基坑板桩支护结构位移对土压力计算的影响研究

胡 涛，杨二静，张 迪

基坑板桩支护结构位移对土压力计算的影响研究

胡 涛，杨二静，张 迪

（黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004）

钢板桩支护适用于受场地等条件的限制，基坑不能采用放坡开挖，必须进行垂直土方开挖的地下工程施工。分析基坑支护结构土压力的主要影响因素，根据朗肯土压力计算的原理，并通过工程实例，对基坑板桩式支护结构设计中土压力的计算进行完善。

垂直基坑；板桩式支护；土压力计算；位移影响

0 引言

随着经济的发展，城市化步伐的加快，为满足日益增长的市民出行、轨道交通换乘、商业、停车等功能的需要，在用地越来越紧张的密集城市，开发大型地下空间已成为一种必然。诸如，高层建筑多层地下室、地下铁道及地下车站、地下道路、地下停车库、地下街道、地下商场、地下医院、地下变电站、地下仓库、地下民防工事以及多种地下民用和工业设施等。在地下工程施工过程中，基坑工程周围密布着各种地下管线、各类建筑物、交通干道、地铁隧道等各种地下构筑物，致使施工场地紧张、地质条件复杂、施工条件复杂、周边设施环境保护要求高。所有这些导致基坑工程的设计和施工的难度越来越大，重大恶性基坑事故不断发生，工程建设的安全生产形势越来越严峻［1］。

当前，国内大量的基坑开挖、填土挡墙、地铁隧道和地下空间开发利用等工程中，普遍遇到土压力计算的问题。计算作用在围护结构上的土压力时，应用经典土压力理论公式远远不能满足要求。

钢板桩支护结构属板式支护结构之一，适用于因受场地等条件的限制，基坑不能采用放坡开挖，而必须进行垂直土方开挖的地下工程施工。钢板桩支护结构在国内外的建筑、市政、港口、铁路等领域都有悠久的使用历史。

1 基坑支护结构土压力的影响因素［2～4］

土压力是土体因自重或外荷载作用对支护结构产生的侧向压力。土压力不仅取决于土体的性质指标，而且与支护结构的位移、土与支护结构的接触条件等密切相关。

1.1 土的状态及其性质

不同土类中的侧向土压力差异很大。采用同样计算方法设计的挡土支护结构，对某些土类可能安全度很大，而对另一些土类则可能面临倒塌的危险。因此，在没有完全弄清挡土支护结构土压力的性能之前，对不同土类应区别对待。

1.2 土压力计算指标的选择

土压力强度的计算及其计算指标的取值与基坑开挖方式和土类有关。当剪应力超过土的抗剪强度时，背侧土体就会失去稳定，发生剪切破坏。由于基坑采用机械开挖，一般进度较快。开挖卸荷后，土压力很快形成，选择与其相适应的直剪、快剪或三轴不排水剪是合理的。但剪切前是否要固结，则根据土的渗透性而定。渗透性弱的土，由于加荷快，来不及固结就可能剪损，所以，应不固结就进行剪切。而渗透性强的土，宜固结后剪切。

深基坑挡土支护结构因施工工艺而不同。对于悬臂式挡土支护结构，取卸荷参数即可。对多层锚杆挡土支护结构则，因其对土体的作用是一个不同深度上的多次卸载—加载—卸载的过程，故对土体来说，既要考虑卸载的土压力参数，又要考虑加载的土压力参数。

1.3 土压力与支护结构位移的关系

基坑开挖的空间效应使结构变形减小。土与结构的摩阻力和土层的约束作用使土压力减小。土体内部结构调整，产生变形，改变了土压力的大小，从而影响土压力值。在基坑开挖过程中，土体的扰动使其结构性破坏、强度降低，从而使土体自稳能力降低，侧向土压力增加。此外，开挖的卸荷作用使围压减小，强度指标降低。基坑开挖后，基坑底部土体残余应力的存在，属于超固结土体，从而支护结构所受主动土压力减少，被动土压力增加。

2 土压力计算基本原理［5］

1857年，朗肯研究了半无限土体在自重作用下处于极限平衡时的应力条件，提出了著名的朗肯土压力理论。朗肯理论最初是对干的无黏性土提出的，后来被推广到黏性土和有水的情况。

朗肯土压力理论假设土体是具有水平表面的半无限体，墙背竖直光滑。目的是使水平面和竖直面为主应力面。在半无限土体中，取一竖直平面AB，如图1（a）所示。在AB平面上深度z处的M点取一单元体，其上作用有法向应力σx、σz。因为AB面为半无限体的对称面，所以该面无剪切力作用，σx、σz均为主应力。

图1 朗肯主动和被动土压力试验状态简图Fig．1 Rankineactive and passive earth pressure test state

由于AB面两侧的土体无相对位移，土体处于弹性平衡状态，σz=γz，σx=K0γz，其应力状态可以用图1（b）中的莫尔应力圆O1所示。应力圆O1与库仑直线相离，该点处于弹性平衡状态，土对墙的作用力即是作用在挡土墙上的静止土压力。

假设用刚性、墙背光滑且铅直的挡土墙代替AB面左侧土体，墙与填土间无相对位移时，墙后填土的应力状态仍符合半无限弹性体的应力状态。若挡土墙背离土体方向产生位移，随着位移量的增加，竖向应力σz保持不变，水平向应力σx则逐渐减小。当应力圆增大到与库仑直线相切时，该单元体达到主动极限平衡状态，如图图1（b）中圆O2。作用在挡土墙上的主动土压力pa大小就等于该单元体的最小水平应力值σxmin。

若挡土墙向着土体方向产生位移，随着位移量的增加，竖向应力σz保持不变，水平向应力σx则逐渐增加，并且大、小主应力的方向发生改变，σz由σ1转变成σ3，σx由σ3转变成σ1。当应力圆增大到与库仑直线相切时，该单元体达到被动极限平衡状态，如图图1（b）中圆O3。作用在挡土墙上的被动土压力pp大小就等于该单元体的最大水平应力值σxmax。

朗肯土压力理论是建立在土的极限平衡理论基础上的。其基本假定为：挡土墙面是竖直、光滑的；挡土墙墙背面的填土是均质各向同性的无黏性土，填土表面是水平的；墙体在压力作用下将产生足够的位移和变形，使填土处于极限平衡状态。

3 工程实例分析

3.1 工程概况

某工程基坑深度为6.0m，钢板桩嵌固深度ld为4m，基坑支护结构的安全等级为二级。该场地范围内地层为均质黏土层，黏土的物理力学性质指标见表1。

3.2 基坑支护方案

采用单层锚杆钢板桩支挡结构，锚杆位于地面以下3.0m处。桩长10m；钢板桩嵌入土层4m；钢板桩沿基坑四周连续设置成封闭的帷幕；为保证基坑安全，钢板桩上间隔5m设置一道连续的16#槽钢围檩，从而加强了钢板桩的钢度和整体性；基坑四角及中间做支撑。

3.3 基坑支护结构设计计算

该钢板桩侧向水平土压力采用朗肯土压力理论

图2 支护结构承受水平土压力强度分布图（单位：m）Fig．2 Earth pressure intensity distribution of supporting structure（Unit:m）

根据《建筑基坑支护技术规程》［6］的要求，验算坑底隆起稳定性：

所以，满足坑底隆起稳定性要求。

4 结语

（1）基坑工程大规模的飞跃发展，不可避免地带来了诸多的基坑安全和环境安全问题。基坑的变形控制和环境保护往往成为基坑工程成败的关键。为了解决基坑变形对周围环境的影响与保护的难题，基坑工程设计应从强度控制设计转至变形控制设计。基坑开挖，一般进度较快，开挖卸荷后，土压力很快形成，为与其相适应采用直剪快剪或三轴不排水剪是合理的。

（2）基坑支护结构的侧向土压力是一个很复杂的问题，除了和位移、时间有关，还与土的性质和强度、固结度、蠕变等其他因素相关。支护结构的侧向主动土压力极限状态一般较易达到，而达到被动土压力极限状态则需要较大的土体位移，通常没有达到。作用在支护结构上的被动土压力通常被动土压力之间的任一数值，应根据支护结构与土体的位移情况和采取的施工措施等因素确定土压力的计算状态。

（3）在地下管线及邻近密集建筑群中进行基坑开挖，采用钢板桩式支护是一种有效的方法，其安全可靠，施工设施不占用场地。这种支护工具可以多次重复使用，节约投资，且机械化程度高。不足之处是，钢板桩挡水性较差，地下水的存在会降低土体的强度，增加挡土钢板桩的侧向压力，容易造成板桩变形，因此，施工时要采取有效的降低地下水位的措施。

［1］刘国彬，王卫东.基坑工程手册［M］.2版.北京：中国建筑工业出版社，2012：1-3.

［2］徐日庆.考虑位移和时间的土压力计算方法［J］.浙江大学学报：工学版，2000（4）：370-375.

［3］吴伟强.基坑支护结构计算的位移土压力法［J］.建筑结构，1997（7）：19-21.

［4］姚国圣.考虑位移的土压力计算方法在基坑工程中的应用［J］.岩土工程学报，2013（10）：693-696.

［5］王玉珏，孙其龙.工程地质与土力学［M］.郑州：黄河水利出版社，2012：213-230.

［6］JGJ 120-2012，建筑基坑支护技术规程［S］.

[责任编辑 杨明庆]

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年黄河水利职业技术学院科研基金资助计划项目：基坑板桩式支护结构考虑位移影响土压力计算研究(2013KXJS001)。

胡 涛（1981-），男，湖北黄冈人，讲师，主要从事工程结构和岩土工程教学与研究工作。