逆作法超深基坑實(shí)測(cè)土壓力分析

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力為其主要的荷載形式，如何準(zhǔn)確計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力關(guān)系到工程的安全性與經(jīng)濟(jì)性。不同計(jì)算指標(biāo)和計(jì)算方法的選取對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大。對(duì)于不同地區(qū)、不同土性以及不同施工方法，其計(jì)算指標(biāo)和方法的選取可能會(huì)有一定的適用條件。對(duì)順做法基坑土壓力的計(jì)算和實(shí)測(cè)，已經(jīng)積累了很多經(jīng)驗(yàn)，而逆作法作為一種比較新式的施工方法，其土壓力計(jì)算及實(shí)測(cè)積累經(jīng)驗(yàn)不多。

工程實(shí)踐中確定土體抗剪強(qiáng)度的方法有兩種，即總應(yīng)力法和有效應(yīng)力法。對(duì)于正常壓密飽和粘土地基來(lái)說(shuō)，不少人喜歡采用前者。

在利用總應(yīng)力法確定土體的抗剪強(qiáng)度時(shí)，有兩種強(qiáng)度指標(biāo)可供選用，即不排水總強(qiáng)度指標(biāo)Cu（φu=0），和固結(jié)不排水總強(qiáng)度指標(biāo)Ccu和φcu。Cu、φu可以用三軸不排水試驗(yàn)測(cè)得，對(duì)于滲透系數(shù)k＜1×10-7cm/s的粘土，也可通過(guò)直接快剪試驗(yàn)測(cè)定。k＞1×10-7cm/s的土在直剪儀中即使受到快速剪切，仍會(huì)發(fā)生部分排水或吸水，從而歪曲試驗(yàn)結(jié)果。如果k＜1×10-7cm/s，又是正常壓密飽和土，則還可以通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)或十字板剪力試驗(yàn)測(cè)得。

Ccu和φcu可以通過(guò)三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)測(cè)定，對(duì)k＜1×10-7cm/s的土，才允許采用直接固結(jié)快剪試驗(yàn)測(cè)得。否則直剪和三軸試驗(yàn)給出的結(jié)果相差較大，對(duì)于正常壓密土而言，直剪成果偏于危險(xiǎn)；對(duì)超壓密土而言，直剪成果偏于安全。

在利用有效應(yīng)力法確定土體抗剪強(qiáng)度時(shí)，其指標(biāo)C＇、φ＇可通過(guò)直接慢剪或三軸排水試驗(yàn)測(cè)定。如果k＜1×10-7cm/s，則直徑為4 cm的三軸試樣和厚度為2 cm的直剪試樣僅在剪切階段約分別需持續(xù)數(shù)十小時(shí)和數(shù)小時(shí)。為減少麻煩，既可采用測(cè)定孔壓的三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)，也可采用應(yīng)力控制式直剪儀[1]。

土壓力計(jì)算方法有水土分算與水土合算。水土分算是指水壓力和土壓力分開(kāi)計(jì)算，即有效應(yīng)力σz＇將在擋土結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生土壓力，而孔隙水壓力u是各向等壓的，故直接作用在擋土結(jié)構(gòu)上。

水土合算計(jì)算土壓力時(shí)考慮土體自重的總應(yīng)力σz，不再計(jì)及水壓力影響，即土壓力中包含了水壓力。

國(guó)內(nèi)有部分學(xué)者傾向于水土分算，而另外一部分學(xué)者則傾向于水土合算，對(duì)于該問(wèn)題曾有過(guò)激烈的討論[1～4]。有的學(xué)者認(rèn)為：采用總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)該用水土合算。而也有學(xué)者認(rèn)為：總應(yīng)力法應(yīng)該是指將土骨架應(yīng)力和超靜水壓力綜合在一起考慮，而不包括靜水壓力，故即使用總應(yīng)力法測(cè)定的指標(biāo)也應(yīng)該采用水土分算。

水土分算符合有效應(yīng)力原理，比較容易讓人接受；而水土合算違背有效應(yīng)力原理，但有一定微觀基礎(chǔ)[5]。沈珠江[6]推導(dǎo)了以常規(guī)三軸固結(jié)不排水剪參數(shù)Ccu和φcu表達(dá)的垂直擋土墻上的主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力公式，通過(guò)分析認(rèn)為即使采用總強(qiáng)度理論，也必須采用水土分算的方法。

本文以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)實(shí)測(cè)土壓力與不同方法以及不同指標(biāo)計(jì)算所得主動(dòng)土壓力進(jìn)行對(duì)比，分析了逆作法基坑對(duì)于不同性質(zhì)的土層，不同基坑開(kāi)挖階段，采取何種試驗(yàn)指標(biāo)以及計(jì)算方法更與實(shí)際接近，希望能為天津地區(qū)設(shè)計(jì)積累經(jīng)驗(yàn)。筆者還對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中土壓力變化過(guò)程，土壓力變化及分布的影響因素進(jìn)行了分析。

1 工程概況與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

1.1 工程概況

天津站交通樞紐工程后廣場(chǎng)工程是天津地鐵2號(hào)線、天津地鐵3號(hào)線、天津地鐵9號(hào)線（津?yàn)I輕軌）、京津城際鐵路及國(guó)鐵的換乘樞紐。該工程主要采用明挖順作法和蓋挖逆作法（與城際鐵路施工結(jié)合部位）施工。地下3層結(jié)構(gòu)底板埋深約23.5m，局部4層結(jié)構(gòu)底板埋深約29.5m。實(shí)測(cè)結(jié)果來(lái)自一標(biāo)段。

1.2 土質(zhì)條件及土層參數(shù)

天津站交通樞紐工程場(chǎng)區(qū)地層為第四系全新統(tǒng)人工填土層、第Ⅰ陸相層（第四系全新統(tǒng)上組河床～河漫灘相沉積）、第Ⅰ海相層（第四系全新統(tǒng)中組淺海相沉積）、第Ⅱ陸相層（第四系全新統(tǒng)下組沼澤相沉積層、河床～河漫灘相沉積）、第Ⅲ陸相層（第四系上更新統(tǒng)五組河床～河漫灘相沉積）、第Ⅱ海相層（第四系上更新統(tǒng)四組濱?！毕珟喑练e）、第Ⅳ陸相層（第四系上更新統(tǒng)三組河床～河漫灘相沉積）、第Ⅲ海相層（第四系上更新統(tǒng)二組淺?！珵I海相沉積）、第Ⅴ陸相層（第四系上更新統(tǒng)一組河床～河漫灘相沉積）、第Ⅳ海相層（第四系中更新統(tǒng)上組濱海三角洲相沉積）。場(chǎng)區(qū)內(nèi)各土層分布及土層參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土層分布及參數(shù)

1.3 監(jiān)測(cè)布點(diǎn)情況

一標(biāo)段共布置3個(gè)土壓力測(cè)孔，編號(hào)為TY1、TY2、TY3。每個(gè)測(cè)孔深35m，每隔5m設(shè)置一測(cè)點(diǎn)，每孔共7測(cè)點(diǎn)，見(jiàn)圖1。

圖1 土壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置

3個(gè)測(cè)孔在施工過(guò)程中不同程度的受到影響，測(cè)孔TY1在開(kāi)始進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)已經(jīng)被破壞；測(cè)孔TY2由于受到施工的影響而無(wú)法進(jìn)行監(jiān)測(cè)；測(cè)孔TY3在施工過(guò)程中最下面點(diǎn)受到破壞，至負(fù)二層開(kāi)挖完畢時(shí)，全部測(cè)點(diǎn)無(wú)法進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)從基坑開(kāi)挖開(kāi)始，至負(fù)二層基本開(kāi)挖完畢，已進(jìn)行部分混凝土層板澆筑，監(jiān)測(cè)頻率為每周一次。

2 實(shí)測(cè)土壓力與計(jì)算對(duì)比分析

采用固結(jié)快剪指標(biāo)與三軸固結(jié)不排水指標(biāo)分別進(jìn)行水土合算和水土分算，三軸固結(jié)不排水有效指標(biāo)進(jìn)行水土分算。計(jì)算結(jié)果表明，采用同一種計(jì)算方法，不同試驗(yàn)指標(biāo)計(jì)算的主動(dòng)土壓力值非常接近，而采用不同計(jì)算方法，相同指標(biāo)，計(jì)算所得的土壓力值有很大差別。

圖2為采用不同試驗(yàn)指標(biāo)，水土分算以及水土合算計(jì)算所得的主動(dòng)土壓力與基坑開(kāi)挖各階段實(shí)測(cè)土壓力的對(duì)比。

圖2 實(shí)測(cè)土壓力值與計(jì)算土壓力值曲線

由圖2可以觀察到實(shí)測(cè)土壓力均隨著深度的增加呈波狀增長(zhǎng)?；娱_(kāi)挖2m時(shí)，10m以上的土層，主動(dòng)區(qū)土壓力實(shí)測(cè)值與水土分算計(jì)算值非常接近，而在15m以下部分，主動(dòng)土壓力實(shí)測(cè)值則與水土合算值非常接近。由表1可知，該深度范圍內(nèi)的土層主要為粉土和粉質(zhì)粘土，夾雜一些粘土和粉砂，上下并沒(méi)有明顯的土性的區(qū)別。其原因可能是由于逆作法基坑變形模式的影響。

基坑開(kāi)挖至負(fù)一層底面（開(kāi)挖9m）時(shí)，30m以上深度范圍內(nèi)實(shí)測(cè)土壓力整體減小，而35m深度處實(shí)測(cè)土壓力則相對(duì)增大。上部實(shí)測(cè)土壓力值介于水土分算和水土合算的主動(dòng)土壓力值之間，中部普遍小于水土合算的主動(dòng)土壓力值，但相差不多，而下部則還是非常接近水土合算值。

基坑開(kāi)挖至負(fù)二層底面（開(kāi)挖15.5m）時(shí)，實(shí)測(cè)土壓力繼續(xù)整體減小，其分布特性則與開(kāi)挖至負(fù)一層底面時(shí)的情況基本相同。

導(dǎo)致圖2中實(shí)測(cè)土壓力與計(jì)算值的差異的原因可能是：圍護(hù)結(jié)構(gòu)在開(kāi)挖面附近向坑內(nèi)變形較大，而由于頂板支撐作用以及被動(dòng)區(qū)土體約束作用，圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部和下部向坑內(nèi)變形較小，中部產(chǎn)生土拱效應(yīng)[7]。

值得說(shuō)明的是，雖然上述實(shí)測(cè)土壓力與計(jì)算的主動(dòng)土壓力值比較接近，但是主動(dòng)土壓力為墻后土體達(dá)到主動(dòng)極限狀態(tài)下的土壓力。在開(kāi)挖2m時(shí)，實(shí)測(cè)土壓力雖然與計(jì)算值較為接近，但該實(shí)測(cè)土壓力并非主動(dòng)土壓力。只能認(rèn)為該實(shí)測(cè)土壓力介于靜止土壓力與主動(dòng)土壓力之間。在開(kāi)挖9～15.5m的過(guò)程中，實(shí)測(cè)土壓力呈減小的趨勢(shì)，也說(shuō)明了墻后土體還未達(dá)到主動(dòng)極限狀態(tài)。

3 開(kāi)挖過(guò)程中土壓力變化分析

1）基坑開(kāi)挖過(guò)程中，土壓力整體呈減小趨勢(shì)?；娱_(kāi)挖過(guò)程中，基坑內(nèi)部土體逐漸被挖空，開(kāi)挖深度范圍內(nèi)基坑內(nèi)側(cè)土壓力逐漸減小，直至為零，地連墻向坑內(nèi)變形，坑外土體由靜止?fàn)顟B(tài)逐漸向主動(dòng)極限狀態(tài)發(fā)展，土壓力也從靜止土壓力向主動(dòng)土壓力發(fā)展，最終實(shí)測(cè)土壓力值趨于水土合算的主動(dòng)土壓力值。由圖3可知，負(fù)一層開(kāi)挖過(guò)程中，實(shí)測(cè)土壓力值減小了2.0%～38.4%，負(fù)二層開(kāi)挖過(guò)程中實(shí)測(cè)土壓力值減小了2.4%～39.2%，圍護(hù)結(jié)構(gòu)上部其變化比例較大，隨著深度增加，變化比例逐漸減小。

圖3 土壓力隨深度變化曲線

2）承壓含水層抽水，導(dǎo)致該土層主動(dòng)土壓力突然減小。在開(kāi)挖至負(fù)一層底面，局部底板已經(jīng)澆筑完畢，準(zhǔn)備進(jìn)行負(fù)二層開(kāi)挖前，需進(jìn)行提前降水。在大概20m深度處有一承壓含水層，厚度大概為5m，此次降水在該土層中抽水。雖然承壓水層較薄，設(shè)計(jì)上地連墻把承壓水層完全隔斷，但是由于一標(biāo)段與二標(biāo)段相連，一標(biāo)段進(jìn)行基坑開(kāi)挖的過(guò)程中，二標(biāo)段地連墻還未施工完畢，故坑內(nèi)和坑外的承壓水層還是連通的。

由圖4可知，在進(jìn)行降水的過(guò)程中，土壓力在該土層處急劇變化，該層土壓力減小到原來(lái)的51%，而對(duì)于其他土層土壓力的影響卻很小。這種土壓力的急劇變化可能對(duì)基坑的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利的影響，工程中不可忽視。

圖4 承壓水層抽水導(dǎo)致土壓力變化曲線

4 土壓力與圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的關(guān)系

由圖5可知，基坑開(kāi)挖過(guò)程中，土壓力有時(shí)呈現(xiàn)出上部土壓力增大，而下部土壓力減小的現(xiàn)象。負(fù)一層開(kāi)挖時(shí)土壓力增大與減小的拐點(diǎn)大概在16m處，而負(fù)二層開(kāi)挖過(guò)程中其拐點(diǎn)大概在26m處。

圖5 土壓力分布受圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響曲線

這與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形發(fā)展趨勢(shì)有關(guān)。由于與本文所采用的土壓力計(jì)相對(duì)應(yīng)位置的地連墻測(cè)斜管被破壞，只能與其他位置地連墻變形作示意性對(duì)比分析。

圖6為在負(fù)一層開(kāi)挖過(guò)程中另一處地連墻測(cè)斜結(jié)果。在進(jìn)行土方開(kāi)挖時(shí)，開(kāi)挖面上下一段范圍內(nèi)向基坑內(nèi)部變形，而地連墻墻頂下一段范圍內(nèi)卻是向基坑外變形。這個(gè)趨勢(shì)與基坑開(kāi)挖過(guò)程中的土壓力變化相符合：上部由于地連墻向坑外變形，其土壓力增大，而下部分地連墻向坑內(nèi)變形，其土壓力減小。

高偉[8]等通過(guò)有限元計(jì)算和實(shí)測(cè)對(duì)比，認(rèn)為坑底以上主動(dòng)區(qū)大體是穩(wěn)定的，而坑底以下的主動(dòng)被動(dòng)區(qū)則呈不斷變化的。而本文中的實(shí)際觀測(cè)結(jié)果表明，在坑底以上的部分也有可能出現(xiàn)被動(dòng)區(qū)。其原因可能是本工程采用逆作法，而且以頂板作為支撐，其剛度比較大，導(dǎo)致基坑開(kāi)挖的過(guò)程中上部地連墻向坑外變形。而對(duì)于負(fù)一層與負(fù)二層開(kāi)挖過(guò)程中土壓力變化“拐點(diǎn)”的位置與開(kāi)挖深度以及支撐數(shù)量和位置有關(guān)，開(kāi)挖深度的增加以及支撐（在此工程中為層板）的增加導(dǎo)致拐點(diǎn)的下移。

由圖5還可以觀察到，基坑開(kāi)挖過(guò)程中，土壓力大致呈“R”形分布，這種土壓力分布形式與圖6所示圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生了“繞墻趾轉(zhuǎn)動(dòng)+鼓脹”[7]的變形模式相對(duì)應(yīng)，與王保健等得出的結(jié)果一致。而對(duì)于這種分布形式，虞建華[9]解釋為：墻后土壓力隨開(kāi)挖深度增加，土壓力分布在支撐作用下發(fā)生重分布，即產(chǎn)生了“土拱”效應(yīng)。由土壓力分布趨勢(shì)可以看出“土拱”形成范圍大概在10～24m之間。

圖6 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形曲線

5 結(jié)論

1）本工程采用逆作法施工，場(chǎng)地土層主要為粉質(zhì)粘土和粉土，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)上作用的土壓力與計(jì)算值較為接近，圍護(hù)結(jié)構(gòu)上部，大概10m以上的范圍內(nèi)，土壓力與水土分算的朗肯土壓力較為接近，而下部分，大概15～35m的范圍內(nèi)，則更接近于水土合算值。

2）在基坑還未完全封閉，承壓水沒(méi)有被完全隔斷的情況下，承壓水層抽水會(huì)導(dǎo)致該承壓水層范圍內(nèi)土壓力的急劇減小，該層土壓力減小到原來(lái)的51%。這種土壓力的變化可能對(duì)基坑的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，工程中不可忽視。

3）圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力隨著基坑的開(kāi)挖，整體呈減小趨勢(shì)，每一步開(kāi)挖過(guò)程土壓力大概減小2%～38%。而圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形很大程度上影響著土壓力的變化和分布，存在著圍護(hù)結(jié)構(gòu)上部減小，下部增大的現(xiàn)象。負(fù)一層和負(fù)二層的開(kāi)挖過(guò)程中，土壓力變化的拐點(diǎn)從16 m下移到26m。

[1]陳愈炯，溫彥鋒.基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)上的水土壓力[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1999，21（2）：139-143.

[2]魏汝龍.總應(yīng)力法計(jì)算土壓力的幾個(gè)問(wèn)題[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1995，17（6）：120-125.

[3]魏汝龍.開(kāi)挖卸載與被動(dòng)土壓力計(jì)算[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1997，19（6）：88-92.

[4]陳愈炯.總強(qiáng)度指標(biāo)的測(cè)定和應(yīng)用[J].土木工程學(xué)報(bào)，2000，33（4）：32-34.

[5]李廣信.基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)上水土壓力的分算與合算[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2000，22（3）：348-352.

[6]沈珠江.基于有效固結(jié)應(yīng)力理論的粘土土壓力公式[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2000，22(3）：353-356.

[7]王保健，熊巨華，朱碧堂.圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形模式對(duì)土壓力的影響[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28(S1）：1475-1480.

[8]高 偉，竇遠(yuǎn)明，周曉理，等.分步開(kāi)挖過(guò)程中基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和土壓力性狀研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28(S1）：1455-1459.

[9]虞建華.深挖基坑的支擋結(jié)構(gòu)形狀及土壓力分析[D].天津：天津大學(xué)，1996.