膨胀土地区基坑支护工程设计研究与实践课件

膨胀土地区基坑支护结构

设计方法研究与实践11.引言2.膨胀土基坑事故调查及分析3.膨胀土基坑膨胀荷载研究4.膨胀土基坑支护结构设计方法5.结论主要内容2随着城市建设速度加快，基坑工程的规模和深度逐渐增加；而随着城市的扩延，膨胀土地区出现了众多基坑工程。目前，膨胀土基坑工程的支护结构设计一直沿用现行的基坑工程技术相关标准，即按一般土质或岩质基坑进行设计。近年来，随着膨胀土地区基坑事故频繁发生，膨胀土基坑支护结构的设计问题逐渐引起了工程界和学术界的重视和关注。但因膨胀岩土特殊性对基坑支护结构的作用及影响程度尚未形成共识，工程界对膨胀土基坑，通常采取对勘察提供膨胀力或强度参数进行折减的方式，缺乏相应的指导依据；学术界大多成果又比较集中在膨胀土对地基基础的竖向作用问题，较少对水平向膨胀力作用进行研究。一、引言3四川省以成都地区为代表的区域膨胀土分布广泛，尤以成都东郊龙泉驿区最为突出，随着成都市向东发展规划的实施，深大基坑的增多，出现事故概率也越来越高，据不完整统计，基坑事故中膨胀土地区约占65%以上。因此有必要对膨胀土基坑工程急需的膨胀荷载及其分布进行研究，并提出一个简单而实用的计算方法。我们联合高校和同行单位，采用工程事故调查、相关试验和数值分析等方法，对成都膨胀土地区基坑支护结构设计进行了一些探讨，初步提出了一种膨胀荷载的计算方法，并经过部分工程实践验证其适用性，期望经过进一步研究为膨胀土基坑工程设计提供一套比较成熟的实用方法。一、引言4

1.膨胀土基坑事故调查

近几年，国内分布有膨胀土的城市基坑事故频频发生，但仅限于事故处理，并未开展深入的研究，为此，我们针对成都地区近十年内典型的膨胀土基坑事故开展调查和分析。二、膨胀土基坑事故调查与分析5整体垮塌二、问题的提出6二、问题的提出7二、问题的提出变形过大8二、问题的提出9二、问题的提出10二、问题的提出11二、问题的提出12二、问题的提出失稳13二、问题的提出14二、问题的提出局部崩塌15二、问题的提出整体滑移16二、问题的提出17二、问题的提出18二、问题的提出19二、问题的提出局部崩垮20二、问题的提出21二、问题的提出22二、问题的提出坡脚软化23事故基坑特点调查的近40余处工点，基坑深度大多在6～15m；发生变形破坏较多，约占总数的75%，以悬臂桩支护最普遍；支护结构包括放坡、土钉墙、悬臂桩、锚拉桩和双排桩；诱因主要是在基坑开挖后，降雨入渗、地表或管线渗漏，部分为施工扰动尤以潜孔锤锚索成孔最为明显；二、问题的提出242.膨胀土基坑工程存在的主要问题（1）现有规范相关参数的针对性：膨胀土相关勘察规范（包括铁路、公路、建筑、水电）中对膨胀力、膨胀量等参数的测试和计算都有相关规定，且较多关注膨胀土对地基基础竖向作用；对水平方向上膨胀力、膨胀量的参数及其应用缺少明确规定。二、问题的提出25（2）膨胀性参数使用和测试条件的适用性自由膨胀率作为膨胀性的初判参数，膨胀力、膨胀量等参数进行膨胀性分级综合评判；测试得到的膨胀力、膨胀量是膨胀土在最恶劣条件下的膨胀性能（最大或极限值），以此为参考，进行膨胀土地基基础设计；对基坑工程，按现行规范测试的参数进行基坑设计，难免造成工程造价无为提高。二、问题的提出26（3）膨胀土水敏特性的认识在勘察阶段，对于膨胀性仅局限于初始含水率的膨胀性测试，对于不同含水率的膨胀性等没有相关规定，在勘察资料中也没有相关体现；导致对膨胀土水敏性的变化规律认识不足。二、问题的提出27（4）强度参数的选择与使用虽然已经有直剪、三轴等多种试验方法，并考虑膨胀土的水敏性；缺少对膨胀土裂隙甚至结构面的相应方法及内容；采取参数折减的方法，折减到试验值的50%甚至更多，但即便如此，仍然出现区域性的变形破坏，说明仅仅进行强度参数折减并没有有效的控制膨胀土基坑变形。二、问题的提出28（5）现有技术标准对膨胀土基坑边坡规定的缺失相关基坑技术规范中对于砂性土、粘性土和粉土、填土等有相对应的设计计算方法，而对于膨胀土等特殊岩土却没有针对性的计算方法；膨胀土侧向膨胀力是膨胀土基坑中产生的特殊荷载，关于膨胀力在支护结构上的作用模式、范围、大小等关键问题，在规范中没有相关规定；二、问题的提出29（6）施工方面问题膨胀土基坑开挖中主要是按照黏性土质基坑进行开挖，未能考虑膨胀土的特殊性，尤其是降雨前后对新暴露基坑开挖面的保护等措施，考虑不足，降雨后出现崩解、剥落、掉块现象；对于降雨后的基坑积水，尤其是在基坑坡脚的积水，处理不及时，导致坡脚膨胀土软化，被动土压力减小、嵌固段抗力降低。二、问题的提出30

3、主要研究问题

目前膨胀土基坑支护结构设计中最主要的问题还是无法得到膨胀荷载的作用方式与大小。若能掌握基坑膨胀荷载的分布特征，不再需要用折减参数的方法考虑膨胀土膨胀特性对基坑的影响，设计时更具有理论依据。本研究目前主要集中在如何得到膨胀土基坑支护结构膨胀荷载的合理、有效、可行的实用计算方法。二、问题的提出31

1、研究总体思路

膨胀土含水率变化是产生膨胀力的主要因素，从实用角度，若能得到基坑中膨胀土含水率变化值，再依据含水率变化值所对应的膨胀力大小，即可得到膨胀荷载：（1）采用理论分析、现场实测等方法，研究降雨等因素影响下基坑边坡岩土含水率变化规律；

三、膨胀土基坑膨胀荷载研究32

（2）对目前膨胀特性试验方法进行改进，研发出能建立膨胀土含水率变化值与膨胀力关系的试验方法；（3）根据膨胀土含水率变化与膨胀力对应关系，提出一种基坑边坡膨胀荷载计算方法；（4）对提出的膨胀荷载计算方法进行验证。三、膨胀土基坑膨胀荷载研究33

2、研究内容

（1）现场监测和试验。对膨胀土基坑支护结构及岩土变形受力情况进行常规监测，研究膨胀土基坑的变形破坏特征。利用改制的湿度计元件对基坑边坡土体含水率变化值进行测试，分析边坡土体含水率变化规律。（2）室内模型试验。采用离心模型试验分析膨胀土基坑变形破坏规律，并与现场测试结果进行对比。

三、膨胀土基坑膨胀荷载研究34（3）膨胀特性试验方法。对现有试验方法进行改进，提出一种能得到含水率与膨胀力关系的试验新方法。（4）膨胀荷载计算方法。根据边坡土体含水率变化规律及含水率-膨胀力关系，提出一种合理、有效、可行的基坑边坡膨胀力荷载计算方法。三、膨胀土基坑膨胀荷载研究35

3、现场测试试验（1）为了掌握膨胀土基坑变形破坏规律，选取多个工程开展了现场实测研究，测试现场支护桩和桩间土的受力、变形特征。二、膨胀土基坑膨胀荷载研究应变计测斜管测试数据采集箱反光棱镜36三、膨胀土基坑膨胀荷载研究桩间土应变计

湿度计的安装

37三、膨胀土基坑膨胀荷载研究反光棱镜安装

桩身测斜测试

38（2）开展现场试验的基坑在降雨条件下发生了变形破坏，基坑转角处贯梁开裂、支护桩整体倾倒，桩顶最大位移超过400mm。三、膨胀土基坑膨胀荷载研究转角处贯梁开裂39（3）对变形的基坑地面裂缝进行了统计，地面的裂缝平行于坡面，能够初步认定基坑边坡土体滑动仍为圆弧形滑动。三、膨胀土基坑膨胀荷载研究地面裂缝调查40

（4）桩后1m处测斜管数据表明：桩后1m范围内土体发生整体倾斜，但深部位移较小，0～6深度处位移较大，最大位移发生在上部，达到431.9mm。其中10月13日路面开挖，对测斜管的读数的影响较为明显，且测斜管被挖断一节。之后测斜管读数变化较为稳定。三、膨胀土基坑膨胀荷载研究41三、膨胀土基坑膨胀荷载研究基坑边坡湿度变化

424、含水率变化引起的强度衰减试验膨胀力试验方法为加荷平衡法，测定的膨胀力为轴向膨胀压力，试验装置为三联高压固结仪。试验结果表明随着含水率的增加，土样的膨胀力变小，与膨胀率所表现的现象相同。膨胀力随初始含水率的变化曲线，初始含水率16%下土样的膨胀力为43kPa,初始含水率增大到28%时，膨胀力衰减到18kPa，衰减度为58%。三、膨胀土基坑膨胀荷载研究43三、膨胀土基坑膨胀荷载研究(a)含水量引起强度衰减-直剪试验

44三、膨胀土基坑膨胀荷载研究(b)含水量引起强度衰减-直剪试验

45三、膨胀土基坑膨胀荷载研究（c)含水量变化无侧限抗压试验

46三、膨胀土基坑膨胀荷载研究（d)含水量变化强度指标衰减-无侧限抗压试验

47三、膨胀土基坑膨胀荷载研究（e)含水量变化强度指标衰减-三轴试验

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5、室内离心模型试验（1）以试验基坑设计条件，模型按照1:40的比例设计，模型基坑深度15cm，锚固深度11.5cm。施加50g的荷载预压2个小时。取出模型，形成开挖深度15cm的基坑边坡。三、膨胀土基坑膨胀荷载研究49（2）用湿毛巾覆盖在模型表面，用喷壶洒水，模拟降雨，以保持基坑坡顶、坡底毛巾表面积水为宜，保证水能充分浸润土体，放置12小时后，取样，进行含水量测试，并观察桩的位移和土体的浸润深度等内容三、膨胀土基坑膨胀荷载研究50三、膨胀土基坑膨胀荷载研究(3)试验结果

（a)2.4m桩间距产生的桩顶总位移是2m桩间距产生的桩顶总位移的1.38倍；(b)

降雨膨胀产生的桩顶位移约占桩顶位移总量的61%，2.4m桩间距产生的桩顶膨胀位移是2m桩间距的1.46倍；(c)强度衰减产生的桩顶位移约占桩顶位移总量的39%，2.4m桩间距产生的桩顶衰减位移是2m桩间距的1.26倍。

51三、膨胀土基坑膨胀荷载研究

(d)降雨浸润试验结果表明，在现场集中降雨季节，膨胀土基坑边坡顶面、坡面、底面都能吸水，顶面和底面吸水浸润深度较大，引起的土体强度衰减范围也较大；基坑边坡坡面土体，由于方向与降雨方向近于平行，因此，浸润深度较小。52

6、膨胀特性试验测试方法研究。（a）膨胀土在吸水过程中如果收到约束，会产生膨胀力。在胀限范围内，随着吸水率的增大，膨胀力也会发生相应的变化。常规的测试土的膨胀力的试验均是测试膨胀土的最终的含水率，无法实时监测到含水率的变化。

为监测含水率的变化，设计试验结构。

三、膨胀土基坑膨胀荷载研究53三、膨胀土基坑膨胀荷载研究54（b)采用新试验方法测得的膨胀土含水率-膨胀力曲线。初始阶段膨胀土吸水产生的膨胀力很小，达到一定含水率后逐渐呈线性增大，达到胀限附近时不再吸水，膨胀力完全发挥。

(c)用重塑的天然干密度下的膨胀土试件进行膨胀力试验，得到以缩限为最低含水率的不同含水率下的膨胀力衰减曲线；

膨胀土由于开挖卸荷释放的膨胀力（膨胀潜势）为缩限膨胀力减去天然含水率条件下的膨胀力。

膨胀土吸水产生的膨胀力增量为天然含水率与吸水后含水率下的膨胀力差值。三、膨胀土基坑膨胀荷载研究55三、膨胀土基坑膨胀荷载研究56

7、膨胀荷载计算

利用得到基坑岩土含水率变化规律及膨胀土含水率-膨胀力关系，计算基坑边坡膨胀荷载。将膨胀荷载分布简化为右图所示计算模型。其中h1为大气影响深度，膨胀力随深度增加而增大；基坑底部雨水入渗较为困难，因此h2为大气急剧影响深度；自然膨胀力最大值P1根据基坑土体天然含水率下产生的最大膨胀力值确定。三、膨胀土基坑膨胀荷载研究57

8、膨胀荷载计算方法验证（1)建立与现场试验工程相同的数值模型，将膨胀荷载计算方法应用在数值模型。对比数值计算与现场实测结果发现，两者得到的变形曲线基本一致，验证了膨胀荷载计算方法的有效性。三、膨胀土基坑膨胀荷载研究58

(2)降雨条件下，通过离散元数值模型研究表明，膨胀土吸水膨胀后，基坑边坡土体位移增大，桩变形大，且会发生大变形乃至失稳，基坑边坡的变形破坏范围在基坑边坡顶面6～10m范围，在基坑深度方向6～8m范围，破坏面整体成圆弧形破坏，与现场情况吻合较好。三、膨胀土基坑膨胀荷载研究59

(3)按得到的膨胀荷载的分布规律，对实测设计方案分别计算降雨前工况、降雨衰减工况以及降雨膨胀工况。从计算结果可知，基坑边坡在十一期间连续降雨工况下，在土体强度出现衰减的同时，膨胀土吸水膨胀后产生的膨胀力作用在悬臂桩上，最终导致基坑边坡出现了较大的变形破坏。计算的结果表明，计算采用的的膨胀荷载的分布模型较为合适。

三、膨胀土基坑膨胀荷载研究601、膨胀土基坑边坡破坏过程分析通过现场监测、膨胀土离心模型试验及有限元、离散元数值模型计算结果表明：膨胀土基坑边坡破坏主要受开挖、降雨导致强度衰减和膨胀土吸水产生膨胀力三个方面影响。四、膨胀土基坑支护结构设计方法及实践61无水源作用下，膨胀土基坑开挖形成边坡，土体将发生运动以达到新的平衡，使膨胀土向基坑内方向变形，桩后土体约束土体继续移动桩嵌固段足够长，能够有效的限制土体移动，从而达到一个新的平衡，基坑边坡稳定。实测工程监测段处于稳定状态，表明支护桩对土体的作用是有效的。降雨时，雨水通过裂隙等入渗，膨胀土吸水软化和坡脚积水软化，土体强度强度降低和减小被动土压力的作用强度，作用于桩上的土压力增大，与此同时，膨胀土吸水膨胀，对桩产生附加膨胀力。四、膨胀土基坑支护结构设计方法及实践62

2、膨胀土基坑支护结构设计方法

（1）考虑膨胀荷载作用，按照膨胀力计算方法，计算作用在支护桩上的膨胀荷载；

（2）按规范土压力计算方法计算作用在支护桩上的一般土质土压力；

（3）叠加规范土压力和膨胀荷载作为设计计算支护结构的总荷载；

（4）其他计算内容和计算方法按现行基坑规范执行；

（5）对锚拉结构根据现场工艺比较试验，应采用根管钻进和灌注水泥砂浆，严谨使用潜孔锤成孔；

（6）桩间挡土板应按结构钢筋锚固要求与桩连结。四、膨胀土基坑支护结构设计方法及实践63四、膨胀土基坑支护结构设计方法及实践64

3.工程实践基坑深度约11m，在设计时采用50kPa膨胀荷载进行计算，设计得出的支护桩嵌固深度为6m，施加两道锚索增加悬臂桩锚固强度。基坑在使用过程中经历过一个雨季，但现场监测结果表明，支护桩最大水平位移未超过25mm，基坑安全运营直至回填。

四、膨胀土基坑支护结构设计方法及实践65（1）科创中心现场测得膨胀土天然含水率为20%左右，考虑工程安全性，根据膨胀力-含水率曲线，在充分吸水状态下，能产生40kPa的膨胀力。同时，成都地区大气影响深度为3m，大气急剧影响深度为1.5m。基坑开挖深度为6m。由此，可知P1为40kPa，P2为6.2kPa。四、膨胀土基坑支护结构设计方法及实践66（2）根据规范，分别计算有无膨胀荷载条件下的有无锚索工况，进行对比分析，讨论膨胀土基坑支护设计建议方法的适用性。计算结果对比分析如表所示。四、膨胀土基坑支护结构设计方法及实践工况悬臂桩锚索膨胀力计算嵌固深度（m）最大位移(mm)1有有无2.22.62有无无3.434.43有有40kPa2.224.34有无40kPa5.6103671、调研结果表明：成都地区膨胀基坑边坡工程问题具有区域性、普遍性和水敏性特点；主要变形破坏现象是降雨后，基坑边坡出现显著变形，悬臂桩整体倾斜、基坑坡脚积水软化；其主要原因是在现有基坑边坡支护设计中对膨胀土土压力、膨胀土水敏性等问题没有明确的规定，在锚固深度设计、锚固抗力计算等问题缺乏明确设计依据。五、结论682、综合研究结果表明：膨胀土基坑边坡的变形破坏大体上经历开挖卸荷、降雨膨胀变形、降雨强度衰减变形三个阶段；直立基坑边坡土体的变形破坏范围大体上与基坑开挖深度相当，整体呈圆弧形破坏；涉水因素的出现是导致基坑边坡产生较大变形破坏主要诱因；膨胀荷载问题、嵌固抗力问题、水敏参数问题是膨胀土基坑边坡支护设计中的3个关键问题。五、结论693、水敏特性试验结果表明：膨胀土具有强烈的水敏性，水稳定性差，随着含水量的增加，其膨胀性、抗剪强度表现出显著的衰减现象。随着含水率从16%增加到28%，增幅为75%，试样从硬塑状