楊雁翔 鐘宗炘 李偉玲

中建一局集團(tuán)第六建筑有限公司 河北 石家莊 050017

1 坑中坑對(duì)支護(hù)擋土樁的影響分析

傳統(tǒng)的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，嵌固段主要由被動(dòng)土壓力PP維持穩(wěn)定（圖1）。

圖1 根部土體受力示意

式中：γ——土的重度；

h——擋土樁嵌固深度；

θ——滑裂面與水平面夾角；

φ——土的內(nèi)摩擦角。

我們已經(jīng)知道，樁前土的被動(dòng)土壓力值，是楔體沿與水平面呈(π/4－φ/2)角度的滑裂面擠出時(shí)的水平力，其大小為：

上述被動(dòng)土壓力計(jì)算方法是針對(duì)不設(shè)坑中坑時(shí)所采用的。設(shè)置坑中坑以后，在楔體右側(cè)土體被截?cái)?、右?cè)土體的穩(wěn)定性可能受到影響之后，被動(dòng)土壓力是否一樣，則需要我們進(jìn)一步探討。

坑中坑按照坑底位置分為2種，即坑底位于擋土樁底以下（含平齊的）的坑中坑和坑底位于擋土樁底以上的坑中坑。

1.1 坑底位于擋土樁底以下的坑中坑分析

樁前土在被動(dòng)土壓力作用下，在楔體擠出過程中，楔體也將推擠右側(cè)土體（圖2、圖3）。

圖2 坑中坑示意（坑底位于擋土樁底以下）

圖3 右側(cè)土體受力、合力示意

右側(cè)土體有3個(gè)力作用，即本身土體自重W1，楔體的推力R'，底面反力R1。

通常情況下，圖3中土重力W1因右側(cè)土體無限連續(xù)而為無窮大?；釉O(shè)置坑中坑后，右側(cè)土體不再連續(xù)，土重力變得有限[1]。

楔體的推力R'，與被動(dòng)土壓力楔體分析時(shí)的反力R，是作用力與反作用力的關(guān)系，大小相等、方向相反，因此，完全可以將其分解成水平方向和鉛垂方向的2個(gè)力。水平力的大小與被動(dòng)土壓力相同，鉛垂方向的力與楔體土重力相同。因此疊加到受力圖上，顯得簡(jiǎn)潔直觀。

基底反力R1方向與鉛垂方向的夾角為土的內(nèi)摩擦角φ，方向偏左。

從疊加圖中可以看出，W＋W1即為樁前土的總重力。

從力的關(guān)系上看，如果右側(cè)土體不滑移，則右圖R'、R1、W1必然閉合。事實(shí)上能否閉合，則又取決于土的總重（楔體＋右側(cè)土體）與土的內(nèi)摩擦角正切值的乘積。也就是土體要抵抗楔體推力，必須滿足PP≤(W＋W1)tanφ這一條件。因此，樁前土能否穩(wěn)定，最終歸結(jié)為土體抗剪力能否抵抗楔體擠出時(shí)的被動(dòng)土壓力。

為了論述探究簡(jiǎn)便，這里假設(shè)坑中坑是直壁坑，那么W＋W1=hs γ（s為坑中坑與基坑底邊凈距），則抗剪力為hs γtanφ。

式（2）右邊值，即為擋土樁避免坑中坑不受影響的安全距離。

當(dāng)坑中坑與基坑底邊凈距大于安全距離時(shí)，由于楔體右側(cè)土體抗剪能力足以抵抗楔體推力，被動(dòng)土壓力不受影響，因此擋土樁的嵌固段不受影響，是屬于安全的；當(dāng)小于安全距離時(shí)，楔體右側(cè)土體抗剪能力不足以抵抗楔體推力，被動(dòng)土壓力達(dá)不到原設(shè)計(jì)要求，樁的嵌固段安全性將受到影響[2]。

根據(jù)式（2），設(shè)某基坑擋土樁嵌固段長(zhǎng)度為5 m，土壤為無黏性土，內(nèi)摩擦角φ=36°，坑中坑深度5 m，則可計(jì)算得到安全距離為13.25 m。

1.2 坑底位于擋土樁底以上的坑中坑分析

對(duì)于坑底位于擋土樁底以上的坑中坑，我們依舊從土體受力分析開始（圖4、圖5）

圖4 坑中坑示意（坑底位于擋土樁底以上）

圖5 楔體右側(cè)土體受力、合力示意

從圖5中可以看出，右側(cè)土體受3個(gè)力的作用，即本身重力、楔體作用力、基底反力。依據(jù)前文分析，楔體對(duì)右側(cè)土體的作用力可以分解成水平力和豎向力；而水平力與豎直力分別等于被動(dòng)土壓力和楔體土重力。如果要受力平衡，則基底反力的水平分力必然等于被動(dòng)土壓力。即：(W＋

通過求解方程，對(duì)于已知深度的坑中坑，其安全距離為：

式中：Kp=tan2(π/4＋φ/2)。

當(dāng)h1=h時(shí)，式（3）可化簡(jiǎn)為式（2）。式（3）右邊值，即為安全值。

坑底位于擋土樁底以上的坑中坑，坑中坑與基坑底邊凈距對(duì)擋土樁嵌固段的影響，與前一類坑中坑基本一樣，只是安全距離不同而已[3]。

根據(jù)式（3），設(shè)某基坑的參數(shù)同前，坑中坑深度為h1=3，則可計(jì)算得到安全距離為11.77 m。結(jié)果表明，安全距離比坑底位于擋土樁底以下的坑中坑要小。

2 坑中坑與基坑底邊安全距離不足時(shí)的處理

在探索處理措施之前，先進(jìn)一步分析了解PP與滑裂面角θ的關(guān)系，現(xiàn)對(duì)被動(dòng)土壓力式中h、γ、φ賦予數(shù)值并做圖。假設(shè)h=5 m，γ=20 kN/m3，φ=36°，對(duì)φ)cotθ做圖如下（圖6）。

圖6 Pp與 θ 的函數(shù)關(guān)系

從圖6中可以看出：

1）楔體破壞時(shí)的被動(dòng)土壓力，是楔體沿著某一滑裂面擠出時(shí)的壓力的最小值。

2）當(dāng)θ=0°時(shí)，也即楔體滑裂面呈水平狀態(tài)時(shí)，楔體重力為無窮大，需要使楔體破壞的被動(dòng)土壓力也無窮大。

3）當(dāng)θ=54°（弧度值為0.942）時(shí)，被動(dòng)土壓力為無窮大，此時(shí)，滑裂面上的反力呈水平方向，需要使楔體擠出的被動(dòng)土壓力為無窮大。

從中還可以對(duì)圖6作如下解讀：

1）改變滑裂面位置，抵抗力增加，擠出楔體的被動(dòng)土壓力增加。

2）依據(jù)前文分析，滑裂面改變后，若實(shí)際被動(dòng)土壓力提高到新的水平，則楔體對(duì)楔體右側(cè)的水平推力將會(huì)增加。

現(xiàn)在對(duì)滑裂面偏離進(jìn)行分析。假如，在樁前土體沿滑裂面(π/4－φ/2)打入花管，注入水泥漿，則水泥漿固化后滑裂面將向兩側(cè)偏離。假如注漿孔不被堵死，繼續(xù)注漿，漿液在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步向兩側(cè)擴(kuò)散，水泥漿固結(jié)后，滑裂面則進(jìn)一步偏離。隨著滑裂面偏離，被動(dòng)土壓力也將增加。處理后的效果體現(xiàn)在2個(gè)方面，一是同等土體被動(dòng)土壓力提高，同等土體獲得相同被動(dòng)土壓力時(shí)，樁的嵌固段將減?。▽?shí)際工程中，主動(dòng)土壓力是不增加的，實(shí)際被動(dòng)土壓力也因此不會(huì)增加）。這里要說明的是，滑裂面偏離只適用于局部加固土體；如果全面加固，即各個(gè)滑裂面均被固結(jié)，那么滑裂面仍舊回到(π/4－φ/2)，不過被動(dòng)土壓力提高到更高的水平。由此，在探索局部注漿加固的同時(shí)，也應(yīng)看到密實(shí)處理（各種擠密方法）的加固方法具有其天然的合理性。因此，注漿加固（包括局部注漿和全部注漿）和密實(shí)處理，是提高樁前土被動(dòng)土壓力的有效方法。

增加楔體右側(cè)土體抗剪力，理論上不僅可以通過提高內(nèi)摩擦角的方法取得，而且還可以通過增加土的重力的方法取得。因此，以往樁前堆土增加樁前土壓重，也是增加土體抗剪能力的有效方法之一。只不過這種方法比較適用于應(yīng)急搶險(xiǎn)的情況，平常則用得較少。

2.1 坑底位于擋土樁底以下的坑中坑處理

這類坑中坑按照其與基坑底邊的距離分為2類，即距離小于安全值和距離不小于安全值的2類[4]。

1）距離不小于安全值的坑中坑，滿足安全要求，可不處理。

2）距離小于安全值的坑中坑又分2種，即處在被動(dòng)土壓力滑裂面以內(nèi)的和處在被動(dòng)土壓力滑裂面以外的。

① 在滑裂面以外的坑中坑，由于任意滑裂面均可滿足被動(dòng)土壓力，因此滑裂面上側(cè)土體（楔體）可以不加固?；衙嬉韵拢ɑ蛐w右側(cè)）土體，由于抗剪能力不足，需要加固處理。加固的目的是使右側(cè)土體的抗剪能力能夠抵抗楔體推力的水平分力（被動(dòng)土壓力）。土體抗剪能力提高后，樁前土成為整體，雖避免了剪切破壞，但是，隨之而來的可能是水平力推動(dòng)土體整體向右傾覆的傾向。因此，土體必要時(shí)需要向深度方向進(jìn)行加固處理。深度數(shù)值可以按照重力擋土墻計(jì)算確定，以確保能抵抗被動(dòng)土壓力的傾覆力矩（圖7）。

② 在滑裂面以內(nèi)的坑中坑，土體應(yīng)當(dāng)全面加固。即加固楔體，使被動(dòng)土壓力滑裂面偏離(π/4－φ/2)，直至偏離坑中坑削弱楔體區(qū)域；加固底部以增加土體與基底土抗剪力，加固深度同樣可以按照重力擋土墻計(jì)算確定（圖8）。

圖7 坑中坑在滑裂面以外的加固區(qū)域

圖8 坑中坑在滑裂面以內(nèi)的加固區(qū)域

2.2 坑底位于擋土樁底以上的坑中坑處理

該類坑中坑對(duì)擋土樁嵌固段影響較小，安全距離計(jì)算式有所不同。處理原則與前一類坑中坑一樣，不再贅述。

這里需要說明的是，用樁底嵌固段全長(zhǎng)段受被動(dòng)土壓力來判斷坑中坑與基坑底邊凈距是否安全的做法是偏于保守的。嵌固段最主要的平衡，是樁后主動(dòng)土壓力和樁前被動(dòng)土壓力的平衡?；釉O(shè)計(jì)階段，雖然設(shè)計(jì)計(jì)算模型不同，但大多會(huì)在計(jì)算所需長(zhǎng)度上增加20%，代替下部反彎段的繁瑣計(jì)算。因此，計(jì)算安全距離時(shí)，建議按照嵌固段長(zhǎng)度乘以0.83，然后按照這個(gè)長(zhǎng)度計(jì)算被動(dòng)土壓力，再計(jì)算安全距離。從樁后主動(dòng)土壓力和樁前被動(dòng)土壓力的平衡觀點(diǎn)出發(fā)，當(dāng)坑中坑影響嵌固段時(shí)，除前述樁前土加固外，在擋土樁根部增加錨桿和腰梁也是有效的處理方法。

3 結(jié)語

坑中坑對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固的影響，主要在于坑中坑截?cái)鄻肚巴馏w連續(xù)性，繼而影響被動(dòng)土壓力的形成條件。本文探討的樁前土加固方法因此也從創(chuàng)造被動(dòng)土壓力形成條件入手。對(duì)于加固后的土體整體穩(wěn)定問題，文中對(duì)土體受力進(jìn)行了較具體的分析，作用在土體整體上的力因而明了，傾覆設(shè)計(jì)及驗(yàn)算也就輕而易舉了。