深基坑护坡桩土压力工程测试分析

王 崇 安徽省建设工程测试研究院有限责任公司

1 引言

对于土压力问题来讲，难以借助理论来进行精准解答的。在支护结构的设计方面，对于郎肯土压力理论来说，由于易于进行计算，再加上力学概念较为清晰，由此得到了广泛的应用，然而因为岩土工程颇为复杂，无论实施何种计算方法，均难以获取可观的计算结果，当对粘土层进行设计时，常常较为保守，通常情况下应当充分结合地区经验，来进行相应的修正。一般而言，有很多因素会降低钢筋应力，尤其是土压力计算误差。基于土压力的作用，为有效探究护坡桩破坏机理，并为了更好弄清土体变形、桩位移改变情况等，本文不但开展了工程测试，也进行了模型试验。

2 原体工程实测内容与模型试验

2.1 原体工程实测内容

对于实测内容而言，主要包含以下几点，也就是护坡桩内力、土压力、护坡桩位移、土体位移以及桩的倾斜。（1）护坡桩内力。针对基坑开挖进行测试，基于土压力的作用，进一步测试钢筋的受力状况。需要使用的仪器设备是钢弦式应力计，将其同受力主筋进行连接，其自身也会承受一定的拉力，就接收仪器而言，它属于一种频率测定仪。（2）土压力。借助钢弦式土压力盒以及相应的接收仪器来实现，对于护坡桩来说，主要是通过大直径人工挖孔的方式来完成，直径介于90cm～110cm之间，是由人将元件带到孔内，根据不一样的深度来处理元件，将其埋到孔壁中，当进行基坑挖土施工时，对处在不同深度的土压力值进行测试。（3）护坡桩位移。对于位移观测点来说，应尽可能地设置于护坡桩，这样当对基坑进行开挖作业时，就可以对水平位移进行实时观测。（4）土体位移。对于基坑来说，在不一样的距离地方都应埋设测斜管，借助测斜仪对挖土时的土体水平位移进行测量。（5）桩的倾斜。在桩体的内部埋设相应的测斜管，当开展基坑开挖作业时，通过对测斜仪的使用，进一步来测量侧向位移，从而针对不一样深度地方的桩身，可以获取相应的水平位移值。

2.2 模型试验

对于模型试验而言，本文主要从模型桩、土料与土的制备、附加荷载、开挖以及土压力测试等方面进行探讨。

（1）模型桩。对于模型桩的运用，一般都需要借助黄铜管，建议直径为40mm左右，桩长为1.9m，同时还应在黄铜管的外壁加装电阻片，并实行反复检验、认真筛选，以便能够挑选出精度和稳定性都较好的黄铜管，将其当作模型桩。要求模型桩之间的距离在7cm左右，同时对于桩的上端，还应使用连梁进行连接，其中连梁主要是由扁钢合成，借助螺栓实现连梁同护坡桩的连接。

（2）土料与土的制备。对于试坑内的土料而言，可以进一步将其分成两种：一种是粘性土，另一种就是砂土。土料的制备：结合一定的含水量，对土料进行配制操作，在完成对桩的组装时，吊进试坑之后，接下来进行分层回填，铺上适当厚度的土料，借助木夯的作用进行夯实处理，充分把握其容重，针对每一次试验土，促使其两个指标差不多相似，一个是物理指标，另一个是力学指标。在试验结束之后，选择不一样深度的土样，对有关的参数进行测试，比如土样容重以及含水量等，并针对于以上两项指标，检验其能否符合试验要求。

（3）附加荷载。在进行模型试验时，想要针对桩的一侧开展挖土作业，对其失稳破坏进行测试，在开展挖土作业之前，应先在桩后预加较大面积的荷载，建议其荷载强度是28MPa，由此能够提升基坑深度。

（4）开挖。当均布荷载和测试工作完成之后，需要结合多种试验要求，将其划分成5～10层进行开挖，每一层的开挖作业都要等到桩顶位移平稳之后，才能再进行下一层的开挖作业。从开挖之后直到平稳这一过程中，都需要根据时间间隔来记录相应的数据信息。若是护坡桩失去平衡，或者是桩位移较大，也就是高于50mm时应该停止试验。

（5）土压力测试。针对护坡桩侧壁的土压力进行测试时，需要借助应变式土压力盒实现，通常其直径是26mm，厚度是8mm。

（6）桩顶、桩体位移的测量。应在桩身的多个位置加装位移传感器，对不同阶段的桩顶以及桩身位移进行测量。

3 土压力实测分析

以模型试验来分析，因为是先将桩就位之后才进行填土夯实处理，对于成桩过程来讲，与具体工程是不同的，当进行填土夯实时会形成一定的摩擦力，从而促使土压力变小，在进行开挖施工之后伴随深度越来越深，会导致土压力随之降低，并且和郎肯土压力进行比较时，这一压力相对较小，另外对于桩顶土压力来讲，其数值基本上为零，随着挖深的增加，会促使土压力更加趋于零。

在开挖面一侧，与郎肯土压力进行比较，嵌固段土压力也是不一样的。相比于被动土压力，对于嵌固段土压力而言，其下半段较小而上半段较大，需要注意的是，即便是失稳状态，也难以实现被动土压力状态，甚至以桩根位置来看，土压力有着降低的趋势。

对于实测以及郎肯压力来讲，两者存在的不同，主要是由于粘聚性土体在开挖施工的过程中促使桩形成了位移，就桩位移以及土变形来分析，两者缺乏一定的协调性，与土位移进行比较，上部桩位移较大，基于这样的情况导致桩土彼此脱离，从而形成一定的向下裂缝，因为土有着粘聚性，所以土体不会出现坍落的现象，土压力并没有发生改变。另一方面，对于不存在裂缝的区段，因为位移量有着差异，所以在土压力降低幅度方面，与桩下部进行比较，桩上部的相对较大。

在产生桩位移的基础上，使得土压力分布形式得以产生，因此开挖面一侧有着最高的表面位移，促使土体被挤压，从而先实现极限强度，然而以桩根部来分析，因为位移并不大，所以即便处于失稳状态，也难以实现被动土压力值。

在超过极限挖土深度之后会致使桩倾覆，从而导致土体失去稳定，随之荷载块慢慢沉陷，并且产生一定的滑动位移，因此无论是分布形态还是数值，与失稳之前的进行比较，此时的土压力都发生了较大的改变，图1所示为失稳前后的比较。与郎肯土压力进行比较，主动土压力相对较大，而且以合力作用点来分析，表现出下移的趋势，故而相比于郎肯土压力，结构土压力是不一样的。

图1 失稳前后的比较

通过模型土压力规律，为了更好体现支护土压力的状况，本文以某工程的土压力实测开展对比，实际上对于护坡桩结构来讲，因为其属于使用状态，所以仅能获取该状态的实测值，并不能获取极限值，这一点不同于模型试验。在开挖施工过程中土压力呈现降低的趋势，以土压力降低幅度来分析，与桩下部进行对比，桩顶的较大，针对朗普土压力而言，土压力值大概为其三分之一，在开挖面一侧，伴随开挖深度变大，促使嵌固段土压力随之提高，因此未处于极限状态，即便土压力得到一定的增加，也没有超过被动土压力，与计算值进行对比，实测值大概为其二分之一。

4 裂缝分析

通过观察能够得知，无论是具体工程还是模型试验，在形成桩顶位移的情况下，均会存在一定的裂缝，而且朝着向下的方向延伸，与此同时伴随位移的变大，会促使裂缝变得更深。

针对模型试验，在其处于极限状态之后（如图2所示，为模型桩裂缝图），侧面土体出现错裂，对于错裂面来讲，其高差大概能够达到5cm，宽度处于1cm～3cm的范围，地面有着明显的沉陷，而以外沉陷量来分析，出现了逐渐降低的趋势，当与桩之间的距离达到0.8m时，沉陷不再减小，基于这样的范围有着一定的微裂缝，并且和基坑有着平行关系，以裂宽来分析，其并没有超过3mm。

图2 模型桩裂缝图

在试验之后，将土体断面挖出来，对裂缝变化情况进行分析，针对开挖深度而言，在达到其四分之三的地方，裂缝才慢慢消失，由此可以得知其有着很深的裂缝，以裂缝上部来分析，与桩位移进行比较，因为土体位移相对较小，在桩以及土体之间存在彼此脱离的现象，故而导致裂缝的延伸，因此以桩上土压力来分析，其数值为零，而对于裂缝下部来讲，是属于闭合状态的，裂缝周围土体存在剪切力。

5 粘聚力对土压力的影响

针对一组粘性土以及砂土，基于两者的比较试验来展开相应的研究，通过试验得知：对于郎肯土以及实测土，引发两者压力不同的因素有很多，尤其是土体粘聚力。

表1所示为关键的土性参数，其中编号1的粘聚力达到6.8kPa，相比之下，砂土的粘聚力基本上为零。

表1 粘性土和砂土对比试验的参数

图3所示为桩顶位移、弯矩以及土压力的比较。从破坏出现的时间来看，与粘性土试验进行比较，砂性土表现得较早，在开挖深度达到1.1m时，以砂土试验B来分析，桩长达到1.8m，而对于嵌固以及桩长来讲，两者的比例为0.39，换句话来讲，已经处于极限状态，以试验A来分析，在开挖深度达到1.4m时，桩长达到1.8m，而对于嵌固以及桩长来讲，两者的比例为0.22，故而才处于极限状态。在土压力方面，与砂土进行比较粘性土的相对较小，另外以合力作用点位置来看，粘性土的位置较低，由此会促使下桩弯矩变得更小，总之由于土体粘聚力的存在，会导致桩的弯矩变小。

图3 桩顶位移、弯矩以及土压力的比较

6 结论

基于粘性土的支护工程，对于某些护坡桩钢筋强度来讲，并没有得到彻底的发挥，与钢筋设置强度进行比较，钢筋应力相对较小，从而导致了大量的浪费，面对这样的情况，有必要对计算方法进行优化，引发钢筋应力不高的因素有很多，尤其是土压力。通过测试以及试验得知，对于土体变形以及桩位移，两者间缺乏一定的协调性，故而产生朝下的裂缝，另外与主动土压力进行比较，由于护坡桩的较小，从而导致作用点呈现降低的趋势，随之也会减小桩的内力。