浅析深基坑开挖土压力的影响及防范措施

摘 要：深基坑工程具有相当的复杂性和艰巨性，深基坑施工会对周边建筑产生影响。实践表明，如果支护结构设计、止水降水措施、工程监测等处理不当，很容易造成基坑周边土体失稳。本文从土压力的计算方面，从库伦土压力公式和朗肯土压力公式计算的偏差分析中，提出自己的见解。

关键词：深基坑开挖土压力影响因素时间效应

一、概述

随着城市的发展，地下工程建设项目的数量和规模迅速增大，如高层建筑物基坑，大型管道的深沟槽以及由于地铁工程线路的越来越多、地铁换乘引起的基坑的深度越来越深。而且，城市建设的发展，带动地下空间的发展。目前各类用途的地下空间已经或正在世界各大中城市得到开发利用或在规划之中，如地下停车库、地下街道、地下商城、地下医院、地下仓库、地下民防工事以及多种地下民用和工业设施等。这些地下空间的建设也使得深基坑工程的规模和深度不断加大。然而，目前对深基坑的土压力还缺乏足够的认识，但土压力问题又是基坑设计中最关键的参数之一。如何正确计算深基坑的土压力，具有理论研究意义，又有实用价值。

二、土压力理论

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。

根据结构受力过程中墙移与地层间的相互关系,土压力分为静止土压力、主动土压力和被动土压力

静止土压力:若刚性的挡墙保持原来位置静止不动,则作用在墙上面的土压力称为静止土压力力。

主动土压力:如刚性的挡墙在填土压力的作用下,背离着填土方向移动,这时作用在墙上的土压力将由静止土压力逐渐减小,当墙后土体达到极限平衡,并出现连续滑动面使土体下滑,这是土压力减至最小值,称为主动土压力。

被动土压力:如挡墙在外力的作用下,向填土方向移动,这时作用在墙上的土压力将由静止土压力逐渐增大,一直到土体达到极限平衡,并出现连续滑动面,墙后土体向上挤出隆起。

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。

三、当前的研究现状

当前与大量的深基坑施工、地下工程建设涉及的土压力计算相应的,是仍然被广泛采用的经典土压力计算公式,即库伦土压力公式和朗肯土压力计算公式.同时,工程界采用泰沙基(Terzaghi)-帕克(Peck)表观土压力计算公式计算的例子也是存在的.针对深基坑工程中土压力计算的复杂性,人们做了大量的研究:魏汝龙提出了对于卸载时的不同情况,利用固结快剪指标来进行土压力计算;陈书申提出了小变位土压力计算公式;在通过试验验证的基础上,夏明耀等得出了与时间相关的土样剪应力松驰曲线τ(t).这些均是近期较有特点的研究成果。

四、影响土压力的因素

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。由于土层的不均匀性，士的本构关系的复杂性以及土层的流变性更增加了问题的复杂性。土压力不仅取决于土性指标，而且与支护结构的变位、土与结构的接触条件等密切相关，即土压力受时、空效应的影响。

（一） 土压力计算指标的选择

土压力是作用在围护结构上的荷载,它的计算是围护结构设计的关键一步.

现有的土压力计算中的总应力和有效强度理论,无法考虑应力历史的影响,造成了强度不唯一.而且由于现阶段对于基坑开挖的墙前、墙后的土压力计算,不区分加载和卸载的情况而采用相同的指标.这样一来,如果在墙前被动土压力计算中采用了加载强度指标,就会造成得到的结果偏低.有鉴于此,魏汝龙提出了一种新的综合强度理论,即一个含有7条强度线的抗剪强度理论.利用该理论中的卸载强度线计算所得的墙前被动土压力会增加25%,这是一个很有利的影响.文献对支挡结构的入土深度与被动土压力计算结果之间的关系也进行了分析,为实际工程中的支挡结构设计、施工提供了更为科学的理论依据.

（二）土压力与支护结构变形的关系

某基坑工程采用悬臂钻孔灌注桩挡土，外侧均为二排深层搅拌桩止水。各测点的土压力数据表明：

1、 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。（扩展）

2、 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。与朗肯主动土压力 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 与朗肯主动土压力 之间，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178 mm)，在桩后土体中产生数条宽约1O～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。

3、 被动侧土压力大小也基本介于静止土压力与朗肯被动土压力 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，但上部土体的被动侧土压力迅速大于朗肯被动侧土压力 ，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。

4、 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。

日本的森重龙马提出考虑结构位移影响的土压力计算模型，它假定土压力与结构位移为线性关系，计算时先要知道结构位移的方向。事实上，桩的横向受荷试验表明，土压力随桩水平位移的变化具有明显的非线性关系。

（三） 土压力的时间效应

对于蠕变,可以分为衰减性蠕变和非衰减性蠕变两类.通常,非衰减性蠕变中的第二阶段―――急剧流动阶段,是我们不希望出现同时也是要加以控制的.因此可取土体变形为初始变形和稳定流动变形之和.加之考虑到土体变形与时间的关系,可以得到下面这个包含时间的土体变形函数:

式中:τ为剪应力;γ为变形;t为时间.这就是与时间相关及应力相关的土体变形函数.为了描绘很大应力范围内的土体变形,除了确定初始变形以外,关键是确定由衰减变形和稳定流动变形合成的蠕变过程.要描绘衰减变形,可以用以下的指数规律:

式中:t,T为时间;γ0为初始变形,γ0=τ/G0,;γ∞为极限长期变形,γ∞=τ/G∞.G0和G∞分别为初始剪切模量和极限长期剪切模量.

高的开挖速率会引起大的水平变形.因此:在总施工时间T一定的前提下,将当前开挖(施工)时间t与总时间的比值即t/T看作是开挖速率.开挖速率提高,则t/T是一个减函数,而-(t/T)是增函数.这样一来,e(-t/T)就会递减.这正好证明了上式的正确性。有了土体变形与时间的关系,还应该考虑到:随着时间的增长,主动土压力逐渐增大而被动土压力逐渐减小,当时间趋于无穷时,主、被动土压力都将趋于静止土压力.

从以上两方面考虑,可以将考虑时间效应的土压力计算公式表示为：

式中:t为当前施工时间;T为总的施工时间;σt为t时刻的土压力.从上式可知:t=0时,σt=σcr;当t∞时,e-(t/T)0,此时σt=σ0.这是与实际工程中的情况相符合的.

五、结论

对土压力的研究具有广阔的应用前景，不仅可应用于越来越多的深基坑工程的设计与施工中，而且可能会对现存的深基坑的设计方法和施工技术是一个重大的革新。土压力的研究是力求最大限度的经济合理地设计深基坑工程，是实现基坑工程设计从强度控制设计转化到强度、变形的双重控制设计的关键一步。