深基坑桩撑支护体系下桩后土压力监测及分布模式探讨*

朱武卫, 席 宇, 刘博涛, 刘 义, 杨 焜, 李 哲, 杨 晓, 王宝玉

(1 陕西省建筑科学研究院有限公司，西安 710082；2 陕西建工集团有限公司，西安 710003；3 长安大学公路学院，西安 710064)

0 引言

现有基坑支护结构体系的设计多采用规范[1]中提出的弹性支点法,该计算方法所采用的桩后土压力取朗肯主动土压力。但众所周知,经典朗肯土压力理论是基于刚性很大的挡土墙条件提出的,只允许墙体产生平移或转动两种刚体位移情况,不允许产生结构变形,同时采用朗肯主动土压力计算的前提是土体达到主动极限平衡状态,即土体产生剪切破坏,形成滑动面;而实际工程应用的桩撑支护结构体系是一种柔性支挡结构,随着基坑开挖以及内支撑施作的影响,支护桩会发生不同程度的结构变形,诱发土压力重分布,且该支护结构体系限制土体达到主动极限平衡状态。因此,对于桩撑支护结构体系等柔性支挡结构的设计,其实际情况与采用朗肯主动土压力计算的前提条件差异明显,存在一定的不合理性[2],而选取合理的桩后土压力始终是基坑支护设计兼顾安全和经济的热点问题之一。

为进一步了解深基坑桩撑支护体系下桩后土压力大小与分布情况,采取现场实测方法是最直接有效的手段。本文基于西安某基坑工程开展桩后土压力现场监测工作,并基于监测结果进行土压力分布模式分析,为桩撑支护结构体系等柔性支挡结构设计所采用的土压力提供一定参考。

1 基坑概况

本工程位于西安市新城区自强东路以南、陇海线及北站房以北、西闸口以东、太华南路以西,基坑开挖范围东西长约1 000.0m,南北宽约140.0m,以其北侧丹凤门中轴划分为东区、西区两部分,东区基坑为两级坑中坑形式,一级基坑平面不规则,坑深16.8m;二级基坑平面呈矩形,坑深15.2m。受现场施工环境的影响,本文选取了东区二级基坑开展支护结构外侧主动区土压力现场监测工作。基坑平面位置如图1所示。

图1 基坑平面位置示意图

1.1 地质及水文概况

依据地勘资料可知,东区二级基坑及其支护结构所处区域土层为单一粉质黏土层(土体饱和,密实,级配不良),土层重度19.6kN/m3,黏聚力36.0kPa,内摩擦角23°,渗透系数6.0m/d,由试验测得其静止侧压力系数为0.4。受现场一级基坑降水开挖的影响,并结合一级基坑坑内现场水位监测结果,可拟定二级基坑土层区域初始水位位于一级基坑底以下2.0m位置。

1.2 支护体系

东区二级基坑支挡结构采用排桩-内支撑柔性支护结构体系,排桩采用直径为1.0m的钻孔灌注桩,桩间距1.3mm,桩长约31.0m,桩顶冠梁截面1.0m×1.0m,灌注桩、冠梁混凝土强度等级C35。内支撑体系采用两道直径0.8m(壁厚20.0mm)的钢管内支撑,第一道支撑支承在冠梁上,距桩顶标高约3.0m,间距7.0～8.0m;第二道支撑支承在桩身钢围檩上,距桩顶标高约10.0m,间距3.5～4.0m。施工过程中第一、二道钢管支撑分别预加400、500kN的轴力。基坑支护结构体系如图2所示。

图2 基坑支护体系示意图

2 土压力监测方案

2.1 一种新型土压力监测装置

现有土压力监测方法主要分为两类:一类是间接监测法[3-4],其原理是通过监测支护结构的钢筋混凝土应力、应变或者拉筋轴力再进行一定的等效换算得到土压力的方法,该类方法所埋设的应变片和应力计易受混凝土浇筑、钢筋笼吊装发生损坏、错位,导致数据丢失、失真,且拉筋轴力等效为土压力需确定拉筋对土体的约束范围,故而最终所得结果欠佳;另一类是直接监测法,其原理是基于埋设土压力盒直接测得土压力的方法,该类方法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可直接反映支护结构所受侧土压力的实际情况,现场通常采用挂布法和钻孔埋设法[5-6],但挂布法操作过程中土压力盒承压面因混凝土浇筑而容易改变方向或被混凝土包裹,成活率低;钻孔埋设法虽确保了土压力盒的成活率和埋设位置的准确性,但监测的是距支护结构一定水平距离的侧土压力,并不能直接反映作用于支护结构的真实土压力情况。

基于上述监测方法的优缺点,本文提出了一种基于土压力盒的“注浆带法”原位监测装置,主要包括土压力盒、注浆带、槽形限位筋、定向平动约束装置、注浆机、排气管、球阀、压力表等部件,如图3所示。

图3 “注浆带法”土压力监测装置

安装与监测:注浆带末端连接排气管,二者形成U形结构沿纵向钢筋排布并绑扎在钻孔灌注桩钢筋笼上,在注浆带入口及排气管尾部分别安装有球阀,将土压力盒安装在沿桩身预设监测点位所焊接的定向平动约束装置内,该装置上下20cm位置焊接槽形限位筋,土压力盒通过防水胶粘贴在注浆带上;安装好的监测装置同钢筋笼一起吊装进入桩孔,吊装阶段通过钢筋笼旋转定位将土压力盒承压面方向调整至桩后主动区土体;通过注浆机将微膨胀注浆料灌入注浆带内,待排气管端开始稳定排出注浆料时关闭末端球阀,继续匀速注浆,注浆过程中时时进行土压力盒数据采集,待埋深最浅点位土压力数据变化幅度趋于稳定时,关闭注浆口球阀。注浆料快速凝结硬化后进行混凝土浇筑,待混凝土凝结硬化后,对各监测点位的稳定土压力数值进行记录,作为初始值。随后基坑开挖过程中,时时监测并采集各埋深点位的土压力值。

该测试装置连接简单、施工方便、成活率高;定向平动约束装置可确保土压力盒在钢筋笼吊装及混凝土浇筑过程中不会错位、定位准确;饱满的注浆带可确保土压力盒与土体接触紧密,防止保护土压力盒承压面被混凝土包裹;混凝土硬化后,土压力盒基于注浆袋与灌注桩及桩后土体紧密接触,确保了土压力的传递路径。通过采集监测装置中土压力盒数据即可直接得到桩后测点位置的土压力及其沿深度方向的分布情况,属于一种新型的土压力直接测试方法。

2.2 土压力监测点布置

本工程选取了1#、2#、3#支护桩(图1),采用2.1节提出的监测装置开展桩后土压力监测,监测点位共计9个,土压力盒分别埋设于自桩顶标高下-2.0、-5.0、-8.0、-11.0、-14.0、-17.0、-20.0、-23.0、-26.0m,如图4所示。

图4 土压力监测点布置示意图

3 土压力监测结果及成因分析

3.1 监测结果

本文对桩后土压力监测结果(因本工程存在地下水,文中所述土压力监测结果在地下水位区域均为水土压力合力,以下简称土压力)予以归纳整理,1#、2#支护桩静止土压力(3#支护桩受前期线路故障和现场开挖进度影响未监测到静止土压力)沿深度方向分布的监测结果如图5所示。基坑开挖至-4.0m(第一道钢管支撑施作)、开挖至-11.0m(第二道钢管支撑施作)、开挖至-15.2m(开挖至坑底)三个工况下,1#、2#、3#支护桩后主动区土压力沿深度方向分布的监测结果如图6所示(图6(b)同时示意了2#支护桩变形沿深度方向的监测结果),1#、2#、3#支护桩后主动区土压力(同深度位置)随开挖时间变化的监测结果如图7所示。

图5 静止土压力沿深度方向的分布

图6 桩后土压力沿深度方向的分布

图7 桩后土压力随开挖时间(2020年)的变化

从图5可以看出,在基坑未开挖阶段,所测1#、2#支护桩后静止土压力沿深度方向基本呈线性分布,且各测点土压力值均未超过静止土压力理论计算值,主要原因在于钻孔灌注桩在成孔阶段以及浇筑混凝土直至硬化成型阶段,桩后土压力发生一定程度的释放,故现场实测的桩后静止土压力属于扰动后的土压力重分布结果。

从图6可以看出,在基坑分别开挖至-4.0、-11.0m和-15.2m三个工况下,所测1#、2#、3#桩后土压力沿深度方向的分布规律表现一致,即均呈现出沿深度方向增加而增大的规律,最大值均发生在现场所测最深点位-26.0m,且沿深度方向土压力整体呈现出明显的非线性分布,其分布规律大致可划分为三个阶段:1)在深度方向-2.0～-8.0m埋深范围内桩后土压力无明显变化,基本保持为一个常量,呈矩形分布;2)在深度方向-8.0～-20.0m埋深范围内桩后土压力呈近似线性增长,涨幅显著;3)在深度方向-20.0～-26.0m埋深范围内桩后土压力继续呈近似线性增长,但涨幅明显减缓。

3.2 成因分析

为便于进行桩后土压力形成上述分布规律的成因分析,表1示意了基坑开挖深度与支撑安装对应时间。

表1 基坑开挖深度与支撑安装对应时间

成因分析(以图6(b)为例予以说明)如下:

(1)基坑开挖至-4.0m,第一道钢管支撑已经施作,受内支撑刚度和预加轴力的作用,开挖区域及开挖面以下受土体回弹影响的埋深范围内支护桩的变形经历了支撑施作前因桩体背、迎土侧土压力不平衡产生的坑内变形逐渐转变为支撑施作后限制桩体向坑内变形的进一步增大甚至发生恢复变形且最终达到某一稳定变形状态的过程(如图6(b)所示,0～-5.5m埋深范围桩身在基坑开挖至-4.0m及1道支撑施作工况下的变形过程,下同),而在支护桩变形转变过程中,受内支撑的影响,桩后一定埋深范围内的土体则发生由起初某一稳定状态(基坑开挖至-4.0m)转变为受恢复后桩体挤压(1道支撑施作,下同)的过程,桩后土压力则发生由前期某一平衡状态转变为受桩体挤压而增大的过程,因本基坑为单一土层,其桩后土压力理论上沿深度方向呈近似三角形分布,但由于桩后一定深度范围土压力受挤压增大,最终形成了-2.0～-8.0m埋深范围内桩后土压力基本呈矩形的分布状态;因第一道钢管支撑施作,桩体出现恢复变形(如图6(b)所示,1道支撑施作工况下桩体变形)使得桩后土体受到不同程度挤压,桩后一定范围内土体形成土拱效应,-8.0～-20.0m埋深范围内土压力受土拱效应以及单一土层的综合影响呈现出近似线性的快速增长;而受开挖面以下桩底端部一定埋深范围内被动区土体的约束,在-20.0～-26.0m埋深范围内支护桩几乎无变形(如图6(b)所示,-20.0～-26.0m埋深范围桩身在基坑开挖至-4.0m及1道支撑施作工况下几乎无变形),加之单一土层的缘故,该埋深范围内土压力基本表现为受土体竖向应力作用下产生的侧土压力,即随深度增加保持近似线性增长的规律,但涨幅明显减缓,且对比发现该埋深范围内桩后土压力基本等同于现场实测静止土压力。

(2)基坑开挖至-11.0m,第二道钢管支撑已经施作,受该支撑刚度和预加轴力的作用,新开挖范围桩体变形的转变过程(如图6(b)所示,-4.0～-13.0m埋深范围桩身在基坑开挖至-11.0m及2道支撑施作工况下的变形过程,下同)同前文描述;该范围桩体变形转变过程中,因第一道钢管支撑不断维持预加轴力使得-2.0～-8.0m支护桩变形未发生明显变化(如图6(b)所示,-2.0～-8.0m埋深范围桩身在基坑开挖至-11.0m及2道支撑施作工况下的变形过程,桩身变形最大差值为1.3mm,发生在第一道钢管支撑位置,其余埋深范围桩身变形差值最大为0.8mm,发生在桩身-2.0m位置),故该埋深范围桩后土压力分布模式基本未发生改变,但-2.0～-8.0m支护桩受新增开挖范围的桩体变形牵引最终向坑内的变形有所增加(如图6(b)所示,-2.0～-8.0m埋深范围桩身在1道支撑施作及2道支撑施作工况下的变形,后者较前者工况下桩身变形增加,差值最大为3.2mm);同理,受2道支撑施作形成的土拱效应(如图6(b)所示,2道支撑施作工况下-5.5～-13.5m埋深范围桩体出现恢复变形使得埋深范围内桩后一定范围土体受挤压)和单一土层的综合影响,-8.0～-20.0m埋深范围内土压力分布模式基本呈现出与基坑开挖至-4.0m的相同分布状态;同理,在-20.0～-26.0m埋深范围内支护桩几乎无变形(如图6(b)所示,-20.0～-26.0m埋深范围桩身在2道支撑施作工况下几乎无变形),故-20.0～-26.0m埋深范围内土压力分布模式呈现出与基坑开挖至-4.0m相同的分布状态。

(3)基坑开挖至-15.2m,新开挖范围支护桩体因背、迎土侧土压力不平衡产生坑内变形(如图6(b)所示,基坑开挖至-15.2m工况下,-11.0～-15.2m埋深范围桩体变形),因第一、二道钢管支撑不断维持预加轴力,-2.0～-8.0m支护桩变形未发生明显变化(如图6(b)所示,基坑开挖至-15.2m工况下-2.0～-8.0m埋深范围桩体变形),-8.0～-20.0m支护桩受第二道钢管支撑以及开挖面以下被动土体的共同作用仅在-11.0～-15.2m及以下一定埋深范围略有变形(如图6(b)所示,基坑开挖至-15.2m工况下-11.0～-18.5m埋深范围桩体变形,-18.5～-20.0m埋深范围桩体几乎无变形),桩后土拱效应减弱,综合土拱效应、单一土层以及桩体发生变形区域的影响,-2.0～-8.0m、-8.0～-20.0m埋深范围内土压力分布模式在-11.0～-15.2m区间涨幅略有减缓,但整体基本呈现出与基坑开挖至-4.0、-11.0m相同的分布状态;同理,在-20.0～-26.0m埋深范围内支护桩几乎无变形(如图6(b)所示,-20.0～-26.0m埋深范围桩身在基坑开挖至-15.2m工况下几乎无变形),故-20.0～-26.0m埋深范围桩后土压力分布模式基本呈现出与基坑开挖至-4.0、-11.0m相同的分布状态。

对比图6中基坑分别开挖至-4.0、-11.0m和-15.2m工况下1#、2#、3#支护桩后土压力监测值与朗肯主动土压力可知,在深度方向-2.0～-5.0m埋深范围内,各工况下1#、2#、3#支护桩后各测点土压力均大于朗肯主动土压力;在深度方向-8.0～26.0m埋深范围,基坑分别开挖至-4.0、-11.0m工况下,2#、3#支护桩后个别测点土压力约为朗肯主动土压力的1.1倍,其余测点土压力均未超过朗肯主动土压力;而基坑开挖至-15.2m工况下,各测点土压力均未超过朗肯主动土压力。可见,桩撑支护体系下,桩后主动区土压力(各埋深范围)与朗肯主动土压力的相对大小受基坑开挖深度的影响而不尽相同。

从图7可以看出,随着开挖时间的推进,即基坑分别开挖至-4.0、-11.0m及-15.2m,所测1#、2#、3#支护桩后同深度位置土压力均基本呈现出不断减小的规律,各深度位置土压力均在基坑开挖至坑底(-15.2m)时达到最小值,且在-2.0、-5.0、-8.0m以及-11.0m埋深位置桩后土压力减小幅度不明显,在-14.0、-17.0m埋深位置桩后土压力减小幅度显著,而在-20.0、-23.0、-26.0m埋深位置桩后土压力减小幅度减弱。产生上述变化规律的原因(以图6(b)予以说明)在于,随着开挖时间的推进,基坑开挖深度不断增加、支护桩向坑内变形不断增加,桩后土体偏离桩体程度逐渐增加,桩后土压力逐渐减小;但受第一、二道钢管支撑不断维持预加轴力来弥补预应力松弛的影响,桩体一定深度范围的桩身变形未发生显著变化(如图6(b)所示,在基坑开挖至-15.2m工况下-2.0～-11.0m埋深范围桩身变形),故在-2.0～-11.0m埋深位置的土压力减弱不明显;受-11.0～-15.2m范围开挖引起桩体向坑内变形的影响,故在-11.0～-20.0m埋深位置的土压力减弱显著;受坑底开挖面以下一定范围(如图6(b)所示,在基坑开挖至-15.2m工况下-20.0～-26.0m埋深范围桩身几乎无变形)被动区土体对支护桩的约束,故在-20.0～-26.0m埋深位置的土压力减弱减缓。

4 主动区土压力分布模式研究

目前,有关支挡结构土压力分布模式的研究结论[7-10]尚不统一,但所提出的土压力分布模式都普遍考虑了沿深度方向Z的相关性,但结合本文第3节土压力监测结果分析可知,桩后土压力除了沿深度方向Z发生变化以外,同时也随着基坑开挖深度H的不同而发生变化。对此,本文基于1#、2#、3#支护桩后土压力分别在基坑开挖至-4.0、-11.0m以及-15.2m三个工况下的监测平均值开展其沿深度方向Z、开挖深度H的分布模式研究。经归纳整理,三个不同开挖深度工况下,桩后土压力监测平均值沿深度方向的变化如图8所示。

图8 土压力监测平均值分布图

从图8可以看出,基坑开挖至-4.0、-11.0m以及-15.2m的三个工况下,土压力监测平均值沿深度方向的分布模式同前述第3节分析结果,即可划分为三个阶段:-2.0～-8.0m为矩形分布模式、-8.0～-20.0m为线性增长分布模式、-20.0～-26.0m为线性增长分布模式;且随着开挖深度的增加,各深度土压力逐渐减小。同时,通过对比朗肯主动土压力和静止土压力可发现,-2.0～-8.0m埋深范围土压力与朗肯主动土压力和静止土压力的相对大小无统一区分,但基本保持一个常量,-8.0～-20.0m、-20.0～-26.0m埋深范围土压力均不超过朗肯主动土压力;而文献[10-11]有关土层参数与土压力分布相关性的研究结果均表明土体黏聚力c、摩擦角φ属于主要影响因素。因此,本文基于理论朗肯主动土压力Pak和静止土压力P0,对桩后土压力P提出三段式分布模式(式(1)):

(1)

式中:T(H)为对分布阶段一土压力取值大小进行开挖深度H修正的修正系数;F(Z,H)、Q(Z,H)分别为对分布阶段二、三土压力取值大小进行开挖深度H、埋深Z修正的修正系数;Z1、Z2为 常数;H1为基坑开挖深度。

本文通过对土压力监测平均值与测点埋深Z、开挖深度H进行数据拟合,最终得出适用于本工程桩撑支护体系下(即共设置2道支撑的情况)主动区土压力分布计算公式,即:

(2)

式(2)中第一段0～-2.0m土压力取值同-2.0～-8.0m土压力。

采用式(2)分别得到了基坑开挖至-4.0、-11.0m以及-15.2m三个工况下各测点土压力值,并与现场1#、2#、3#桩土压力监测均值作对比,详细结果见表2。从表2可以看出,个别监测点位拟合值与监测均值偏差较大,绝大多数监测点位拟合值与监测值误差均不超过5%。开挖至-15.2m工况下,-11.0m点位土压力拟合值与监测均值偏差较大是维持内撑预加轴力导致的,而其他个别点位主要是因现场监测均值较小而导致拟合值与监测均值的差值占比过大。总体来说,所拟合的土压力大小和分布基本符合现场监测情况,所拟合的计算公式可用于预测其他开挖深度下桩后主动区土压力的大小与分布,通过各工况下的包络取值可进一步用于支挡结构设计。

表2 土压力拟合值与监测均值对比

5 结论

本文通过采用一种新型土压力监测装置对深基坑桩撑支护体系下桩后土压力进行现场监测及其分布模式探讨,主要得到以下结论:

(1)静止土压力监测值沿深度方向基本呈现近似线性分布,且监测值均小于理论计算值,主要是由于钻孔灌注桩成孔、成型阶段土压力发生了一定程度的释放,监测值为扰动后土压力重分布的结果。

(2)受桩撑体系、土拱效应和被动区土体的共同作用,桩后土压力沿深度方向的分布规律呈现明显的非线性分布,主要表现为三阶段:较浅埋深范围的矩形分布、中段埋深范围涨幅明显的线性分布以及尾段埋深范围涨幅减弱的线性分布;且该分布模式随着基坑开挖深度的增加基本保持不变。

(3)随基坑开挖深度的增加,支护结构坑内位移不断增大,桩后各深度方向土压力均基本呈现出不断减小的规律;且受桩撑体系、土拱效应和被动区土体的共同作用,支护桩顶部和端部一定埋深范围内土压力减幅不明显,而支护桩中间段一定埋深范围内土压力减幅明显。

(4)桩撑支护体系下,桩后各埋深范围土压力与朗肯主动土压力的相对大小受基坑开挖深度的影响而不尽相同。

(5)本文基于朗肯主动土压力Pak和静止土压力P0提出了三段式土压力分布模式,综合考虑了土层黏聚力c、摩擦角φ、基坑开挖深度H以及深度Z的影响,且拟合公式的计算结果与现场土压力监测情况吻合较好,可用于预测基坑不同开挖深度工况下的土压力大小与分布情况,为支护结构设计提供一定参考。

(6)基于本文的土压力监测结果及其分布模式成因分析,桩撑支护体系下内支撑的数量、刚度及预加轴力对桩后土压力的影响有待进一步研究。