土壓力原位測試裝置研發及應用*

劉 義，朱武衛，楊 焜，席 宇，楊 曉，李 哲，李又云

(1.陜西省建筑科學研究院有限公司，陜西 西安 710082； 2.長安大學公路學院，陜西 西安 710064)

0 引言

在基坑工程中，支護結構承受的主要荷載為土壓力，準確獲得土壓力數據是進行土壓力理論研究的基礎。土具有復雜的工程特性，土壓力的大小和分布是土體與支護結構相互作用的結果，和土的物理力學性質、土與支護結構的位移、支護結構剛度等均有直接關系[1]。目前，支護結構設計中的土壓力一般是根據庫倫(Coulomb)或朗肯(Rankine)經典土壓力理論進行計算，是基于土體極限平衡狀態下推導得到的，同時也沒有考慮支護結構位移對土壓力的影響[2-3]。這與土壓力的實際分布情況有較大差異。

為了研究土壓力的分布規律，國內眾多高校和科研院所開展了大量試驗研究，通過各類裝置進行土壓力測量，并據此提出了一些計算理論、研究思路和對經典土壓力理論的修正方法，促進了土壓力理論和基坑支護結構設計方法的發展。

本文對現有的土壓力測試方法及裝置進行了總結，分析了現有土壓力試驗裝置在應用中存在的問題，提出了基于土壓力盒的“注漿帶法”原位測試裝置，并將之應用于西安火車站北廣場基坑工程中，驗證了其實用性和有效性。

1 土壓力量測方法

根據土壓力的試驗量測方式可以將目前的測試方法分為間接法和直接法。

1.1 間接測試方法

間接法主要有兩種形式，一是通過測量縱向受力鋼筋應力計算支護結構內力進而反演得到側土壓力，二是沿垂直坡面設水平拉筋，通過拉筋應力得到側土壓力。

文獻[4-6]以實際基坑工程為依托，在施工現場選取了若干試驗樁進行土壓力原位測試，沿樁身按一定間距選取多個截面，在鋼筋籠相應截面位置的縱向受力鋼筋上粘貼應變片或埋入鋼筋應力計，并根據支護樁樁身受力特點確定基底平面附近為重點監測部位進行加密設置?；娱_挖過程中通過數據采集系統實時獲得樁身各截面的鋼筋應力或應變，從而反算出樁的截面彎矩，再根據增量法可進一步推導出樁身所受剪力和土壓力分布。

此方法僅在樁體施工時會引起土體擾動，通過樁體內力能夠間接得到支護結構所受土壓力。但施工過程中鋼筋籠的吊裝、混凝土澆筑容易導致應變片損壞，或使應變片和鋼筋計錯位，使有效數據減少或誤差增大。而且其反演方法是基于多個假定條件才能成立的：①平截面假定；②支護樁處于完全彈性工作狀態，且混凝土未開裂。因而反演法得到的側土壓力與實際情況有差異。當存在內支撐和錨桿時，還需要另外布置量測設備測出其受力，反演計算時也更加復雜。

文獻[7-8]在研究原狀非飽和黃土垂直高邊坡側土壓力的分布特征時，采用了一種新型測試方法。在黃土地區選取一處天然斜坡，在距斜坡一定距離處(遠離滑移面)挖樁孔，同時在坡面上打設水平孔至樁孔處。水平孔自上而下等高度布置，孔內放置PVC管，將安裝了鋼筋應力計的拉筋一端伸入樁孔內，通過澆筑混凝土使之錨固在樁上；一端伸出坡面，在垂直切坡至相應位置處，用螺栓和鋼板固定在臨空面上，并施加一定的預應力，測試裝置如圖1所示。當從坡頂不斷向下進行切坡施工時，由于土體應力釋放，會對鋼板產生土壓力引起鋼筋拉伸變形，通過采集鋼筋拉力可換算得到土壓力。

圖1 “拉筋法”土壓力測試裝置

圖1所示方法目前主要應用在黃土地區的原有天然邊坡，要求土體的自持能力好，天然邊坡的垂直高度和坡角較大，因而該裝置的應用具有局限性。鋼筋計測得的是水平方向的集中力，轉化成土壓力需要確定每根拉筋的約束范圍，同時要消除拉筋預應力及其與土體之間的摩擦力影響。邊坡須逐步開挖成垂直邊坡，鋼筋計和拉筋的布置需要在基坑開挖過程中逐步布置，較為繁瑣，且原狀土在設備安裝前就已發生一定程度的變形。錨固樁原則上應設置在滑移區影響范圍外，確保其在切坡施工中不會產生變形和位移，但若與坡面的距離過遠，水平孔打設難度大，因而實際中一般難以達到。

1.2 直接測試方法

相比間接法，基于土壓力盒直接獲得側土壓力的方法更加便捷，在盡量避免土體擾動和確保量測準確的前提下獲得的土壓力數據也最能反映支護結構所受側土壓力的實際情況，因此相關測試裝置廣泛應用于室內模型試驗和室外原位試驗。

文獻[9-14]為研究地基或支護結構的側土壓力分布規律，設計了室內土壓力測試裝置，一般設計成模型箱，模型箱一側為支護結構，另外3個方向則直接用鋼板圍成，在擋墻迎土側的中心軸線自上而下布置高精度微型土壓力盒，然后回填土體并夯實。通過在模型箱土體中打樁、填入復合地基或者施加豎向荷載等，來研究土體自重、復合地基作用或超載等單一或多種耦合作用下擋墻所受土壓力的分布規律。

這種通過模型箱進行設備布置和數據采集的室內測試裝置，具有很好的可控性，測試儀器安裝簡單、牢固，成活率高，數據采集準確。但其缺點是使用非原狀土，經過設計配比的土體性質與原狀土存在著較大差異，測得的土壓力也與施工現場支護結構的實際受力狀況有所區別。

為了進行實際基坑項目的土壓力監測和開挖過程中的土壓力分布模式及變化規律研究，用于現場原位試驗的相關測試裝置也在不斷研發，其中常見的有掛布法和鉆孔埋設法等。

文獻[15]將央視新臺址基坑東側開挖深度21m處的1根支護樁作為試驗對象，使用帆布縫制掛袋并按一定間距綁束在鋼筋籠上，將土壓力盒承壓面朝向外側放入掛袋中，隨鋼筋籠一起下放至樁孔內。當混凝土澆筑并凝結硬化后，可通過數據采集系統測得不同深度、不同施工階段樁身的土壓力變化規律。掛布法施工操作簡單，能夠將土壓力盒貼合在支護結構表面，但澆筑混凝土時土壓力盒容易被混凝土包裹，導致其在混凝土凝結硬化后喪失功能。

文獻[16-18]選擇了鉆孔埋設土壓力盒的方法，在實際深基坑項目的支護結構施工完成后，于樁后一定距離處挖豎直孔。使用鋼筋、鋼板或其他桿件制作土壓力盒的限位裝置，然后將土壓力盒粘貼在限位裝置后一起下放至孔內，并以砂土回填夯實。通過測試數據研究了典型深基坑支護樣式下主動區土壓力的分布規律。該方法能夠確保土壓力盒的成活率和埋設位置的準確性，但因為不是直接貼合在支護結構表面上，當設備周邊土體沒有和支護結構協同變形時，測得的數據將失真，孔的深度及孔內地下水的存在將影響回填土的夯實質量，容易出現回填不密實的情況。在支護樁迎土側挖孔埋設量測設備，使原狀土產生了擾動，因而施工時還需注意減小對土體的擾動并保證土壓力盒與土體的密切接觸。

2 土壓力測試裝置研究

2.1 主要結構及組成

本文在對前述已有的土壓力測試方法進行歸納、總結后，設計了一款基于土壓力盒的“注漿帶法”原位測試裝置，如圖2所示。該裝置主要包括以下部件。

圖2 “注漿帶法”土壓力測試裝置

1)土壓力盒 即埋入式土壓力傳感器。雙膜式，厚度2cm，工作溫度-25℃～60℃，靈敏度0.1kPa，精度0.5%FS，標準量程2MPa。

2)注漿帶 沿鋼筋籠的縱向受力鋼筋設置，用來固定和布置土壓力盒的部件，為確保注漿帶飽滿狀態下土壓力盒與土體緊密接觸但又不會引起較大的土體擾動，對注漿帶尺寸有一定要求，按照“注漿帶外徑-混凝土保護層厚度≥1cm”及“注漿帶外徑+土壓力盒厚度-混凝土保護層厚度≤4cm”的原則選取。如本文的試驗樁保護層厚度為5cm，因而選擇注漿帶外徑為6.5cm，壓平寬度10cm。此外，還要求注漿帶厚度均勻，表面光滑清潔，無褶皺，不滲水，在設定注漿壓力下不產生拉伸變形或變形很小。

3)槽型限位筋 用來將注漿帶固定在鋼筋籠上，其尺寸根據注漿帶壓平寬度確定。

4)定向平動約束裝置 用來約束土壓力盒在注漿移動過程中的扭轉和偏斜，包括定位筋、側板、背板，如圖3所示。通過背板和兩側板形成“凵”字形小部件，根據土壓力盒的尺寸在裝置中部焊接4根定位約束鋼筋。施工時將背板焊接在鋼筋籠擬定的土壓力盒布置處，將注漿帶平鋪壓實在背板和土壓力盒之間，該裝置能夠確保注漿帶在注漿鼓脹過程中，推動土壓力盒平行移動，而且在后續混凝土澆筑過程中還可限制和保護土壓力盒，減小土壓力盒的偏斜、扭轉問題。

圖3 土壓力盒定向平動約束裝置

5)注漿機 額定電壓220/380V，額定功率3kW，出料口外徑32mm，輸送流量2m3/h，通過粒徑≤3mm。

6)排氣管 與注漿帶底部連接并從鋼筋籠上部伸出，注漿時排出空氣，確保注漿飽滿。因與注漿帶組成U形結構，故要求其外徑小于注漿帶內徑，同時具備熱彎性能，且不破損。

7)球閥 直通式，安裝在注漿口及排氣管口。

8)壓力表 表盤直徑100mm，測量范圍0～1.6MPa，精度1.6級，環境溫度-5～60℃。

2.2 操作流程

基于土壓力盒的“注漿帶”法原位測試裝置主要用于施工過程中支護結構所受土壓力的現場采集工作，整套裝置需要固定在鋼筋籠上使用，實際應用時，截取比鋼筋籠長度略短的注漿帶，將注漿帶末端與排氣管連接在一起，其作用主要用來排除注漿帶中的空氣，保證注漿料填充密實，要求接口處不得滲漏；排氣管加熱彎曲后，與注漿帶按照U形結構排布在綁扎好的鋼筋籠上，通過槽型限位筋和扎絲加以固定，在裝置兩端安裝球閥，如圖4a，4b所示。

圖4 現場施工

在設計的土壓力盒位置處，焊接定向平動約束裝置，而后將注漿帶平鋪放入，再將土壓力盒放入約束裝置內，并用防水膠粘貼在注漿帶上，確保土壓力盒承壓面垂直面向鋼筋籠外側，電纜線沿鋼筋籠主筋排設并用扎絲固定，如圖4c所示。

將安裝好的裝置同鋼筋籠一起放入樁孔內。將注漿機輸出口與注漿帶接口連接，通過注漿機將微膨脹高強灌漿料注入注漿帶內，注漿料要符合流動性、凝結時間等要求，注漿料設計初始流動度為10～17s，30min時為10～20s；初凝時間≥3h，終凝時間≤24h，灌漿料凝結硬化后與樁身混凝土基本一致。

施工時，漿液逐漸充滿注漿帶并擠壓空氣從排氣管排出，當排氣管端開始穩定排出注漿料時關閉末端球閥。注漿過程中注漿帶不斷鼓脹，推動土壓力盒向孔壁行進，最終使其與孔壁的土體緊密接觸，至孔口處注漿帶達到飽滿狀態且壓力表讀數達到指定壓力后，關閉注漿口球閥，注漿結束，如圖4d所示。在整個注漿過程中對土壓力盒的讀數進行不間斷監測。

注漿結束后，開始澆筑混凝土，澆筑過程中要認真做好電纜線保護。待混凝土凝結硬化后，進行初始數據采集和施工過程中的實時量測。

2.3 裝置特點

1)工序相比掛布法稍顯繁瑣，但槽型限位筋、定向平動約束裝置等均可在工地現場就地取材。總體而言，該裝置連接較為簡單，制作及安裝難度較小。

2)注漿帶通過槽型限位筋貼合在鋼筋籠上；土壓力盒與注漿帶粘結在一起，再通過定向平動約束裝置將其牢固約束在鋼筋籠上指定位置，可以確保土壓力盒在行進過程中僅發生平動，在鋼筋籠吊裝及混凝土澆筑過程中不會錯位。土壓力盒位置準確，在與土體接觸后，承壓面與樁身表面相切。

由于土壓力盒固定在鋼筋籠上，鋼筋籠吊放時應注意保持位置準確，使土壓力盒承壓面垂直于基坑側壁，同時要進行嚴格的施工質量控制，采取措施防止鋼筋籠扭轉。

3)按設計要求選擇的注漿帶尺寸合適，當其充滿注漿料后，可使土壓力盒與土體接觸緊密，保護土壓力盒不被混凝土包裹，確保土壓力盒有效；注漿帶飽滿后侵入樁身外土體的體積小，周邊土體的擠壓變形小，經一定時間間隔后，因施工擾動導致的土體局部應力增大可逐漸恢復原狀。

4)當混凝土和注漿液都凝結硬化后，灌注樁和充滿漿料的注漿帶會變成一個整體，兩者剛度差異很小。土壓力盒夾在灌注樁及周邊土體之間，三者接觸緊密，確保了土壓力的傳遞路徑。

3 工程應用及結果分析

將該套土壓力測試裝置應用于西安火車站北廣場深基坑工程的支護樁土壓力測試中，該基坑工程為異形坑中坑，開挖面積大、支護措施復雜，在施工過程中進行支護結構主動區土壓力監測，既是降低工程風險、確保施工安全的必要措施，也是研究基坑開挖過程中側土壓力分布及發展規律的重要契機。

基坑平面如圖5所示，本次測試沿斷面共選取了4個試驗樁。該基坑為兩級“坑中坑”形式，內、外坑的深度均在16m左右。土壓力測點布置在二級基坑的支護樁上，樁長26m，其中16m在坑底以上，嵌固深度為10m。

圖5 基坑平面

試驗樁所在位置的工程地質剖面如圖6所示。擬建場地地下水類型屬孔隙潛水，穩定水位埋深6.0m左右。止水帷幕采用兩噴兩攪三軸攪拌樁施工工藝，施工時坑內采用井點降水，坑外進行回灌以保持水位穩定。

圖6 樁位處工程地質剖面

除1-2試驗樁在破樁過程中因工人失誤、電纜線損壞而失效外，其余3根都能采集到數據，且沿樁身布置的各土壓力盒均正常工作，無明顯數據異常。由此可見該裝置具有成活率高、數據采集可靠的優點。

當灌注樁施工完成后，此時土體尚未達到穩定狀態，測得的土壓力數據在不斷變化中，以1-1試驗樁為例，如圖7所示。

圖7 支護樁施工完成后土壓力盒數據變化

此時基坑雖然尚未開挖，但由于注漿帶鼓脹推動土壓力盒對土體產生的局部擠壓，以及樁孔開挖和混凝土澆筑導致的土體擾動，會使樁周土體暫時處于不穩定狀態。

從圖上可以看出，作用在支護樁上的土壓力隨時間而逐漸變化。在9月30日至10月23日期間的4次量測中均有較大差別，其數值總體上呈逐漸減小的趨勢。此時采集到的數據不能準確反映支護樁所受原狀土的側向土壓力，不應作為基坑開挖前的土壓力初始值。當經過一定時間后，通過土顆粒的重新排列和骨架體的錯動，土體應力隨時間逐步調整并最終趨于穩定。圖中10月30日與10月23日的土壓力數值相差不大，證明此時土體已經再次達到了穩定狀態。

通過對土壓力數據進行觀測分析，認為1-1試驗樁和2-1，2-2試驗樁的周邊土體分別在10月30日和10月22日達到穩定狀態后，而后再進行基坑開挖及數據采集，基坑開挖過程中支護樁側土壓力的分布及發展規律如圖8所示。

在整個施工過程中，數據采集順利，且呈現明顯的規律性，從圖8可以得出以下結論。

1)基坑開挖前，支護樁側土壓力從樁頂至樁底，大致呈三角形分布。

2)隨著基坑的逐步開挖，支護樁在迎土側土壓力的作用下朝基坑內側變形，土壓力由靜止土壓力逐步向主動土壓力變化，這可以從圖中逐漸減小的土壓力得到很好體現，尤以基坑底面以上樁身側土壓力的減小最為明顯。

3)開挖完成后的支護樁側土壓力沿樁身不再呈三角形分布。從樁頂至1/2基坑深度位置的土壓力數值較小且沿高度基本保持不變，這是因為土體具有較好的強度和黏聚力，在坑內土體開挖后，該高度范圍內的土體與支護結構變形不協調，其不依賴支護措施就可保持土體穩定；在1/2基坑深度以下，土壓力恢復增長，大致呈梯形分布，文中土壓力的分布模式與文獻[4]采用鋼筋應力反算出的樁身土壓力分布模式形狀相似。

3根試驗樁的樁身土壓力分布規律具有明顯的一致性，但亦存在著一定差異，其主要原因是：該基坑為異形深大基坑，施工工況十分復雜，基坑采用分區分塊開挖，自東向西開挖深度呈東深西淺的特點；基坑各部位交叉施工，內坑開挖時其北側自強路隧道的主體結構已部分施工完成。此外，在不同的試驗樁位置處，外坑開挖范圍、深度及內外坑間距也不一致，上述因素綜合導致了各根試驗樁側土壓力的差異。

4 結語

本文綜合分析了現有土壓力量測裝置的優缺點，研發了一套基于土壓力盒的“注漿帶法”土壓力原位測試裝置，并將之運用于實際工程中，在施工現場選取試驗樁，采集并分析了土壓力數據，得到如下結論。

1)研發的土壓力原位測試裝置簡單，施工方便，成活率高，可靠性好。

2)研發的土壓力原位測試裝置由土壓力盒、注漿帶、約束裝置等部件組成。將整套設備連接完成并固定在鋼筋籠上，再通過注漿使注漿帶膨脹來推動土壓力盒和孔壁土體緊密接觸，進而測得真實的土壓力，需要注意注漿帶的參數選擇及定向平動約束裝置的設置。

3)樁孔開挖、土壓力盒對局部土體擠壓以及樁體混凝土澆筑均對樁周土體產生擾動，根據本文實測結果，為了消除土體擾動對測試結果的影響，應在樁身施工完成后1個月左右再進行基坑開挖。

4)從土壓力分布曲線來看，開挖前土壓力大致呈三角形分布，隨著施工的進行，支護結構迎土側土壓力逐漸由靜止土壓力轉變成主動土壓力，樁身的土壓力分布發生顯著變化，在樁頂至1/2基坑深度位置區間，其土壓力沿豎向基本無變化且總體較??；從1/2基坑深度往下開始恢復增長，呈梯形分布。