逆作法超深基坑实测土压力分析

2014-01-16

天津建设科技 2014年6期

基坑围护结构上的土压力为其主要的荷载形式，如何准确计算围护结构上的土压力关系到工程的安全性与经济性。不同计算指标和计算方法的选取对计算结果影响较大。对于不同地区、不同土性以及不同施工方法，其计算指标和方法的选取可能会有一定的适用条件。对顺做法基坑土压力的计算和实测，已经积累了很多经验，而逆作法作为一种比较新式的施工方法，其土压力计算及实测积累经验不多。

工程实践中确定土体抗剪强度的方法有两种，即总应力法和有效应力法。对于正常压密饱和粘土地基来说，不少人喜欢采用前者。

在利用总应力法确定土体的抗剪强度时，有两种强度指标可供选用，即不排水总强度指标Cu（φu=0），和固结不排水总强度指标Ccu和φcu。Cu、φu可以用三轴不排水试验测得，对于渗透系数k＜1×10-7cm/s的粘土，也可通过直接快剪试验测定。k＞1×10-7cm/s的土在直剪仪中即使受到快速剪切，仍会发生部分排水或吸水，从而歪曲试验结果。如果k＜1×10-7cm/s，又是正常压密饱和土，则还可以通过无侧限抗压强度试验或十字板剪力试验测得。

Ccu和φcu可以通过三轴固结不排水试验测定，对k＜1×10-7cm/s的土，才允许采用直接固结快剪试验测得。否则直剪和三轴试验给出的结果相差较大，对于正常压密土而言，直剪成果偏于危险；对超压密土而言，直剪成果偏于安全。

在利用有效应力法确定土体抗剪强度时，其指标C＇、φ＇可通过直接慢剪或三轴排水试验测定。如果k＜1×10-7cm/s，则直径为4 cm的三轴试样和厚度为2 cm的直剪试样仅在剪切阶段约分别需持续数十小时和数小时。为减少麻烦，既可采用测定孔压的三轴固结不排水试验，也可采用应力控制式直剪仪[1]。

土压力计算方法有水土分算与水土合算。水土分算是指水压力和土压力分开计算，即有效应力σz＇将在挡土结构上产生土压力，而孔隙水压力u是各向等压的，故直接作用在挡土结构上。

水土合算计算土压力时考虑土体自重的总应力σz，不再计及水压力影响，即土压力中包含了水压力。

国内有部分学者倾向于水土分算，而另外一部分学者则倾向于水土合算，对于该问题曾有过激烈的讨论[1～4]。有的学者认为：采用总应力强度指标应该用水土合算。而也有学者认为：总应力法应该是指将土骨架应力和超静水压力综合在一起考虑，而不包括静水压力，故即使用总应力法测定的指标也应该采用水土分算。

水土分算符合有效应力原理，比较容易让人接受；而水土合算违背有效应力原理，但有一定微观基础[5]。沈珠江[6]推导了以常规三轴固结不排水剪参数Ccu和φcu表达的垂直挡土墙上的主动土压力和被动土压力公式，通过分析认为即使采用总强度理论，也必须采用水土分算的方法。

本文以实测数据为基础，对实测土压力与不同方法以及不同指标计算所得主动土压力进行对比，分析了逆作法基坑对于不同性质的土层，不同基坑开挖阶段，采取何种试验指标以及计算方法更与实际接近，希望能为天津地区设计积累经验。笔者还对基坑开挖过程中土压力变化过程，土压力变化及分布的影响因素进行了分析。

1 工程概况与现场监测

1.1 工程概况

天津站交通枢纽工程后广场工程是天津地铁2号线、天津地铁3号线、天津地铁9号线（津滨轻轨）、京津城际铁路及国铁的换乘枢纽。该工程主要采用明挖顺作法和盖挖逆作法（与城际铁路施工结合部位）施工。地下3层结构底板埋深约23.5m，局部4层结构底板埋深约29.5m。实测结果来自一标段。

1.2 土质条件及土层参数

天津站交通枢纽工程场区地层为第四系全新统人工填土层、第Ⅰ陆相层（第四系全新统上组河床～河漫滩相沉积）、第Ⅰ海相层（第四系全新统中组浅海相沉积）、第Ⅱ陆相层（第四系全新统下组沼泽相沉积层、河床～河漫滩相沉积）、第Ⅲ陆相层（第四系上更新统五组河床～河漫滩相沉积）、第Ⅱ海相层（第四系上更新统四组滨海～潮汐带相沉积）、第Ⅳ陆相层（第四系上更新统三组河床～河漫滩相沉积）、第Ⅲ海相层（第四系上更新统二组浅海～滨海相沉积）、第Ⅴ陆相层（第四系上更新统一组河床～河漫滩相沉积）、第Ⅳ海相层（第四系中更新统上组滨海三角洲相沉积）。场区内各土层分布及土层参数见表1。

表1 土层分布及参数

1.3 监测布点情况

一标段共布置3个土压力测孔，编号为TY1、TY2、TY3。每个测孔深35m，每隔5m设置一测点，每孔共7测点，见图1。

图1 土压力监测点平面布置

3个测孔在施工过程中不同程度的受到影响，测孔TY1在开始进行监测时已经被破坏；测孔TY2由于受到施工的影响而无法进行监测；测孔TY3在施工过程中最下面点受到破坏，至负二层开挖完毕时，全部测点无法进行监测。监测从基坑开挖开始，至负二层基本开挖完毕，已进行部分混凝土层板浇筑，监测频率为每周一次。

2 实测土压力与计算对比分析

采用固结快剪指标与三轴固结不排水指标分别进行水土合算和水土分算，三轴固结不排水有效指标进行水土分算。计算结果表明，采用同一种计算方法，不同试验指标计算的主动土压力值非常接近，而采用不同计算方法，相同指标，计算所得的土压力值有很大差别。

图2为采用不同试验指标，水土分算以及水土合算计算所得的主动土压力与基坑开挖各阶段实测土压力的对比。

图2 实测土压力值与计算土压力值曲线

由图2可以观察到实测土压力均随着深度的增加呈波状增长。基坑开挖2m时，10m以上的土层，主动区土压力实测值与水土分算计算值非常接近，而在15m以下部分，主动土压力实测值则与水土合算值非常接近。由表1可知，该深度范围内的土层主要为粉土和粉质粘土，夹杂一些粘土和粉砂，上下并没有明显的土性的区别。其原因可能是由于逆作法基坑变形模式的影响。

基坑开挖至负一层底面（开挖9m）时，30m以上深度范围内实测土压力整体减小，而35m深度处实测土压力则相对增大。上部实测土压力值介于水土分算和水土合算的主动土压力值之间，中部普遍小于水土合算的主动土压力值，但相差不多，而下部则还是非常接近水土合算值。

基坑开挖至负二层底面（开挖15.5m）时，实测土压力继续整体减小，其分布特性则与开挖至负一层底面时的情况基本相同。

导致图2中实测土压力与计算值的差异的原因可能是：围护结构在开挖面附近向坑内变形较大，而由于顶板支撑作用以及被动区土体约束作用，围护结构顶部和下部向坑内变形较小，中部产生土拱效应[7]。

值得说明的是，虽然上述实测土压力与计算的主动土压力值比较接近，但是主动土压力为墙后土体达到主动极限状态下的土压力。在开挖2m时，实测土压力虽然与计算值较为接近，但该实测土压力并非主动土压力。只能认为该实测土压力介于静止土压力与主动土压力之间。在开挖9～15.5m的过程中，实测土压力呈减小的趋势，也说明了墙后土体还未达到主动极限状态。

3 开挖过程中土压力变化分析

1）基坑开挖过程中，土压力整体呈减小趋势。基坑开挖过程中，基坑内部土体逐渐被挖空，开挖深度范围内基坑内侧土压力逐渐减小，直至为零，地连墙向坑内变形，坑外土体由静止状态逐渐向主动极限状态发展，土压力也从静止土压力向主动土压力发展，最终实测土压力值趋于水土合算的主动土压力值。由图3可知，负一层开挖过程中，实测土压力值减小了2.0%～38.4%，负二层开挖过程中实测土压力值减小了2.4%～39.2%，围护结构上部其变化比例较大，随着深度增加，变化比例逐渐减小。

图3 土压力随深度变化曲线

2）承压含水层抽水，导致该土层主动土压力突然减小。在开挖至负一层底面，局部底板已经浇筑完毕，准备进行负二层开挖前，需进行提前降水。在大概20m深度处有一承压含水层，厚度大概为5m，此次降水在该土层中抽水。虽然承压水层较薄，设计上地连墙把承压水层完全隔断，但是由于一标段与二标段相连，一标段进行基坑开挖的过程中，二标段地连墙还未施工完毕，故坑内和坑外的承压水层还是连通的。

由图4可知，在进行降水的过程中，土压力在该土层处急剧变化，该层土压力减小到原来的51%，而对于其他土层土压力的影响却很小。这种土压力的急剧变化可能对基坑的稳定性产生不利的影响，工程中不可忽视。

图4 承压水层抽水导致土压力变化曲线

4 土压力与围护结构变形的关系

由图5可知，基坑开挖过程中，土压力有时呈现出上部土压力增大，而下部土压力减小的现象。负一层开挖时土压力增大与减小的拐点大概在16m处，而负二层开挖过程中其拐点大概在26m处。

图5 土压力分布受围护结构变形影响曲线

这与围护结构的变形发展趋势有关。由于与本文所采用的土压力计相对应位置的地连墙测斜管被破坏，只能与其他位置地连墙变形作示意性对比分析。

图6为在负一层开挖过程中另一处地连墙测斜结果。在进行土方开挖时，开挖面上下一段范围内向基坑内部变形，而地连墙墙顶下一段范围内却是向基坑外变形。这个趋势与基坑开挖过程中的土压力变化相符合：上部由于地连墙向坑外变形，其土压力增大，而下部分地连墙向坑内变形，其土压力减小。

高伟[8]等通过有限元计算和实测对比，认为坑底以上主动区大体是稳定的，而坑底以下的主动被动区则呈不断变化的。而本文中的实际观测结果表明，在坑底以上的部分也有可能出现被动区。其原因可能是本工程采用逆作法，而且以顶板作为支撑，其刚度比较大，导致基坑开挖的过程中上部地连墙向坑外变形。而对于负一层与负二层开挖过程中土压力变化“拐点”的位置与开挖深度以及支撑数量和位置有关，开挖深度的增加以及支撑（在此工程中为层板）的增加导致拐点的下移。

由图5还可以观察到，基坑开挖过程中，土压力大致呈“R”形分布，这种土压力分布形式与图6所示围护结构发生了“绕墙趾转动+鼓胀”[7]的变形模式相对应，与王保健等得出的结果一致。而对于这种分布形式，虞建华[9]解释为：墙后土压力随开挖深度增加，土压力分布在支撑作用下发生重分布，即产生了“土拱”效应。由土压力分布趋势可以看出“土拱”形成范围大概在10～24m之间。