深基坑支護設計計算分析

黃 榮

（四川省川建勘察設計院，四川 成都 610081）

前言。在深基坑支護工程中，邊坡的穩定及變形控制的要求尤為重要。在支護結構日臻完善的今天，同時也出現了許多新的支護結構形式與穩定邊坡的方法。近10多年來在我國逐漸涉及的技術難題中包括深基坑支護的設計、施工、監測技術,而深基坑的護壁,不但要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。

1、工程概況。某建筑工程地上16層，地下2層，總高度為68.48m，總建筑面積為51818.38m2，其中地下室面積為 7721.88m2。基坑平面呈J型，基坑底周長約316.6m，底面積約4177.6m2，基坑底標高為-7.6m。距基坑邊：東面約20m是公路，南面5～6m是某單位1#、3#職工住宅樓，西面約15m是民工宿舍，北面約50m是立交橋。

2、深基坑支護類型選擇。根據實際情況,經比較采用鉆孔灌注樁作為擋土結構較為安全和經濟,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:(1)護坡樁樁徑600mm,樁凈距1000mm;(2)土層錨桿一排作單支撐,端部在地面以下2.00mm,下傾18°,間距1.5m;(3)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;(4)樁間為粘性土,不作處理。

3、深基坑支護土壓力計算。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。所以土壓力的計算,仍然是簡化后按庫侖公式或朗肯公式進行。常用的公式為如下。

主動土壓力

式中,Eα為主動土壓力 (kN);γ為土的容重,采用加權平均值;H為擋土樁長(m);ф為土的內摩擦角(°);C為土的內聚力(kN)。

被動土壓力EP=1/2γt2KPCt

式中,EP為被動土壓力(kN);t為擋土樁的入土深度(m);KP為被動土壓力系數,一般取K2=tg2(45°-ф/2)。

由于傳統理論存在一些不足,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:

3.1、土壓力參數。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、ф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、<及浮容量γ計算土壓力,另解水壓力,即是水土分算。總應辦法應用方便,適用于不透水或弱透水的粘土層。有效應力法應用于砂層。

3.2、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。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。可以求得修正后的KP是KP={CosψDCosδ[KF)]-sin(ψo十 δ)sinψo}2式中是按等值內摩擦角計算,對粘性土取фD=ф 是根據經驗取值,δ 一般為1/3ф-2/3ф。

3.3、用等值內摩擦角計算主動土壓力。在實踐中,對于坑深在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°-ф2)+2C2/γ。

用等值內摩擦角時,按無粘性土三角形土壓力并入фo,E=1/2γH2tg(45°-ф/2),而E=E,由此可得 tg(45°-[SX 0фo/2=rH2tg2(45°-ψ/2)-4CHtg(45°-ψ/2)+4C2/r2rH2。

3.4、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。

3.5、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,其中暴雨后土內水分劇增后導致的失穩就是主要原因之一。

綜上所述,結場地地質資料以及所選擇的基坑支護形成,水壓力和土壓力可分別按以下方式計算:

(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)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°-ф/2)-2CHtg(45°-ф/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。

式中,KP=[cosψcosδ-sin(ψ+δ)sinψ]2。

4、護坡樁的設計。根據地質報告反映及周圍建筑物的現狀,該工程采取了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,還有公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。

4.1、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、<、γ,ф=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′、<′、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。

4.2、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)灌柱樁埋在地下無移動;(3)自由端因較淺不作固定端,按地下簡支計算。

4.2.1、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。

4.2.2、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12.4m。

4.3、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的錨拉力,ΣFA=0,即:Eα+Eq=Ep+TA,取t=1.99解得:TA=194.35KN。

5、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。土層錨桿錨固端所在的粘土層:c=47.7kpψ=20.72°r=20.13kN/m2。

5.1、土層錨桿錨非固端段長度的確定。

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

5.2、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為埋深h處的抗剪強度;K為安全系數1.5;d為錨桿孔徑,取0.12m;錨固段長度L=17.98m。

結語。深基坑支護工程隨著城市高層建筑的發展將越來越普遍,它也是一門發展的新的實踐工程學,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。

[1]最新深基坑支護工程設計施工技術標準規范實施手冊,1999.

[2]陳忠漢.地基基礎設計與施工叢書-深基坑工程.北京:機械工業出版社,2000.

[3]深基坑支護工程實例.北京:中國建筑工業出版社,2000.