深基坑開挖土壓力的影響因素

　   摘要：深基坑工程具有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性和艱巨性，深基坑施工會對周邊建筑產(chǎn)生影響。實踐表明，如果支護結(jié)構(gòu)設(shè)計、止水降水措施、工程監(jiān)測等處理不當(dāng)，很容易造成基坑周邊土體失穩(wěn)。本文從土壓力的計算方面，從庫倫土壓力公式和朗肯土壓力公式計算的偏差分析中，提出自己的見解。

　　關(guān)鍵詞：深基坑開挖，土壓力，影響因素，時間效應(yīng)

　　一、概述

　　隨著城市的發(fā)展，地下工程建設(shè)項目的數(shù)量和規(guī)模迅速增大，如高層建筑物基坑，大型管道的深溝槽以及由于地鐵工程線路的越來越多、地鐵換乘引起的基坑的深度越來越深。而且，城市建設(shè)的發(fā)展，帶動地下空間的發(fā)展。目前各類用途的地下空間已經(jīng)或正在世界各大中城市得到開發(fā)利用或在規(guī)劃之中，如地下停車庫、地下街道、地下商城、地下醫(yī)院、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。這些地下空間的建設(shè)也使得深基坑工程的規(guī)模和深度不斷加大。然而，目前對深基坑的土壓力還缺乏足夠的認識，但土壓力問題又是基坑設(shè)計中最關(guān)鍵的參數(shù)之一。如何正確計算深基坑的土壓力，具有理論研究意義，又有實用價值。

　　二、土壓力理論

　　在深基坑開挖支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，庫倫(1776年)和朗肯(1857年)的土壓力理論，因其計算簡單和力學(xué)概念明確，仍然是目前支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計依據(jù)。

　　根據(jù)結(jié)構(gòu)受力過程中墻體位移與地層間的相互關(guān)系,土壓力分為靜止土壓力、主動土壓力和被動土壓力

　　靜止土壓力:若剛性的擋墻保持原來位置靜止不動,則作用在墻上面的土壓力稱為靜止土壓力力。

　　主動土壓力:如剛性的擋墻在填土壓力的作用下,背離著填土方向移動,這時作用在墻上的土壓力將由靜止土壓力逐漸減小,當(dāng)墻后土體達到極限平衡,并出現(xiàn)連續(xù)滑動面使土體下滑,這是土壓力減至最小值,稱為主動土壓力。

　　被動土壓力:如擋墻在外力的作用下,向填土方向移動,這時作用在墻上的土壓力將由靜止土壓力逐漸增大,一直到土體達到極限平衡,并出現(xiàn)連續(xù)滑動面,墻后土體向上擠出隆起。

　　而廣泛應(yīng)用于深基坑支護的連續(xù)墻、鉆孔灌注樁、挖孔樁等屬于一種輕型的擋土結(jié)構(gòu)，在荷載作用下，其工作狀態(tài)一般為彈性嵌固。它有別于剛性墻的特點是，由于撐錨系統(tǒng)及入土段土體的約束，在墻后土體的壓力作用下，墻體產(chǎn)生撓曲變形，引起土壓力的重新分布。同時，這一變形值要求控制在一定的范圍內(nèi)，以避免基坑周邊設(shè)施受到破壞．因而一般不能達到主動土壓力的變形范圍值。所以按傳統(tǒng)的設(shè)計方法計算的土壓力，與支護結(jié)構(gòu)實際受力偏差較大。

　　三、當(dāng)前的研究現(xiàn)狀

　　當(dāng)前與大量的深基坑施工、地下工程建設(shè)涉及的土壓力計算相應(yīng)的,是仍然被廣泛采用的經(jīng)典土壓力計算公式,即庫倫土壓力公式和朗肯土壓力計算公式.同時,工程界采用泰沙基(Ｔｅｒｚａｇｈｉ)-帕克(Ｐｅｃｋ)表觀土壓力計算公式計算的例子也是存在的.針對深基坑工程中土壓力計算的復(fù)雜性,人們做了大量的研究:魏汝龍?zhí)岢隽藢τ谛遁d時的不同情況,利用固結(jié)快剪指標來進行土壓力計算;陳書申提出了小變位土壓力計算公式;在通過試驗驗證的基礎(chǔ)上,夏明耀等得出了與時間相關(guān)的土樣剪應(yīng)力松馳曲線τ(ｔ).這些均是近期較有特點的研究成果。

　　四、影響土壓力的因素

　　土壓力是土體因自重或外荷載作用對支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的側(cè)向壓力，是土與支護結(jié)構(gòu)相互作用的結(jié)果。由于土層的不均勻性，士的本構(gòu)關(guān)系的復(fù)雜性以及土層的流變性更增加了問題的復(fù)雜性。土壓力不僅取決于土性指標，而且與支護結(jié)構(gòu)的變位、土與結(jié)構(gòu)的接觸條件等密切相關(guān)，即土壓力受時、空效應(yīng)的影響。

　　（一）土壓力計算指標的選擇

　　土壓力是作用在圍護結(jié)構(gòu)上的荷載,它的計算是圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵一步.

　　現(xiàn)有的土壓力計算中的總應(yīng)力和有效強度理論,無法考慮應(yīng)力歷史的影響,造成了強度不唯一.而且由于現(xiàn)階段對于基坑開挖的墻前、墻后的土壓力計算,不區(qū)分加載和卸載的情況而采用相同的指標.這樣一來,如果在墻前被動土壓力計算中采用了加載強度指標,就會造成得到的結(jié)果偏低.有鑒于此,魏汝龍?zhí)岢隽艘环N新的綜合強度理論,即一個含有7條強度線的抗剪強度理論.利用該理論中的卸載強度線計算所得的墻前被動土壓力會增加25%,這是一個很有利的影響.文獻對支擋結(jié)構(gòu)的入土深度與被動土壓力計算結(jié)果之間的關(guān)系也進行了分析,為實際工程中的支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工提供了更為科學(xué)的理論依據(jù).

　　（二）土壓力與支護結(jié)構(gòu)變形的關(guān)系

　　某基坑工程采用懸臂鉆孔灌注樁擋土，外側(cè)均為二排深層攪拌樁止水。各測點的土壓力數(shù)據(jù)表明：

　　1、隨著開挖深度增加，支護結(jié)構(gòu)位移增大，釋放土壓力增大，作用在支護樁上的主動側(cè)土壓力卻不斷減小。（擴展）

　　2、懸臂支護結(jié)構(gòu)不同深度的主動側(cè)土壓力隨著開挖深度的變化情況。主動側(cè)土壓力呈上小下大的三角形分布，它基本介于靜止土壓力K。與朗肯主動土壓力之間，在基坑開挖之前，由于沒有任何變形空間，土壓力等于作用于被測點處的靜止土壓力，但由于埋設(shè)土壓力盒的鉆孔中的回填砂的密實性比原狀土差，故實測值比計算值小。隨著基坑的逐漸開挖，樁體位移的不斷加大，主動側(cè)土壓力逐漸減小，并且較上部的側(cè)土壓力減小的幅度遠大于較下部的側(cè)土壓力減小的幅度。下部主動側(cè)土壓力仍介于靜止土壓力與朗肯主動土壓力之間，但上部主動側(cè)土壓力至開挖到基坑底部時已遠小于朗肯主動土壓力。這與該懸臂支護結(jié)構(gòu)位移過大(此時樁頂最大位移已達178mm)，在樁后土體中產(chǎn)生數(shù)條寬約1O～40mm向下延伸的裂縫，由于土的粘聚性，裂縫處土體沒有坍落，導(dǎo)致土壓力迅速降低，土壓力零點不斷下移，樁頂以下一定范圍內(nèi)土壓力為零，總主動土壓力不斷減小，作用點不斷下移。

　　3、被動側(cè)土壓力大小也基本介于靜止土壓力與朗肯被動土壓力之間，但隨著開挖深度的不斷加深，支護樁向基坑內(nèi)側(cè)變形，被動區(qū)的土受樁的擠壓作用，隨著支護樁向內(nèi)側(cè)變形的增加，被動側(cè)土壓力也隨之增大，但上部土體的被動側(cè)土壓力迅速大于朗肯被動側(cè)土壓力，樁的下部，被動側(cè)土壓力仍沒有超出朗肯被動側(cè)土壓力值，僅為其值的2／3左右。這是由于嵌固段在挖土表面位移最大，使土受到擠壓，會最先達到塑性極限強度，但在樁的下部，其位移很小，側(cè)土壓力遠未達到極限狀態(tài)的被動土壓力。即使這樣，被動側(cè)土壓力的分布狀態(tài)仍保持上小下大的三角形分布。