割麦一样尸堆如山，一天之内就死伤5.7万人。马克沁重机枪由此获得了“寡妇制造者”“死神收割机”等诨名，成为闻名的杀人利器。

4.2桩锚支护形式

材料选取：锚杆体及支护桩配筋选用HRB400钢筋，支护桩混凝土采用C25；桩的箍筋及加强箍筋采用HPB300。

表3　土钉计算荷载及设计参数

图3　土压力计算简图

设计参数：单层锚杆排桩支护，取锚杆倾角为20°，锚杆孔径取150 mm；锚杆支点位置选在2.5 m处，取桩径为600 mm，桩间距取1.2 m。

(1)桩长。

经计算土层的自立高度h=0.56 m，土压力强度计算结果如图3所示。用力矩平衡法得到嵌固深度x≥0.2 m ，锚杆拉力为64.19 kN，按构造要求取x=0.4 m，h=3 m，桩长L= 1.3×3+7.5=11.4 (m)，取桩长11.5 m。将嵌固深度设计值为4 m带入以桩端为支点的力矩方程，满足要求。

(2)锚杆长度及配筋。

经计算HRB400钢筋面积As=278.62 mm2，取1根直径20 mm钢筋，满足要求。

(3)稳定性验算。

整体稳定性安全系数为1.86，抗倾覆稳定性验算安全系数为2.31，踢脚稳定性安全系数为4.34，隆起稳定性安全系数为1.75，满足要求。

(4)支护桩配筋。

坑底以上剪力为零点处M1max=16.02 kN·m；坑底以下剪力为零点处M2max=8.12 kN·m；开挖第一工况(3.5 m)的弯矩M3max=52.3 kN·m。可知桩最大弯矩为52.31 kN·m，截面弯矩设计值M=1.2×1.2γ0Mmax=75.34 kN·m。

钢筋选用HRB400，8根Ф16(1 608 mm2)，抗弯弯矩204.45 kN·m，桩的箍筋采用HPB300直径6 mm的螺旋式箍筋，间距取200 mm，沿桩身配置HPB300间距2 000 mm的加强箍筋。

(5)腰梁设计。

锚杆和排桩需要由腰梁来连接，腰梁简化为支座间距1.2 m的5跨梁，经计算Mmax=19.76 kN·m，选用2道[10]。

(6)变形。

根据规范要求，安全等级为二级的支护结构最大水平位移允许值为0.005 0 h，即37.5 mm，顶部最大水平位移允许值为45 mm。计算时基坑以下部分位移按基床系数法，基坑以上部分按悬臂梁位移。为确保护坡桩的使用安全，在施工阶段应特别对桩顶位移进行监测。为了监测基坑开挖过程中周围建筑及地面的沉降情况，应建立沉降、变形观测网络。

5结束语

深基坑设计必须考虑的主要影响因素是地层含水量分布及变化、温度变化、风雪气候的时间等，本文通过对平顶山气候条件、地层分布进行分析，对深基坑灾害影响较大的膨胀土进行变形参数、强度随水分变化的试验研究，针对典型的平顶山地层条件参数为案例，进行不同形式支护的设计计算。

参考文献

[1]杨长秀，刘振宏，武太安，等.河南平顶山地区第四纪地层序列划分[J].地质调查与研究,2004,27(1)：52-57.

[2]巴燕.平顶山地区自然地理及环境地质概况[C]//河南省地质调查与研究通报，2007：349-356.

[3]李戈，雷哲.平顶山地区近30年大风变化的气候特征[J].河南气象，1998(1)：28-29.

[4]钱七虎，陈晓强.城市化发展呼唤积极和科学开发利用城市地下空间[J].科技导报，2010，28(10)：3.

[5]王卫东，朱合华，李耀良.城市岩土工程与新技术[J].地下空间与工程学报，2011,7(z1)：1274-1291.

[6]李涛，周妍，宋常军，等.北京地铁6号线一深基坑监测与分析[J]基础与结构工程，2011，29(5)：117-120.

[7]薛淑丽，宋子敬.平顶山矿区经调大厦深基坑支护施工[J].陕西煤炭，2001(1)：49-52.

[8]靳向红，翟聚云.大气影响下平顶山膨胀土地基的变形研究[J].水运工程，2008，417(7)：147-150.

[9]黄光寿.平顶山和南阳盆地膨胀土的工程地质特征[J].勘察科学技，1991(6)：39-41.

Supporting design of deep foundation expansive soil in Pingdingshan

ZHAI Ju-yun,MA Ming-jiang,XUE Na

(SchoolofCivilEngineering,HenanUniversityofUrbanConstruction,Pingdingshan467036,China)

Abstract：The influence of design of deep foundation and the stability factor in Pingdingshan,and pilot study is performed for causing the collapse of the main deep foundation expansive soil strata to obtain the shear strength parameters of expansive soil content variation with water:under the same dry densities,when the water content is small,its cohesive strength increases with water content,when increased to a certain value,its cohesive strength decreases with water content increases.The internal friction angle decreases as the water content increases.Different supporting forms are used for deep excavation supporting design.

Key words：deep excavation;expansive soil;supporting design;water content

中图分类号：TU312+.3;TU323.3

文献标识码：A

DOI:10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.01.011

文章编号:1674-7046(2016)01-0061-05

作者简介：翟聚云(1968—)，女，河南兰考人，硕士，教授。

基金项目：河南省高等学校重点科研项目(14B560027;15A560003)

收稿日期：2015-10-27