0.   引言

随着城市轨道交通建设的快速发展,地铁车站基坑开挖工程越来越多。考虑到基坑开挖、卸荷及施工必然会改变原有土层的应力状态,导致其土层应力重新分布,进而导致基坑产生变形或失稳破坏。为了防止基坑产生过大变形而失稳破坏就必须对开挖的基坑进行支护,因支护结构受基坑两侧建构筑物固有竖向荷载的影响,若支护形式简单则结构可能产生过大的变形而引发工程灾害,相反若支护形式复杂则必然会增加工程建设成本。因此,合理的支护结构和类型的选择对基坑支护设计具有实际意义。

针对地铁车站基坑开挖后基坑周围建筑物荷载对基坑变形及支护结构的影响,许多学者采用不同研究方法开展了相关研究。应宏伟等^[1]、初振环等^[2]研究了基坑双排桩支护结构变形特征及其对地铁结构安全的影响,认为支护桩顶水平位移可达16 mm；杨有海等^[3]采用弹性地基梁杆系有限元分析方法分析了支撑排列方式对支护结构变形的影响,研究认为不宜通过增加桩体刚度来减小围护结构的变形,支撑排列以基坑下部密和上部疏的方式较好；童建军等^[4]采用离散元法,分析成都地铁卵石地层深基坑开挖过程中周边地面沉降的变化规律,研究认为成都地铁卵石地层深基坑周围地表沉降曲线呈凹槽型,最大沉降点位于坑壁外0.25H处,突变点位于坑壁外0.5H处。闫建龙等^[5]等釆用MIDAS有限元分析方法,对北京地铁19号线新宫站基坑工程进行分析,认为支护结构局部破坏的情况下,复合支护体系的过渡部位桩体变形都出现了明显的增大,在有腰梁的情况下,桩体的变形得到了很好的控制；朱瑶宏等^[6]对13个车站地下连续墙深基坑监测数据进行统计分析,认为最大侧移介于(0.18%~0.80%)H；黄云龙^[7]采用ANSYS软件建立二维模型,分析基坑支护结构在开挖过程中内力变化和位移的关系,研究表明钢筋混凝土支撑的轴力最大,基坑两侧围护桩剪力和弯矩分布基本上呈对称分布；聂庆科等^[8]、白冰等^[9]根据某大型深基坑工程的实测资料,对双排桩支护结构变形和土压力分布特征进行了研究,认为传统土压力计算方法估算双排桩支护结构上的土压力存在较大偏差；李竹等^[10]针对带水平支撑的长短桩组合排桩,在砂土中进行了11组模型试验,模拟开挖过程中对等长排桩以及长短桩组合排桩的桩身应变和桩身位移进行了测量。

上述关于地铁车站基坑支护体系变形特性的研究描述虽然已经取得了很多有价值或直接指导工程实践的研究成果,但值得注意的是：现有的成果大多集中在三个方面,亦即理论分析、数值模拟分析、现场监测分析,而模型试验研究较少的涉及。而模型试验在基坑开挖及支护过程中可有效再现其变形破坏过程,揭示其变形破坏机理。

考虑基坑开挖过程中基坑及支护结构必将受到周围建筑物荷载的影响而产生变形,甚至引起局部失稳破坏。鉴于此,以洛阳火车站地铁车站工程为研究对象,基于模型试验方法开展基坑开挖后基坑支护结构变形特性研究,主要分析不同基坑深度条件下排桩支护结构的水平位移变化规律,同时分析不同荷载条件下排桩支护结构的水平位移变化规律,在此基础上探讨不同位置处排桩支护结构变形的临界深度,研究结果为洛阳火车站地铁车站工程提供设计参数。

1.   工程地质概况

洛阳火车站地铁车站周边建筑物密集,其中西北侧为锦远汽车站候车和售票厅(2层),东北侧为陇海铁路洛阳火车站站前广场,东南侧为洛阳市旅游集散中心(2~5层酒店商铺为主),西南侧为洛阳小吃城(2~5层)。地铁车站外包总长200 m,车站总宽22.7 m,为地下二层岛式车站。基坑开挖深度18.43~19.61 m(洛阳火车站地铁车站主体采用明挖顺筑法施工,底板标高为132.84 m,稳定水位埋深为21.30~21.90 m,施工不需考虑降水措施),车站围护结构采用钻孔灌注桩及内支撑的支护型式进行边坡支护(图1)。

图  1  基坑开挖及支护断面图

Figure  1.  Excavation and support section of foundation pit

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场地地貌属于洛河二级阶地,场地地层主要为：第①₁层：杂填土,成分复杂,工程性质较差；第①₂层：素填土,中密或可塑、稍湿、成分复杂,工程性质较差；第②₂₂层：黄土状粉质黏土,可塑、土质不均、压缩性中等、弱透水性；第③₂₂层粉质黏土：可塑、土质不均、压缩性中等、弱透水性；第③₂₃层粉质黏土：硬塑、土质不均、压缩性中等、弱透水性；第③₉₃层卵石：中密、潮湿—饱和、土质不均、压缩性低、强透水性；第⑦₁层泥岩：全风化、压缩性低、弱透水性；第⑦₂层泥岩：强风化、压缩性低、弱透水性。基坑开挖影响范围内主要土层物理力学参数见表1。

表  1  土层物理力学参数

Table  1.  Physico-mechanical parameters of soils

土层	含水率/%	黏聚力/kPa	内摩擦角/(°)	压缩模量/MPa
②22黄土状粉质黏土	21.1	28.2	19.0	6.0
③22粉质黏土	24.0	26.2	19.7	5.6
③23粉质黏土	23.1	33.1	19.8	6.8

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2.   模型试验设计

2.1   模型试验装置

模型试验采用箱式模型箱,尺寸为长×宽×高=0.8 m×0.6 m×0.55 m,模型箱剖面图见图2。

图  2  模型箱系统示意图

Figure  2.  Schematic of model box system

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2.2   相似关系设计

模型试验选取几何相似常数1∶40,根据量纲分析法列出相似准则方程,计算各物理量相似比如表2。

表  2  模型试验相似比尺

Table  2.  Similar relations of shaking table tests

类型	物理量	相似比
几何特性	长度	40
土的材料特性	重度	1
	应力	40
	弹性模量	40
	泊松比	1
	黏聚力	40
	内摩擦角	1

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2.3   试验布置与加载

模型试验选取福建标准砂作为模型试验土层材料,采用白卡纸作为挡土墙、排桩、腰梁、内支撑的支护结构材料^[11]。在两侧标准砂铺设完毕之后放置加载板,放置加载板时紧贴箱壁,防止加载板与支护体系发生挤压,并且使得百分表更加易于测量。模型试验材料参数如表3所示。

表  3  模型试验材料参数

Table  3.  Parameters of model test materials

材料名称	重度γ/(kN∙m-3)	弹性模量Es/MPa	泊松比μ	黏聚力c/kPa	内摩擦角φ/(°)
标准砂	16.41	20	0.35	0	34
白卡纸	0.92	56	0.13	—	—

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2.4   模型试验加载

模型试验设置排桩分别为5, 6, 7排,桩间距分别为197.5, 158.0, 131.6 mm,设置4排腰梁,梁间距为180 mm,内支撑采取点点支撑(排桩和腰梁交叉点位置,具体示意如图3所示(图中蓝色虚线为监测剖面,圆圈为监测点位置)。

图  3  模型试验数据监测点剖面图

Figure  3.  Profile of monitoring points for model tests

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模型试验采用5 kg与10 kg的砝码逐级加载,加载过程用于模拟基坑周边的荷载,加载原则及方案(表4)如下：①试验时每次加载50 kg砝码(4.17 kPa),共加载8次,累计土体竖向荷载为33.3 kPa;②每级荷载施加后,静置10 min或直到百分表读数稳定,然后记录不同截面处排桩的桩身位移数据。

表  4  模型试验加载方案

Table  4.  Loading schmes of model tests

加载次数	加载砝码质量/kg	地面荷载/kPa
1	50	4.2
2	100	8.3
3	150	12.5
4	200	16.7
5	250	20.8
6	300	25.0
7	350	29.1
8	400	33.3

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3.   模型试验结果分析

3.1   桩身位移随深度变化规律

根据模型试验结果,绘制不同桩号桩身位移随基坑深度变化规律曲线如图4（a）~（g）所示。由图4可知,桩身位移随着基坑深度的增加表现为3种类型。^#1桩处在基坑边缘,在低荷载条件下桩身位移随基坑深度增加先减小后增大,而在高荷载条件下则先增大后减小,且桩身位移整体变化较小,最大桩身位移仅为5.2 mm,最大桩身位移发生变化的荷载为29.1 kPa,基坑深度为距地表250 mm,亦即距基坑底部1/2处(对应原型为10 m)。相比于^#1桩,^#2~^#6桩处在基坑中间部位,桩身位移随基坑深度增加在低荷载作用下缓慢变形(斜率小,曲线近乎平直),但随着荷载的增加变形急剧增大(曲线斜率大),且桩身位移发生变化的荷载多为25.0 kPa；最大桩身位移分别为2.97, 3.91, 3.39, 2.61, 3.29, 2.61 cm,最大桩身位移发生变化的荷载为29.1 kPa,基坑深度为距地表450 mm,亦即距基坑底部1/6处(对应原型为18 m);^#7桩处于基坑右侧,表现出与基坑左侧及基坑中间桩不同的变化规律,其桩身位移随基坑深度的增加在低荷载作用下急剧增大(曲线斜率大),在高荷载作用下增速变缓(斜率小,曲线近乎平直),最大桩身位移为2.61 cm,最大桩身位移发生变化的荷载为29.1 kPa,基坑深度为距地表450 mm,亦即距基坑底部1/6处(对应原型为18 m)。

图  4  桩身位移随深度变化曲线

Figure  4.  Variation of displacement of piles with depth

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3.2   桩身位移随荷载变化规律

为进一步研究不同垂直荷载作用对桩身位移变化规律的影响,绘制两者变化规律曲线如图5所示。

图  5  桩身位移随荷载变化曲线

Figure  5.  Variation of displacement of piles with load

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由图5可知,在距离基坑顶部1/6处(截面一),桩身位移随地面荷载的增加基本呈现出直线型增大,但增幅较小(亦即斜率较小),最大桩身位移为4号桩；在距离基坑顶部1/2处(截面二),桩身位移随地面荷载的增加先缓慢增加(斜率较小)、后急剧增大(斜率较大),其拐点约为16.7 kPa,最大桩身位移为3号桩,表明在距离基坑顶部1/2处存在支护结构变形破坏的临界破坏荷载。在距离基坑底部1/6处(截面三),桩身位移随地面荷载的增加先缓慢增大、后急剧增大、最后趋于平缓,急剧增大的范围大约在20 kPa至25 kPa,最大桩身位移为3号桩。为更清晰的看出不同桩的位移变化规律,绘制同一截面处不同垂直荷载作用桩身位移与桩号变化规律曲线如图6所示。

图  6  桩身位移随桩号变化曲线

Figure  6.  Variation of displacement of pile with pile number

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由图6可知,在距离基坑顶部1/6距离处(截面一),桩身位移由基坑左侧壁至右侧壁为先增大后趋于平缓；在距离基坑顶部1/2距离处(截面二),桩身位移由基坑左侧壁至右侧壁为先增大后减小后趋于平缓；在距离基坑底部1/6距离处(截面三),桩身位移由基坑左侧壁至右侧壁为先增大后减小。为进一步分析不同桩间距下桩身位移变化规律,绘制不同排桩桩数下最大桩身位移如图7所示。

图  7  排桩桩数与桩身位移关系曲线

Figure  7.  Relationship between pile number and displacement of piles

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由图7可知,桩身最大位移随着荷载的增加呈现出“S”型。当排桩数为5排时(桩间距为197.5 mm)、6排(桩间距为158 mm)、7排(桩间距为131.6 mm)时,桩身最大位移在荷载小于12.5 kPa时增幅均较小,当荷载大于12.5 kPa时,5排、6排的桩身位移分别出现了近2倍、1.5倍增加,7排的桩身位移随后随着荷载的增加保持0.4~0.7 mm的平稳增加。

4.   结论

以洛阳火车站地铁车站明挖基坑支护工程为背景,基于模型试验方法开展了基坑排桩支护结构的水平位移变化规律分析,模型试验结果表明：

(1)桩身位移随着基坑深度的增加逐渐增大,在基坑左侧为低荷载时先减小后增大、高荷载时先增大后减小；在基坑中间为先缓慢增加后急剧增加；在基坑右侧在低荷载时急剧增大、高荷载时增速变缓。

(2)桩身位移随着地面荷载的增加逐渐增大,在距离基坑顶部1/6距离处桩身位移随地面荷载的增加呈现出直线型增大；在距离基坑顶部1/2处则呈现出先较小斜率、后较大斜率增大；在距离基坑底部1/6处则呈现出先较小增大、后急剧增大、后趋于平缓。

(3)桩身最大位移随着荷载的增加均呈现出“S”型,桩间距越大桩身最大位移变化的幅值越大。