深基坑開(kāi)挖土壓力的影響因素

 深基坑開(kāi)挖土壓力的影響因素

　　關(guān)鍵詞：深基坑開(kāi)挖，土壓力，影響因素，時(shí)間效應(yīng)

　　一、概述

　　隨著城市的發(fā)展，地下工程建設(shè)項(xiàng)目的數(shù)量和規(guī)模迅速增大，如高層建筑物基坑，大型管道的深溝槽以及由于地鐵工程線路的越來(lái)越多、地鐵換乘引起的基坑的深度越來(lái)越深。而且，城市建設(shè)的發(fā)展，帶動(dòng)地下空間的發(fā)展。目前各類用途的地下空間已經(jīng)或正在世界各大中城市得到開(kāi)發(fā)利用或在規(guī)劃之中，如地下停車庫(kù)、地下街道、地下商城、地下醫(yī)院、地下倉(cāng)庫(kù)、地下民防工事以及多種地下民用和工業(yè)設(shè)施等。這些地下空間的建設(shè)也使得深基坑工程的規(guī)模和深度不斷加大。然而，目前對(duì)深基坑的土壓力還缺乏足夠的認(rèn)識(shí)，但土壓力問(wèn)題又是基坑設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的參數(shù)之一。如何正確計(jì)算深基坑的土壓力，具有理論研究意義，又有實(shí)用價(jià)值。

　　二、土壓力理論

　　在深基坑開(kāi)挖支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，庫(kù)倫(1776年)和朗肯(1857年)的土壓力理論，因其計(jì)算簡(jiǎn)單和力學(xué)概念明確，仍然是目前支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)依據(jù)。

　　根據(jù)結(jié)構(gòu)受力過(guò)程中墻體位移與地層間的相互關(guān)系,土壓力分為靜止土壓力、主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力

　　靜止土壓力:若剛性的擋墻保持原來(lái)位置靜止不動(dòng),則作用在墻上面的土壓力稱為靜止土壓力力。

　　主動(dòng)土壓力:如剛性的擋墻在填土壓力的作用下,背離著填土方向移動(dòng),這時(shí)作用在墻上的土壓力將由靜止土壓力逐漸減小,當(dāng)墻后土體達(dá)到極限平衡,并出現(xiàn)連續(xù)滑動(dòng)面使土體下滑,這是土壓力減至最小值,稱為主動(dòng)土壓力。

　　被動(dòng)土壓力:如擋墻在外力的作用下,向填土方向移動(dòng),這時(shí)作用在墻上的土壓力將由靜止土壓力逐漸增大,一直到土體達(dá)到極限平衡,并出現(xiàn)連續(xù)滑動(dòng)面,墻后土體向上擠出隆起。

　　而廣泛應(yīng)用于深基坑支護(hù)的連續(xù)墻、鉆孔灌注樁、挖孔樁等屬于一種輕型的擋土結(jié)構(gòu)，在荷載作用下，其工作狀態(tài)一般為彈性嵌固。它有別于剛性墻的特點(diǎn)是，由于撐錨系統(tǒng)及入土段土體的約束，在墻后土體的壓力作用下，墻體產(chǎn)生撓曲變形，引起土壓力的重新分布。同時(shí)，這一變形值要求控制在一定的范圍內(nèi)，以避免基坑周邊設(shè)施受到破壞．因而一般不能達(dá)到主動(dòng)土壓力的變形范圍值。所以按傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法計(jì)算的土壓力，與支護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)際受力偏差較大。

　　三、當(dāng)前的研究現(xiàn)狀

　　當(dāng)前與大量的深基坑施工、地下工程建設(shè)涉及的土壓力計(jì)算相應(yīng)的,是仍然被廣泛采用的經(jīng)典土壓力計(jì)算公式,即庫(kù)倫土壓力公式和朗肯土壓力計(jì)算公式.同時(shí),工程界采用泰沙基(Ｔｅｒｚａｇｈｉ)-帕克(Ｐｅｃｋ)表觀土壓力計(jì)算公式計(jì)算的例子也是存在的.針對(duì)深基坑工程中土壓力計(jì)算的復(fù)雜性,人們做了大量的研究:魏汝龍?zhí)岢隽藢?duì)于卸載時(shí)的不同情況,利用固結(jié)快剪指標(biāo)來(lái)進(jìn)行土壓力計(jì)算;陳書申提出了小變位土壓力計(jì)算公式;在通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,夏明耀等得出了與時(shí)間相關(guān)的土樣剪應(yīng)力松馳曲線τ(ｔ).這些均是近期較有特點(diǎn)的研究成果。

　　四、影響土壓力的因素

　　土壓力是土體因自重或外荷載作用對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的側(cè)向壓力，是土與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用的結(jié)果。由于土層的不均勻性，士的本構(gòu)關(guān)系的復(fù)雜性以及土層的流變性更增加了問(wèn)題的復(fù)雜性。土壓力不僅取決于土性指標(biāo)，而且與支護(hù)結(jié)構(gòu)的變位、土與結(jié)構(gòu)的接觸條件等密切相關(guān)，即土壓力受時(shí)、空效應(yīng)的影響。

　�。ㄒ唬┩翂毫τ�(jì)算指標(biāo)的選擇

　　土壓力是作用在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載,它的計(jì)算是圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一步.

　　現(xiàn)有的土壓力計(jì)算中的總應(yīng)力和有效強(qiáng)度理論,無(wú)法考慮應(yīng)力歷史的影響,造成了強(qiáng)度不唯一.而且由于現(xiàn)階段對(duì)于基坑開(kāi)挖的墻前、墻后的土壓力計(jì)算,不區(qū)分加載和卸載的情況而采用相同的指標(biāo).這樣一來(lái),如果在墻前被動(dòng)土壓力計(jì)算中采用了加載強(qiáng)度指標(biāo),就會(huì)造成得到的結(jié)果偏低.有鑒于此,魏汝龍?zhí)岢隽艘环N新的綜合強(qiáng)度理論,即一個(gè)含有7條強(qiáng)度線的抗剪強(qiáng)度理論.利用該理論中的卸載強(qiáng)度線計(jì)算所得的墻前被動(dòng)土壓力會(huì)增加25%,這是一個(gè)很有利的影響.文獻(xiàn)對(duì)支擋結(jié)構(gòu)的入土深度與被動(dòng)土壓力計(jì)算結(jié)果之間的關(guān)系也進(jìn)行了分析,為實(shí)際工程中的支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工提供了更為科學(xué)的理論依據(jù).

　�。ǘ�）土壓力與支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的關(guān)系

　　某基坑工程采用懸臂鉆孔灌注樁擋土，外側(cè)均為二排深層攪拌樁止水。各測(cè)點(diǎn)的土壓力數(shù)據(jù)表明：

　　1、隨著開(kāi)挖深度增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)位移增大，釋放土壓力增大，作用在支護(hù)樁上的主動(dòng)側(cè)土壓力卻不斷減小。（擴(kuò)展）

　　2、懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)不同深度的主動(dòng)側(cè)土壓力隨著開(kāi)挖深度的變化情況。主動(dòng)側(cè)土壓力呈上小下大的三角形分布，它基本介于靜止土壓力K。與朗肯主動(dòng)土壓力之間，在基坑開(kāi)挖之前，由于沒(méi)有任何變形空間，土壓力等于作用于被測(cè)點(diǎn)處的靜止土壓力，但由于埋設(shè)土壓力盒的鉆孔中的回填砂的密實(shí)性比原狀土差，故實(shí)測(cè)值比計(jì)算值小。隨著基坑的逐漸開(kāi)挖，樁體位移的不斷加大，主動(dòng)側(cè)土壓力逐漸減小，并且較上部的側(cè)土壓力減小的幅度遠(yuǎn)大于較下部的側(cè)土壓力減小的幅度。下部主動(dòng)側(cè)土壓力仍介于靜止土壓力與朗肯主動(dòng)土壓力之間，但上部主動(dòng)側(cè)土壓力至開(kāi)挖到基坑底部時(shí)已遠(yuǎn)小于朗肯主動(dòng)土壓力。這與該懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)位移過(guò)大(此時(shí)樁頂最大位移已達(dá)178mm)，在樁后土體中產(chǎn)生數(shù)條寬約1O～40mm向下延伸的裂縫，由于土的粘聚性，裂縫處土體沒(méi)有坍落，導(dǎo)致土壓力迅速降低，土壓力零點(diǎn)不斷下移，樁頂以下一定范圍內(nèi)土壓力為零，總主動(dòng)土壓力不斷減小，作用點(diǎn)不斷下移。

　　3、被動(dòng)側(cè)土壓力大小也基本介于靜止土壓力與朗肯被動(dòng)土壓力之間，但隨著開(kāi)挖深度的不斷加深，支護(hù)樁向基坑內(nèi)側(cè)變形，被動(dòng)區(qū)的土受樁的擠壓作用，隨著支護(hù)樁向內(nèi)側(cè)變形的增加，被動(dòng)側(cè)土壓力也隨之增大，但上部土體的被動(dòng)側(cè)土壓力迅速大于朗肯被動(dòng)側(cè)土壓力，樁的下部，被動(dòng)側(cè)土壓力仍沒(méi)有超出朗肯被動(dòng)側(cè)土壓力值，僅為其值的2／3左右。這是由于嵌固段在挖土表面位移最大，使土受到擠壓，會(huì)最先達(dá)到塑性極限強(qiáng)度，但在樁的下部，其位移很小，側(cè)土壓力遠(yuǎn)未達(dá)到極限狀態(tài)的被動(dòng)土壓力。即使這樣，被動(dòng)側(cè)土壓力的分布狀態(tài)仍保持上小下大的三角形分布。