深基坑樁撐支護(hù)體系下樁后土壓力監(jiān)測及分布模式探討*

朱武衛(wèi), 席 宇, 劉博濤, 劉 義, 楊 焜, 李 哲, 楊 曉, 王寶玉

(1 陜西省建筑科學(xué)研究院有限公司，西安 710082；2 陜西建工集團(tuán)有限公司，西安 710003；3 長安大學(xué)公路學(xué)院，西安 710064)

0 引言

現(xiàn)有基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)多采用規(guī)范[1]中提出的彈性支點(diǎn)法,該計(jì)算方法所采用的樁后土壓力取朗肯主動土壓力。但眾所周知,經(jīng)典朗肯土壓力理論是基于剛性很大的擋土墻條件提出的,只允許墻體產(chǎn)生平移或轉(zhuǎn)動兩種剛體位移情況,不允許產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形,同時(shí)采用朗肯主動土壓力計(jì)算的前提是土體達(dá)到主動極限平衡狀態(tài),即土體產(chǎn)生剪切破壞,形成滑動面;而實(shí)際工程應(yīng)用的樁撐支護(hù)結(jié)構(gòu)體系是一種柔性支擋結(jié)構(gòu),隨著基坑開挖以及內(nèi)支撐施作的影響,支護(hù)樁會發(fā)生不同程度的結(jié)構(gòu)變形,誘發(fā)土壓力重分布,且該支護(hù)結(jié)構(gòu)體系限制土體達(dá)到主動極限平衡狀態(tài)。因此,對于樁撐支護(hù)結(jié)構(gòu)體系等柔性支擋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),其實(shí)際情況與采用朗肯主動土壓力計(jì)算的前提條件差異明顯,存在一定的不合理性[2],而選取合理的樁后土壓力始終是基坑支護(hù)設(shè)計(jì)兼顧安全和經(jīng)濟(jì)的熱點(diǎn)問題之一。

為進(jìn)一步了解深基坑樁撐支護(hù)體系下樁后土壓力大小與分布情況,采取現(xiàn)場實(shí)測方法是最直接有效的手段。本文基于西安某基坑工程開展樁后土壓力現(xiàn)場監(jiān)測工作,并基于監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行土壓力分布模式分析,為樁撐支護(hù)結(jié)構(gòu)體系等柔性支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所采用的土壓力提供一定參考。

1 基坑概況

本工程位于西安市新城區(qū)自強(qiáng)東路以南、隴海線及北站房以北、西閘口以東、太華南路以西,基坑開挖范圍東西長約1 000.0m,南北寬約140.0m,以其北側(cè)丹鳳門中軸劃分為東區(qū)、西區(qū)兩部分,東區(qū)基坑為兩級坑中坑形式,一級基坑平面不規(guī)則,坑深16.8m;二級基坑平面呈矩形,坑深15.2m。受現(xiàn)場施工環(huán)境的影響,本文選取了東區(qū)二級基坑開展支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)主動區(qū)土壓力現(xiàn)場監(jiān)測工作?；悠矫嫖恢萌鐖D1所示。

圖1 基坑平面位置示意圖

1.1 地質(zhì)及水文概況

依據(jù)地勘資料可知,東區(qū)二級基坑及其支護(hù)結(jié)構(gòu)所處區(qū)域土層為單一粉質(zhì)黏土層(土體飽和,密實(shí),級配不良),土層重度19.6kN/m3,黏聚力36.0kPa,內(nèi)摩擦角23°,滲透系數(shù)6.0m/d,由試驗(yàn)測得其靜止側(cè)壓力系數(shù)為0.4。受現(xiàn)場一級基坑降水開挖的影響,并結(jié)合一級基坑坑內(nèi)現(xiàn)場水位監(jiān)測結(jié)果,可擬定二級基坑土層區(qū)域初始水位位于一級基坑底以下2.0m位置。

1.2 支護(hù)體系

東區(qū)二級基坑支擋結(jié)構(gòu)采用排樁-內(nèi)支撐柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)體系,排樁采用直徑為1.0m的鉆孔灌注樁,樁間距1.3mm,樁長約31.0m,樁頂冠梁截面1.0m×1.0m,灌注樁、冠梁混凝土強(qiáng)度等級C35。內(nèi)支撐體系采用兩道直徑0.8m(壁厚20.0mm)的鋼管內(nèi)支撐,第一道支撐支承在冠梁上,距樁頂標(biāo)高約3.0m,間距7.0～8.0m;第二道支撐支承在樁身鋼圍檁上,距樁頂標(biāo)高約10.0m,間距3.5～4.0m。施工過程中第一、二道鋼管支撐分別預(yù)加400、500kN的軸力?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)體系如圖2所示。

圖2 基坑支護(hù)體系示意圖

2 土壓力監(jiān)測方案

2.1 一種新型土壓力監(jiān)測裝置

現(xiàn)有土壓力監(jiān)測方法主要分為兩類:一類是間接監(jiān)測法[3-4],其原理是通過監(jiān)測支護(hù)結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土應(yīng)力、應(yīng)變或者拉筋軸力再進(jìn)行一定的等效換算得到土壓力的方法,該類方法所埋設(shè)的應(yīng)變片和應(yīng)力計(jì)易受混凝土澆筑、鋼筋籠吊裝發(fā)生損壞、錯(cuò)位,導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失、失真,且拉筋軸力等效為土壓力需確定拉筋對土體的約束范圍,故而最終所得結(jié)果欠佳;另一類是直接監(jiān)測法,其原理是基于埋設(shè)土壓力盒直接測得土壓力的方法,該類方法在盡量避免土體擾動和確保量測準(zhǔn)確的前提下獲得的土壓力數(shù)據(jù)可直接反映支護(hù)結(jié)構(gòu)所受側(cè)土壓力的實(shí)際情況,現(xiàn)場通常采用掛布法和鉆孔埋設(shè)法[5-6],但掛布法操作過程中土壓力盒承壓面因混凝土澆筑而容易改變方向或被混凝土包裹,成活率低;鉆孔埋設(shè)法雖確保了土壓力盒的成活率和埋設(shè)位置的準(zhǔn)確性,但監(jiān)測的是距支護(hù)結(jié)構(gòu)一定水平距離的側(cè)土壓力,并不能直接反映作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)的真實(shí)土壓力情況。

基于上述監(jiān)測方法的優(yōu)缺點(diǎn),本文提出了一種基于土壓力盒的“注漿帶法”原位監(jiān)測裝置,主要包括土壓力盒、注漿帶、槽形限位筋、定向平動約束裝置、注漿機(jī)、排氣管、球閥、壓力表等部件,如圖3所示。

圖3 “注漿帶法”土壓力監(jiān)測裝置

安裝與監(jiān)測:注漿帶末端連接排氣管,二者形成U形結(jié)構(gòu)沿縱向鋼筋排布并綁扎在鉆孔灌注樁鋼筋籠上,在注漿帶入口及排氣管尾部分別安裝有球閥,將土壓力盒安裝在沿樁身預(yù)設(shè)監(jiān)測點(diǎn)位所焊接的定向平動約束裝置內(nèi),該裝置上下20cm位置焊接槽形限位筋,土壓力盒通過防水膠粘貼在注漿帶上;安裝好的監(jiān)測裝置同鋼筋籠一起吊裝進(jìn)入樁孔,吊裝階段通過鋼筋籠旋轉(zhuǎn)定位將土壓力盒承壓面方向調(diào)整至樁后主動區(qū)土體;通過注漿機(jī)將微膨脹注漿料灌入注漿帶內(nèi),待排氣管端開始穩(wěn)定排出注漿料時(shí)關(guān)閉末端球閥,繼續(xù)勻速注漿,注漿過程中時(shí)時(shí)進(jìn)行土壓力盒數(shù)據(jù)采集,待埋深最淺點(diǎn)位土壓力數(shù)據(jù)變化幅度趨于穩(wěn)定時(shí),關(guān)閉注漿口球閥。注漿料快速凝結(jié)硬化后進(jìn)行混凝土澆筑,待混凝土凝結(jié)硬化后,對各監(jiān)測點(diǎn)位的穩(wěn)定土壓力數(shù)值進(jìn)行記錄,作為初始值。隨后基坑開挖過程中,時(shí)時(shí)監(jiān)測并采集各埋深點(diǎn)位的土壓力值。

該測試裝置連接簡單、施工方便、成活率高;定向平動約束裝置可確保土壓力盒在鋼筋籠吊裝及混凝土澆筑過程中不會錯(cuò)位、定位準(zhǔn)確;飽滿的注漿帶可確保土壓力盒與土體接觸緊密,防止保護(hù)土壓力盒承壓面被混凝土包裹;混凝土硬化后,土壓力盒基于注漿袋與灌注樁及樁后土體緊密接觸,確保了土壓力的傳遞路徑。通過采集監(jiān)測裝置中土壓力盒數(shù)據(jù)即可直接得到樁后測點(diǎn)位置的土壓力及其沿深度方向的分布情況,屬于一種新型的土壓力直接測試方法。

2.2 土壓力監(jiān)測點(diǎn)布置

本工程選取了1#、2#、3#支護(hù)樁(圖1),采用2.1節(jié)提出的監(jiān)測裝置開展樁后土壓力監(jiān)測,監(jiān)測點(diǎn)位共計(jì)9個(gè),土壓力盒分別埋設(shè)于自樁頂標(biāo)高下-2.0、-5.0、-8.0、-11.0、-14.0、-17.0、-20.0、-23.0、-26.0m,如圖4所示。

圖4 土壓力監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖

3 土壓力監(jiān)測結(jié)果及成因分析

3.1 監(jiān)測結(jié)果

本文對樁后土壓力監(jiān)測結(jié)果(因本工程存在地下水,文中所述土壓力監(jiān)測結(jié)果在地下水位區(qū)域均為水土壓力合力,以下簡稱土壓力)予以歸納整理,1#、2#支護(hù)樁靜止土壓力(3#支護(hù)樁受前期線路故障和現(xiàn)場開挖進(jìn)度影響未監(jiān)測到靜止土壓力)沿深度方向分布的監(jiān)測結(jié)果如圖5所示?；娱_挖至-4.0m(第一道鋼管支撐施作)、開挖至-11.0m(第二道鋼管支撐施作)、開挖至-15.2m(開挖至坑底)三個(gè)工況下,1#、2#、3#支護(hù)樁后主動區(qū)土壓力沿深度方向分布的監(jiān)測結(jié)果如圖6所示(圖6(b)同時(shí)示意了2#支護(hù)樁變形沿深度方向的監(jiān)測結(jié)果),1#、2#、3#支護(hù)樁后主動區(qū)土壓力(同深度位置)隨開挖時(shí)間變化的監(jiān)測結(jié)果如圖7所示。

圖5 靜止土壓力沿深度方向的分布

圖6 樁后土壓力沿深度方向的分布

圖7 樁后土壓力隨開挖時(shí)間(2020年)的變化

從圖5可以看出,在基坑未開挖階段,所測1#、2#支護(hù)樁后靜止土壓力沿深度方向基本呈線性分布,且各測點(diǎn)土壓力值均未超過靜止土壓力理論計(jì)算值,主要原因在于鉆孔灌注樁在成孔階段以及澆筑混凝土直至硬化成型階段,樁后土壓力發(fā)生一定程度的釋放,故現(xiàn)場實(shí)測的樁后靜止土壓力屬于擾動后的土壓力重分布結(jié)果。

從圖6可以看出,在基坑分別開挖至-4.0、-11.0m和-15.2m三個(gè)工況下,所測1#、2#、3#樁后土壓力沿深度方向的分布規(guī)律表現(xiàn)一致,即均呈現(xiàn)出沿深度方向增加而增大的規(guī)律,最大值均發(fā)生在現(xiàn)場所測最深點(diǎn)位-26.0m,且沿深度方向土壓力整體呈現(xiàn)出明顯的非線性分布,其分布規(guī)律大致可劃分為三個(gè)階段:1)在深度方向-2.0～-8.0m埋深范圍內(nèi)樁后土壓力無明顯變化,基本保持為一個(gè)常量,呈矩形分布;2)在深度方向-8.0～-20.0m埋深范圍內(nèi)樁后土壓力呈近似線性增長,漲幅顯著;3)在深度方向-20.0～-26.0m埋深范圍內(nèi)樁后土壓力繼續(xù)呈近似線性增長,但漲幅明顯減緩。

3.2 成因分析

為便于進(jìn)行樁后土壓力形成上述分布規(guī)律的成因分析,表1示意了基坑開挖深度與支撐安裝對應(yīng)時(shí)間。

表1 基坑開挖深度與支撐安裝對應(yīng)時(shí)間

成因分析(以圖6(b)為例予以說明)如下:

(1)基坑開挖至-4.0m,第一道鋼管支撐已經(jīng)施作,受內(nèi)支撐剛度和預(yù)加軸力的作用,開挖區(qū)域及開挖面以下受土體回彈影響的埋深范圍內(nèi)支護(hù)樁的變形經(jīng)歷了支撐施作前因樁體背、迎土側(cè)土壓力不平衡產(chǎn)生的坑內(nèi)變形逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹问┳骱笙拗茦扼w向坑內(nèi)變形的進(jìn)一步增大甚至發(fā)生恢復(fù)變形且最終達(dá)到某一穩(wěn)定變形狀態(tài)的過程(如圖6(b)所示,0～-5.5m埋深范圍樁身在基坑開挖至-4.0m及1道支撐施作工況下的變形過程,下同),而在支護(hù)樁變形轉(zhuǎn)變過程中,受內(nèi)支撐的影響,樁后一定埋深范圍內(nèi)的土體則發(fā)生由起初某一穩(wěn)定狀態(tài)(基坑開挖至-4.0m)轉(zhuǎn)變?yōu)槭芑謴?fù)后樁體擠壓(1道支撐施作,下同)的過程,樁后土壓力則發(fā)生由前期某一平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭軜扼w擠壓而增大的過程,因本基坑為單一土層,其樁后土壓力理論上沿深度方向呈近似三角形分布,但由于樁后一定深度范圍土壓力受擠壓增大,最終形成了-2.0～-8.0m埋深范圍內(nèi)樁后土壓力基本呈矩形的分布狀態(tài);因第一道鋼管支撐施作,樁體出現(xiàn)恢復(fù)變形(如圖6(b)所示,1道支撐施作工況下樁體變形)使得樁后土體受到不同程度擠壓,樁后一定范圍內(nèi)土體形成土拱效應(yīng),-8.0～-20.0m埋深范圍內(nèi)土壓力受土拱效應(yīng)以及單一土層的綜合影響呈現(xiàn)出近似線性的快速增長;而受開挖面以下樁底端部一定埋深范圍內(nèi)被動區(qū)土體的約束,在-20.0～-26.0m埋深范圍內(nèi)支護(hù)樁幾乎無變形(如圖6(b)所示,-20.0～-26.0m埋深范圍樁身在基坑開挖至-4.0m及1道支撐施作工況下幾乎無變形),加之單一土層的緣故,該埋深范圍內(nèi)土壓力基本表現(xiàn)為受土體豎向應(yīng)力作用下產(chǎn)生的側(cè)土壓力,即隨深度增加保持近似線性增長的規(guī)律,但漲幅明顯減緩,且對比發(fā)現(xiàn)該埋深范圍內(nèi)樁后土壓力基本等同于現(xiàn)場實(shí)測靜止土壓力。

(2)基坑開挖至-11.0m,第二道鋼管支撐已經(jīng)施作,受該支撐剛度和預(yù)加軸力的作用,新開挖范圍樁體變形的轉(zhuǎn)變過程(如圖6(b)所示,-4.0～-13.0m埋深范圍樁身在基坑開挖至-11.0m及2道支撐施作工況下的變形過程,下同)同前文描述;該范圍樁體變形轉(zhuǎn)變過程中,因第一道鋼管支撐不斷維持預(yù)加軸力使得-2.0～-8.0m支護(hù)樁變形未發(fā)生明顯變化(如圖6(b)所示,-2.0～-8.0m埋深范圍樁身在基坑開挖至-11.0m及2道支撐施作工況下的變形過程,樁身變形最大差值為1.3mm,發(fā)生在第一道鋼管支撐位置,其余埋深范圍樁身變形差值最大為0.8mm,發(fā)生在樁身-2.0m位置),故該埋深范圍樁后土壓力分布模式基本未發(fā)生改變,但-2.0～-8.0m支護(hù)樁受新增開挖范圍的樁體變形牽引最終向坑內(nèi)的變形有所增加(如圖6(b)所示,-2.0～-8.0m埋深范圍樁身在1道支撐施作及2道支撐施作工況下的變形,后者較前者工況下樁身變形增加,差值最大為3.2mm);同理,受2道支撐施作形成的土拱效應(yīng)(如圖6(b)所示,2道支撐施作工況下-5.5～-13.5m埋深范圍樁體出現(xiàn)恢復(fù)變形使得埋深范圍內(nèi)樁后一定范圍土體受擠壓)和單一土層的綜合影響,-8.0～-20.0m埋深范圍內(nèi)土壓力分布模式基本呈現(xiàn)出與基坑開挖至-4.0m的相同分布狀態(tài);同理,在-20.0～-26.0m埋深范圍內(nèi)支護(hù)樁幾乎無變形(如圖6(b)所示,-20.0～-26.0m埋深范圍樁身在2道支撐施作工況下幾乎無變形),故-20.0～-26.0m埋深范圍內(nèi)土壓力分布模式呈現(xiàn)出與基坑開挖至-4.0m相同的分布狀態(tài)。

(3)基坑開挖至-15.2m,新開挖范圍支護(hù)樁體因背、迎土側(cè)土壓力不平衡產(chǎn)生坑內(nèi)變形(如圖6(b)所示,基坑開挖至-15.2m工況下,-11.0～-15.2m埋深范圍樁體變形),因第一、二道鋼管支撐不斷維持預(yù)加軸力,-2.0～-8.0m支護(hù)樁變形未發(fā)生明顯變化(如圖6(b)所示,基坑開挖至-15.2m工況下-2.0～-8.0m埋深范圍樁體變形),-8.0～-20.0m支護(hù)樁受第二道鋼管支撐以及開挖面以下被動土體的共同作用僅在-11.0～-15.2m及以下一定埋深范圍略有變形(如圖6(b)所示,基坑開挖至-15.2m工況下-11.0～-18.5m埋深范圍樁體變形,-18.5～-20.0m埋深范圍樁體幾乎無變形),樁后土拱效應(yīng)減弱,綜合土拱效應(yīng)、單一土層以及樁體發(fā)生變形區(qū)域的影響,-2.0～-8.0m、-8.0～-20.0m埋深范圍內(nèi)土壓力分布模式在-11.0～-15.2m區(qū)間漲幅略有減緩,但整體基本呈現(xiàn)出與基坑開挖至-4.0、-11.0m相同的分布狀態(tài);同理,在-20.0～-26.0m埋深范圍內(nèi)支護(hù)樁幾乎無變形(如圖6(b)所示,-20.0～-26.0m埋深范圍樁身在基坑開挖至-15.2m工況下幾乎無變形),故-20.0～-26.0m埋深范圍樁后土壓力分布模式基本呈現(xiàn)出與基坑開挖至-4.0、-11.0m相同的分布狀態(tài)。

對比圖6中基坑分別開挖至-4.0、-11.0m和-15.2m工況下1#、2#、3#支護(hù)樁后土壓力監(jiān)測值與朗肯主動土壓力可知,在深度方向-2.0～-5.0m埋深范圍內(nèi),各工況下1#、2#、3#支護(hù)樁后各測點(diǎn)土壓力均大于朗肯主動土壓力;在深度方向-8.0～26.0m埋深范圍,基坑分別開挖至-4.0、-11.0m工況下,2#、3#支護(hù)樁后個(gè)別測點(diǎn)土壓力約為朗肯主動土壓力的1.1倍,其余測點(diǎn)土壓力均未超過朗肯主動土壓力;而基坑開挖至-15.2m工況下,各測點(diǎn)土壓力均未超過朗肯主動土壓力。可見,樁撐支護(hù)體系下,樁后主動區(qū)土壓力(各埋深范圍)與朗肯主動土壓力的相對大小受基坑開挖深度的影響而不盡相同。

從圖7可以看出,隨著開挖時(shí)間的推進(jìn),即基坑分別開挖至-4.0、-11.0m及-15.2m,所測1#、2#、3#支護(hù)樁后同深度位置土壓力均基本呈現(xiàn)出不斷減小的規(guī)律,各深度位置土壓力均在基坑開挖至坑底(-15.2m)時(shí)達(dá)到最小值,且在-2.0、-5.0、-8.0m以及-11.0m埋深位置樁后土壓力減小幅度不明顯,在-14.0、-17.0m埋深位置樁后土壓力減小幅度顯著,而在-20.0、-23.0、-26.0m埋深位置樁后土壓力減小幅度減弱。產(chǎn)生上述變化規(guī)律的原因(以圖6(b)予以說明)在于,隨著開挖時(shí)間的推進(jìn),基坑開挖深度不斷增加、支護(hù)樁向坑內(nèi)變形不斷增加,樁后土體偏離樁體程度逐漸增加,樁后土壓力逐漸減小;但受第一、二道鋼管支撐不斷維持預(yù)加軸力來彌補(bǔ)預(yù)應(yīng)力松弛的影響,樁體一定深度范圍的樁身變形未發(fā)生顯著變化(如圖6(b)所示,在基坑開挖至-15.2m工況下-2.0～-11.0m埋深范圍樁身變形),故在-2.0～-11.0m埋深位置的土壓力減弱不明顯;受-11.0～-15.2m范圍開挖引起樁體向坑內(nèi)變形的影響,故在-11.0～-20.0m埋深位置的土壓力減弱顯著;受坑底開挖面以下一定范圍(如圖6(b)所示,在基坑開挖至-15.2m工況下-20.0～-26.0m埋深范圍樁身幾乎無變形)被動區(qū)土體對支護(hù)樁的約束,故在-20.0～-26.0m埋深位置的土壓力減弱減緩。

4 主動區(qū)土壓力分布模式研究

目前,有關(guān)支擋結(jié)構(gòu)土壓力分布模式的研究結(jié)論[7-10]尚不統(tǒng)一,但所提出的土壓力分布模式都普遍考慮了沿深度方向Z的相關(guān)性,但結(jié)合本文第3節(jié)土壓力監(jiān)測結(jié)果分析可知,樁后土壓力除了沿深度方向Z發(fā)生變化以外,同時(shí)也隨著基坑開挖深度H的不同而發(fā)生變化。對此,本文基于1#、2#、3#支護(hù)樁后土壓力分別在基坑開挖至-4.0、-11.0m以及-15.2m三個(gè)工況下的監(jiān)測平均值開展其沿深度方向Z、開挖深度H的分布模式研究。經(jīng)歸納整理,三個(gè)不同開挖深度工況下,樁后土壓力監(jiān)測平均值沿深度方向的變化如圖8所示。

圖8 土壓力監(jiān)測平均值分布圖

從圖8可以看出,基坑開挖至-4.0、-11.0m以及-15.2m的三個(gè)工況下,土壓力監(jiān)測平均值沿深度方向的分布模式同前述第3節(jié)分析結(jié)果,即可劃分為三個(gè)階段:-2.0～-8.0m為矩形分布模式、-8.0～-20.0m為線性增長分布模式、-20.0～-26.0m為線性增長分布模式;且隨著開挖深度的增加,各深度土壓力逐漸減小。同時(shí),通過對比朗肯主動土壓力和靜止土壓力可發(fā)現(xiàn),-2.0～-8.0m埋深范圍土壓力與朗肯主動土壓力和靜止土壓力的相對大小無統(tǒng)一區(qū)分,但基本保持一個(gè)常量,-8.0～-20.0m、-20.0～-26.0m埋深范圍土壓力均不超過朗肯主動土壓力;而文獻(xiàn)[10-11]有關(guān)土層參數(shù)與土壓力分布相關(guān)性的研究結(jié)果均表明土體黏聚力c、摩擦角φ屬于主要影響因素。因此,本文基于理論朗肯主動土壓力Pak和靜止土壓力P0,對樁后土壓力P提出三段式分布模式(式(1)):

(1)

式中:T(H)為對分布階段一土壓力取值大小進(jìn)行開挖深度H修正的修正系數(shù);F(Z,H)、Q(Z,H)分別為對分布階段二、三土壓力取值大小進(jìn)行開挖深度H、埋深Z修正的修正系數(shù);Z1、Z2為 常數(shù);H1為基坑開挖深度。

本文通過對土壓力監(jiān)測平均值與測點(diǎn)埋深Z、開挖深度H進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,最終得出適用于本工程樁撐支護(hù)體系下(即共設(shè)置2道支撐的情況)主動區(qū)土壓力分布計(jì)算公式,即:

(2)

式(2)中第一段0～-2.0m土壓力取值同-2.0～-8.0m土壓力。

采用式(2)分別得到了基坑開挖至-4.0、-11.0m以及-15.2m三個(gè)工況下各測點(diǎn)土壓力值,并與現(xiàn)場1#、2#、3#樁土壓力監(jiān)測均值作對比,詳細(xì)結(jié)果見表2。從表2可以看出,個(gè)別監(jiān)測點(diǎn)位擬合值與監(jiān)測均值偏差較大,絕大多數(shù)監(jiān)測點(diǎn)位擬合值與監(jiān)測值誤差均不超過5%。開挖至-15.2m工況下,-11.0m點(diǎn)位土壓力擬合值與監(jiān)測均值偏差較大是維持內(nèi)撐預(yù)加軸力導(dǎo)致的,而其他個(gè)別點(diǎn)位主要是因現(xiàn)場監(jiān)測均值較小而導(dǎo)致擬合值與監(jiān)測均值的差值占比過大?？傮w來說,所擬合的土壓力大小和分布基本符合現(xiàn)場監(jiān)測情況,所擬合的計(jì)算公式可用于預(yù)測其他開挖深度下樁后主動區(qū)土壓力的大小與分布,通過各工況下的包絡(luò)取值可進(jìn)一步用于支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

表2 土壓力擬合值與監(jiān)測均值對比

5 結(jié)論

本文通過采用一種新型土壓力監(jiān)測裝置對深基坑樁撐支護(hù)體系下樁后土壓力進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測及其分布模式探討,主要得到以下結(jié)論:

(1)靜止土壓力監(jiān)測值沿深度方向基本呈現(xiàn)近似線性分布,且監(jiān)測值均小于理論計(jì)算值,主要是由于鉆孔灌注樁成孔、成型階段土壓力發(fā)生了一定程度的釋放,監(jiān)測值為擾動后土壓力重分布的結(jié)果。

(2)受樁撐體系、土拱效應(yīng)和被動區(qū)土體的共同作用,樁后土壓力沿深度方向的分布規(guī)律呈現(xiàn)明顯的非線性分布,主要表現(xiàn)為三階段:較淺埋深范圍的矩形分布、中段埋深范圍漲幅明顯的線性分布以及尾段埋深范圍漲幅減弱的線性分布;且該分布模式隨著基坑開挖深度的增加基本保持不變。

(3)隨基坑開挖深度的增加,支護(hù)結(jié)構(gòu)坑內(nèi)位移不斷增大,樁后各深度方向土壓力均基本呈現(xiàn)出不斷減小的規(guī)律;且受樁撐體系、土拱效應(yīng)和被動區(qū)土體的共同作用,支護(hù)樁頂部和端部一定埋深范圍內(nèi)土壓力減幅不明顯,而支護(hù)樁中間段一定埋深范圍內(nèi)土壓力減幅明顯。

(4)樁撐支護(hù)體系下,樁后各埋深范圍土壓力與朗肯主動土壓力的相對大小受基坑開挖深度的影響而不盡相同。

(5)本文基于朗肯主動土壓力Pak和靜止土壓力P0提出了三段式土壓力分布模式,綜合考慮了土層黏聚力c、摩擦角φ、基坑開挖深度H以及深度Z的影響,且擬合公式的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場土壓力監(jiān)測情況吻合較好,可用于預(yù)測基坑不同開挖深度工況下的土壓力大小與分布情況,為支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定參考。

(6)基于本文的土壓力監(jiān)測結(jié)果及其分布模式成因分析,樁撐支護(hù)體系下內(nèi)支撐的數(shù)量、剛度及預(yù)加軸力對樁后土壓力的影響有待進(jìn)一步研究。