基坑侧壁土压力变化试验研究
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摘要：依托现场试验研究了支护桩侧土压力随基坑开挖过程及基坑开挖完成后一段时间内的变化，得到了一些有益与工程实际的结论。
关键词：基坑；土压力；现场试验
1、引言
土压力的确定是深基坑支护结构设计的前提，其精确性直接影响设计的合理性，该试验能够测得在不同工况下的土压力，对支护体系设计、支护体系变形预测、支护结构安全及基坑支护经济合理性等问题都有重要意义。
2、工程背景
本试验依托东北大学秦皇岛分校综合实验楼工程[1]，实验楼位于秦皇岛市海港区经文路西侧东北大学秦皇岛分校院内，实验馆与宿舍楼之间，图书馆的东侧。该实验楼拟建15层，框剪结构，总建筑面积约为35000 m2，建筑物高60.5 m，采用筏板基础，基坑平均深度7.0 m。在基坑靠近实验馆一侧，支护形式采用单支点桩锚式(两桩一锚)，其各部分参数如下：桩长12 m，桩径0.8 m，混凝土强度等级为C30；锚杆总长19 m，其中锚固段长12.5 m，配筋为320，锚孔孔径150 mm，间距1.2 m；冠梁宽900 mm，高600 mm。基坑布置详见图1。
3、试验原理及仪器参数
土压力试验通过在有代表性位置的支护桩非临空侧布置不同深度位置的土压力盒进行测定，测试在基坑开挖和使用过程中的土压力变化。
振弦式土压力盒的工作原理[2]：一根两端嵌固的钢弦，当直径远远小于长度时，在微幅振荡下，其自振频率f与轴向应力的关系为：
(3-1)
式中――自振频率；
――钢弦有效长度；
――钢弦体密度。
压力通过土压力盒压力膜作用于传感器，使之同步变形，传感器内的钢弦也随之产生轴向变形，钢弦的应力也发生相应变化，且有，所以：
(3-2)
对于任一钢弦式传感器，、都是不变的常量，所以上式反映了钢弦的固有频率与压力的函数关系。
土压力盒的工作过程是：当传感器受压时，钢弦的自振频率会发生相应变化，通过电信号的转换，GSJ-2A型的测频电路测定频率f后，按(3-3)式数学模型计算出拉力F并直接数字显示。
(3-3)
式中、――传感器常数；
――初频(=0时的频率)；
――力为时的输出频率。
土压力盒实物见图3-2，其技术参数如下[2]：
量程：0～10 MPa；
准确度：0.5% FS，1.0% FS；
重复性：0.2% FS，0.4% FS；
稳定性：年漂移一般不大于其准确度，可接长电缆，准确度不受影响。
图2土压力盒实物图
Fig.3-2 Earth pressure cells pictorial diagram
GSJ-2A型多功能电脑检测仪实物见图3-3，其技术参数如下[3]：
测频精度：±0.10 Hz
准确度：0.5% FS，1.0% FS；
工作环境：0-40 °C,相对湿度85%
图3GSJ-2A型多功能电脑检测仪实物图
Fig.3-3 GSJ-2A multi-function computer detector pictorial diagram
4、试验仪器布设
本文的土压力试验共布置9个测点，平均分布在3根桩侧，每根桩侧分布三个测点，都分布在非临空侧(基坑壁一侧)，深度分别为4.7 m、7 m、9.2 m。土压力盒使用布帘固定到支护桩侧，见图4。
5、基坑开挖顺序
试验基坑开挖工序为：第一步，基坑开挖2 m深，完成时间为2008年11月21日，称为第一阶段；第二步，加锚杆并施加预应力，完成时间为2008年11月22日，称为第二阶段；第三步，基坑开挖到设计深度，完成时间为2008年11月24日，称为第三阶段。
6、实验结果及分析
6.1基坑开挖各阶段土压力
开挖各阶段土压力曲线见图6~8。
通过图6~8可以看出：①第一阶段，土压力呈直线递增状态，呈现静止土压力特性；②第二阶段，在基坑顶部至基坑底部范围内，土压力都直线增长，但值比未加锚前稍小，而基坑底部以下深度范围内，土压力出现折点；③第三阶段，4.7 m处土压力由平滑变化为有明显折点出现，在基坑底部范围内，土压力出现峰值。
分析以上现象出现的原因为：①第一阶段，开挖深度较小，开挖上部土体无侧向位移或位移较小，土体还表现为静止土压力特性；②第二阶段，锚杆施加预应力后，对土体的静止土压力起到抵消作用，土压力值略小，但整体变化不大；③第三阶段，桩后主动土压力全部发挥，桩前被动土压力也开始发挥作用，两者的合力导致土压力峰值点出现在基坑底部。
6.2基坑开挖至设计设计深度后土压力随时间的变化桩1、桩2、桩3侧土压力随时间的变化曲线见图9~11。
通过图3-20~3-22可以看出：①基坑4.7 m深处土压力随着时间的推移逐渐变小，而7 m和9.2 m深处的土压力变化情况刚好相反，但总体变化幅度不大；②土压力曲线整体呈现上小、下小、中间大的三角形分布土压力规律，符合土压力分布的一般规律[4,5]。
分析以上现象出现的原因为：①由于在基坑土压力试验时间段内，天气晴好，基坑顶面又无堆载发生，且基坑周边一直在进行基坑降水，水位一直维持在较低水平，因此土压力随时间变化不大；②预应力锚杆的作用使土压力在基坑底部附件出现折点，呈现出三角形分布土压力规律。
7、结论
基坑刚开挖时，土压力线性增长，呈现出静止土压力特性；基坑开挖到设计深度后，基坑上部土压力土压力整体曲线呈现上小、下小、中间大的三角形分布土压力规律，土压力峰值出现在基坑底部。
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