气顶法埋设土压力盒技术应用及实测分析

路 鹏 郑小祥

(上海勘察设计研究院(集团)有限公司，上海 200438)

1 概述

上海某工程五号工作井最大开挖深度达到44.5 m，围护体地下连续墙长度89 m，本工程在充分利用地下空间、节省土地资源等方面具有开拓性和标志性的意义。然而超深基坑的施工过程中，加之软土地质的复杂性，对地下空间的安全带来了很大的挑战。作用于基坑支护结构上的土压力变化和分布较为复杂，测试围护体的接触压力时土压力盒的埋设工艺较为复杂。一般采用较多的有顶出法埋设和挂布法埋设，其中顶出法的传感器安装、埋设等技术要求和实施难度要高很多。

本文利用顶出法埋设技术开展现场安装和验证试验，过程中对试验数据进行翔实记录和对比分析，最后对安装效果进行了验证，总结了成功的经验。

2 工程地质概况

本工程所在区域基本为上海市正常沉积地层，各土层物理力学参数详见表1。

表1 地基土物理特性参数表

3 土压力盒测点布置

五号工作井基坑开挖深度为41.1 m(局部44.5 m)，围护结构采用1.2 m厚地下连续墙，内支撑设置9道钢筋混凝土支撑(局部10道)。

土压力盒埋设位置设计为第3道～第10道支撑以下2 m位置，坑底以下1 m,4 m,7 m,12 m，共计12个位置，土压力盒埋深统计详见表2，剖面示意图见图1。

4 现场试验

4.1 气顶法简介

气顶法是利用气缸为顶出装置，利用气源为动力，将传感器顶入土体中，它比挂布法(埋设于结构物表面，刚性基础压力测试)定位更准确，安装更到位，可认为是自由场应力测试，测得的应力更接近土体的应力。

表2 土压力盒埋深统计表

顶出装置共分两部分：地上部分包括气源、储气罐、分流调压阀和观测仪表；地下部分包括推进器、通气管和土压力盒引线等，地下部分均装在钢筋笼内。在地面上，先将土压力盒固定在推进器上，按预定埋设的标高将推进器固定在钢筋笼的主筋上，接通气源和导线。然后，地下部分随钢筋笼入槽，达到埋设标高位置后，由地上部分控制，给推进器施加气压，将土压力盒紧紧地贴于槽壁，并埋设到连续墙的深层槽内[5],见图2。

4.2 气顶法安装过程

安装前，检查传感器、顶出装置(气缸)的完好情况，根据预定的量程和线长记录每个传感器对应的深度和初始频率。其中，传感器的量程应满足被测压力范围的要求，上限可取最大设计压力的2倍。

安装时，将传感器通过相关装置固定在气缸伸出杆的前端，且传感器的前端平面尽量与主筋齐平，凸出过高容易导致在钢筋笼下放过程中触到槽壁损坏。传感器处需预留足够长度的导线(预留导线长度必须大于气缸最大伸出距离)。气缸通过前后两块安装板牢固地焊接在钢筋笼上，传感器的电缆和气缸的进出气管用铁丝或扎带绑扎固定在钢筋笼主筋上，并向上延伸直至钢筋笼的上端。超深地墙分为多节吊装，导线和气管需汇集固定到本节钢筋笼的顶部，待上下两节钢筋笼对接时逐步将下节笼内的导线穿过上节笼牵引上去。

吊装完成后在槽段内浇灌混凝土之前，用气泵加气压，通过气源的压力将气缸内的伸出杆顶出，即完成土压力盒埋设。

本工程选用的传感器为江苏某厂生产JTM-V2000B型圆饼状双膜振弦式土压力盒，且内部均嵌入了编码芯片，当外部贴码损坏后可通过专用测读仪测读出编号，顶出装置采用进程为50 cm的气缸。

4.3 过程数据采集

本次埋设试验中，在钢筋笼下放完后(即顶出前)、通过顶出装置加压顶出后和地墙混凝土浇筑完成后共三个安装节点对传感器进行了数据采集，具体数据详见表3。整个安装及钢筋笼吊装过程中无土压力盒受损情况发生，地墙混凝土浇筑后亦未出现无读数的传感器，最终安装成活率为100%。

表3 过程数据统计表

5 试验结果分析

5.1 顶出过程分析

根据出厂时标定的频率—压力率定值，求得土压力值，计算公式为：

P=K(fi2-f02)

(1)

其中，P为测量土压力值，kPa；fi为压力传感器本次读数，Hz；f0为压力传感器的初始读数，Hz；K为压力传感器的标定系数，kPa/Hz2。根据式(1)计算各个安装节点土压力盒实测值，详见表4，图3。

表4 各安装节点土压力盒实测值

通过以上图表可知，土压力盒随钢筋笼下放完成后，土压力盒浸泡在一定重度的水泥浆，实测值反映出随深度呈线性增长(曲线①)；通过给气缸加气压将土压力盒顶出后，受力膜接触到了槽壁的土体，实测值有所增大(曲线②)。从两天后混凝土浇筑完成时的实测值对比来看，顶出时实测值要比后者小很多，原因可做如下解释：土压力盒埋入土中后引起了土体的应力集中和重新分布，产生了“匹配误差”。

5.2 实测值与理论值比较分析

当地面均布荷载q=0 kPa时，理论上静止土压力可按式(2)计算：

σ0=K0γH

(2)

其中，σ0为静止土压力，kPa；K0为静止土压力系数,K0的测试较为困难，取值最常用的是雅其(Jaky，1948)的经验公式K0=1-sinφ′(φ′为土的有效内摩擦角)估算;γ为土的重度,kN/m3;H为深度,m。

根据式(2)计算理论静止土压力及实测土压力反算静止土压力系数K0得表5，实测值与理论计算值绘制曲线见图4。

表5 过程数据统计表

通过以上图表可知，实测值较好的反映出了静止土压力的特性：随着深度的增加，实测土压力呈线性增长，不同土层表现略有差异。经与理论计算值进行对比，实测值要略小于理论计算值，相应反算出静止土压力系数K0要小于经验公式K0=1-sinφ′的结果(见表5)，但两者整体吻合性较好(见图4)。

6 结语

本文利用气顶法安装土压力盒试验，对现场试验中进行数据采集，获取了安装过程各个节点的土压力盒实测数据，并与理论计算值进行了比对分析，得出如下主要结论：

1)顶出法解决了挂布法难以控制土压力盒受力面，造成测试数据失真和传感器被混凝土包裹导致成活率低的问题。

2)通过气缸加气压后，土压力盒实测数据增长明显，说明顶出装置顶出效果良好。

3)土压力盒实测值较好的反映了实际规律，与理论计算值吻合较好，验证了气顶法安装技术的准确性和可靠性。