氣頂法埋設(shè)土壓力盒技術(shù)應(yīng)用及實測分析

路 鵬 鄭小祥

(上?？辈煸O(shè)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(xù)墻長度89 m，本工程在充分利用地下空間、節(jié)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(zhì)的復雜性，對地下空間的安全帶來了很大的挑戰(zhàn)。作用于基坑支護結(jié)構(gòu)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(shè)工藝較為復雜。一般采用較多的有頂出法埋設(shè)和掛布法埋設(shè)，其中頂出法的傳感器安裝、埋設(shè)等技術(shù)要求和實施難度要高很多。

本文利用頂出法埋設(shè)技術(shù)開展現(xiàn)場安裝和驗證試驗，過程中對試驗數(shù)據(jù)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(jié)了成功的經(jīng)驗。

2 工程地質(zhì)概況

本工程所在區(qū)域基本為上海市正常沉積地層，各土層物理力學參數(shù)詳見表1。

表1 地基土物理特性參數(shù)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(jié)構(gòu)采用1.2 m厚地下連續(xù)墻，內(nèi)支撐設(shè)置9道鋼筋混凝土支撐(局部10道)。

土壓力盒埋設(shè)位置設(shè)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(tǒng)計詳見表2，剖面示意圖見圖1。

4 現(xiàn)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(shè)于結(jié)構(gòu)物表面，剛性基礎(chǔ)壓力測試)定位更準確，安裝更到位，可認為是自由場應(yīng)力測試，測得的應(yīng)力更接近土體的應(yīng)力。

表2 土壓力盒埋深統(tǒng)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(diào)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(nèi)。在地面上，先將土壓力盒固定在推進器上，按預定埋設(shè)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(shè)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(shè)到連續(xù)墻的深層槽內(nèi)[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(jù)預定的量程和線長記錄每個傳感器對應(yīng)的深度和初始頻率。其中，傳感器的量程應(yīng)滿足被測壓力范圍的要求，上限可取最大設(shè)計壓力的2倍。

安裝時，將傳感器通過相關(guān)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(jié)吊裝，導線和氣管需匯集固定到本節(jié)鋼筋籠的頂部，待上下兩節(jié)鋼筋籠對接時逐步將下節(jié)籠內(nèi)的導線穿過上節(jié)籠牽引上去。

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

本工程選用的傳感器為江蘇某廠生產(chǎn)JTM-V2000B型圓餅狀雙膜振弦式土壓力盒，且內(nèi)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(shù)據(jù)采集

本次埋設(shè)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(jié)點對傳感器進行了數(shù)據(jù)采集，具體數(shù)據(jù)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(fā)生，地墻混凝土澆筑后亦未出現(xiàn)無讀數(shù)的傳感器，最終安裝成活率為100%。

表3 過程數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

5 試驗結(jié)果分析

5.1 頂出過程分析

根據(jù)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(shù)，Hz；f0為壓力傳感器的初始讀數(shù)，Hz；K為壓力傳感器的標定系數(shù)，kPa/Hz2。根據(jù)式(1)計算各個安裝節(jié)點土壓力盒實測值，詳見表4，圖3。

表4 各安裝節(jié)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(yīng)力集中和重新分布，產(chǎn)生了“匹配誤差”。

5.2 實測值與理論值比較分析

當?shù)孛婢己奢dq=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(shù),K0的測試較為困難，取值最常用的是雅其(Jaky，1948)的經(jīng)驗公式K0=1-sinφ′(φ′為土的有效內(nèi)摩擦角)估算;γ為土的重度,kN/m3;H為深度,m。

根據(jù)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(shù)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(shù)據(jù)統(tǒng)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(xiàn)略有差異。經(jīng)與理論計算值進行對比，實測值要略小于理論計算值，相應(yīng)反算出靜止土壓力系數(shù)K0要小于經(jīng)驗公式K0=1-sinφ′的結(jié)果(見表5)，但兩者整體吻合性較好(見圖4)。

6 結(jié)語

本文利用氣頂法安裝土壓力盒試驗，對現(xiàn)場試驗中進行數(shù)據(jù)采集，獲取了安裝過程各個節(jié)點的土壓力盒實測數(shù)據(jù)，并與理論計算值進行了比對分析，得出如下主要結(jié)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(guī)律，與理論計算值吻合較好，驗證了氣頂法安裝技術(shù)的準確性和可靠性。