深基坑護(hù)坡樁土壓力工程測(cè)試分析

王 崇 安徽省建設(shè)工程測(cè)試研究院有限責(zé)任公司

1 引言

對(duì)于土壓力問(wèn)題來(lái)講，難以借助理論來(lái)進(jìn)行精準(zhǔn)解答的。在支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方面，對(duì)于郎肯土壓力理論來(lái)說(shuō)，由于易于進(jìn)行計(jì)算，再加上力學(xué)概念較為清晰，由此得到了廣泛的應(yīng)用，然而因?yàn)閹r土工程頗為復(fù)雜，無(wú)論實(shí)施何種計(jì)算方法，均難以獲取可觀的計(jì)算結(jié)果，當(dāng)對(duì)粘土層進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，常常較為保守，通常情況下應(yīng)當(dāng)充分結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的修正。一般而言，有很多因素會(huì)降低鋼筋應(yīng)力，尤其是土壓力計(jì)算誤差?；谕翂毫Φ淖饔?，為有效探究護(hù)坡樁破壞機(jī)理，并為了更好弄清土體變形、樁位移改變情況等，本文不但開(kāi)展了工程測(cè)試，也進(jìn)行了模型試驗(yàn)。

2 原體工程實(shí)測(cè)內(nèi)容與模型試驗(yàn)

2.1 原體工程實(shí)測(cè)內(nèi)容

對(duì)于實(shí)測(cè)內(nèi)容而言，主要包含以下幾點(diǎn)，也就是護(hù)坡樁內(nèi)力、土壓力、護(hù)坡樁位移、土體位移以及樁的傾斜。（1）護(hù)坡樁內(nèi)力。針對(duì)基坑開(kāi)挖進(jìn)行測(cè)試，基于土壓力的作用，進(jìn)一步測(cè)試鋼筋的受力狀況。需要使用的儀器設(shè)備是鋼弦式應(yīng)力計(jì)，將其同受力主筋進(jìn)行連接，其自身也會(huì)承受一定的拉力，就接收儀器而言，它屬于一種頻率測(cè)定儀。（2）土壓力。借助鋼弦式土壓力盒以及相應(yīng)的接收儀器來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于護(hù)坡樁來(lái)說(shuō)，主要是通過(guò)大直徑人工挖孔的方式來(lái)完成，直徑介于90cm～110cm之間，是由人將元件帶到孔內(nèi)，根據(jù)不一樣的深度來(lái)處理元件，將其埋到孔壁中，當(dāng)進(jìn)行基坑挖土施工時(shí)，對(duì)處在不同深度的土壓力值進(jìn)行測(cè)試。（3）護(hù)坡樁位移。對(duì)于位移觀測(cè)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，應(yīng)盡可能地設(shè)置于護(hù)坡樁，這樣當(dāng)對(duì)基坑進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)時(shí)，就可以對(duì)水平位移進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)。（4）土體位移。對(duì)于基坑來(lái)說(shuō)，在不一樣的距離地方都應(yīng)埋設(shè)測(cè)斜管，借助測(cè)斜儀對(duì)挖土?xí)r的土體水平位移進(jìn)行測(cè)量。（5）樁的傾斜。在樁體的內(nèi)部埋設(shè)相應(yīng)的測(cè)斜管，當(dāng)開(kāi)展基坑開(kāi)挖作業(yè)時(shí)，通過(guò)對(duì)測(cè)斜儀的使用，進(jìn)一步來(lái)測(cè)量側(cè)向位移，從而針對(duì)不一樣深度地方的樁身，可以獲取相應(yīng)的水平位移值。

2.2 模型試驗(yàn)

對(duì)于模型試驗(yàn)而言，本文主要從模型樁、土料與土的制備、附加荷載、開(kāi)挖以及土壓力測(cè)試等方面進(jìn)行探討。

（1）模型樁。對(duì)于模型樁的運(yùn)用，一般都需要借助黃銅管，建議直徑為40mm左右，樁長(zhǎng)為1.9m，同時(shí)還應(yīng)在黃銅管的外壁加裝電阻片，并實(shí)行反復(fù)檢驗(yàn)、認(rèn)真篩選，以便能夠挑選出精度和穩(wěn)定性都較好的黃銅管，將其當(dāng)作模型樁。要求模型樁之間的距離在7cm左右，同時(shí)對(duì)于樁的上端，還應(yīng)使用連梁進(jìn)行連接，其中連梁主要是由扁鋼合成，借助螺栓實(shí)現(xiàn)連梁同護(hù)坡樁的連接。

（2）土料與土的制備。對(duì)于試坑內(nèi)的土料而言，可以進(jìn)一步將其分成兩種：一種是粘性土，另一種就是砂土。土料的制備：結(jié)合一定的含水量，對(duì)土料進(jìn)行配制操作，在完成對(duì)樁的組裝時(shí)，吊進(jìn)試坑之后，接下來(lái)進(jìn)行分層回填，鋪上適當(dāng)厚度的土料，借助木夯的作用進(jìn)行夯實(shí)處理，充分把握其容重，針對(duì)每一次試驗(yàn)土，促使其兩個(gè)指標(biāo)差不多相似，一個(gè)是物理指標(biāo)，另一個(gè)是力學(xué)指標(biāo)。在試驗(yàn)結(jié)束之后，選擇不一樣深度的土樣，對(duì)有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，比如土樣容重以及含水量等，并針對(duì)于以上兩項(xiàng)指標(biāo)，檢驗(yàn)其能否符合試驗(yàn)要求。

（3）附加荷載。在進(jìn)行模型試驗(yàn)時(shí)，想要針對(duì)樁的一側(cè)開(kāi)展挖土作業(yè)，對(duì)其失穩(wěn)破壞進(jìn)行測(cè)試，在開(kāi)展挖土作業(yè)之前，應(yīng)先在樁后預(yù)加較大面積的荷載，建議其荷載強(qiáng)度是28MPa，由此能夠提升基坑深度。

（4）開(kāi)挖。當(dāng)均布荷載和測(cè)試工作完成之后，需要結(jié)合多種試驗(yàn)要求，將其劃分成5～10層進(jìn)行開(kāi)挖，每一層的開(kāi)挖作業(yè)都要等到樁頂位移平穩(wěn)之后，才能再進(jìn)行下一層的開(kāi)挖作業(yè)。從開(kāi)挖之后直到平穩(wěn)這一過(guò)程中，都需要根據(jù)時(shí)間間隔來(lái)記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。若是護(hù)坡樁失去平衡，或者是樁位移較大，也就是高于50mm時(shí)應(yīng)該停止試驗(yàn)。

（5）土壓力測(cè)試。針對(duì)護(hù)坡樁側(cè)壁的土壓力進(jìn)行測(cè)試時(shí)，需要借助應(yīng)變式土壓力盒實(shí)現(xiàn)，通常其直徑是26mm，厚度是8mm。

（6）樁頂、樁體位移的測(cè)量。應(yīng)在樁身的多個(gè)位置加裝位移傳感器，對(duì)不同階段的樁頂以及樁身位移進(jìn)行測(cè)量。

3 土壓力實(shí)測(cè)分析

以模型試驗(yàn)來(lái)分析，因?yàn)槭窍葘毒臀恢蟛胚M(jìn)行填土夯實(shí)處理，對(duì)于成樁過(guò)程來(lái)講，與具體工程是不同的，當(dāng)進(jìn)行填土夯實(shí)時(shí)會(huì)形成一定的摩擦力，從而促使土壓力變小，在進(jìn)行開(kāi)挖施工之后伴隨深度越來(lái)越深，會(huì)導(dǎo)致土壓力隨之降低，并且和郎肯土壓力進(jìn)行比較時(shí)，這一壓力相對(duì)較小，另外對(duì)于樁頂土壓力來(lái)講，其數(shù)值基本上為零，隨著挖深的增加，會(huì)促使土壓力更加趨于零。

在開(kāi)挖面一側(cè)，與郎肯土壓力進(jìn)行比較，嵌固段土壓力也是不一樣的。相比于被動(dòng)土壓力，對(duì)于嵌固段土壓力而言，其下半段較小而上半段較大，需要注意的是，即便是失穩(wěn)狀態(tài)，也難以實(shí)現(xiàn)被動(dòng)土壓力狀態(tài)，甚至以樁根位置來(lái)看，土壓力有著降低的趨勢(shì)。

對(duì)于實(shí)測(cè)以及郎肯壓力來(lái)講，兩者存在的不同，主要是由于粘聚性土體在開(kāi)挖施工的過(guò)程中促使樁形成了位移，就樁位移以及土變形來(lái)分析，兩者缺乏一定的協(xié)調(diào)性，與土位移進(jìn)行比較，上部樁位移較大，基于這樣的情況導(dǎo)致樁土彼此脫離，從而形成一定的向下裂縫，因?yàn)橥劣兄尘坌?，所以土體不會(huì)出現(xiàn)坍落的現(xiàn)象，土壓力并沒(méi)有發(fā)生改變。另一方面，對(duì)于不存在裂縫的區(qū)段，因?yàn)槲灰屏坑兄町?，所以在土壓力降低幅度方面，與樁下部進(jìn)行比較，樁上部的相對(duì)較大。

在產(chǎn)生樁位移的基礎(chǔ)上，使得土壓力分布形式得以產(chǎn)生，因此開(kāi)挖面一側(cè)有著最高的表面位移，促使土體被擠壓，從而先實(shí)現(xiàn)極限強(qiáng)度，然而以樁根部來(lái)分析，因?yàn)槲灰撇⒉淮?，所以即便處于失穩(wěn)狀態(tài)，也難以實(shí)現(xiàn)被動(dòng)土壓力值。

在超過(guò)極限挖土深度之后會(huì)致使樁傾覆，從而導(dǎo)致土體失去穩(wěn)定，隨之荷載塊慢慢沉陷，并且產(chǎn)生一定的滑動(dòng)位移，因此無(wú)論是分布形態(tài)還是數(shù)值，與失穩(wěn)之前的進(jìn)行比較，此時(shí)的土壓力都發(fā)生了較大的改變，圖1所示為失穩(wěn)前后的比較。與郎肯土壓力進(jìn)行比較，主動(dòng)土壓力相對(duì)較大，而且以合力作用點(diǎn)來(lái)分析，表現(xiàn)出下移的趨勢(shì)，故而相比于郎肯土壓力，結(jié)構(gòu)土壓力是不一樣的。

圖1 失穩(wěn)前后的比較

通過(guò)模型土壓力規(guī)律，為了更好體現(xiàn)支護(hù)土壓力的狀況，本文以某工程的土壓力實(shí)測(cè)開(kāi)展對(duì)比，實(shí)際上對(duì)于護(hù)坡樁結(jié)構(gòu)來(lái)講，因?yàn)槠鋵儆谑褂脿顟B(tài)，所以僅能獲取該狀態(tài)的實(shí)測(cè)值，并不能獲取極限值，這一點(diǎn)不同于模型試驗(yàn)。在開(kāi)挖施工過(guò)程中土壓力呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，以土壓力降低幅度來(lái)分析，與樁下部進(jìn)行對(duì)比，樁頂?shù)妮^大，針對(duì)朗普土壓力而言，土壓力值大概為其三分之一，在開(kāi)挖面一側(cè)，伴隨開(kāi)挖深度變大，促使嵌固段土壓力隨之提高，因此未處于極限狀態(tài)，即便土壓力得到一定的增加，也沒(méi)有超過(guò)被動(dòng)土壓力，與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，實(shí)測(cè)值大概為其二分之一。

4 裂縫分析

通過(guò)觀察能夠得知，無(wú)論是具體工程還是模型試驗(yàn)，在形成樁頂位移的情況下，均會(huì)存在一定的裂縫，而且朝著向下的方向延伸，與此同時(shí)伴隨位移的變大，會(huì)促使裂縫變得更深。

針對(duì)模型試驗(yàn)，在其處于極限狀態(tài)之后（如圖2所示，為模型樁裂縫圖），側(cè)面土體出現(xiàn)錯(cuò)裂，對(duì)于錯(cuò)裂面來(lái)講，其高差大概能夠達(dá)到5cm，寬度處于1cm～3cm的范圍，地面有著明顯的沉陷，而以外沉陷量來(lái)分析，出現(xiàn)了逐漸降低的趨勢(shì)，當(dāng)與樁之間的距離達(dá)到0.8m時(shí)，沉陷不再減小，基于這樣的范圍有著一定的微裂縫，并且和基坑有著平行關(guān)系，以裂寬來(lái)分析，其并沒(méi)有超過(guò)3mm。

圖2 模型樁裂縫圖

在試驗(yàn)之后，將土體斷面挖出來(lái)，對(duì)裂縫變化情況進(jìn)行分析，針對(duì)開(kāi)挖深度而言，在達(dá)到其四分之三的地方，裂縫才慢慢消失，由此可以得知其有著很深的裂縫，以裂縫上部來(lái)分析，與樁位移進(jìn)行比較，因?yàn)橥馏w位移相對(duì)較小，在樁以及土體之間存在彼此脫離的現(xiàn)象，故而導(dǎo)致裂縫的延伸，因此以樁上土壓力來(lái)分析，其數(shù)值為零，而對(duì)于裂縫下部來(lái)講，是屬于閉合狀態(tài)的，裂縫周圍土體存在剪切力。

5 粘聚力對(duì)土壓力的影響

針對(duì)一組粘性土以及砂土，基于兩者的比較試驗(yàn)來(lái)展開(kāi)相應(yīng)的研究，通過(guò)試驗(yàn)得知：對(duì)于郎肯土以及實(shí)測(cè)土，引發(fā)兩者壓力不同的因素有很多，尤其是土體粘聚力。

表1所示為關(guān)鍵的土性參數(shù)，其中編號(hào)1的粘聚力達(dá)到6.8kPa，相比之下，砂土的粘聚力基本上為零。

表1 粘性土和砂土對(duì)比試驗(yàn)的參數(shù)

圖3所示為樁頂位移、彎矩以及土壓力的比較。從破壞出現(xiàn)的時(shí)間來(lái)看，與粘性土試驗(yàn)進(jìn)行比較，砂性土表現(xiàn)得較早，在開(kāi)挖深度達(dá)到1.1m時(shí)，以砂土試驗(yàn)B來(lái)分析，樁長(zhǎng)達(dá)到1.8m，而對(duì)于嵌固以及樁長(zhǎng)來(lái)講，兩者的比例為0.39，換句話來(lái)講，已經(jīng)處于極限狀態(tài)，以試驗(yàn)A來(lái)分析，在開(kāi)挖深度達(dá)到1.4m時(shí)，樁長(zhǎng)達(dá)到1.8m，而對(duì)于嵌固以及樁長(zhǎng)來(lái)講，兩者的比例為0.22，故而才處于極限狀態(tài)。在土壓力方面，與砂土進(jìn)行比較粘性土的相對(duì)較小，另外以合力作用點(diǎn)位置來(lái)看，粘性土的位置較低，由此會(huì)促使下樁彎矩變得更小，總之由于土體粘聚力的存在，會(huì)導(dǎo)致樁的彎矩變小。

圖3 樁頂位移、彎矩以及土壓力的比較

6 結(jié)論

基于粘性土的支護(hù)工程，對(duì)于某些護(hù)坡樁鋼筋強(qiáng)度來(lái)講，并沒(méi)有得到徹底的發(fā)揮，與鋼筋設(shè)置強(qiáng)度進(jìn)行比較，鋼筋應(yīng)力相對(duì)較小，從而導(dǎo)致了大量的浪費(fèi)，面對(duì)這樣的情況，有必要對(duì)計(jì)算方法進(jìn)行優(yōu)化，引發(fā)鋼筋應(yīng)力不高的因素有很多，尤其是土壓力。通過(guò)測(cè)試以及試驗(yàn)得知，對(duì)于土體變形以及樁位移，兩者間缺乏一定的協(xié)調(diào)性，故而產(chǎn)生朝下的裂縫，另外與主動(dòng)土壓力進(jìn)行比較，由于護(hù)坡樁的較小，從而導(dǎo)致作用點(diǎn)呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，隨之也會(huì)減小樁的內(nèi)力。