曹新剛， 董金奎

(中煤第三建設(shè)(集團)有限責任公司， 安徽 宿州 234000)

城市基坑工程往往具有開挖深度大、開挖面積大、周邊環(huán)境復(fù)雜、場地狹小、對圍護結(jié)構(gòu)變形要求高等特點，故通常采用多層內(nèi)支撐進行圍護結(jié)構(gòu)支護。但內(nèi)支撐占用施工空間，且后續(xù)需拆除(第一道內(nèi)支撐通常為鋼筋混凝土支撐)，造成一定的資源浪費與環(huán)境污染[1, 2]。

圖1 基坑傳統(tǒng)預(yù)留反壓土示意

為此，在基坑開挖過程中，可通過優(yōu)化施工方法，在不影響后續(xù)施工空間的前提下盡可能的少開挖、晚開挖，預(yù)留一部分土體對圍護結(jié)構(gòu)形成反壓(見圖1)，可達到節(jié)省內(nèi)支撐、降低圍護結(jié)構(gòu)變形、提高施工過程圍護結(jié)構(gòu)安全性的目的[3～6]。

如在天津站交通樞紐工程施工過程中，一級基坑處采用高度h=6.0 m、頂寬a=5.0 m、坡率1∶1.5的預(yù)留土進行反壓，節(jié)約了大量工程投資、縮短了施工工期[7]；鄭剛等[8]結(jié)合天津市一些工程經(jīng)驗，建立了考慮反壓土影響時支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的計算方法，并結(jié)合工程實例進行比較分析；劉暢等[9]基于有限元計算分析了反壓土寬度、高度、坡度、放坡級數(shù)、面積等截面特征對支護結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力的影響規(guī)律，結(jié)果表明，當反壓土高度為0.5～0.6倍基坑開挖高度時效果最佳；李淑等[10]在北京地鐵某車站深基坑施工中采取豎向分層、橫向和縱向分段、分階段對稱開挖方法，預(yù)留反壓土長度方向7.5 m、寬度方向7.4 m、深度方向結(jié)合支撐位置不大于4 m，對基坑變形取得了較好控制效果。這些研究增進了人們對預(yù)留土反壓的認識。

但預(yù)留土需占用一定的空間，在受限環(huán)境中可能無足夠的空間來實施預(yù)留土反壓。預(yù)留土邊坡屬于臨時性邊坡，破壞后果不嚴重，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，安全等級應(yīng)屬于三級(高度一般不超過10.0 m)，安全系數(shù)應(yīng)大于1.15。若預(yù)留土高度小于5 m，硬塑黏性土坡率不大于1∶1；若預(yù)留土高度大于5 m，硬塑黏性土坡率不大于1∶1.25[11]。以預(yù)留土高度h=3.0 m、頂寬a=2.0 m、坡率1∶1為例，其底部寬為5.0 m，即距離圍護結(jié)構(gòu)根部5.0 m的范圍內(nèi)均被預(yù)留土占據(jù)，顯然在城市基坑工程中往往難以實現(xiàn)。

另一方面，我國每年產(chǎn)生大量廢舊集裝箱，若能把裝滿填土的廢舊集裝箱作為預(yù)留土的支擋結(jié)構(gòu)，使預(yù)留土無需放坡，預(yù)留土直立面與集裝箱側(cè)面接觸，則可大大減小預(yù)留土的占地需求。本文擬對廢舊集裝箱支擋預(yù)留土的效果進行探討。

1 廢舊集裝箱支擋預(yù)留土方法

廢舊集裝箱具有下列優(yōu)點[12]：(1)廉價、資源豐富；(2)空間大、強度與剛度大；(3)可堆疊、相互連接牢固；(4)可重復(fù)利用。

預(yù)留土之所以占地較大，是由于其坡率有相關(guān)要求，否則預(yù)留土邊坡自身難以穩(wěn)定，預(yù)留土臨時邊坡的破壞勢必影響工程施工。若采用裝滿填土的廢舊集裝箱作為預(yù)留土的支擋結(jié)構(gòu)，則可大大減小預(yù)留土的占地需求。

1.1 廢舊集裝箱支擋預(yù)留土的構(gòu)型

廢舊集裝箱四壁固定閉合、去除箱頂后，即可成為可利用的容器，如圖2所示。以20 GP集裝箱為例，寬度2.438 m、高度2.591 m，若以填土重度為17 kN/m3計算，壓在土體上能產(chǎn)生約17×2.6=44.2 kPa的均布荷載。

圖2 去箱頂?shù)膹U舊集裝箱示意

圖3給出了采用一層集裝箱的預(yù)留土構(gòu)型情況，相應(yīng)三維示意圖見圖4。原狀土寬度a<2.0 m，集裝箱占地寬度b=2.438 m，反壓土體總寬度可以不大于4.5 m(甚至更小)集裝箱內(nèi)裝滿填土，還可以堆高。集裝箱與圍護結(jié)構(gòu)之間盡可能保留原狀土，之間的縫隙填入壓實填土，最終填土的高度h可大于集裝箱高度2.59 m，堆高后一般大于3 m。

圖3 單層廢舊集裝箱支擋預(yù)留土示意

圖4 廢舊集裝箱支擋預(yù)留土三維示意

為了防止集裝箱產(chǎn)生滑動，可在集裝箱的外側(cè)兩端打入工字鋼，對集裝箱形成抗滑約束，提高穩(wěn)定性。更進一步地，為了提高集裝箱與土體之間的側(cè)壓力，可在工字鋼與集裝箱之間加裝千斤頂，通過千斤頂給集裝箱施加水平力，使集裝箱主動壓迫土體，從而增大了預(yù)留土與圍護結(jié)構(gòu)之間的水平作用力，該效果顯然是傳統(tǒng)預(yù)留土坡無法實現(xiàn)的。當然，如采用千斤頂施加壓力，需在集裝箱的加載位置處加裝鋼板、檁條等，避免應(yīng)力集中而使集裝箱箱體發(fā)生局部屈服與破壞。

若基坑圍護結(jié)構(gòu)根部的空間相對較大、基坑開挖深度較大，則可采用兩層集裝箱布置，如圖5所示。下部用兩排集裝箱，上部用一排集裝箱，相鄰集裝箱之間用角件牢固相連。該填土的高度h大于5.2 m，總占地寬度可取6 m左右。

圖5 兩層廢舊集裝箱支擋預(yù)留土示意

采用廢舊集裝箱支擋預(yù)留土的優(yōu)點：

(1)占地小。單排集裝箱占地寬度2.438 m，集裝箱與圍護結(jié)構(gòu)之間的填土寬度通常小于2.0 m，故圖3所示的占地寬度不大于4.5 m，同等條件下與傳統(tǒng)預(yù)留土進行1∶1放坡相比，其占地更小。

(2)穩(wěn)定性高。傳統(tǒng)預(yù)留土邊坡雖然進行表面噴混凝土護面處理，但在惡劣環(huán)境中其自身穩(wěn)定性難以保證，若預(yù)留土邊坡發(fā)生破壞必然對施工造成影響。而采用集裝箱支擋預(yù)留土后，集裝箱強度與剛度大，各集裝箱之間牢固連接形成整體，且用工字鋼進行了抗側(cè)移約束，與傳統(tǒng)預(yù)留土相比其穩(wěn)定性大大提高。

(3)受雨水影響小。眾所周知，雨水是誘發(fā)基坑工程安全事故的主要原因，在極端氣候條件下，基坑在一段時間內(nèi)可能被雨水浸泡。傳統(tǒng)預(yù)留土邊坡被雨水浸泡后，即使不發(fā)生滑移破壞，其也產(chǎn)生較大的遠離圍護結(jié)構(gòu)的位移，使得水平反壓荷載大大降低。而采用集裝箱裝滿填土抵住預(yù)留土后，即使預(yù)留土被雨水浸泡，其也難以發(fā)生較大的遠離圍護結(jié)構(gòu)的位移，對圍護結(jié)構(gòu)的水平作用力、對底部被動土壓力區(qū)的豎向作用力基本不受影響。

(4)可施加額外壓力。如前文所述，可在工字鋼與集裝箱之間加裝千斤頂，通過千斤頂給集裝箱施加水平力，使圍護結(jié)構(gòu)底部受到更大的水平作用力，約束圍護結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)的變形，顯然是有利的。而傳統(tǒng)預(yù)留土坡顯然無法施加額外壓力。

1.2 廢舊集裝箱支擋預(yù)留土的施工方法

(1)提前準備好去除箱頂?shù)膹U舊集裝箱、角件、工字鋼等材料與相應(yīng)施工機械。

(2)在擬設(shè)置預(yù)留土反壓的坑底位置，沿坑底標高從外圍向圍護結(jié)構(gòu)根部處分段開挖預(yù)留土，根據(jù)預(yù)留土的性質(zhì)確定開挖坡度，確保施工時不發(fā)生坍塌即可。開挖至預(yù)留土底寬設(shè)計值，平整其坡腳處的場地。應(yīng)分段開挖與填筑，避免大范圍開挖后大范圍填筑。大范圍開挖導(dǎo)致圍護結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變形，后續(xù)雖然填筑形成了預(yù)留土，但圍護結(jié)構(gòu)的變形已發(fā)生，此時的預(yù)留土反壓效果大打折扣，僅成為一種安全儲備措施。因此，應(yīng)開挖一段(通常取一個或兩個集裝箱的長度范圍)后及時布置集裝箱并填筑，該段施工結(jié)束后再進行下一段的開挖與填筑。如在合肥地區(qū)，正常情況下-5～-10 m處的土層為硬塑性微膨脹土，在垂直開挖3～5 m情況下短時間內(nèi)往往能保持自穩(wěn)，這對施工是非常有利的。若地質(zhì)條件較差，土體自穩(wěn)性差，則預(yù)留土坡度放緩，后續(xù)填土體積變大，填土的壓實度難以有效保證。開挖與填筑的速度應(yīng)足夠快，一個集裝箱長度范圍的施工應(yīng)在1小時或數(shù)小時內(nèi)完成，時間越短越好，一般不可超過12小時。開挖與支護時間短，使預(yù)留土開挖卸載時圍護結(jié)構(gòu)變形小，后續(xù)集裝箱形成的擋土結(jié)構(gòu)及時提供側(cè)壓力與豎向壓力，對圍護結(jié)構(gòu)提供支護。另外，應(yīng)避免在雨水天氣施工，此時預(yù)留土自身的穩(wěn)定性較差，挖填施工的效率也較低，耗時長、風險大。

(3)把廢舊集裝箱推至預(yù)留土坡腳處，集裝箱的長邊與圍護結(jié)構(gòu)平行，集裝箱內(nèi)側(cè)底邊與預(yù)留土坡腳緊密接觸。廢舊集裝箱位置擺好后，再在集裝箱兩端外側(cè)打入工字鋼，阻止集裝箱后續(xù)可能的水平滑移。如后續(xù)擬采用千斤頂加載，則工字鋼的位置與集裝箱加固的位置需相互匹配，方便后續(xù)預(yù)壓力的施加。

(4)向集裝箱內(nèi)填土，優(yōu)先填入碎石、卵石或無黏性土，方便后續(xù)填土的移除作業(yè)。當然，也可采用基坑內(nèi)部本身挖除的土體填入集裝箱中。集裝箱填滿后，再填筑預(yù)留土坡與集裝箱之間的空隙，該部分填土需分層壓實，否則集裝箱與填土之間的接觸較弱，降低了反壓土對圍護結(jié)構(gòu)提供的水平作用力。原狀土與集裝箱側(cè)壁之間的填土，應(yīng)分層壓實填筑，壓實度應(yīng)滿足規(guī)范要求。若填土蓬松，導(dǎo)致集裝箱與預(yù)留土之間水平作用力很弱，從而減小了預(yù)留土與圍護結(jié)構(gòu)之間的作用力，使預(yù)留土反壓沒有達到應(yīng)有的最佳效果，顯然是不值得的。

(5)該節(jié)集裝箱施工完畢后，再在其旁邊位置重復(fù)上述方法進行施工，且用角件把相鄰集裝箱的角部固定相連。如此重復(fù)，直至該預(yù)留土反壓段施工結(jié)束。

預(yù)留土反壓是臨時性措施，后續(xù)隨著施工的進展需要挖除廢舊集裝箱支擋的預(yù)留土?xí)r，挖除方法如下：拔出集裝箱根部的工字鋼，卸除各集裝箱之間相互連接的角件，逐個移除各集裝箱內(nèi)的填土，再逐個吊走各集裝箱，再進一步開挖剩余的預(yù)留土，直至清理干凈至設(shè)計標高。

2 有限元計算模型

文獻[13]中詳細報道某深基坑雙排樁支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)、地質(zhì)條件、監(jiān)測數(shù)據(jù)等，現(xiàn)以該工程為例，建立有限元計算模型，探討廢舊集裝箱支擋預(yù)留土反壓的作用效果。

雙排樁樁長14.0 m，基坑地面上下各7.0 m，樁徑0.8 m、中心距1.4 m，前后排樁中心距3.0 m，樁頂設(shè)置冠梁與橫梁，尺寸均為0.8 m×0.8 m，基坑支護如圖6所示。

圖6 基坑支護示意/m

根據(jù)地勘報告，從上至下各土層可分為①雜填土、②淤泥、③黏土、④粉砂夾粉土、⑤粉質(zhì)黏土、⑥粉細砂、⑦細砂，采用Mohr-Coulomb模型對土體進行模擬，土層的計算參數(shù)見表1?；赑laxis軟件進行數(shù)值模擬，圖7給出了網(wǎng)格劃分情況。

圖7 有限元網(wǎng)格劃分

數(shù)值計算按平面應(yīng)變問題考慮，樁與橫梁等效為板單元，等效后樁的軸向剛度EA=1.67×107kN、抗彎剛度EI=4.31×105kN·m2，橫梁的軸向剛度EA=1.99×107kN、抗彎剛度EI=7.32×105kN·m2。挖方工程的計算步驟為：原土體自重應(yīng)力平衡、開挖2 m深度的放坡、激活樁單元、分層開挖(殺死開挖面處的土體單元)至坑底。

表1 土層計算參數(shù)

基于有限元計算對該基坑工程進行了模擬，以前排樁的水平位移為例，計算值與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析見圖8。水平位移最大值位于樁頂處，計算值為51.55 mm， 監(jiān)測值為50.06 mm，該處計算誤差為2.98%。兩者誤差最大的位置位于距樁頂-2.1 m處，計算值為48.70 mm，監(jiān)測值為42.90 mm，該處計算誤差為13.5%。鑒于樁體水平位移最大值為控制指標之一，可見本文數(shù)值計算的精度總體上是可以接受的，說明數(shù)值建模是合理的。

圖8 前排樁水平位移計算值與監(jiān)測值的對比

為了考察廢舊集裝箱支擋預(yù)留土反壓的效果，在前排樁根部建立豎向荷載與水平荷載對預(yù)留土反壓進行等效，如圖9所示。圖中豎向荷載即為預(yù)留土的自重應(yīng)力，水平荷載即為土體的側(cè)壓力(呈三角形分布，底部最大值為Ph)。

圖9 預(yù)留土反壓等效荷載示意

現(xiàn)設(shè)計下列四種工況進行對比計算：

(1)工況一：單層集裝箱支擋預(yù)留土反壓(見圖3)，預(yù)留土寬度a=1.0 m，且集裝箱與預(yù)留土之間接觸緊密。各參數(shù)取值為(假定側(cè)壓力系數(shù)為0.5)：Lv1=3.5 m，Lv2=0，h=2.6 m，Pv1=44.2 kPa，Pv2=0，Ph=22.1 kPa。

(2)工況二：單層集裝箱支擋預(yù)留土反壓，預(yù)留土寬度a=1.0 m，但集裝箱與預(yù)留土之間接觸松散，視為無水平作用力。各參數(shù)取值為：Lv1=3.5 m，Lv2=0，h=0，Pv1=44.2 kPa，Pv2=0，Ph=0。

(3)工況三：兩層集裝箱支擋預(yù)留土反壓(見圖5)，預(yù)留土寬度a=1.0 m，且集裝箱與預(yù)留土之間接觸緊密。各參數(shù)取值為：Lv1=3.5 m，Lv2=2.5 m，h=5.2 m，Pv1=88.4 kPa，Pv2=44.2 kPa，Ph=44.2 kPa。

(4)工況四：兩層集裝箱支擋預(yù)留土反壓，預(yù)留土寬度a=1.0 m，但集裝箱與預(yù)留土之間接觸松散，視為無水平作用力。各參數(shù)取值為：Lv1=3.5 m，Lv2=2.5 m，h=0，Pv1=88.4 kPa，Pv2=44.2 kPa，Ph=0。

3 計算結(jié)果分析

通過對比計算，得到了各工況的土體變形、樁體變形與樁體內(nèi)力情況。

3.1 土體與樁體水平位移

土體與樁體的水平位移是基坑開挖過程中的關(guān)鍵監(jiān)測與控制指標。不同工況下前排樁與后排樁的水平位移分布如圖10，11所示。以后排樁為例，無反壓、工況一～工況四的水平位移最大值分別為53.86，29.90，33.12，19.83，26.24 mm，可見：設(shè)置預(yù)留土反壓的樁體水平位移大大小于無反壓的情況，工況一～工況四使后排樁水平位移最大值分別減小了44.49%，38.5%，63.18%，51.28%，預(yù)留土反壓能有效減小樁體的水平位移。

圖10 前排樁的水平位移分布

圖11 后排樁的水平位移分布

樁體水平位移最大值均發(fā)生在樁頂，反壓土的自重越大，樁體的水平位移越??；反壓土自重與側(cè)向土壓力共同作用下樁體的水平位移比僅自重作用的情況更小。故預(yù)留土反壓的最好效果是：一方面有較大的土體自重壓在圍護結(jié)構(gòu)根部的被動土壓力作用區(qū)域上，另一方面有較大的側(cè)壓力水平作用在前排樁體上。

特別地，若能給預(yù)留土體施加預(yù)壓力，即增大對圍護結(jié)構(gòu)的水平作用力，必然進一步減小圍護結(jié)構(gòu)的水平位移。本文所提的廢舊集裝箱支擋預(yù)留土反壓為施加預(yù)壓力提供了可能。關(guān)于對預(yù)留土施加預(yù)壓力的試驗與分析將另文探討。

計算還表明，同一工況中后排樁的水平位移略大于前排樁的水平位移。以工況二為例，前排樁的水平位移最大值為30.81 mm, 后排樁的水平位移最大值為33.12 mm，該差值2.31 mm是橫梁的彈性壓縮變形。這是由于該工程樁頂具有2.0 m高度的放坡土體，使得后排樁承受了更大的土壓力，后排樁被推擠更嚴重，其變形也更大。

圖12給出了兩種工況下的土體水平位移等值線分布情況?？梢姡瑹o反壓與預(yù)留土反壓情況下的土體水平位移變形趨勢與規(guī)律基本相同，但相同位置處預(yù)留土反壓情況下的水平位移小于無反壓的情況，這與前后排樁的變形規(guī)律是吻合的。

圖12 土體水平位移等值線分布/mm

3.2 樁體剪力

不同工況下前排樁與后排樁的剪力分布如圖13，14所示?？梢?，前排樁的剪力最大值位于坑底位置處，而后排樁剪力最大值位于樁頂。以后排樁為例，無反壓、工況一～工況四的剪力最大值分別為124.6，120.9，123.9，101.5，120.5 kN，可見預(yù)留土反壓對后排樁的剪力影響不大。根據(jù)圖15可知，不同工況下坑底以上前排樁的剪力也差別不大。鑒于剪力通常不是抗滑樁的控制荷載，往往通過設(shè)置構(gòu)造箍筋就能滿足抗滑樁的抗剪要求，故可認為不同工況對樁體剪力的影響可忽略不計。

圖13 前排樁剪力分布

圖14 后排樁剪力分布

3.3 樁體彎矩

不同工況下前排樁與后排樁的彎矩分布如圖15，16所示?？梢姡芭艠兜膹澗刈畲笾祷疚挥诰鄻俄?.0 m深度處，而后排樁的彎矩最大值位于樁頂處。 以后排樁為例，無反壓、工況一～工況四的彎矩最大值(絕對值)分別為437.6，348.7，369.2，256.6，323.7 kN·m，設(shè)置預(yù)留土反壓的樁體彎矩小于無反壓的情況，工況一～工況四使后排樁彎矩最大值分別減小了20.3%，15.6%，41.4%，26.0%，預(yù)留土反壓能有效減小樁體的彎矩。上述規(guī)律與樁體水平位移與軸力相同。

反彎點是彎矩正值與負值的轉(zhuǎn)換位置，其彎矩值為0。從圖15，16可以看出，與無反壓的情況下相比，預(yù)留土反壓使前排樁與后排樁的反彎點位置均有所上升。

圖15 前排樁的彎矩分布

圖16 后排樁的彎矩分布

上述各參數(shù)僅列舉了后排樁的數(shù)據(jù)，前排樁各參數(shù)的最大值(絕對值)見表2，其展現(xiàn)的規(guī)律與后排樁相同，故不再詳述。

上述計算中取預(yù)留土的寬度a=1.0 m，事實上，當基坑空間狹小時，該值可進一步縮小，達到總占地寬度小于3.0 m。即在施工空間有限情況下，所提技術(shù)方法仍可以實現(xiàn)，只需確保集裝箱與圍護結(jié)構(gòu)之間填土緊密、能有效傳遞水平荷載即可。而傳統(tǒng)的預(yù)留土放坡占地大，當空間狹窄時難以實現(xiàn)，即使能實現(xiàn)也占用了其它工序的施工空間?？梢?，本文所提技術(shù)比傳統(tǒng)的預(yù)留土坡適用范圍更廣，且總體上廉價、可靠，可在基坑支護中推廣應(yīng)用。

表2 前排樁各工況參數(shù)最大值對比分析

綜上所述，本文所提的基于廢舊集裝箱支擋預(yù)留土反壓的技術(shù)方法，能有效減小基坑開挖過程的水平位移，大大降低樁體的軸力與彎矩，提高了施工過程中圍護結(jié)構(gòu)的安全性，且具有占地小、穩(wěn)定性高、抗側(cè)移剛度大、施工簡便、造價低廉等優(yōu)點。所提方法也可以用于緊急情況下的基坑護坡?lián)岆U施工，利用強度與剛度較大的廢舊集裝箱可大大提高臨時土坡的穩(wěn)定性、增加反壓土坡的高度、縮小土坡的占地。

上述計算是基于二維平面應(yīng)變有限元方法開展的，其與真實的三維實際情況不可避免地存在一定的差異，后續(xù)尚有待進一步開展模型試驗、現(xiàn)場試驗與三維有限元論證，以期促進廢舊集裝箱支擋預(yù)留土反壓方法在挖方工程中的運用。

4 結(jié) 論

(1)傳統(tǒng)預(yù)留土反壓具有占地大、自身穩(wěn)定性差的局限性，為此，提出基于廢舊集裝箱支擋預(yù)留土反壓的技術(shù)方法，其具有占地小、穩(wěn)定性高、抗側(cè)移剛度大、施工簡便、造價低廉等優(yōu)點。

(2)為了防止集裝箱產(chǎn)生滑動，可在集裝箱的外側(cè)兩端打入工字鋼，對集裝箱形成抗滑約束，提高穩(wěn)定性。并可在工字鋼與集裝箱之間加裝千斤頂，通過千斤頂給集裝箱施加水平預(yù)壓力，提高對圍護結(jié)構(gòu)的約束能力，而傳統(tǒng)預(yù)留土坡顯然無法施加預(yù)壓力。

(3)計算表明，廢舊集裝箱支擋預(yù)留土反壓能有效減小基坑開挖過程中土體與樁體的水平位移，大大降低樁體的軸力與彎矩，從而提高了施工過程中基坑的安全性。

(4)采用兩層廢舊集裝箱，比采用單層集裝箱支護更能夠約束圍護結(jié)構(gòu)與土體的變形；預(yù)留土體與圍護結(jié)構(gòu)之間的水平作用力越大，圍護結(jié)構(gòu)與土體的變形越小。故實際工程中，應(yīng)盡可能采用多層廢舊集裝箱堆疊支護預(yù)留土，且使預(yù)留土與集裝箱側(cè)壁之間接觸緊密。

(5)原狀土與集裝箱側(cè)壁之間的填土，應(yīng)分層壓實填筑，壓實度應(yīng)滿足規(guī)范要求，否則將減小預(yù)留土與圍護結(jié)構(gòu)之間的水平作用力，降低預(yù)留土反壓應(yīng)有的最佳效果。