不同支护结构的实测土压力及其分析

1、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 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

2、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 :TU 432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 ,不确定性 。 因此 ,解答 。 ,年 和朗肯 (1857, 因其计

3、算简单 和力学概念明确 , 。 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

4、 , 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 (单层 、 HA 段采用悬臂钻孔 , ; GH 段 , 拱脚支持桩 (大桩 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

5、 。 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 (010315m 、 315 710m 、 710816m , 其中 区分四层 (010315 m 、 315710m 、 710816m 、 8161013m (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

6、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

7、 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 15。 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

8、 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

9、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

10、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

11、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 andactive lateral earth p ressure of TY 6gauge68 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 ea

12、rth p ressurew 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, 中产生数条宽约 1040mm 土的粘聚性 , , 降低 , , 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

13、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

14、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 andpassive 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 ithdep th of TY 6gauge212单层支点混合支护结构

15、 (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 、 1710m 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 613。 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

16、悬臂支护结构 不尽相同 , 有增有减 。78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 andactive 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

17、active lateral earth p ressure of TY 3gauge21212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

18、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 4614mm1。 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 。1. on of active lateral earth p re

19、ssure w ithdep 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 ithdep th of TY 3gauge21213被动侧土压力值仅是朗肯被动土压力值的 1 31 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 。88 南 京 工 业 大 学 学 报 第 24卷 图 10 T Y 1测点桩顶位移 、 被动侧土压力与时间

20、关系曲线F ig . 10 V ariati on of dis p lace m ent w ith ti m e of p ile headand 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 headand 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 i

21、g . 12 V ariati on of passive lateral earth p ressure w ithdep 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 ithdep th of TY 3gauge213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 110m , 入土嵌固段 819m , 在拱脚支持桩 (大桩 外侧 (主动区 离

22、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 1419。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

23、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 13101410m 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 31 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

24、由于连拱98第 5期 李俊生等 :不同支护结构的实测土压力及其分析 90 南 京 工 业 大 学 学 报 第 24 卷 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第5期 李俊生等: 不同支护结构的实测土压力及其分析 91 Abstract: B ased on the in situ m easu red data of certain deep 2foundation p it excavation in N an jing city include .

25、earth p ressu re and lateral defo rm ation of retain ing structu re M agn itude and d istribu tion of lateral earth p ressu re at d ifferen t excavation dep th suppo rted by d ifferen t retain ing structu res, such as can tilever retain ing structu re, single2 ivo t m ixed retain ing structu re and

26、bo reho le cast2in 2 lace concrete p ile m u lti2arch retain ing structu re are p p d iscu ssed in th is paper. Key words: deep p it excavation; earth p ressu re; can tilever retain ing structu re; single2 ivo t m ixed retain ing p structu re; bo reho le cast2in 2 lace concrete p ile m u lti2arch re

27、tain ing structu re p © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 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

28、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

29、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 M ea surem en t i -