厚沖積層大型深基坑開挖土壓力監測結果分析

陳 巖 慕旭日 孟立波

(山東科技大學，山東青島 266590)

0 引言

目前，濟南西部開發處于初期階段，三座高度為110 m，150 m和200 m的在建超高層建筑基坑深度為18 m～20 m，在該地質狀況區域尚屬首次。伴隨著深基坑的開挖，作用于基坑支護結構上的土壓力的變化和分布，尚沒有成熟的工程借鑒經驗。而大量工程實例及理論研究表明:作用于支護結構的主動土壓力是影響支護結構位移的主要因素。

本文對基坑支護結構深層位移、土壓力的現場實測結果，以及深層位移和土壓力的對應關系進行了分析，得出了初步結論，有重要參考價值。

1 工程概況與地質條件

1.1 工程概況

擬建三座配套高層分別為110 m，150 m，200 m，分別為兩座甲級寫字樓和一座五星級酒店，總體結構為框架—核心筒結構，通過地上4層裙房和地下3層連成一體。總建筑面積約38萬m2，基坑開挖范圍271 m×192 m。地下室基坑實際開挖深度由現自然地坪算起為18.7 m～21.2 m。基坑上部7.5 m實行放坡土釘墻、下部單排支護樁聯合預應力錨索相結合的支護方式。支護樁φ800 mm，間距1 000 mm。錨索深度分別為8 m，12 m，16 m。擬建場地南面緊鄰地鐵及大劇院各工程，西面和背面為重要交通公路，東面較為開闊。基坑測點布置圖見圖1。

圖1 基坑測點布置圖

1.2 工程地質

鉆探揭示地層上部為黃河、小清河沖擊成因的粘性土、粉土等，下部為山前沖洪積成因的粘性土、砂土、卵石土。基坑工程影響范圍內主要有7層土，各層土的性質指標如表1所示。

表1 場地土層物理力學參數

2 實測結果分析

基坑西側由南向北土壓力測點為TY1，TY2，TY3，基坑東側從北向南為TY10，TY11。由于基坑上部采取放坡土釘開挖，冠梁處為7.5 m。所以，土壓力測點距離地表深度依次為9 m，11 m，13 m，15 m，17 m。本文就TY2和TY11進行了對比分析。

2.1 土壓力實測分析

2.1.1 監測儀器及方法

采用TJ-22型振弦式土壓力計。監測從基坑開挖到底板澆筑完成28 d，為1 d/次，此后為3 d/次，監測至地下室4層建筑完畢。土壓力計固定于支護樁鋼筋骨架。按出廠標定數據，計算公式為:

其中，P為土壓力值，kPa;K為標定系數，kPa/F;B為計算修正值，kPa;Fi為監測此次讀數;F0為初始讀數。

2.1.2 監測結果分析

1)由圖3可以看出，土壓力隨深度變化有明顯的較規則的特征:TY2測點土壓力初期基本呈梯形分布，后期呈倒“R”形分布; TY11測點土壓力初期基本呈三角形分布，后期也呈現出倒“R”形分布。

經典土壓力計算:

式(2)是在擋土墻位移達到極限狀態條件下得出來的。擋土墻剛性很大，不允許產生結構位移。而此基坑支護樁采用鉆孔灌注樁，本身將產生復雜的變形，導致土壓力分布大小發生改變，呈現于經典土壓力理論不同的形態。

2)兩測點最大土壓力均較小:CX2測點為75 kPa，位于11 m深處;CX11測點為108 kPa，位于17 m。兩測點最大主動土壓力均介于靜止土壓力和主動土壓力之間。而總體上實測主動土壓力均小于按照水土分算(基坑采用集水井降水，水位位于基坑底以下)計算的主動土壓力。

經典主動土壓力計算是按極限平衡狀態計算的。按照塑性理論，當土體達到該狀態后，水平向應力不會繼續衰減。而實測值與經典理論計算值的比較可知，在支護結構變形趨于穩定而遠沒有達到極限狀態(見圖2)，實測值遠小于理論極限狀態計算值(根據勘察結果，各土層c，φ幾乎相同，因此取為平均值，如圖2直線)。土壓力曲線可描述為:s0為靜止土壓力，sr為松弛土壓力［1］:

圖2 土壓力隨開挖實測曲線

3)由圖3可知，第三次開挖后，除17 m外，CX2，CX11兩測點各深度處主動土壓力均有較大幅度減小。此現象可解釋為:基坑開挖是從基坑壁附近開始的，以便安裝相應的第一道和第二道預應力錨索。此時，基坑中心大部尚沒有開挖，并沒有大面積卸載。第三次基坑大面積開挖，支護樁懸臂部分加長，支護樁位移的增加，導致土壓力減小。底邊和墊層的澆筑，抑制了17 m處支護樁的位移，因而，主動土壓力沒有出現大的變化。由此盡量減少施工工期，對減少圍護結構的側向水平位移有很重要的作用。

圖3 測點土壓力—位移實測曲線

2.2 土壓力隨水平位移變化

分析圖3土壓力—位移關系曲線，CX2和CX11測點不同深度處主動土壓力，隨支護樁位移增大呈現三種以下變化規律:

1)隨支護樁位移增大，主動土壓力減小。

a.CX2測點冠梁約束作用并不明顯，深層水平位移0 m～9.5 m (對應土壓力9 m～17 m)范圍內，支護樁側向水平位移成近似剛性側移(見圖4a))。此變化，導致11 m，13 m，15 m處土壓力均有較大幅度減小。而17 m處變化較小，說明底板及墊層的抑制作用明顯，有效的制止了由于基坑卸載而帶來的支護樁的位移。

b.CX11測點冠梁約束作用較明顯(見圖4b))，出現明顯的“鼓肚”。CX11深層水平位移最大值位于7.5 m處，正對應于土壓力監測的15 m處。如圖3土壓力—位移關系曲線，15 m處出現土壓力實測值隨位移變化出現最大幅度變化。

圖4 深層水平位移實測曲線

2)隨支護樁位移增大，基坑底部樁體主動土壓力略有增大。

圖3 2_19和11_19曲線，樁體位移變化后期，主動土壓力有所增加。說明基礎底板和墊層的澆筑，抑制了樁體位移，使得此處土壓力有所增大。

3)樁頂處土壓力，受施工影響明顯。

基坑7.5 m范圍內，基坑采用放坡土釘墻支護，有效的減小了基坑上部土壓力。初期9 m處的土壓力只有10 kPa左右。后期施工荷載的影響，使得CX2測點9 m處土壓力出現兩次的增大。因此，在施工中，應注意施工荷載的影響。

3 結語

通過以上分析初步得出以下認識和結論，供設計和施工參考:

1)此基坑范圍內土質主要為黏性土，粘聚力大，在沒有支護的情況下，自穩能力強。表現為在土壓力監測中，實測主動土壓力小于按極限平衡理論計算的理論值，對支護結構的作用較小。

2)與經典土壓力理論比較，實測主動土壓力曲線有較大差別，但與規范建議的兩種曲線形式大致吻合。主動土壓力變化趨勢與實測深層水平位移曲線有很好的吻合度，在監測范圍內呈現三種變化規律。因此，在該區域厚沖積層地質情況下，基坑監測工作應注意分析此二者間的關系，得出更明確、適用的相關規律。

3)在此基坑支護監測中，土壓力實測值較小。通過本文以上分析，支護是有所富余的。因而，在以后的類似工程中，可根據實際情況，對比分析，采取更加經濟有效的支護方式，取得預期的支護效果。

［1］ 劉國彬，王衛東.基坑工程手冊［M］.北京：中國建筑工業出版社，2010.

［2］ 聶宗泉，汪清河，周 奇.軟土基坑主動區土壓力與位移關系實測研究［J］.施工技術，2011(15)：43-46.

［3］ 彭社琴，趙其華.超深基坑土壓力監測成果分析［J］.巖土力學，2006(71)：657-661，672.

［4］ 郭競宇，趙其華，張建剛.圍護結構上土壓力實例分析［J］.巖土工程學，2003(21)：246-248.