废旧集装箱支挡预留土反压效果分析

曹新刚， 董金奎

(中煤第三建设(集团)有限责任公司， 安徽 宿州 234000)

城市基坑工程往往具有开挖深度大、开挖面积大、周边环境复杂、场地狭小、对围护结构变形要求高等特点，故通常采用多层内支撑进行围护结构支护。但内支撑占用施工空间，且后续需拆除(第一道内支撑通常为钢筋混凝土支撑)，造成一定的资源浪费与环境污染[1, 2]。

图1 基坑传统预留反压土示意

为此，在基坑开挖过程中，可通过优化施工方法，在不影响后续施工空间的前提下尽可能的少开挖、晚开挖，预留一部分土体对围护结构形成反压(见图1)，可达到节省内支撑、降低围护结构变形、提高施工过程围护结构安全性的目的[3～6]。

如在天津站交通枢纽工程施工过程中，一级基坑处采用高度h=6.0 m、顶宽a=5.0 m、坡率1∶1.5的预留土进行反压，节约了大量工程投资、缩短了施工工期[7]；郑刚等[8]结合天津市一些工程经验，建立了考虑反压土影响时支护结构内力和变形的计算方法，并结合工程实例进行比较分析；刘畅等[9]基于有限元计算分析了反压土宽度、高度、坡度、放坡级数、面积等截面特征对支护结构位移和内力的影响规律，结果表明，当反压土高度为0.5～0.6倍基坑开挖高度时效果最佳；李淑等[10]在北京地铁某车站深基坑施工中采取竖向分层、横向和纵向分段、分阶段对称开挖方法，预留反压土长度方向7.5 m、宽度方向7.4 m、深度方向结合支撑位置不大于4 m，对基坑变形取得了较好控制效果。这些研究增进了人们对预留土反压的认识。

但预留土需占用一定的空间，在受限环境中可能无足够的空间来实施预留土反压。预留土边坡属于临时性边坡，破坏后果不严重，根据相关规范，安全等级应属于三级(高度一般不超过10.0 m)，安全系数应大于1.15。若预留土高度小于5 m，硬塑黏性土坡率不大于1∶1；若预留土高度大于5 m，硬塑黏性土坡率不大于1∶1.25[11]。以预留土高度h=3.0 m、顶宽a=2.0 m、坡率1∶1为例，其底部宽为5.0 m，即距离围护结构根部5.0 m的范围内均被预留土占据，显然在城市基坑工程中往往难以实现。

另一方面，我国每年产生大量废旧集装箱，若能把装满填土的废旧集装箱作为预留土的支挡结构，使预留土无需放坡，预留土直立面与集装箱侧面接触，则可大大减小预留土的占地需求。本文拟对废旧集装箱支挡预留土的效果进行探讨。

1 废旧集装箱支挡预留土方法

废旧集装箱具有下列优点[12]：(1)廉价、资源丰富；(2)空间大、强度与刚度大；(3)可堆叠、相互连接牢固；(4)可重复利用。

预留土之所以占地较大，是由于其坡率有相关要求，否则预留土边坡自身难以稳定，预留土临时边坡的破坏势必影响工程施工。若采用装满填土的废旧集装箱作为预留土的支挡结构，则可大大减小预留土的占地需求。

1.1 废旧集装箱支挡预留土的构型

废旧集装箱四壁固定闭合、去除箱顶后，即可成为可利用的容器，如图2所示。以20 GP集装箱为例，宽度2.438 m、高度2.591 m，若以填土重度为17 kN/m3计算，压在土体上能产生约17×2.6=44.2 kPa的均布荷载。

图2 去箱顶的废旧集装箱示意

图3给出了采用一层集装箱的预留土构型情况，相应三维示意图见图4。原状土宽度a<2.0 m，集装箱占地宽度b=2.438 m，反压土体总宽度可以不大于4.5 m(甚至更小)集装箱内装满填土，还可以堆高。集装箱与围护结构之间尽可能保留原状土，之间的缝隙填入压实填土，最终填土的高度h可大于集装箱高度2.59 m，堆高后一般大于3 m。

图3 单层废旧集装箱支挡预留土示意

图4 废旧集装箱支挡预留土三维示意

为了防止集装箱产生滑动，可在集装箱的外侧两端打入工字钢，对集装箱形成抗滑约束，提高稳定性。更进一步地，为了提高集装箱与土体之间的侧压力，可在工字钢与集装箱之间加装千斤顶，通过千斤顶给集装箱施加水平力，使集装箱主动压迫土体，从而增大了预留土与围护结构之间的水平作用力，该效果显然是传统预留土坡无法实现的。当然，如采用千斤顶施加压力，需在集装箱的加载位置处加装钢板、檩条等，避免应力集中而使集装箱箱体发生局部屈服与破坏。

若基坑围护结构根部的空间相对较大、基坑开挖深度较大，则可采用两层集装箱布置，如图5所示。下部用两排集装箱，上部用一排集装箱，相邻集装箱之间用角件牢固相连。该填土的高度h大于5.2 m，总占地宽度可取6 m左右。

图5 两层废旧集装箱支挡预留土示意

采用废旧集装箱支挡预留土的优点：

(1)占地小。单排集装箱占地宽度2.438 m，集装箱与围护结构之间的填土宽度通常小于2.0 m，故图3所示的占地宽度不大于4.5 m，同等条件下与传统预留土进行1∶1放坡相比，其占地更小。

(2)稳定性高。传统预留土边坡虽然进行表面喷混凝土护面处理，但在恶劣环境中其自身稳定性难以保证，若预留土边坡发生破坏必然对施工造成影响。而采用集装箱支挡预留土后，集装箱强度与刚度大，各集装箱之间牢固连接形成整体，且用工字钢进行了抗侧移约束，与传统预留土相比其稳定性大大提高。

(3)受雨水影响小。众所周知，雨水是诱发基坑工程安全事故的主要原因，在极端气候条件下，基坑在一段时间内可能被雨水浸泡。传统预留土边坡被雨水浸泡后，即使不发生滑移破坏，其也产生较大的远离围护结构的位移，使得水平反压荷载大大降低。而采用集装箱装满填土抵住预留土后，即使预留土被雨水浸泡，其也难以发生较大的远离围护结构的位移，对围护结构的水平作用力、对底部被动土压力区的竖向作用力基本不受影响。

(4)可施加额外压力。如前文所述，可在工字钢与集装箱之间加装千斤顶，通过千斤顶给集装箱施加水平力，使围护结构底部受到更大的水平作用力，约束围护结构向坑内的变形，显然是有利的。而传统预留土坡显然无法施加额外压力。

1.2 废旧集装箱支挡预留土的施工方法

(1)提前准备好去除箱顶的废旧集装箱、角件、工字钢等材料与相应施工机械。

(2)在拟设置预留土反压的坑底位置，沿坑底标高从外围向围护结构根部处分段开挖预留土，根据预留土的性质确定开挖坡度，确保施工时不发生坍塌即可。开挖至预留土底宽设计值，平整其坡脚处的场地。应分段开挖与填筑，避免大范围开挖后大范围填筑。大范围开挖导致围护结构发生较大变形，后续虽然填筑形成了预留土，但围护结构的变形已发生，此时的预留土反压效果大打折扣，仅成为一种安全储备措施。因此，应开挖一段(通常取一个或两个集装箱的长度范围)后及时布置集装箱并填筑，该段施工结束后再进行下一段的开挖与填筑。如在合肥地区，正常情况下-5～-10 m处的土层为硬塑性微膨胀土，在垂直开挖3～5 m情况下短时间内往往能保持自稳，这对施工是非常有利的。若地质条件较差，土体自稳性差，则预留土坡度放缓，后续填土体积变大，填土的压实度难以有效保证。开挖与填筑的速度应足够快，一个集装箱长度范围的施工应在1小时或数小时内完成，时间越短越好，一般不可超过12小时。开挖与支护时间短，使预留土开挖卸载时围护结构变形小，后续集装箱形成的挡土结构及时提供侧压力与竖向压力，对围护结构提供支护。另外，应避免在雨水天气施工，此时预留土自身的稳定性较差，挖填施工的效率也较低，耗时长、风险大。

(3)把废旧集装箱推至预留土坡脚处，集装箱的长边与围护结构平行，集装箱内侧底边与预留土坡脚紧密接触。废旧集装箱位置摆好后，再在集装箱两端外侧打入工字钢，阻止集装箱后续可能的水平滑移。如后续拟采用千斤顶加载，则工字钢的位置与集装箱加固的位置需相互匹配，方便后续预压力的施加。

(4)向集装箱内填土，优先填入碎石、卵石或无黏性土，方便后续填土的移除作业。当然，也可采用基坑内部本身挖除的土体填入集装箱中。集装箱填满后，再填筑预留土坡与集装箱之间的空隙，该部分填土需分层压实，否则集装箱与填土之间的接触较弱，降低了反压土对围护结构提供的水平作用力。原状土与集装箱侧壁之间的填土，应分层压实填筑，压实度应满足规范要求。若填土蓬松，导致集装箱与预留土之间水平作用力很弱，从而减小了预留土与围护结构之间的作用力，使预留土反压没有达到应有的最佳效果，显然是不值得的。

(5)该节集装箱施工完毕后，再在其旁边位置重复上述方法进行施工，且用角件把相邻集装箱的角部固定相连。如此重复，直至该预留土反压段施工结束。

预留土反压是临时性措施，后续随着施工的进展需要挖除废旧集装箱支挡的预留土时，挖除方法如下：拔出集装箱根部的工字钢，卸除各集装箱之间相互连接的角件，逐个移除各集装箱内的填土，再逐个吊走各集装箱，再进一步开挖剩余的预留土，直至清理干净至设计标高。

2 有限元计算模型

文献[13]中详细报道某深基坑双排桩支护结构的设计参数、地质条件、监测数据等，现以该工程为例，建立有限元计算模型，探讨废旧集装箱支挡预留土反压的作用效果。

双排桩桩长14.0 m，基坑地面上下各7.0 m，桩径0.8 m、中心距1.4 m，前后排桩中心距3.0 m，桩顶设置冠梁与横梁，尺寸均为0.8 m×0.8 m，基坑支护如图6所示。

图6 基坑支护示意/m

根据地勘报告，从上至下各土层可分为①杂填土、②淤泥、③黏土、④粉砂夹粉土、⑤粉质黏土、⑥粉细砂、⑦细砂，采用Mohr-Coulomb模型对土体进行模拟，土层的计算参数见表1。基于Plaxis软件进行数值模拟，图7给出了网格划分情况。

图7 有限元网格划分

数值计算按平面应变问题考虑，桩与横梁等效为板单元，等效后桩的轴向刚度EA=1.67×107kN、抗弯刚度EI=4.31×105kN·m2，横梁的轴向刚度EA=1.99×107kN、抗弯刚度EI=7.32×105kN·m2。挖方工程的计算步骤为：原土体自重应力平衡、开挖2 m深度的放坡、激活桩单元、分层开挖(杀死开挖面处的土体单元)至坑底。

表1 土层计算参数

基于有限元计算对该基坑工程进行了模拟，以前排桩的水平位移为例，计算值与监测数据对比分析见图8。水平位移最大值位于桩顶处，计算值为51.55 mm， 监测值为50.06 mm，该处计算误差为2.98%。两者误差最大的位置位于距桩顶-2.1 m处，计算值为48.70 mm，监测值为42.90 mm，该处计算误差为13.5%。鉴于桩体水平位移最大值为控制指标之一，可见本文数值计算的精度总体上是可以接受的，说明数值建模是合理的。

图8 前排桩水平位移计算值与监测值的对比

为了考察废旧集装箱支挡预留土反压的效果，在前排桩根部建立竖向荷载与水平荷载对预留土反压进行等效，如图9所示。图中竖向荷载即为预留土的自重应力，水平荷载即为土体的侧压力(呈三角形分布，底部最大值为Ph)。

图9 预留土反压等效荷载示意

现设计下列四种工况进行对比计算：

(1)工况一：单层集装箱支挡预留土反压(见图3)，预留土宽度a=1.0 m，且集装箱与预留土之间接触紧密。各参数取值为(假定侧压力系数为0.5)：Lv1=3.5 m，Lv2=0，h=2.6 m，Pv1=44.2 kPa，Pv2=0，Ph=22.1 kPa。

(2)工况二：单层集装箱支挡预留土反压，预留土宽度a=1.0 m，但集装箱与预留土之间接触松散，视为无水平作用力。各参数取值为：Lv1=3.5 m，Lv2=0，h=0，Pv1=44.2 kPa，Pv2=0，Ph=0。

(3)工况三：两层集装箱支挡预留土反压(见图5)，预留土宽度a=1.0 m，且集装箱与预留土之间接触紧密。各参数取值为：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)工况四：两层集装箱支挡预留土反压，预留土宽度a=1.0 m，但集装箱与预留土之间接触松散，视为无水平作用力。各参数取值为：Lv1=3.5 m，Lv2=2.5 m，h=0，Pv1=88.4 kPa，Pv2=44.2 kPa，Ph=0。

3 计算结果分析

通过对比计算，得到了各工况的土体变形、桩体变形与桩体内力情况。

3.1 土体与桩体水平位移

土体与桩体的水平位移是基坑开挖过程中的关键监测与控制指标。不同工况下前排桩与后排桩的水平位移分布如图10，11所示。以后排桩为例，无反压、工况一～工况四的水平位移最大值分别为53.86，29.90，33.12，19.83，26.24 mm，可见：设置预留土反压的桩体水平位移大大小于无反压的情况，工况一～工况四使后排桩水平位移最大值分别减小了44.49%，38.5%，63.18%，51.28%，预留土反压能有效减小桩体的水平位移。

图10 前排桩的水平位移分布

图11 后排桩的水平位移分布

桩体水平位移最大值均发生在桩顶，反压土的自重越大，桩体的水平位移越小；反压土自重与侧向土压力共同作用下桩体的水平位移比仅自重作用的情况更小。故预留土反压的最好效果是：一方面有较大的土体自重压在围护结构根部的被动土压力作用区域上，另一方面有较大的侧压力水平作用在前排桩体上。

特别地，若能给预留土体施加预压力，即增大对围护结构的水平作用力，必然进一步减小围护结构的水平位移。本文所提的废旧集装箱支挡预留土反压为施加预压力提供了可能。关于对预留土施加预压力的试验与分析将另文探讨。

计算还表明，同一工况中后排桩的水平位移略大于前排桩的水平位移。以工况二为例，前排桩的水平位移最大值为30.81 mm, 后排桩的水平位移最大值为33.12 mm，该差值2.31 mm是横梁的弹性压缩变形。这是由于该工程桩顶具有2.0 m高度的放坡土体，使得后排桩承受了更大的土压力，后排桩被推挤更严重，其变形也更大。

图12给出了两种工况下的土体水平位移等值线分布情况。可见，无反压与预留土反压情况下的土体水平位移变形趋势与规律基本相同，但相同位置处预留土反压情况下的水平位移小于无反压的情况，这与前后排桩的变形规律是吻合的。

图12 土体水平位移等值线分布/mm

3.2 桩体剪力

不同工况下前排桩与后排桩的剪力分布如图13，14所示。可见，前排桩的剪力最大值位于坑底位置处，而后排桩剪力最大值位于桩顶。以后排桩为例，无反压、工况一～工况四的剪力最大值分别为124.6，120.9，123.9，101.5，120.5 kN，可见预留土反压对后排桩的剪力影响不大。根据图15可知，不同工况下坑底以上前排桩的剪力也差别不大。鉴于剪力通常不是抗滑桩的控制荷载，往往通过设置构造箍筋就能满足抗滑桩的抗剪要求，故可认为不同工况对桩体剪力的影响可忽略不计。

图13 前排桩剪力分布

图14 后排桩剪力分布

3.3 桩体弯矩

不同工况下前排桩与后排桩的弯矩分布如图15，16所示。可见，前排桩的弯矩最大值基本位于距桩顶3.0 m深度处，而后排桩的弯矩最大值位于桩顶处。 以后排桩为例，无反压、工况一～工况四的弯矩最大值(绝对值)分别为437.6，348.7，369.2，256.6，323.7 kN·m，设置预留土反压的桩体弯矩小于无反压的情况，工况一～工况四使后排桩弯矩最大值分别减小了20.3%，15.6%，41.4%，26.0%，预留土反压能有效减小桩体的弯矩。上述规律与桩体水平位移与轴力相同。

反弯点是弯矩正值与负值的转换位置，其弯矩值为0。从图15，16可以看出，与无反压的情况下相比，预留土反压使前排桩与后排桩的反弯点位置均有所上升。

图15 前排桩的弯矩分布

图16 后排桩的弯矩分布

上述各参数仅列举了后排桩的数据，前排桩各参数的最大值(绝对值)见表2，其展现的规律与后排桩相同，故不再详述。

上述计算中取预留土的宽度a=1.0 m，事实上，当基坑空间狭小时，该值可进一步缩小，达到总占地宽度小于3.0 m。即在施工空间有限情况下，所提技术方法仍可以实现，只需确保集装箱与围护结构之间填土紧密、能有效传递水平荷载即可。而传统的预留土放坡占地大，当空间狭窄时难以实现，即使能实现也占用了其它工序的施工空间。可见，本文所提技术比传统的预留土坡适用范围更广，且总体上廉价、可靠，可在基坑支护中推广应用。

表2 前排桩各工况参数最大值对比分析

综上所述，本文所提的基于废旧集装箱支挡预留土反压的技术方法，能有效减小基坑开挖过程的水平位移，大大降低桩体的轴力与弯矩，提高了施工过程中围护结构的安全性，且具有占地小、稳定性高、抗侧移刚度大、施工简便、造价低廉等优点。所提方法也可以用于紧急情况下的基坑护坡抢险施工，利用强度与刚度较大的废旧集装箱可大大提高临时土坡的稳定性、增加反压土坡的高度、缩小土坡的占地。

上述计算是基于二维平面应变有限元方法开展的，其与真实的三维实际情况不可避免地存在一定的差异，后续尚有待进一步开展模型试验、现场试验与三维有限元论证，以期促进废旧集装箱支挡预留土反压方法在挖方工程中的运用。

4 结 论

(1)传统预留土反压具有占地大、自身稳定性差的局限性，为此，提出基于废旧集装箱支挡预留土反压的技术方法，其具有占地小、稳定性高、抗侧移刚度大、施工简便、造价低廉等优点。

(2)为了防止集装箱产生滑动，可在集装箱的外侧两端打入工字钢，对集装箱形成抗滑约束，提高稳定性。并可在工字钢与集装箱之间加装千斤顶，通过千斤顶给集装箱施加水平预压力，提高对围护结构的约束能力，而传统预留土坡显然无法施加预压力。

(3)计算表明，废旧集装箱支挡预留土反压能有效减小基坑开挖过程中土体与桩体的水平位移，大大降低桩体的轴力与弯矩，从而提高了施工过程中基坑的安全性。

(4)采用两层废旧集装箱，比采用单层集装箱支护更能够约束围护结构与土体的变形；预留土体与围护结构之间的水平作用力越大，围护结构与土体的变形越小。故实际工程中，应尽可能采用多层废旧集装箱堆叠支护预留土，且使预留土与集装箱侧壁之间接触紧密。

(5)原状土与集装箱侧壁之间的填土，应分层压实填筑，压实度应满足规范要求，否则将减小预留土与围护结构之间的水平作用力，降低预留土反压应有的最佳效果。