土压力原位测试装置研发及应用*

刘 义，朱武卫，杨 焜，席 宇，杨 晓，李 哲，李又云

(1.陕西省建筑科学研究院有限公司，陕西 西安 710082； 2.长安大学公路学院，陕西 西安 710064)

0 引言

在基坑工程中，支护结构承受的主要荷载为土压力，准确获得土压力数据是进行土压力理论研究的基础。土具有复杂的工程特性，土压力的大小和分布是土体与支护结构相互作用的结果，和土的物理力学性质、土与支护结构的位移、支护结构刚度等均有直接关系[1]。目前，支护结构设计中的土压力一般是根据库伦(Coulomb)或朗肯(Rankine)经典土压力理论进行计算，是基于土体极限平衡状态下推导得到的，同时也没有考虑支护结构位移对土压力的影响[2-3]。这与土压力的实际分布情况有较大差异。

为了研究土压力的分布规律，国内众多高校和科研院所开展了大量试验研究，通过各类装置进行土压力测量，并据此提出了一些计算理论、研究思路和对经典土压力理论的修正方法，促进了土压力理论和基坑支护结构设计方法的发展。

本文对现有的土压力测试方法及装置进行了总结，分析了现有土压力试验装置在应用中存在的问题，提出了基于土压力盒的“注浆带法”原位测试装置，并将之应用于西安火车站北广场基坑工程中，验证了其实用性和有效性。

1 土压力量测方法

根据土压力的试验量测方式可以将目前的测试方法分为间接法和直接法。

1.1 间接测试方法

间接法主要有两种形式，一是通过测量纵向受力钢筋应力计算支护结构内力进而反演得到侧土压力，二是沿垂直坡面设水平拉筋，通过拉筋应力得到侧土压力。

文献[4-6]以实际基坑工程为依托，在施工现场选取了若干试验桩进行土压力原位测试，沿桩身按一定间距选取多个截面，在钢筋笼相应截面位置的纵向受力钢筋上粘贴应变片或埋入钢筋应力计，并根据支护桩桩身受力特点确定基底平面附近为重点监测部位进行加密设置。基坑开挖过程中通过数据采集系统实时获得桩身各截面的钢筋应力或应变，从而反算出桩的截面弯矩，再根据增量法可进一步推导出桩身所受剪力和土压力分布。

此方法仅在桩体施工时会引起土体扰动，通过桩体内力能够间接得到支护结构所受土压力。但施工过程中钢筋笼的吊装、混凝土浇筑容易导致应变片损坏，或使应变片和钢筋计错位，使有效数据减少或误差增大。而且其反演方法是基于多个假定条件才能成立的：①平截面假定；②支护桩处于完全弹性工作状态，且混凝土未开裂。因而反演法得到的侧土压力与实际情况有差异。当存在内支撑和锚杆时，还需要另外布置量测设备测出其受力，反演计算时也更加复杂。

文献[7-8]在研究原状非饱和黄土垂直高边坡侧土压力的分布特征时，采用了一种新型测试方法。在黄土地区选取一处天然斜坡，在距斜坡一定距离处(远离滑移面)挖桩孔，同时在坡面上打设水平孔至桩孔处。水平孔自上而下等高度布置，孔内放置PVC管，将安装了钢筋应力计的拉筋一端伸入桩孔内，通过浇筑混凝土使之锚固在桩上；一端伸出坡面，在垂直切坡至相应位置处，用螺栓和钢板固定在临空面上，并施加一定的预应力，测试装置如图1所示。当从坡顶不断向下进行切坡施工时，由于土体应力释放，会对钢板产生土压力引起钢筋拉伸变形，通过采集钢筋拉力可换算得到土压力。

图1 “拉筋法”土压力测试装置

图1所示方法目前主要应用在黄土地区的原有天然边坡，要求土体的自持能力好，天然边坡的垂直高度和坡角较大，因而该装置的应用具有局限性。钢筋计测得的是水平方向的集中力，转化成土压力需要确定每根拉筋的约束范围，同时要消除拉筋预应力及其与土体之间的摩擦力影响。边坡须逐步开挖成垂直边坡，钢筋计和拉筋的布置需要在基坑开挖过程中逐步布置，较为繁琐，且原状土在设备安装前就已发生一定程度的变形。锚固桩原则上应设置在滑移区影响范围外，确保其在切坡施工中不会产生变形和位移，但若与坡面的距离过远，水平孔打设难度大，因而实际中一般难以达到。

1.2 直接测试方法

相比间接法，基于土压力盒直接获得侧土压力的方法更加便捷，在尽量避免土体扰动和确保量测准确的前提下获得的土压力数据也最能反映支护结构所受侧土压力的实际情况，因此相关测试装置广泛应用于室内模型试验和室外原位试验。

文献[9-14]为研究地基或支护结构的侧土压力分布规律，设计了室内土压力测试装置，一般设计成模型箱，模型箱一侧为支护结构，另外3个方向则直接用钢板围成，在挡墙迎土侧的中心轴线自上而下布置高精度微型土压力盒，然后回填土体并夯实。通过在模型箱土体中打桩、填入复合地基或者施加竖向荷载等，来研究土体自重、复合地基作用或超载等单一或多种耦合作用下挡墙所受土压力的分布规律。

这种通过模型箱进行设备布置和数据采集的室内测试装置，具有很好的可控性，测试仪器安装简单、牢固，成活率高，数据采集准确。但其缺点是使用非原状土，经过设计配比的土体性质与原状土存在着较大差异，测得的土压力也与施工现场支护结构的实际受力状况有所区别。

为了进行实际基坑项目的土压力监测和开挖过程中的土压力分布模式及变化规律研究，用于现场原位试验的相关测试装置也在不断研发，其中常见的有挂布法和钻孔埋设法等。

文献[15]将央视新台址基坑东侧开挖深度21m处的1根支护桩作为试验对象，使用帆布缝制挂袋并按一定间距绑束在钢筋笼上，将土压力盒承压面朝向外侧放入挂袋中，随钢筋笼一起下放至桩孔内。当混凝土浇筑并凝结硬化后，可通过数据采集系统测得不同深度、不同施工阶段桩身的土压力变化规律。挂布法施工操作简单，能够将土压力盒贴合在支护结构表面，但浇筑混凝土时土压力盒容易被混凝土包裹，导致其在混凝土凝结硬化后丧失功能。

文献[16-18]选择了钻孔埋设土压力盒的方法，在实际深基坑项目的支护结构施工完成后，于桩后一定距离处挖竖直孔。使用钢筋、钢板或其他杆件制作土压力盒的限位装置，然后将土压力盒粘贴在限位装置后一起下放至孔内，并以砂土回填夯实。通过测试数据研究了典型深基坑支护样式下主动区土压力的分布规律。该方法能够确保土压力盒的成活率和埋设位置的准确性，但因为不是直接贴合在支护结构表面上，当设备周边土体没有和支护结构协同变形时，测得的数据将失真，孔的深度及孔内地下水的存在将影响回填土的夯实质量，容易出现回填不密实的情况。在支护桩迎土侧挖孔埋设量测设备，使原状土产生了扰动，因而施工时还需注意减小对土体的扰动并保证土压力盒与土体的密切接触。

2 土压力测试装置研究

2.1 主要结构及组成

本文在对前述已有的土压力测试方法进行归纳、总结后，设计了一款基于土压力盒的“注浆带法”原位测试装置，如图2所示。该装置主要包括以下部件。

图2 “注浆带法”土压力测试装置

1)土压力盒 即埋入式土压力传感器。双膜式，厚度2cm，工作温度-25℃～60℃，灵敏度0.1kPa，精度0.5%FS，标准量程2MPa。

2)注浆带 沿钢筋笼的纵向受力钢筋设置，用来固定和布置土压力盒的部件，为确保注浆带饱满状态下土压力盒与土体紧密接触但又不会引起较大的土体扰动，对注浆带尺寸有一定要求，按照“注浆带外径-混凝土保护层厚度≥1cm”及“注浆带外径+土压力盒厚度-混凝土保护层厚度≤4cm”的原则选取。如本文的试验桩保护层厚度为5cm，因而选择注浆带外径为6.5cm，压平宽度10cm。此外，还要求注浆带厚度均匀，表面光滑清洁，无褶皱，不渗水，在设定注浆压力下不产生拉伸变形或变形很小。

3)槽型限位筋 用来将注浆带固定在钢筋笼上，其尺寸根据注浆带压平宽度确定。

4)定向平动约束装置 用来约束土压力盒在注浆移动过程中的扭转和偏斜，包括定位筋、侧板、背板，如图3所示。通过背板和两侧板形成“凵”字形小部件，根据土压力盒的尺寸在装置中部焊接4根定位约束钢筋。施工时将背板焊接在钢筋笼拟定的土压力盒布置处，将注浆带平铺压实在背板和土压力盒之间，该装置能够确保注浆带在注浆鼓胀过程中，推动土压力盒平行移动，而且在后续混凝土浇筑过程中还可限制和保护土压力盒，减小土压力盒的偏斜、扭转问题。

图3 土压力盒定向平动约束装置

5)注浆机 额定电压220/380V，额定功率3kW，出料口外径32mm，输送流量2m3/h，通过粒径≤3mm。

6)排气管 与注浆带底部连接并从钢筋笼上部伸出，注浆时排出空气，确保注浆饱满。因与注浆带组成U形结构，故要求其外径小于注浆带内径，同时具备热弯性能，且不破损。

7)球阀 直通式，安装在注浆口及排气管口。

8)压力表 表盘直径100mm，测量范围0～1.6MPa，精度1.6级，环境温度-5～60℃。

2.2 操作流程

基于土压力盒的“注浆带”法原位测试装置主要用于施工过程中支护结构所受土压力的现场采集工作，整套装置需要固定在钢筋笼上使用，实际应用时，截取比钢筋笼长度略短的注浆带，将注浆带末端与排气管连接在一起，其作用主要用来排除注浆带中的空气，保证注浆料填充密实，要求接口处不得渗漏；排气管加热弯曲后，与注浆带按照U形结构排布在绑扎好的钢筋笼上，通过槽型限位筋和扎丝加以固定，在装置两端安装球阀，如图4a，4b所示。

图4 现场施工

在设计的土压力盒位置处，焊接定向平动约束装置，而后将注浆带平铺放入，再将土压力盒放入约束装置内，并用防水胶粘贴在注浆带上，确保土压力盒承压面垂直面向钢筋笼外侧，电缆线沿钢筋笼主筋排设并用扎丝固定，如图4c所示。

将安装好的装置同钢筋笼一起放入桩孔内。将注浆机输出口与注浆带接口连接，通过注浆机将微膨胀高强灌浆料注入注浆带内，注浆料要符合流动性、凝结时间等要求，注浆料设计初始流动度为10～17s，30min时为10～20s；初凝时间≥3h，终凝时间≤24h，灌浆料凝结硬化后与桩身混凝土基本一致。

施工时，浆液逐渐充满注浆带并挤压空气从排气管排出，当排气管端开始稳定排出注浆料时关闭末端球阀。注浆过程中注浆带不断鼓胀，推动土压力盒向孔壁行进，最终使其与孔壁的土体紧密接触，至孔口处注浆带达到饱满状态且压力表读数达到指定压力后，关闭注浆口球阀，注浆结束，如图4d所示。在整个注浆过程中对土压力盒的读数进行不间断监测。

注浆结束后，开始浇筑混凝土，浇筑过程中要认真做好电缆线保护。待混凝土凝结硬化后，进行初始数据采集和施工过程中的实时量测。

2.3 装置特点

1)工序相比挂布法稍显繁琐，但槽型限位筋、定向平动约束装置等均可在工地现场就地取材。总体而言，该装置连接较为简单，制作及安装难度较小。

2)注浆带通过槽型限位筋贴合在钢筋笼上；土压力盒与注浆带粘结在一起，再通过定向平动约束装置将其牢固约束在钢筋笼上指定位置，可以确保土压力盒在行进过程中仅发生平动，在钢筋笼吊装及混凝土浇筑过程中不会错位。土压力盒位置准确，在与土体接触后，承压面与桩身表面相切。

由于土压力盒固定在钢筋笼上，钢筋笼吊放时应注意保持位置准确，使土压力盒承压面垂直于基坑侧壁，同时要进行严格的施工质量控制，采取措施防止钢筋笼扭转。

3)按设计要求选择的注浆带尺寸合适，当其充满注浆料后，可使土压力盒与土体接触紧密，保护土压力盒不被混凝土包裹，确保土压力盒有效；注浆带饱满后侵入桩身外土体的体积小，周边土体的挤压变形小，经一定时间间隔后，因施工扰动导致的土体局部应力增大可逐渐恢复原状。

4)当混凝土和注浆液都凝结硬化后，灌注桩和充满浆料的注浆带会变成一个整体，两者刚度差异很小。土压力盒夹在灌注桩及周边土体之间，三者接触紧密，确保了土压力的传递路径。

3 工程应用及结果分析

将该套土压力测试装置应用于西安火车站北广场深基坑工程的支护桩土压力测试中，该基坑工程为异形坑中坑，开挖面积大、支护措施复杂，在施工过程中进行支护结构主动区土压力监测，既是降低工程风险、确保施工安全的必要措施，也是研究基坑开挖过程中侧土压力分布及发展规律的重要契机。

基坑平面如图5所示，本次测试沿断面共选取了4个试验桩。该基坑为两级“坑中坑”形式，内、外坑的深度均在16m左右。土压力测点布置在二级基坑的支护桩上，桩长26m，其中16m在坑底以上，嵌固深度为10m。

图5 基坑平面

试验桩所在位置的工程地质剖面如图6所示。拟建场地地下水类型属孔隙潜水，稳定水位埋深6.0m左右。止水帷幕采用两喷两搅三轴搅拌桩施工工艺，施工时坑内采用井点降水，坑外进行回灌以保持水位稳定。

图6 桩位处工程地质剖面

除1-2试验桩在破桩过程中因工人失误、电缆线损坏而失效外，其余3根都能采集到数据，且沿桩身布置的各土压力盒均正常工作，无明显数据异常。由此可见该装置具有成活率高、数据采集可靠的优点。

当灌注桩施工完成后，此时土体尚未达到稳定状态，测得的土压力数据在不断变化中，以1-1试验桩为例，如图7所示。

图7 支护桩施工完成后土压力盒数据变化

此时基坑虽然尚未开挖，但由于注浆带鼓胀推动土压力盒对土体产生的局部挤压，以及桩孔开挖和混凝土浇筑导致的土体扰动，会使桩周土体暂时处于不稳定状态。

从图上可以看出，作用在支护桩上的土压力随时间而逐渐变化。在9月30日至10月23日期间的4次量测中均有较大差别，其数值总体上呈逐渐减小的趋势。此时采集到的数据不能准确反映支护桩所受原状土的侧向土压力，不应作为基坑开挖前的土压力初始值。当经过一定时间后，通过土颗粒的重新排列和骨架体的错动，土体应力随时间逐步调整并最终趋于稳定。图中10月30日与10月23日的土压力数值相差不大，证明此时土体已经再次达到了稳定状态。

通过对土压力数据进行观测分析，认为1-1试验桩和2-1，2-2试验桩的周边土体分别在10月30日和10月22日达到稳定状态后，而后再进行基坑开挖及数据采集，基坑开挖过程中支护桩侧土压力的分布及发展规律如图8所示。

在整个施工过程中，数据采集顺利，且呈现明显的规律性，从图8可以得出以下结论。

1)基坑开挖前，支护桩侧土压力从桩顶至桩底，大致呈三角形分布。

2)随着基坑的逐步开挖，支护桩在迎土侧土压力的作用下朝基坑内侧变形，土压力由静止土压力逐步向主动土压力变化，这可以从图中逐渐减小的土压力得到很好体现，尤以基坑底面以上桩身侧土压力的减小最为明显。

3)开挖完成后的支护桩侧土压力沿桩身不再呈三角形分布。从桩顶至1/2基坑深度位置的土压力数值较小且沿高度基本保持不变，这是因为土体具有较好的强度和黏聚力，在坑内土体开挖后，该高度范围内的土体与支护结构变形不协调，其不依赖支护措施就可保持土体稳定；在1/2基坑深度以下，土压力恢复增长，大致呈梯形分布，文中土压力的分布模式与文献[4]采用钢筋应力反算出的桩身土压力分布模式形状相似。

3根试验桩的桩身土压力分布规律具有明显的一致性，但亦存在着一定差异，其主要原因是：该基坑为异形深大基坑，施工工况十分复杂，基坑采用分区分块开挖，自东向西开挖深度呈东深西浅的特点；基坑各部位交叉施工，内坑开挖时其北侧自强路隧道的主体结构已部分施工完成。此外，在不同的试验桩位置处，外坑开挖范围、深度及内外坑间距也不一致，上述因素综合导致了各根试验桩侧土压力的差异。

4 结语

本文综合分析了现有土压力量测装置的优缺点，研发了一套基于土压力盒的“注浆带法”土压力原位测试装置，并将之运用于实际工程中，在施工现场选取试验桩，采集并分析了土压力数据，得到如下结论。

1)研发的土压力原位测试装置简单，施工方便，成活率高，可靠性好。

2)研发的土压力原位测试装置由土压力盒、注浆带、约束装置等部件组成。将整套设备连接完成并固定在钢筋笼上，再通过注浆使注浆带膨胀来推动土压力盒和孔壁土体紧密接触，进而测得真实的土压力，需要注意注浆带的参数选择及定向平动约束装置的设置。

3)桩孔开挖、土压力盒对局部土体挤压以及桩体混凝土浇筑均对桩周土体产生扰动，根据本文实测结果，为了消除土体扰动对测试结果的影响，应在桩身施工完成后1个月左右再进行基坑开挖。

4)从土压力分布曲线来看，开挖前土压力大致呈三角形分布，随着施工的进行，支护结构迎土侧土压力逐渐由静止土压力转变成主动土压力，桩身的土压力分布发生显著变化，在桩顶至1/2基坑深度位置区间，其土压力沿竖向基本无变化且总体较小；从1/2基坑深度往下开始恢复增长，呈梯形分布。