地铁砂质地层深基坑土压力研究

徐长胜 谢 军

（苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210019）

在基坑支挡结构施工中，其与构筑物之间的土体宽度有限，可能会影响施工质量。根据相关研究发现，在地铁车站基坑支挡结构后方，支挡结构向基坑方向位移，进而形成有限土体压力，而由于支挡结构后方土体宽度有限，因此，如果土体结构有裂缝，无法延伸至地面，不能应用经典的土体压力理论进行分析。对此，可创建有限土体土压力计算模型，确定有限土体土压力的变化规律。

1 工程简介

本文选择某地铁车站作为研究对象，通过对施工区域进行地质勘查，地质结构比较复杂，主要为砂质地层，在地铁车站施工中，地下结构一般为两层。在该地铁车站基坑围护结构施工中，为提升止水效果，采用钻孔灌注桩施工技术以及钢管内支撑施工技术，在局部施工中，选用旋喷桩技术，而在基坑外，还应采用适宜的降水技术。在基坑开挖施工中，综合考虑施工现场实际情况，制定明挖施工方案。另外，在本工程施工前，对施工现场进行环境勘查，基坑周边共有12 座构筑物。

2 地铁车站基坑多点支撑支挡结构有限土体土压力计算模型

2.1 土体结构和支挡结构接触面之间的强度分析

2.1.1 墙土间黏着力。在土体结构以及支挡结构之间，可形成黏着力，一般为土体凝聚力的1/4～1/2。

2.2 土体结构两侧墙面土体结构剪切力所造成的破裂角

在土体结构滑动面以及大主应力之间，可形成一定的夹角，可根据 π/4+φ/2进行计算。如果墙背平整度比较高，则土体中大主应力的方向始终保持竖直，在滑裂面以及水平面之间，也可形成一定的夹角，即 π/4+φ/2。

2.3 多点支撑支挡结构有限土体土压力计算模型

2.3.1 有限土体结构土压力计算模型。在该地铁车站基坑围护结构施工中，有限土体结构压力计算模型如图1 所示，受力情况如图2 所示。

图1 基坑与紧邻构筑物间有限土体

图2 有限土体受力分析

对于土体结构宽度，可设为b，而对于基坑开挖深度，可作为H1，在滑裂面和水平面之间，夹角为 θ = π /4+ φ/2。

在有限土体上，基坑支挡结构也会对其形成一定的水平力，可作为E1，对于剪切力，可作为T1，对于基坑周边构筑物基础结构作用于有限土体的水平力，可作为E2，而对于底部滑移面位置发向力以及切向力，可分别应用R 与T3表示。

当有限土体结构恢复至平稳状态时，水平向受力和竖向受力之间能够保持平衡状态，计算公式如下：

2.3.2 有限土体临界宽高比。当土体结构存在潜在滑动面，并且逐渐延伸至地表时，土体宽度和基坑深度之间的比值即指的是有限土体的临界宽高比，可设定为ncr。

对于有限土体临界宽高比ncr，可根据以下公式计算：

在上述公式中，bcr指的是与临界宽高比所对应的临界土体宽度。

3 砂质地层有限土体土压力影响

在本工程施工中，在车站基坑开挖施工方面，最大开挖深度为25.0m，根据现场勘查，本工程施工场地地层力学参数如表1。

表1 土体物理力学参数

3.1 基坑开挖施工中有限土体临界宽高比的变化。在地铁车站基坑开挖施工过程中，地层参数也会发生较大变化，对于各项参数，可直接代入公式（6）中，即可确定基坑开挖施工中不同深度位置有限土体临界宽高比，如图3 所示。

图3 有限土体宽度与宽高比临界值

通过对表3 进行分析，在砂质地层施工区域进行基坑开挖施工，有限土体宽度会显著增加。通过对图2 进行分析，随着基坑开挖深度的不断增加，有限土体宽度会随之增加，同时会对基坑结构稳定性产生较大影响。

3.2 有限土体土压力对于围护结构内力的影响。通过对本工程施工方案进行分析，基坑开挖深度要求为25m，在开挖达到最大深度值时，有限土体临界宽度可达13.86m，根据计算分析，相应有限土体临界土压力Ecr=1673kN，而经典土压力Ea=2024kN。

为提升基坑结构稳定性，需采用围护桩施工方案，通过对工程设计方案进行分析，围护桩之间的距离为1200mm，桩体结构直径为800mm，在围护结构施工中，需应用4 道内支撑结构，在围护桩施工完成后，有限土体结构宽度为5m，对于围护结构内力以及配筋，在计算分析中，可采用支撑荷载1/2 分担法。

在围护桩施工完成后，会形成弯矩，同时，正截面也会受到承载力影响，可根据以下公式进行计算分析：

在本工程施工中，在不同开挖深度范围内，围护桩结构均需受到侧向土体压力的影响。

通过分析，如果基坑围护结构与邻近构筑物之间的有限土体结构宽度为5m，则可根据有限土体土压力对围护桩配筋面积进行计算，计算结果为3482mm2，能够有效节约工程造价。

结束语

综上所述，本文主要结合实例，对地铁基坑施工中砂质底层深基坑土压力进行了深入研究，首先对有限土压力的形成机理进行分析，同时创建土压力计算模型进行分析，根据本次研究分析，在开挖施工过程中，有限土体临界宽高比不会产生较大变化。另外，根据本次研究发现，随着开挖过程的不断推进，有限土体的宽度会显著增加，要求结合施工现场实际情况采取有效的安全防护措施。