非均質土層中單支點支護結構嵌固深度探討

羅會軍 (長江大學城市建設學院，湖北 荊州 434023)

非均質土層中單支點支護結構嵌固深度探討

羅會軍 (長江大學城市建設學院，湖北 荊州 434023)

針對目前基坑支護設計中圍護結構嵌固深度的計算方法，以極限平衡法中的等值梁法和靜力平衡法，并結合設計計算時設計土層參數的選取加以展開，對單層支點支護結構的嵌固深度進行了探討，旨在為實際工程中單層支點支護結構的設計計算提供參考。

等值梁法；靜力平衡法；土層參數；嵌固深度

在建造埋置深度較大的基礎或地下工程時，往往需要進行較深的土方開挖，這個由地面向下開挖的地下空間就稱之為基坑。基坑工程作為一項隱蔽性的工程，在建筑結構的前期工作中占據著舉足輕重的角色。為了保證基坑周邊未開挖土體及已有建筑物具有足夠的抗傾覆穩定性的需要，這就要求支擋結構要起到擋土的作用。因此合理的選擇支護方式，對支護結構進行正確的計算，對維護基坑工程的安全性是十分重要的。目前工程中常采用極限平衡法來計算單層支點支護結構，而此方法又可分為靜力平衡法和等值梁法[1-2]。下面，筆者以這2種方法對支護結構進行計算。

1 計算方法

1.1靜力平衡法

靜力平衡法是將嵌入基坑底部以下的樁端看作自由端，整個支護樁被簡化為一個簡支梁，首先根據各主、被動區土體壓力對支撐點處的力矩平衡列出一個關于嵌固深度d的平衡方程式，整理后可得出一d3函數的方程，此方程式的求解過程比較繁冗，特別是在非均質土層中存在著地下水的情況。因此，一般均采用代入值法。即先設定一個值，然后代入看等式是否成立，不成立則繼續賦值代入，直至相等為止。然后再根據水平力平衡列出平衡方程如下，求出支撐力：

Ra=EAj-EPj

式中，Ra、EAj、EPj分別為支撐力、朗肯主動土壓力合力和朗肯被動土壓力合力，kN。

1.2等值梁法

等值梁法是將插入堅硬土層或是礫石中的樁下端看作是固定端，支撐處被視作為一個鉸支座，反彎點(近似取主動區與被動區土壓力為零處)亦被視作為鉸支座；首先根據等效于簡支梁部分的力矩、力平衡條件求出支撐力。然后利用反彎點以下各水平力對樁底端取矩，求得反彎點以下的樁長，最小嵌固深度即可知。具體計算步驟如下：

1)反彎點的確定。假定支護樁上土壓力為零的點即為反彎點，設其在基坑底部以下y處，則有：

即：

(1)

式中，γ1、γ2分別為主動區與被動區土層的重度,kN/m3；c為土的粘聚力,kPa；Ka為朗肯主動土壓力系數，Ka=tan2(45°-φ/2)；Kp為朗肯被動土壓力系數，Kp=tan2(45°+φ/2)；φ為土的內摩擦角，(°)。

2)按簡支梁AB計算等值梁的支點反力Ra及Qb，等值梁法計算簡圖如圖1所示。

3)計算支護樁的最小入土深度d。如圖1(b)所示，反彎點以下各水平力對G點取距，即∑MG=0，則:

(2)

由式(2)即可解得x，則樁的最小嵌固深度為d=y+x。

2 土層參數的選取

圖1 等值梁法計算簡圖

設計人員能否正確的選擇設計計算強度指標參數對支擋結構的計算是非常重要的，不管采用什么設計計算方法，除了計算模型要與實際情況相符外，設計參數的選取也應被予以重點考慮。有時，能否合理地選取設計參數對計算結果的影響往往要大于采用不同計算方法對計算結果所產生的影響。土層參數的分算與合算是目前在設計計算中常常會遇見的2種情況。分算，即按照各土層實際的物理力學參數值進行計算；合算，則采用土層參數值按厚度方向的加權平均值進行計算。

2.1土層參數按實際分層取值

1)主動土壓力強度 當計算點在基底以上時，主動土壓力強度為：

當計算點在基底以下時，主動土壓力強度為：

σa=σa基抗面

式中，σa，Ka分別是計算點處的主動土壓力強度(kPa)及朗肯主動土壓力系數；q為地面均布荷載,kN/m；hi為計算深度范圍內各土層的厚度,m；γi，ci，φi分別為主動區計算點處土層物理力學指標參數(重度(kN/m3)，土的粘聚力(kPa)，土的內摩擦角(°))值。

2)被動土壓力強度 被動土壓力強度計算公式為：

式中，σp，Kp分別是計算點處的被動土壓力強度(kPa)及朗肯被動土壓力系數；γi，ci，φi分別是被動區計算點處土層物理力學指標參數值。

2.2土層參數按加權平均取值

1)主動土壓力強度 當計算點在基底以上時，主動土壓力強度為：

當計算點在基底以下時，主動土壓力強度為：

σa=σa基抗面

2)被動土壓力強度 按2.1中被動區土體壓力強度計算公式計算。

3 工程算例

某基坑工程, 地形平坦，其基坑支護剖面圖如圖2所示。場地的地層主要由雜填土、淤泥質粘土、粉質粘土組成，基坑開挖深度為6.8m。支護結構穿過土層為①、②、③，基底坐落于粉質粘土中，基坑周邊地面附加荷載取15kPa。基坑支護剖面圖及各土層的物理力學參數見表1。

采用靜力平衡法與等值梁法將土層物理力學指標參數分別用分算與合算進行計算，結果見表2。

圖2 基坑支護剖面圖

表1 各土層力學指標

表2 不同方法的計算結果

由表2的計算結果可以看出采用等值梁法所得的支護樁最小嵌固深度與最小支撐力都普遍比用靜力平衡法所得的結果大；而在計算時采取土層參數合算與分算時，無論是用哪一種計算方法，前者所得的結果比后者大。

4 結 語

1)當土層物理力學指標參數變化較大時，設計人員應充分考慮這一點，在進行支護結構計算時不能簡單地取各層土按厚度的加權平均值進行計算，以免造成較大的誤差。

2) 為了更好的維護基坑的穩定，減小基坑側壁的變形，用等值粱法計算樁的最小嵌固深度無疑是一個好的選擇，但其計算結果往往偏于保守；采用靜力平衡法，同樣在滿足基坑穩定的情況下，算得的嵌固深度就會小很多，這樣更加經濟。3)為了不給工程造價帶來不必要的負擔，設計計算時不能都按等值梁法計算，除應考慮工程實際情況外，還應視基底下部土層性質而定，如果下部土質情況較好，則用靜力平衡法；如果下部土質情況較差時，考慮到基坑的整體穩定性，宜采用等值梁法計算。

[1]徐揚清. 深基坑支護結構的優化設計計算[J]. 巖土力學, 1997, 18(2) : 57-61.

[2]建筑基坑支護技術規程(JGJ120-99 )[M]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2000.

[3]郝恩海.天津地區深基坑支護計算方法研究[D].天津:天津大學,1999.

[4]楊佳平. 懸臂式支護結構設計中土層參數分算與合算的探討[J]. 世界地質, 2005(3) : 293-296.

[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409.2012.01.046

TU47

A

1673-1409(2012)01-N142-03