不同支护结构的实测土压力及其分析

第24卷第5期南京工业大学学报V o l.24N o.5 2002年9月 JOU RNAL O F NAN J I N G UN I V ER S IT Y O F T ECHNOLO GY Sep.2002
不同支护结构的实测土压力及其分析Ξ
李俊才1,2,罗国煜2,张文进1
(11南京工业大学土木工程学院,江苏南京210009;21南京大学地球科学系,江苏南京210093)
摘　要:通过对南京某大厦深基坑支护结构侧土压力的实测研究,分析和研究了软土地区悬臂支护结构、单层支点混合支护结构、连拱支护结构侧土压力分布的基本规律。

关键词:深基坑;土压力;悬臂支护结构;单层支点混合支护结构;连拱支护结构
中图分类号:TU432 文献标识码:A 文章编号:167127643(2002)0520085207
土压力是土体因自重或外荷载作用对支护结构产生的侧向压力,是土与支护结构相互作用的结果,与支护结构的形式、刚度、变位、土与结构的接触条件以及支护结构受到的约束等密切相关。

在土体变形达到破坏之前,土压力的大小是难以确定的;在土体达到破坏状态时,由于变形土体内各点很难同时进入极限平衡状态,土压力计算也带有一定程度的不确定性。

因此,至今仍难以用理论计算做出精确的解答。

在深基坑开挖支护结构的设计上,库伦(1776年)和朗肯(1857年)的土压力理论,因其计算简单和力学概念明确,仍然是目前支护结构的设计依据。

而广泛应用于深基坑支护的连续墙、钻孔灌注桩、挖孔桩等属于一种轻型的挡土结构,在荷载作用下,其工作状态一般为弹性嵌固。

它有别于刚性墙的特点是,由于撑锚系统及入土段土体的约束,在墙后土体的压力作用下,墙体产生挠曲变形,引起土压力的重新分布。

同时,这一变形值要求控制在一定的范围内,以避免基坑周边设施受到破坏,因而一般不能达到主动土压力的变形范围值。

所以按传统的设计方法计算的土压力,与支护结构实际受力偏差较大。

本文针对南京某大厦深基坑支护结构(桩)在其开挖施工过程中作了较全面的测试研究,以进一步认识作用在不同支护结构上的土压力的分布规律。

1　南京某大厦深基坑工程概况
111　基坑开挖深度及支护结构
南京某大厦底部设二层地下室,地下室南北长227m,东西长84m,基坑支护总延长约553m。

基坑开挖深度为816m( 、 、 、 、 、 、 、 区),局部塔楼挖深为1013m( 区)。

其中ABCD E 段采用钻孔灌注桩挡土加双钢管水平钢支撑(单层支点混合支护结构),EFG段、HA段采用悬臂钻孔灌注桩挡土,外侧均为二排深层搅拌桩止水;GH段采用钻孔灌注桩连拱支护结构,拱脚支持桩(大桩)直径1000mm,小桩直径600mm(每拱共有小桩7个),小桩桩心距800mm,跨度l=5000mm,拱高f =1800mm,外侧采用大降水。

坑内采用管井井点降水的方案。

基坑开挖按 、 、 、 、 、 、 、 、 顺序进行,每区分三层(010～315m、315～710m、710～816m),其中 区分四层(010～315 m、315～710m、710～816m、816～1013m)(图1)。

112拟建场地的工程水文地质条件
该场地地貌上属古秦淮河河漫滩,与基坑支护结构相关的土体为: 层近期人工填土,平均厚度415m; 1层粉砂,灰黄色,稍密,平均层厚315～415m,透水性极好; 2层粉土及粉质粘土,平均层厚410m; 3层粉砂夹粉土,稍密,平均层厚412～818m; 层粉质粘土夹粉土,软塑,主要分布在场区北端; 层粘土,硬塑,主要分布在场区的南端。

2　不同支护结构的实测土压力
211　悬臂支护结构(桩)土压力的分布特征
HA段基坑挖深1013m( 区)的悬臂支护桩桩长2110m,压顶圈梁位于自然地坪下110m,桩
Ξ收稿日期:2002207201
作者简介:李俊才(19632),男,江苏常熟人,博士后,副教授,主要从事岩土工程的教学、科研工作。

入土嵌固1017m ,在桩身外侧(主动区)离地面为718m 、1013m 、1415m 、1815m 、2015m 和内侧(被动区)离地面为1415m 、1815m 、2015m 的深度上各布设1只土压力盒(T Y 6测点),各点的土压力计算和实测值见图1～5。

图中-315m 、-710m 等,表示某级开挖所达到的深度(由地面起算)。

K 0表示静止土压力,K a 表示朗肯主动土压力,e 初测表示尚未开挖时在各测点测得的主动土压力,e -315m 、e -710m 、
e -816m 、e -1013m 分别表示开挖深度为-315m 、-710m 、
-816m 、-1013m 时在各测点测得的主动土压力。

K p 表示朗肯被动土压力,e p 初测表示尚未开挖时在各测点测得的被动土压力,e p-315m
、e p-
710m
、e p-
816m
、
e p-
1013m
分别表示开挖深度为-315m 、-710m 、
-816m 、-1013m 时各测点的被动土压力。

在各测
点桩顶水平位移、主(被)动侧土压力与时间关系曲
线图中,S 代表桩顶在各个监测时间测得的水平位移,-415m 、-718m 、-816m 、…、-2015m 代表在深度-415m 、-718m 、-816m 、…、-2015m 的点在各个监测时间测得的主(被)动土压力。

本文中的土压力和土抗力都是指水土压力的合力,若有地面荷载时也包括地面荷载产生的侧压力;土压(抗)力指土压(抗)力强度;总的土压(抗)力称总土压(抗)力,桩体水平位移简称桩体位移。

注:o TY 1-
TY 6桩身两侧土压力监测点 o GJ 1-GJ 6桩身钢筋应力监测点
o CX 1-CX 8桩身深层位移(测斜)监测点o C 1-C 25,G 1-G 17管井井点降水井
1-1,2-2,3-3钢支撑支撑轴力监测点
、 — 区深基坑开挖分区及开挖顺序
图1基坑支护结构及测试点平面布置图
F ig .1　Coll ocati on of retaining structures and m easuring dots
21111　从图2可以看出,随着开挖深度增加,支护
结构位移增大,释放土压力增大,作用在支护桩上的主动侧土压力却不断减小。

21112　图3反映了悬臂支护结构不同深度的主动
侧土压力随着开挖深度的变化情况。

主动侧土压力呈上小下大的三角形分布,它基本介于静止土压力K 0与朗肯主动土压力K a 之间,在基坑开挖之前,由于没有任何变形空间,土压力等于作用于被测点处的静止土压力,但由于埋设土压力盒的钻孔中的回填砂的密实性比原状土差,故实测值比计算值小。

随着基坑的逐渐开挖,桩体位移的不断加大,主动侧土压力逐渐减小,并且较上部的侧土压力减小的幅度远大于较下部的侧土压力减小的幅度。

下部主动侧土压力仍介于静止土压力K 0与朗肯主动土压力K a
之
图2　T Y 6测点桩顶位移、主动侧土压力与时间关系曲线
F ig .2　V ariati on of dis p lace m ent w ith ti m e of p ile head and
active lateral earth p ressure of TY 6gauge
68 南京工业大学学
报 第24卷
图3　T Y 6测点主动侧土压力随开挖深度的变化曲线
F ig .3　V ariati on of active lateral earth p ressure
w ith dep th of TY 6gauge
间,但上部主动侧土压力至开挖到基坑底部时已远小于朗肯主动土压力。

这与该悬臂支护结构位移过大(此时桩顶最大位移已达178mm )[1],在桩后土体中产生数条宽约10～40mm 向下延伸的裂缝,由于土的粘聚性,裂缝处土体没有坍落,导致土压力迅速降低,土压力零点不断下移,桩顶以下一定范围内土压力为零,总主动土压力不断减小,作用点不断下移。

21113　被动侧土压力大小也基本介于静止土压力
K 0与朗肯被动土压力K p 之间,但随着开挖深度的不
断加深,支护桩向基坑内侧变形,被动区的土受桩的挤压作用,随着支护桩向内侧变形的增加,被动侧土压力也随之增大(图4),但上部土体的被动侧土压力迅速大于朗肯被动侧土压力K p ,桩的下部,被动侧土压力仍没有超出朗肯被动侧土压力值,仅为其值的2 3左右。

这是由于嵌固段在挖土表面位移最大,使土受到挤压,会最先达到塑性极限强度,但在桩的下部,其位移很小,侧土压力远未达到极限状态
的被动土压力。

即使这样,被动侧土压力的分布状态仍保持上小下大的三角形分布。

图4、图5显示了土压力T Y 6测点测到的被动土压力随开挖深度及变形的变化情况。

21114　被动区的侧土压力变化是较复杂的,这是由于被动侧土压力不仅与支护桩的变形有关,而且还与土的覆盖层厚度成正比,而覆盖层不断开挖,从而使被动土压力又有减小的趋势。

图4　T Y 6测点桩顶位移、
被动侧土压力与时间关系曲线
F ig .4　V ariati on of dis p lace m ent w ith ti m e of p ile head and
passive lateral earth p ressure of TY 6gauge
图5　T Y 6测点被动侧土压力随开挖深度的变化曲线
F ig .5　V ariati on of passive earth lateral p ressure w ith
dep th of TY 6gauge
212　单层支点混合支护结构(桩)土压力的分布特
征
ABCD E 段基坑挖深816m ,采用钻孔灌注桩挡
土加双钢管支撑,钻孔灌注桩长1610m ,压顶圈梁位于自然地坪下210m ,桩入土嵌固714m ,在桩身外侧(主动区)离地面为415m 、816m 、1210m 、1710
m 和内侧(被动区)离地面为1210m 、
1710m 的深度上各布设一只土压力盒(T Y 1、T Y 3测点),各点的土压力计算和实测值见图6～13。

21211　从图6、图7可以看出,随着开挖深度的增加,支护结构位移的增大,释放土压力增大,作用在支护桩上不同深度的主动侧土压力与悬臂支护结构不尽相同,有增有减。

7
8第5期李俊生等:不同支护结构的实测土压力及其分析
图6　T Y 1测点桩顶位移、主动侧土压力与时间关系曲线
F ig .6　V ariati on of dis p lace m en t w ith ti m e of p ile head and
active lateral earth p ressure of T Y 1
gauge
图7
　T Y 3测点桩顶位移、主动侧土压力与时间关系曲线
F ig .7　V ariati on of dis p lace m ent w ith ti m e of p ile head and
active lateral earth p ressure of TY 3gauge
21212　据图8、图9不难看出,在开挖初期,主动侧
土压力的大小介于静止土压力K 0与朗肯主动土压力K a 之间,但随着开挖深度的增加,释放土压力增大,主动侧土压力逐渐接近朗肯主动土压力,但在支撑点附近,主动侧土压力下降减缓,甚至不降反升;但在基坑开挖面上下,主动侧土压力大幅下降,远小于朗肯主动土压力。

至开挖深度达816m 时,支撑点至开挖面,随着深度的增加,主动侧土压力逐渐减小;开挖面以下,随着深度的增加,主动侧土压力逐渐增加。

这与悬臂支护结构主动侧土压力的分布形状完全不同。

由于撑(锚)支护结构在基坑开挖过程中,桩顶和桩端的位移受到一定程度的限制,使土压力下降缓慢,甚至不降反升;而在基坑开挖面附近,由于应力释放,支护结构位移迅速加大。

据实测结果,至基坑开挖结束,该支护结构位移最大部位位于基坑开挖面处,最大位移为2413mm 和4614mm
[1]。

可见,由于土体的拱效应,该处土体的位移与
支护结构并非同步,致使基坑开挖面附近主动侧土
压力大幅下降。

图8　T Y 1测点主动侧土压力随开挖深度的变化曲线
F ig .8　on of active lateral earth p ressure w ith
dep th of TY 1
gauge
图9　T Y 3测点主动侧土压力随开挖深度的变化曲线
F ig .9　V ariati on of active lateral earth p ressure w ith
dep th of TY 3gauge
21213　被动侧土压力值仅是朗肯被动土压力值的1 3～1 2,随着支护桩向内侧变形的增加,被动土压
力也随之增大,但上部增加的速率比下部快,被动侧土压力沿桩身的分布逐渐成一个倒三角形(图12、13)。

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图10　T Y 1测点桩顶位移、被动侧土压力与时间关系曲线
F ig .10　V ariati on of dis p lace m ent w ith ti m e of p ile head
and passive lateral earth p ressure of TY 1gauge
图11　T Y 3测点桩顶位移、被动侧土压力与时间关系曲线
F ig .11　V ariati on of dis p lace m ent w ith ti m e of p ile head
and passive lateral earth p ressure of TY 3
gauge
图12　T Y 1测点被动侧土压力随开挖深度的变化曲线
F ig .12　V ariati on of passive lateral earth p ressure w ith
dep th of TY 1gauge
图13　T Y 3测点被动侧土压力随开挖深度的变化曲线
F ig .13　V ariati on of passive lateral earth p ressure w ith
dep th of TY 3gauge
213　连拱支护结构(桩)土压力的分布
GH 段基坑挖深816m ,采用连拱支护结构,钻
孔灌注桩长1715m ,压顶圈梁位于自然地坪下110
m ,入土嵌固段819m ,在拱脚支持桩(大桩)外侧(主动区)离地面为415m 、816m 、1216m 、1516m 、1716m 和内侧(被动区)离地面为1216m 、1516m 、1716m 的深度上各布设1只土压力盒(T Y 4测点)及拱顶小桩外侧(主动区)离地面为415m 、816m 、1216m 、1516m 、1716m 的深度上各布设一只土压力盒(T Y 5测点),各点的土压力计算和实测值见图14
～19。

21311　同样,随着开挖深度的增加,释放土压力增
大,作用在支护桩上的主动侧土压力不断减小(图14、图15)。

沿桩身呈上小下大的三角形分布(分布形态与悬臂支护桩类似),基本介于静止土压力K 0
与朗肯主动土压力K a 之间。

开挖至基坑底部时,自地坪下1310～1410m 的深度范围内,主动侧土压力的降幅比其他深度的要大,这与大降水时,地下水
位变动带有关(图16、图17)。

21312　被动侧土压力大小介于静止土压力K 0与朗
肯被动土压力K p 之间,其值约为朗肯被动土压力的1 3～1 2,且随开挖深度的增加逐渐增大。

3　分析与讨论
311　从以上实测结果不难看出,侧向土压力的大小
和分布形态与支护结构的类型、变位、降水条件密切相关。

悬臂支护结构与连拱支护结构土压力的分布形态虽然都呈上小下大的三角形分布,但由于连拱
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8第5期李俊生等:不同支护结构的实测土压力及其分析
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支护结构的刚度较大,主、被动土压力的发挥远没有悬臂支护结构的充分。

悬臂支护结构由于变位很大,随着开挖深度的不断加深,上部土压力迅速减小,甚至在桩顶以下一定深度范围内土压力为零;与此同时,在基坑开挖面附近及下部一定范围,被动土压力已经达到甚至超过朗肯被动土压力值。

312　随开挖深度的增加,单层支点混合支护结构主动侧土压力逐渐由位于静止土压力K 0与朗肯主动土压力之间不断减小,最终小于朗肯主动土压力值。

开挖至预定深度时,支撑点至开挖面,主动侧土压力随开挖深度的增加而减小;开挖面以下主动侧土压力随深度增加而增加。

313　大降水对支护结构主动侧土压力的影响较大,尤其在水位变动带附近,使主动侧土压力大幅下降,这有利于支护结构的稳定与安全。

314　虽然悬臂支护结构和连拱支护结构的被动侧土压力大小也基本介于静止土压力K 0与朗肯被动土压力K p 之间,都呈上小下大的三角形分布,但随着开挖深度的不断加深,支护桩向基坑内侧变形,被动区的土受桩的挤压作用,随着支护桩向内侧变形的增加,悬臂支护结构的被动侧土压力也随之增大,嵌固段上部土体的被动侧土压力迅速大于朗肯被动侧土压力K p ,嵌固段下部土体的被动侧土压力仍没有超出朗肯被动侧土压力值,仅为其值的2 3左右。

而连拱支护结构的被动侧土压力约为朗肯被动土压力的1 3～1 2,且随开挖深度的增加逐渐增大。

单层支点混合支护结构的被动侧土压力值仅是朗肯被动土压力值的1 3～1 2,随着支护桩向内侧变形的增加,被动侧土压力也随之增大,但上部增加的速率比下部快,被动侧土压力沿桩身的分布逐渐成一个倒三角形。

315　从悬臂支护结构和单层支点混合支护结构的实测土压力值来看,开挖至基坑底部时,开挖面处被
动土压力值已达到或超过朗肯土压力理论值,由于软土抗剪强度一般较小,实际上基坑开挖面附近的这些点已经达到理论屈服值。

316　被动土压力是一个多变量函数,它与开挖区覆盖土层厚度、桩的侧向变形、土的重度和凝聚力等因素有关。

4　结　论
411　软土深基坑开挖中,悬臂支护结构与连拱支护
结构主动区侧土压力位于静止土压力与朗肯主动土压力之间,土压力呈三角形分布。

在具体设计计算时,可按静止土压力来计算取值。

412　开挖至预定深度时,单层支点混合支护结构在支撑点至开挖面,主动侧土压力随开挖深度的增加而减小;开挖面以下主动侧土压力随深度增加而增加。

413　悬臂支护结构与连拱支护结构被动侧土压力都呈三角形分布,但悬臂支护结构嵌固段上部土体的被动侧土压力大于朗肯被动侧土压力K p ,嵌固段下部土体的被动侧土压力为朗肯被动侧土压力K p 的2 3左右。

而连拱支护结构的被动侧土压力约为朗肯被动土压力的1 3～1 2,且随开挖深度的增加逐渐增大。

单层支点混合支护结构被动侧土压力则呈倒三角形分布,其值仅是朗肯被动土压力值的1 3～1 2。

414　设计中通过增加支护桩(墙)入土深度并不一定能确保基坑的稳定,应当对被动区土体进行加固,增强被动区土体的抗力。

415　大降水有利于支护结构的稳定与安全。

参考文献:
[1]　李俊才.软土深基坑开挖现场测试及三维数模拟研究[D ].成
都:成都理工学院,20011
M ea sure m en t i n -situ and ana lysis of la tera l earth pressure
i n di fferen t ret a i n i n g structures
L I Jun 2cai 1,2,LUO Guo 2yu 2,ZHAN G W en 2jin
1
(1.Co llege of C ivil Engineering ,N an jing U n iversity of T echno l ogy ,N an jing 210009,Ch ina ;
21D ep t .of Earth Sciences ,N an jing U n iversity ,N an jing 210093,Ch ina )
Abstract :Based on the in situ m easured data of certain deep 2foundati on p it excavati on in N an jing city include
earth p ressure and lateral defo r m ati on of retain ing structure
.M agn itude and distributi on of lateral earth p ressure at differen t excavati on dep th suppo rted by differen t retain ing structures ,such as can tilever retain ing structure ,single 2p ivo t m ixed retain ing structure and bo reho le cast 2in 2p lace concrete p ile m ulti 2arch retain ing structure are discussed in th is paper .
Key words :deep p it excavati on ;earth p ressure ;can tilever retain ing structure ;single 2p ivo t m ixed retain ing structure ;bo reho le cast 2in 2p lace concrete p ile m ulti 2arch retain ing structure
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