坑中坑对基坑支护挡土桩的影响及处理

杨雁翔 钟宗炘 李伟玲

中建一局集团第六建筑有限公司 河北 石家庄 050017

1 坑中坑对支护挡土桩的影响分析

传统的基坑支护结构，嵌固段主要由被动土压力PP维持稳定（图1）。

图1 根部土体受力示意

式中：γ——土的重度；

h——挡土桩嵌固深度；

θ——滑裂面与水平面夹角；

φ——土的内摩擦角。

我们已经知道，桩前土的被动土压力值，是楔体沿与水平面呈(π/4－φ/2)角度的滑裂面挤出时的水平力，其大小为：

上述被动土压力计算方法是针对不设坑中坑时所采用的。设置坑中坑以后，在楔体右侧土体被截断、右侧土体的稳定性可能受到影响之后，被动土压力是否一样，则需要我们进一步探讨。

坑中坑按照坑底位置分为2种，即坑底位于挡土桩底以下（含平齐的）的坑中坑和坑底位于挡土桩底以上的坑中坑。

1.1 坑底位于挡土桩底以下的坑中坑分析

桩前土在被动土压力作用下，在楔体挤出过程中，楔体也将推挤右侧土体（图2、图3）。

图2 坑中坑示意（坑底位于挡土桩底以下）

图3 右侧土体受力、合力示意

右侧土体有3个力作用，即本身土体自重W1，楔体的推力R'，底面反力R1。

通常情况下，图3中土重力W1因右侧土体无限连续而为无穷大。基坑设置坑中坑后，右侧土体不再连续，土重力变得有限[1]。

楔体的推力R'，与被动土压力楔体分析时的反力R，是作用力与反作用力的关系，大小相等、方向相反，因此，完全可以将其分解成水平方向和铅垂方向的2个力。水平力的大小与被动土压力相同，铅垂方向的力与楔体土重力相同。因此叠加到受力图上，显得简洁直观。

基底反力R1方向与铅垂方向的夹角为土的内摩擦角φ，方向偏左。

从叠加图中可以看出，W＋W1即为桩前土的总重力。

从力的关系上看，如果右侧土体不滑移，则右图R'、R1、W1必然闭合。事实上能否闭合，则又取决于土的总重（楔体＋右侧土体）与土的内摩擦角正切值的乘积。也就是土体要抵抗楔体推力，必须满足PP≤(W＋W1)tanφ这一条件。因此，桩前土能否稳定，最终归结为土体抗剪力能否抵抗楔体挤出时的被动土压力。

为了论述探究简便，这里假设坑中坑是直壁坑，那么W＋W1=hs γ（s为坑中坑与基坑底边净距），则抗剪力为hs γtanφ。

式（2）右边值，即为挡土桩避免坑中坑不受影响的安全距离。

当坑中坑与基坑底边净距大于安全距离时，由于楔体右侧土体抗剪能力足以抵抗楔体推力，被动土压力不受影响，因此挡土桩的嵌固段不受影响，是属于安全的；当小于安全距离时，楔体右侧土体抗剪能力不足以抵抗楔体推力，被动土压力达不到原设计要求，桩的嵌固段安全性将受到影响[2]。

根据式（2），设某基坑挡土桩嵌固段长度为5 m，土壤为无黏性土，内摩擦角φ=36°，坑中坑深度5 m，则可计算得到安全距离为13.25 m。

1.2 坑底位于挡土桩底以上的坑中坑分析

对于坑底位于挡土桩底以上的坑中坑，我们依旧从土体受力分析开始（图4、图5）

图4 坑中坑示意（坑底位于挡土桩底以上）

图5 楔体右侧土体受力、合力示意

从图5中可以看出，右侧土体受3个力的作用，即本身重力、楔体作用力、基底反力。依据前文分析，楔体对右侧土体的作用力可以分解成水平力和竖向力；而水平力与竖直力分别等于被动土压力和楔体土重力。如果要受力平衡，则基底反力的水平分力必然等于被动土压力。即：(W＋

通过求解方程，对于已知深度的坑中坑，其安全距离为：

式中：Kp=tan2(π/4＋φ/2)。

当h1=h时，式（3）可化简为式（2）。式（3）右边值，即为安全值。

坑底位于挡土桩底以上的坑中坑，坑中坑与基坑底边净距对挡土桩嵌固段的影响，与前一类坑中坑基本一样，只是安全距离不同而已[3]。

根据式（3），设某基坑的参数同前，坑中坑深度为h1=3，则可计算得到安全距离为11.77 m。结果表明，安全距离比坑底位于挡土桩底以下的坑中坑要小。

2 坑中坑与基坑底边安全距离不足时的处理

在探索处理措施之前，先进一步分析了解PP与滑裂面角θ的关系，现对被动土压力式中h、γ、φ赋予数值并做图。假设h=5 m，γ=20 kN/m3，φ=36°，对φ)cotθ做图如下（图6）。

图6 Pp与 θ 的函数关系

从图6中可以看出：

1）楔体破坏时的被动土压力，是楔体沿着某一滑裂面挤出时的压力的最小值。

2）当θ=0°时，也即楔体滑裂面呈水平状态时，楔体重力为无穷大，需要使楔体破坏的被动土压力也无穷大。

3）当θ=54°（弧度值为0.942）时，被动土压力为无穷大，此时，滑裂面上的反力呈水平方向，需要使楔体挤出的被动土压力为无穷大。

从中还可以对图6作如下解读：

1）改变滑裂面位置，抵抗力增加，挤出楔体的被动土压力增加。

2）依据前文分析，滑裂面改变后，若实际被动土压力提高到新的水平，则楔体对楔体右侧的水平推力将会增加。

现在对滑裂面偏离进行分析。假如，在桩前土体沿滑裂面(π/4－φ/2)打入花管，注入水泥浆，则水泥浆固化后滑裂面将向两侧偏离。假如注浆孔不被堵死，继续注浆，浆液在此基础上进一步向两侧扩散，水泥浆固结后，滑裂面则进一步偏离。随着滑裂面偏离，被动土压力也将增加。处理后的效果体现在2个方面，一是同等土体被动土压力提高，同等土体获得相同被动土压力时，桩的嵌固段将减小（实际工程中，主动土压力是不增加的，实际被动土压力也因此不会增加）。这里要说明的是，滑裂面偏离只适用于局部加固土体；如果全面加固，即各个滑裂面均被固结，那么滑裂面仍旧回到(π/4－φ/2)，不过被动土压力提高到更高的水平。由此，在探索局部注浆加固的同时，也应看到密实处理（各种挤密方法）的加固方法具有其天然的合理性。因此，注浆加固（包括局部注浆和全部注浆）和密实处理，是提高桩前土被动土压力的有效方法。

增加楔体右侧土体抗剪力，理论上不仅可以通过提高内摩擦角的方法取得，而且还可以通过增加土的重力的方法取得。因此，以往桩前堆土增加桩前土压重，也是增加土体抗剪能力的有效方法之一。只不过这种方法比较适用于应急抢险的情况，平常则用得较少。

2.1 坑底位于挡土桩底以下的坑中坑处理

这类坑中坑按照其与基坑底边的距离分为2类，即距离小于安全值和距离不小于安全值的2类[4]。

1）距离不小于安全值的坑中坑，满足安全要求，可不处理。

2）距离小于安全值的坑中坑又分2种，即处在被动土压力滑裂面以内的和处在被动土压力滑裂面以外的。

① 在滑裂面以外的坑中坑，由于任意滑裂面均可满足被动土压力，因此滑裂面上侧土体（楔体）可以不加固。滑裂面以下（或楔体右侧）土体，由于抗剪能力不足，需要加固处理。加固的目的是使右侧土体的抗剪能力能够抵抗楔体推力的水平分力（被动土压力）。土体抗剪能力提高后，桩前土成为整体，虽避免了剪切破坏，但是，随之而来的可能是水平力推动土体整体向右倾覆的倾向。因此，土体必要时需要向深度方向进行加固处理。深度数值可以按照重力挡土墙计算确定，以确保能抵抗被动土压力的倾覆力矩（图7）。

② 在滑裂面以内的坑中坑，土体应当全面加固。即加固楔体，使被动土压力滑裂面偏离(π/4－φ/2)，直至偏离坑中坑削弱楔体区域；加固底部以增加土体与基底土抗剪力，加固深度同样可以按照重力挡土墙计算确定（图8）。

图7 坑中坑在滑裂面以外的加固区域

图8 坑中坑在滑裂面以内的加固区域

2.2 坑底位于挡土桩底以上的坑中坑处理

该类坑中坑对挡土桩嵌固段影响较小，安全距离计算式有所不同。处理原则与前一类坑中坑一样，不再赘述。

这里需要说明的是，用桩底嵌固段全长段受被动土压力来判断坑中坑与基坑底边净距是否安全的做法是偏于保守的。嵌固段最主要的平衡，是桩后主动土压力和桩前被动土压力的平衡。基坑设计阶段，虽然设计计算模型不同，但大多会在计算所需长度上增加20%，代替下部反弯段的繁琐计算。因此，计算安全距离时，建议按照嵌固段长度乘以0.83，然后按照这个长度计算被动土压力，再计算安全距离。从桩后主动土压力和桩前被动土压力的平衡观点出发，当坑中坑影响嵌固段时，除前述桩前土加固外，在挡土桩根部增加锚杆和腰梁也是有效的处理方法。

3 结语

坑中坑对支护结构嵌固的影响，主要在于坑中坑截断桩前土体连续性，继而影响被动土压力的形成条件。本文探讨的桩前土加固方法因此也从创造被动土压力形成条件入手。对于加固后的土体整体稳定问题，文中对土体受力进行了较具体的分析，作用在土体整体上的力因而明了，倾覆设计及验算也就轻而易举了。