坑中坑對基坑支護擋土樁的影響及處理

楊雁翔 鐘宗炘 李偉玲

中建一局集團第六建筑有限公司 河北 石家莊 050017

1 坑中坑對支護擋土樁的影響分析

傳統(tǒng)的基坑支護結構，嵌固段主要由被動土壓力PP維持穩(wěn)定（圖1）。

圖1 根部土體受力示意

式中：γ——土的重度；

h——擋土樁嵌固深度；

θ——滑裂面與水平面夾角；

φ——土的內摩擦角。

我們已經(jīng)知道，樁前土的被動土壓力值，是楔體沿與水平面呈(π/4－φ/2)角度的滑裂面擠出時的水平力，其大小為：

上述被動土壓力計算方法是針對不設坑中坑時所采用的。設置坑中坑以后，在楔體右側土體被截斷、右側土體的穩(wěn)定性可能受到影響之后，被動土壓力是否一樣，則需要我們進一步探討。

坑中坑按照坑底位置分為2種，即坑底位于擋土樁底以下（含平齊的）的坑中坑和坑底位于擋土樁底以上的坑中坑。

1.1 坑底位于擋土樁底以下的坑中坑分析

樁前土在被動土壓力作用下，在楔體擠出過程中，楔體也將推擠右側土體（圖2、圖3）。

圖2 坑中坑示意（坑底位于擋土樁底以下）

圖3 右側土體受力、合力示意

右側土體有3個力作用，即本身土體自重W1，楔體的推力R'，底面反力R1。

通常情況下，圖3中土重力W1因右側土體無限連續(xù)而為無窮大?；釉O置坑中坑后，右側土體不再連續(xù)，土重力變得有限[1]。

楔體的推力R'，與被動土壓力楔體分析時的反力R，是作用力與反作用力的關系，大小相等、方向相反，因此，完全可以將其分解成水平方向和鉛垂方向的2個力。水平力的大小與被動土壓力相同，鉛垂方向的力與楔體土重力相同。因此疊加到受力圖上，顯得簡潔直觀。

基底反力R1方向與鉛垂方向的夾角為土的內摩擦角φ，方向偏左。

從疊加圖中可以看出，W＋W1即為樁前土的總重力。

從力的關系上看，如果右側土體不滑移，則右圖R'、R1、W1必然閉合。事實上能否閉合，則又取決于土的總重（楔體＋右側土體）與土的內摩擦角正切值的乘積。也就是土體要抵抗楔體推力，必須滿足PP≤(W＋W1)tanφ這一條件。因此，樁前土能否穩(wěn)定，最終歸結為土體抗剪力能否抵抗楔體擠出時的被動土壓力。

為了論述探究簡便，這里假設坑中坑是直壁坑，那么W＋W1=hs γ（s為坑中坑與基坑底邊凈距），則抗剪力為hs γtanφ。

式（2）右邊值，即為擋土樁避免坑中坑不受影響的安全距離。

當坑中坑與基坑底邊凈距大于安全距離時，由于楔體右側土體抗剪能力足以抵抗楔體推力，被動土壓力不受影響，因此擋土樁的嵌固段不受影響，是屬于安全的；當小于安全距離時，楔體右側土體抗剪能力不足以抵抗楔體推力，被動土壓力達不到原設計要求，樁的嵌固段安全性將受到影響[2]。

根據(jù)式（2），設某基坑擋土樁嵌固段長度為5 m，土壤為無黏性土，內摩擦角φ=36°，坑中坑深度5 m，則可計算得到安全距離為13.25 m。

1.2 坑底位于擋土樁底以上的坑中坑分析

對于坑底位于擋土樁底以上的坑中坑，我們依舊從土體受力分析開始（圖4、圖5）

圖4 坑中坑示意（坑底位于擋土樁底以上）

圖5 楔體右側土體受力、合力示意

從圖5中可以看出，右側土體受3個力的作用，即本身重力、楔體作用力、基底反力。依據(jù)前文分析，楔體對右側土體的作用力可以分解成水平力和豎向力；而水平力與豎直力分別等于被動土壓力和楔體土重力。如果要受力平衡，則基底反力的水平分力必然等于被動土壓力。即：(W＋

通過求解方程，對于已知深度的坑中坑，其安全距離為：

式中：Kp=tan2(π/4＋φ/2)。

當h1=h時，式（3）可化簡為式（2）。式（3）右邊值，即為安全值。

坑底位于擋土樁底以上的坑中坑，坑中坑與基坑底邊凈距對擋土樁嵌固段的影響，與前一類坑中坑基本一樣，只是安全距離不同而已[3]。

根據(jù)式（3），設某基坑的參數(shù)同前，坑中坑深度為h1=3，則可計算得到安全距離為11.77 m。結果表明，安全距離比坑底位于擋土樁底以下的坑中坑要小。

2 坑中坑與基坑底邊安全距離不足時的處理

在探索處理措施之前，先進一步分析了解PP與滑裂面角θ的關系，現(xiàn)對被動土壓力式中h、γ、φ賦予數(shù)值并做圖。假設h=5 m，γ=20 kN/m3，φ=36°，對φ)cotθ做圖如下（圖6）。

圖6 Pp與 θ 的函數(shù)關系

從圖6中可以看出：

1）楔體破壞時的被動土壓力，是楔體沿著某一滑裂面擠出時的壓力的最小值。

2）當θ=0°時，也即楔體滑裂面呈水平狀態(tài)時，楔體重力為無窮大，需要使楔體破壞的被動土壓力也無窮大。

3）當θ=54°（弧度值為0.942）時，被動土壓力為無窮大，此時，滑裂面上的反力呈水平方向，需要使楔體擠出的被動土壓力為無窮大。

從中還可以對圖6作如下解讀：

1）改變滑裂面位置，抵抗力增加，擠出楔體的被動土壓力增加。

2）依據(jù)前文分析，滑裂面改變后，若實際被動土壓力提高到新的水平，則楔體對楔體右側的水平推力將會增加。

現(xiàn)在對滑裂面偏離進行分析。假如，在樁前土體沿滑裂面(π/4－φ/2)打入花管，注入水泥漿，則水泥漿固化后滑裂面將向兩側偏離。假如注漿孔不被堵死，繼續(xù)注漿，漿液在此基礎上進一步向兩側擴散，水泥漿固結后，滑裂面則進一步偏離。隨著滑裂面偏離，被動土壓力也將增加。處理后的效果體現(xiàn)在2個方面，一是同等土體被動土壓力提高，同等土體獲得相同被動土壓力時，樁的嵌固段將減?。▽嶋H工程中，主動土壓力是不增加的，實際被動土壓力也因此不會增加）。這里要說明的是，滑裂面偏離只適用于局部加固土體；如果全面加固，即各個滑裂面均被固結，那么滑裂面仍舊回到(π/4－φ/2)，不過被動土壓力提高到更高的水平。由此，在探索局部注漿加固的同時，也應看到密實處理（各種擠密方法）的加固方法具有其天然的合理性。因此，注漿加固（包括局部注漿和全部注漿）和密實處理，是提高樁前土被動土壓力的有效方法。

增加楔體右側土體抗剪力，理論上不僅可以通過提高內摩擦角的方法取得，而且還可以通過增加土的重力的方法取得。因此，以往樁前堆土增加樁前土壓重，也是增加土體抗剪能力的有效方法之一。只不過這種方法比較適用于應急搶險的情況，平常則用得較少。

2.1 坑底位于擋土樁底以下的坑中坑處理

這類坑中坑按照其與基坑底邊的距離分為2類，即距離小于安全值和距離不小于安全值的2類[4]。

1）距離不小于安全值的坑中坑，滿足安全要求，可不處理。

2）距離小于安全值的坑中坑又分2種，即處在被動土壓力滑裂面以內的和處在被動土壓力滑裂面以外的。

① 在滑裂面以外的坑中坑，由于任意滑裂面均可滿足被動土壓力，因此滑裂面上側土體（楔體）可以不加固?；衙嬉韵拢ɑ蛐w右側）土體，由于抗剪能力不足，需要加固處理。加固的目的是使右側土體的抗剪能力能夠抵抗楔體推力的水平分力（被動土壓力）。土體抗剪能力提高后，樁前土成為整體，雖避免了剪切破壞，但是，隨之而來的可能是水平力推動土體整體向右傾覆的傾向。因此，土體必要時需要向深度方向進行加固處理。深度數(shù)值可以按照重力擋土墻計算確定，以確保能抵抗被動土壓力的傾覆力矩（圖7）。

② 在滑裂面以內的坑中坑，土體應當全面加固。即加固楔體，使被動土壓力滑裂面偏離(π/4－φ/2)，直至偏離坑中坑削弱楔體區(qū)域；加固底部以增加土體與基底土抗剪力，加固深度同樣可以按照重力擋土墻計算確定（圖8）。

圖7 坑中坑在滑裂面以外的加固區(qū)域

圖8 坑中坑在滑裂面以內的加固區(qū)域

2.2 坑底位于擋土樁底以上的坑中坑處理

該類坑中坑對擋土樁嵌固段影響較小，安全距離計算式有所不同。處理原則與前一類坑中坑一樣，不再贅述。

這里需要說明的是，用樁底嵌固段全長段受被動土壓力來判斷坑中坑與基坑底邊凈距是否安全的做法是偏于保守的。嵌固段最主要的平衡，是樁后主動土壓力和樁前被動土壓力的平衡?；釉O計階段，雖然設計計算模型不同，但大多會在計算所需長度上增加20%，代替下部反彎段的繁瑣計算。因此，計算安全距離時，建議按照嵌固段長度乘以0.83，然后按照這個長度計算被動土壓力，再計算安全距離。從樁后主動土壓力和樁前被動土壓力的平衡觀點出發(fā)，當坑中坑影響嵌固段時，除前述樁前土加固外，在擋土樁根部增加錨桿和腰梁也是有效的處理方法。

3 結語

坑中坑對支護結構嵌固的影響，主要在于坑中坑截斷樁前土體連續(xù)性，繼而影響被動土壓力的形成條件。本文探討的樁前土加固方法因此也從創(chuàng)造被動土壓力形成條件入手。對于加固后的土體整體穩(wěn)定問題，文中對土體受力進行了較具體的分析，作用在土體整體上的力因而明了，傾覆設計及驗算也就輕而易舉了。