氣頂法埋設土壓力盒技術應用及實測分析

路 鵬 鄭小祥

(上海勘察設計研究院(集團)有限公司，上海 200438)

1 概述

上海某工程五號工作井最大開挖深度達到44.5 m，圍護體地下連續墻長度89 m，本工程在充分利用地下空間、節省土地資源等方面具有開拓性和標志性的意義。然而超深基坑的施工過程中，加之軟土地質的復雜性，對地下空間的安全帶來了很大的挑戰。作用于基坑支護結構上的土壓力變化和分布較為復雜，測試圍護體的接觸壓力時土壓力盒的埋設工藝較為復雜。一般采用較多的有頂出法埋設和掛布法埋設，其中頂出法的傳感器安裝、埋設等技術要求和實施難度要高很多。

本文利用頂出法埋設技術開展現場安裝和驗證試驗，過程中對試驗數據進行翔實記錄和對比分析，最后對安裝效果進行了驗證，總結了成功的經驗。

2 工程地質概況

本工程所在區域基本為上海市正常沉積地層，各土層物理力學參數詳見表1。

表1 地基土物理特性參數表

3 土壓力盒測點布置

五號工作井基坑開挖深度為41.1 m(局部44.5 m)，圍護結構采用1.2 m厚地下連續墻，內支撐設置9道鋼筋混凝土支撐(局部10道)。

土壓力盒埋設位置設計為第3道～第10道支撐以下2 m位置，坑底以下1 m,4 m,7 m,12 m，共計12個位置，土壓力盒埋深統計詳見表2，剖面示意圖見圖1。

4 現場試驗

4.1 氣頂法簡介

氣頂法是利用氣缸為頂出裝置，利用氣源為動力，將傳感器頂入土體中，它比掛布法(埋設于結構物表面，剛性基礎壓力測試)定位更準確，安裝更到位，可認為是自由場應力測試，測得的應力更接近土體的應力。

表2 土壓力盒埋深統計表

頂出裝置共分兩部分：地上部分包括氣源、儲氣罐、分流調壓閥和觀測儀表；地下部分包括推進器、通氣管和土壓力盒引線等，地下部分均裝在鋼筋籠內。在地面上，先將土壓力盒固定在推進器上，按預定埋設的標高將推進器固定在鋼筋籠的主筋上，接通氣源和導線。然后，地下部分隨鋼筋籠入槽，達到埋設標高位置后，由地上部分控制，給推進器施加氣壓，將土壓力盒緊緊地貼于槽壁，并埋設到連續墻的深層槽內[5],見圖2。

4.2 氣頂法安裝過程

安裝前，檢查傳感器、頂出裝置(氣缸)的完好情況，根據預定的量程和線長記錄每個傳感器對應的深度和初始頻率。其中，傳感器的量程應滿足被測壓力范圍的要求，上限可取最大設計壓力的2倍。

安裝時，將傳感器通過相關裝置固定在氣缸伸出桿的前端，且傳感器的前端平面盡量與主筋齊平，凸出過高容易導致在鋼筋籠下放過程中觸到槽壁損壞。傳感器處需預留足夠長度的導線(預留導線長度必須大于氣缸最大伸出距離)。氣缸通過前后兩塊安裝板牢固地焊接在鋼筋籠上，傳感器的電纜和氣缸的進出氣管用鐵絲或扎帶綁扎固定在鋼筋籠主筋上，并向上延伸直至鋼筋籠的上端。超深地墻分為多節吊裝，導線和氣管需匯集固定到本節鋼筋籠的頂部，待上下兩節鋼筋籠對接時逐步將下節籠內的導線穿過上節籠牽引上去。

吊裝完成后在槽段內澆灌混凝土之前，用氣泵加氣壓，通過氣源的壓力將氣缸內的伸出桿頂出，即完成土壓力盒埋設。

本工程選用的傳感器為江蘇某廠生產JTM-V2000B型圓餅狀雙膜振弦式土壓力盒，且內部均嵌入了編碼芯片，當外部貼碼損壞后可通過專用測讀儀測讀出編號，頂出裝置采用進程為50 cm的氣缸。

4.3 過程數據采集

本次埋設試驗中，在鋼筋籠下放完后(即頂出前)、通過頂出裝置加壓頂出后和地墻混凝土澆筑完成后共三個安裝節點對傳感器進行了數據采集，具體數據詳見表3。整個安裝及鋼筋籠吊裝過程中無土壓力盒受損情況發生，地墻混凝土澆筑后亦未出現無讀數的傳感器，最終安裝成活率為100%。

表3 過程數據統計表

5 試驗結果分析

5.1 頂出過程分析

根據出廠時標定的頻率—壓力率定值，求得土壓力值，計算公式為：

P=K(fi2-f02)

(1)

其中，P為測量土壓力值，kPa；fi為壓力傳感器本次讀數，Hz；f0為壓力傳感器的初始讀數，Hz；K為壓力傳感器的標定系數，kPa/Hz2。根據式(1)計算各個安裝節點土壓力盒實測值，詳見表4，圖3。

表4 各安裝節點土壓力盒實測值

通過以上圖表可知，土壓力盒隨鋼筋籠下放完成后，土壓力盒浸泡在一定重度的水泥漿，實測值反映出隨深度呈線性增長(曲線①)；通過給氣缸加氣壓將土壓力盒頂出后，受力膜接觸到了槽壁的土體，實測值有所增大(曲線②)。從兩天后混凝土澆筑完成時的實測值對比來看，頂出時實測值要比后者小很多，原因可做如下解釋：土壓力盒埋入土中后引起了土體的應力集中和重新分布，產生了“匹配誤差”。

5.2 實測值與理論值比較分析

當地面均布荷載q=0 kPa時，理論上靜止土壓力可按式(2)計算：

σ0=K0γH

(2)

其中，σ0為靜止土壓力，kPa；K0為靜止土壓力系數,K0的測試較為困難，取值最常用的是雅其(Jaky，1948)的經驗公式K0=1-sinφ′(φ′為土的有效內摩擦角)估算;γ為土的重度,kN/m3;H為深度,m。

根據式(2)計算理論靜止土壓力及實測土壓力反算靜止土壓力系數K0得表5，實測值與理論計算值繪制曲線見圖4。

表5 過程數據統計表

通過以上圖表可知，實測值較好的反映出了靜止土壓力的特性：隨著深度的增加，實測土壓力呈線性增長，不同土層表現略有差異。經與理論計算值進行對比，實測值要略小于理論計算值，相應反算出靜止土壓力系數K0要小于經驗公式K0=1-sinφ′的結果(見表5)，但兩者整體吻合性較好(見圖4)。

6 結語

本文利用氣頂法安裝土壓力盒試驗，對現場試驗中進行數據采集，獲取了安裝過程各個節點的土壓力盒實測數據，并與理論計算值進行了比對分析，得出如下主要結論：

1)頂出法解決了掛布法難以控制土壓力盒受力面，造成測試數據失真和傳感器被混凝土包裹導致成活率低的問題。

2)通過氣缸加氣壓后，土壓力盒實測數據增長明顯，說明頂出裝置頂出效果良好。

3)土壓力盒實測值較好的反映了實際規律，與理論計算值吻合較好，驗證了氣頂法安裝技術的準確性和可靠性。