淺談深基坑支護設計

任義群

摘要:深基坑支護的設計、施工、監測技術是近10多年來在我國逐漸涉及的技術難題。深基坑的護壁,不僅要求保證基坑內正常作業安全,而且要防止基坑及坑外土體移動,保證基坑附近建筑物、道路、管線的正常運行。各地通過工程實踐與科研,在基坑支護理論與技術上都有了進一步的發展,取得了可喜的成績。

關鍵詞:深基坑;支護

1 深基坑支護類型選擇

深基坑支護不僅要求確保邊坡的穩定,而且要滿足變形控制要求,以確保基坑周圍的建筑物、地下管線、道路等的安全。如今支護結構日臻完善,出現了許多新的支護結構形式與穩定邊坡的方法。

根據本地區實際情況,經比較采用鉆孔灌注樁作為擋土結構,由于基坑開采區主要為粘性土,它具有一定自穩定結構的特性,因此護坡樁采用間隔式鋼筋混凝土鉆孔灌注樁擋土,土層錨桿支護的方案,擋土支護結構布置如下:護坡樁樁徑600mm,樁凈距1000mm;土層錨桿一排作單支撐,端部在地面以下2.00mm,下傾18°,間距1.6m;腰梁一道,位于坡頂下2.00m處,通過腰梁,錨桿對護坡樁進行拉結;樁間為粘性土不作處理。

2 深基坑支護土壓力

深基坑支護是近些年來才發展起來的工程運用學科,新的完善的支護結構上的土壓力理論還沒有正式提出,要精確地加以確定是不可能的。而且由于土的土質比較復雜,土壓力的計算還與支護結構的剛度和施工方法等有關,要精確地確定也是比較困難的。目前,土壓力的計算,仍然是簡化后按庫侖公式或朗肯公式進行。常用的公式為:

主動土壓力:

Eα=1/2γH2tg2(45°-Φ/2)-2CHtg(45°-Φ/2)+2C2/γ

工中:Eα——主動土壓力(KN),γ——土的容重,采用加權平均值。H——擋土樁長(m)。Φ——土的內摩擦角(°)。C——土的內聚力(KN)。

被動土壓力:EP=1/2γt2KPCt

式中:EP——被動土壓力(KN),t——擋土樁的入土深度(m),KP——被動土壓力系數,一般取K2=tg2(45°-Φ/2)。

由于傳統理論存在達些不足,在工程運用時就必須作經驗修正,以便在一定程度上能夠滿足工程上的使用要求,這也就是從以下幾個方面具體考慮:

2.1 土壓力參數:尤其抗剪強度C/Φ的取值問題。抗剪強度指標的測定方法有總應力法和有效應辦法,前者采用總應力C、Φ值和天然重度γ(或飽和容量)計算土壓力,并認為水壓力包括在內,后者采用有效應力C、Φ及浮容量γ計算土壓力,另解水壓力,即是水土分算?？倯k法應用方便,適用于不透水或弱透水的粘土層。有效應力法應用于砂層。

2.2 朗肯理論假定墻背與填土之間無摩擦力。這種假設造成計算主動土壓力偏大,而被動土壓力偏小。主動土壓力偏大則是偏安全的,而被動土壓力偏小則是偏危險的。針對這一情況,在計算被動土壓力時,采用修正后的被動土壓力系數KP,因為庫侖理論計算被動土壓力偏大。因此采用庫侖理論中的被動土壓力系數擦角δ,克服了朗肯理論在此方面的假定?？梢郧蟮眯拚蟮腒P是:KP=〔CosΨDCosδ[KF)]-Sin(Ψo+δ)SinΨo〕2

式中是按等值內摩擦角計算,對粘性土取ΦD=Φ是根據經驗取值,δ一般為1/3Φ-2/3Φ。

2.3 用等值內摩擦角計算主動土壓力。在實踐中,對于抗深在10m內的支護計算,把有粘聚力的主動土壓力Eα,計算式為:E=1/2CHtg2(45°-Φ/2)+2C2/γ。

用等值內摩擦角時,按無粘性土三角形土壓力并入Φo,E=1/2γH2tg(45°-Φ/ 2),而E=E由此可得:tg(45°-[SX(]Φo2= rH2tg2(45°-Ψ/2)-4CHtg(45°-Ψ/2)+4C2/r2rH2

2.4 深基坑開挖的空間效應。基坑的滑動面受到相鄰邊的制約影響,在中線的土壓力最大,而造近兩邊的壓力則小,利用這種空間效應,可以在兩邊折減樁數或減少配筋量。

2.5 重視場內外水的問題。注意降排水,因為土中含水量增加,抗剪強度降低,水分在較大土粒表面形成潤滑劑,使摩擦力降低,而較小顆粒結合水膜變厚,降低了土的內聚力。

綜上所述,結合本場地地質資料以及所選擇的基抗支護形成,水壓力和土壓力分別按以下方式計算:

2.5.1 水壓力:因支護樁所處地層主要為粘性土層,且為硬塑中密狀態,另開挖前已作降水處理,故認為此壓力采用水土合算是可行的。

2.5.2 土壓力:樁后主動土壓力,采用朗肯主動土壓力計算,即:Eα=1/2γH2tg2(45°-Φ/2)-2CHtg(45°-Φ/2)+2C2/γ

樁前被動土壓力,采用修正后的朗肯被動土壓力計算,即:EP=1/2γt2KP+2KP Ct.

式中:KP=〔CosΨCosδ-Sin(Ψ+δ)SinΨ〕2

3 護坡樁的設計

該工程支護結構主要采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁加斜土錨的設計方案,樁的直徑為600mm,樁間凈距為1000mm.考慮基坑附近建筑屋的影響,還有環城南路上機車等動截荷的影響,支護設計時,筆者參照部分支護結構設計的相關情形取地面均布載荷q=40KN/m。

3.1 樁上側土壓力:

(1)樁后側主動土壓力,因為樁后土為三層(雜添土、粘土、粉粘土)所以計算時采用加權平均值的C、Φ、γ,Φ=21.32,得:Eα=4.7H2-2.76H+108.49;

(2)樁前側被動土壓力:因為樁前側土為兩層(粘土層、粉質粘土層),所以計算時應采用加權平均值的C′、Φ′、γ′,得:EP=33.89676t2+104.5t;

(3)均布載荷對樁的側壓力:由公式Eq=qKaH,得:Eq=18.672H。

3.2 樁插入深度確定:計算前須作如下假設:

(1)錨固點A無移動;

(2)灌注樁埋在地下無移動;

(3)自由端因較淺不作固定端,按地下簡支計算。

3.2.1 建立方程:對鉸點(錨固點)A求矩,則必須滿足:ΣMA=0

所以有:1KEP(23t+h-a)=Eq〔23 (h+t)-a〕+Ep(h+t2-α)q

式中:K為安全系數,取2,得:8.31t3+82.97t2-138.75t=114.12

3.2.2.插入深度及柱長計算:根據實際情況t取最小正解;t=1.99m.

根據《建筑結構設計手冊》及綜合地質資料,取安全系數為1.2,所以樁的總長度為:L=h+1 .5t=8.5+1.2♀1.99=12.4(m)

3.3 錨拉力的計算:由于樁長已求出,對整個樁而言,由于力平衡原理可以求出A點的錨拉力,ΣFA=0,即:Eα+Eq=Ep+TA,取t=1.99解得:TA=194.35(KN)

4 土層錨定設計

錨固點埋深α=2m,錨桿水平間距1.6m,錨桿傾角18°,這是因為考慮到:(1)基坑附近有環城南路和建筑物的存在,傾角小,錨桿的握裹力易滿足;(2)支護所在粘土層較厚,并且均一,可作為錨定區;(3)粘土層的下履層(粉質粘土層、粉砂層、圓礫層)都是飽水且較薄。

4.1 土層錨桿抗拔計算:土層錨桿錨固端所在的粘土層:c=47.7kpΨ=20.72°r=20 .13kN/m2

4.1.1 土層錨桿錨非固端段長度的確定:

由三角關系有:BF=sin(45°-Φ/2)/sin(45°-Φ/2+a)·(H-a-d)代入數據計算得:BF=5.06m

4.1.2 土層錨桿錨段長度的確定:該土層錨桿采用非高壓灌漿,則主體抗壓強度按下面公式計算:r=C+(1/2)rhtgΨ。式中:r--埋深h處的抗剪強度,K--安全系數1.5,d--錨桿孔徑,取0.12m,錨固段長度L=17.98m

5 結論

深基坑支護工程是近二十年來隨著城市高層建筑發展而發展的一門新的實踐工程學,它還有待于理論上的完善,如何取一種在經濟技術上都合理的支護類型就必須充分考慮現場環境、工程地質條件以及工程要求。