胡 濤，楊二靜，張 迪

基坑板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)位移對土壓力計算的影響研究

胡 濤，楊二靜，張 迪

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

鋼板樁支護(hù)適用于受場地等條件的限制，基坑不能采用放坡開挖，必須進(jìn)行垂直土方開挖的地下工程施工。分析基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)土壓力的主要影響因素，根據(jù)朗肯土壓力計算的原理，并通過工程實例，對基坑板樁式支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計中土壓力的計算進(jìn)行完善。

垂直基坑；板樁式支護(hù)；土壓力計算；位移影響

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化步伐的加快，為滿足日益增長的市民出行、軌道交通換乘、商業(yè)、停車等功能的需要，在用地越來越緊張的密集城市，開發(fā)大型地下空間已成為一種必然。諸如，高層建筑多層地下室、地下鐵道及地下車站、地下道路、地下停車庫、地下街道、地下商場、地下醫(yī)院、地下變電站、地下倉庫、地下民防工事以及多種地下民用和工業(yè)設(shè)施等。在地下工程施工過程中，基坑工程周圍密布著各種地下管線、各類建筑物、交通干道、地鐵隧道等各種地下構(gòu)筑物，致使施工場地緊張、地質(zhì)條件復(fù)雜、施工條件復(fù)雜、周邊設(shè)施環(huán)境保護(hù)要求高。所有這些導(dǎo)致基坑工程的設(shè)計和施工的難度越來越大，重大惡性基坑事故不斷發(fā)生，工程建設(shè)的安全生產(chǎn)形勢越來越嚴(yán)峻［1］。

當(dāng)前，國內(nèi)大量的基坑開挖、填土擋墻、地鐵隧道和地下空間開發(fā)利用等工程中，普遍遇到土壓力計算的問題。計算作用在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力時，應(yīng)用經(jīng)典土壓力理論公式遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。

鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)屬板式支護(hù)結(jié)構(gòu)之一，適用于因受場地等條件的限制，基坑不能采用放坡開挖，而必須進(jìn)行垂直土方開挖的地下工程施工。鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外的建筑、市政、港口、鐵路等領(lǐng)域都有悠久的使用歷史。

1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)土壓力的影響因素［2～4］

土壓力是土體因自重或外荷載作用對支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的側(cè)向壓力。土壓力不僅取決于土體的性質(zhì)指標(biāo)，而且與支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移、土與支護(hù)結(jié)構(gòu)的接觸條件等密切相關(guān)。

1.1 土的狀態(tài)及其性質(zhì)

不同土類中的側(cè)向土壓力差異很大。采用同樣計算方法設(shè)計的擋土支護(hù)結(jié)構(gòu)，對某些土類可能安全度很大，而對另一些土類則可能面臨倒塌的危險。因此，在沒有完全弄清擋土支護(hù)結(jié)構(gòu)土壓力的性能之前，對不同土類應(yīng)區(qū)別對待。

1.2 土壓力計算指標(biāo)的選擇

土壓力強(qiáng)度的計算及其計算指標(biāo)的取值與基坑開挖方式和土類有關(guān)。當(dāng)剪應(yīng)力超過土的抗剪強(qiáng)度時，背側(cè)土體就會失去穩(wěn)定，發(fā)生剪切破壞。由于基坑采用機(jī)械開挖，一般進(jìn)度較快。開挖卸荷后，土壓力很快形成，選擇與其相適應(yīng)的直剪、快剪或三軸不排水剪是合理的。但剪切前是否要固結(jié)，則根據(jù)土的滲透性而定。滲透性弱的土，由于加荷快，來不及固結(jié)就可能剪損，所以，應(yīng)不固結(jié)就進(jìn)行剪切。而滲透性強(qiáng)的土，宜固結(jié)后剪切。

深基坑擋土支護(hù)結(jié)構(gòu)因施工工藝而不同。對于懸臂式擋土支護(hù)結(jié)構(gòu)，取卸荷參數(shù)即可。對多層錨桿擋土支護(hù)結(jié)構(gòu)則，因其對土體的作用是一個不同深度上的多次卸載—加載—卸載的過程，故對土體來說，既要考慮卸載的土壓力參數(shù)，又要考慮加載的土壓力參數(shù)。

1.3 土壓力與支護(hù)結(jié)構(gòu)位移的關(guān)系

基坑開挖的空間效應(yīng)使結(jié)構(gòu)變形減小。土與結(jié)構(gòu)的摩阻力和土層的約束作用使土壓力減小。土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整，產(chǎn)生變形，改變了土壓力的大小，從而影響土壓力值。在基坑開挖過程中，土體的擾動使其結(jié)構(gòu)性破壞、強(qiáng)度降低，從而使土體自穩(wěn)能力降低，側(cè)向土壓力增加。此外，開挖的卸荷作用使圍壓減小，強(qiáng)度指標(biāo)降低?；娱_挖后，基坑底部土體殘余應(yīng)力的存在，屬于超固結(jié)土體，從而支護(hù)結(jié)構(gòu)所受主動土壓力減少，被動土壓力增加。

2 土壓力計算基本原理［5］

1857年，朗肯研究了半無限土體在自重作用下處于極限平衡時的應(yīng)力條件，提出了著名的朗肯土壓力理論。朗肯理論最初是對干的無黏性土提出的，后來被推廣到黏性土和有水的情況。

朗肯土壓力理論假設(shè)土體是具有水平表面的半無限體，墻背豎直光滑。目的是使水平面和豎直面為主應(yīng)力面。在半無限土體中，取一豎直平面AB，如圖1（a）所示。在AB平面上深度z處的M點取一單元體，其上作用有法向應(yīng)力σx、σz。因為AB面為半無限體的對稱面，所以該面無剪切力作用，σx、σz均為主應(yīng)力。

圖1 朗肯主動和被動土壓力試驗狀態(tài)簡圖Fig．1 Rankineactive and passive earth pressure test state

由于AB面兩側(cè)的土體無相對位移，土體處于彈性平衡狀態(tài)，σz=γz，σx=K0γz，其應(yīng)力狀態(tài)可以用圖1（b）中的莫爾應(yīng)力圓O1所示。應(yīng)力圓O1與庫侖直線相離，該點處于彈性平衡狀態(tài)，土對墻的作用力即是作用在擋土墻上的靜止土壓力。

假設(shè)用剛性、墻背光滑且鉛直的擋土墻代替AB面左側(cè)土體，墻與填土間無相對位移時，墻后填土的應(yīng)力狀態(tài)仍符合半無限彈性體的應(yīng)力狀態(tài)。若擋土墻背離土體方向產(chǎn)生位移，隨著位移量的增加，豎向應(yīng)力σz保持不變，水平向應(yīng)力σx則逐漸減小。當(dāng)應(yīng)力圓增大到與庫侖直線相切時，該單元體達(dá)到主動極限平衡狀態(tài)，如圖圖1（b）中圓O2。作用在擋土墻上的主動土壓力pa大小就等于該單元體的最小水平應(yīng)力值σxmin。

若擋土墻向著土體方向產(chǎn)生位移，隨著位移量的增加，豎向應(yīng)力σz保持不變，水平向應(yīng)力σx則逐漸增加，并且大、小主應(yīng)力的方向發(fā)生改變，σz由σ1轉(zhuǎn)變成σ3，σx由σ3轉(zhuǎn)變成σ1。當(dāng)應(yīng)力圓增大到與庫侖直線相切時，該單元體達(dá)到被動極限平衡狀態(tài)，如圖圖1（b）中圓O3。作用在擋土墻上的被動土壓力pp大小就等于該單元體的最大水平應(yīng)力值σxmax。

朗肯土壓力理論是建立在土的極限平衡理論基礎(chǔ)上的。其基本假定為：擋土墻面是豎直、光滑的；擋土墻墻背面的填土是均質(zhì)各向同性的無黏性土，填土表面是水平的；墻體在壓力作用下將產(chǎn)生足夠的位移和變形，使填土處于極限平衡狀態(tài)。

3 工程實例分析

3.1 工程概況

某工程基坑深度為6.0m，鋼板樁嵌固深度ld為4m，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全等級為二級。該場地范圍內(nèi)地層為均質(zhì)黏土層，黏土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

3.2 基坑支護(hù)方案

采用單層錨桿鋼板樁支擋結(jié)構(gòu)，錨桿位于地面以下3.0m處。樁長10m；鋼板樁嵌入土層4m；鋼板樁沿基坑四周連續(xù)設(shè)置成封閉的帷幕；為保證基坑安全，鋼板樁上間隔5m設(shè)置一道連續(xù)的16#槽鋼圍檁，從而加強(qiáng)了鋼板樁的鋼度和整體性；基坑四角及中間做支撐。

3.3 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計計算

該鋼板樁側(cè)向水平土壓力采用朗肯土壓力理論

圖2 支護(hù)結(jié)構(gòu)承受水平土壓力強(qiáng)度分布圖（單位：m）Fig．2 Earth pressure intensity distribution of supporting structure（Unit:m）

根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》［6］的要求，驗算坑底隆起穩(wěn)定性：

所以，滿足坑底隆起穩(wěn)定性要求。

4 結(jié)語

（1）基坑工程大規(guī)模的飛躍發(fā)展，不可避免地帶來了諸多的基坑安全和環(huán)境安全問題。基坑的變形控制和環(huán)境保護(hù)往往成為基坑工程成敗的關(guān)鍵。為了解決基坑變形對周圍環(huán)境的影響與保護(hù)的難題，基坑工程設(shè)計應(yīng)從強(qiáng)度控制設(shè)計轉(zhuǎn)至變形控制設(shè)計。基坑開挖，一般進(jìn)度較快，開挖卸荷后，土壓力很快形成，為與其相適應(yīng)采用直剪快剪或三軸不排水剪是合理的。

（2）基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向土壓力是一個很復(fù)雜的問題，除了和位移、時間有關(guān)，還與土的性質(zhì)和強(qiáng)度、固結(jié)度、蠕變等其他因素相關(guān)。支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向主動土壓力極限狀態(tài)一般較易達(dá)到，而達(dá)到被動土壓力極限狀態(tài)則需要較大的土體位移，通常沒有達(dá)到。作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的被動土壓力通常被動土壓力之間的任一數(shù)值，應(yīng)根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體的位移情況和采取的施工措施等因素確定土壓力的計算狀態(tài)。

（3）在地下管線及鄰近密集建筑群中進(jìn)行基坑開挖，采用鋼板樁式支護(hù)是一種有效的方法，其安全可靠，施工設(shè)施不占用場地。這種支護(hù)工具可以多次重復(fù)使用，節(jié)約投資，且機(jī)械化程度高。不足之處是，鋼板樁擋水性較差，地下水的存在會降低土體的強(qiáng)度，增加擋土鋼板樁的側(cè)向壓力，容易造成板樁變形，因此，施工時要采取有效的降低地下水位的措施。

［1］劉國彬，王衛(wèi)東.基坑工程手冊［M］.2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012：1-3.

［2］徐日慶.考慮位移和時間的土壓力計算方法［J］.浙江大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2000（4）：370-375.

［3］吳偉強(qiáng).基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)計算的位移土壓力法［J］.建筑結(jié)構(gòu)，1997（7）：19-21.

［4］姚國圣.考慮位移的土壓力計算方法在基坑工程中的應(yīng)用［J］.巖土工程學(xué)報，2013（10）：693-696.

［5］王玉玨，孫其龍.工程地質(zhì)與土力學(xué)［M］.鄭州：黃河水利出版社，2012：213-230.

［6］JGJ 120-2012，建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程［S］.

[責(zé)任編輯 楊明慶]

On Influence of Pit Sheet－pile Supporting Structures Disp lacement to Earth Pressure Calculation

Hu Tao，Yang Er-jing，Zhang Di
(Yellow River Conservancy Technical Institute，Kaifeng 475004，Henan，China)

The use of steel sheet-pile retaining structure is restricted by field condition.The step-slope excavation is not suitable for foundation trench and it requires underground engineering construction of vertical earthwork excavation.It analyzes the main influence factors of foundation pit retaining structure earth pressure，and improves the calculation method of earth pressure in pit sheet-pile retaining structure design according to the basic principle of Rankine＇s earth pressure calculation and by means of an engineering project.

V ertical excavations；sheet-pile retaining structure；earth pressure calculation；displacement influence

TV551.4

A

1008-486X（2015）03-0028-04

2015-01-16

2013年黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研基金資助計劃項目：基坑板樁式支護(hù)結(jié)構(gòu)考慮位移影響土壓力計算研究(2013KXJS001)。

胡 濤（1981-），男，湖北黃岡人，講師，主要從事工程結(jié)構(gòu)和巖土工程教學(xué)與研究工作。