淺談深基坑支護設(shè)計

任義群

摘要:深基坑支護的設(shè)計、施工、監(jiān)測技術(shù)是近10多年來在我國逐漸涉及的技術(shù)難題。深基坑的護壁,不僅要求保證基坑內(nèi)正常作業(yè)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(shù)上都有了進一步的發(fā)展,取得了可喜的成績。

關(guān)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(wěn)定,而且要滿足變形控制要求,以確?；又車慕ㄖ?、地下管線、道路等的安全。如今支護結(jié)構(gòu)日臻完善,出現(xiàn)了許多新的支護結(jié)構(gòu)形式與穩(wěn)定邊坡的方法。

根據(jù)本地區(qū)實際情況,經(jīng)比較采用鉆孔灌注樁作為擋土結(jié)構(gòu),由于基坑開采區(qū)主要為粘性土,它具有一定自穩(wěn)定結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié);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(fā)展起來的工程運用學(xué)科,新的完善的支護結(jié)構(gòu)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(zhì)比較復(fù)雜,土壓力的計算還與支護結(jié)構(gòu)的剛度和施工方法等有關(guān),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(quán)平均值。H——擋土樁長(m)。Φ——土的內(nèi)摩擦角(°)。C——土的內(nèi)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(shù),一般取K2=tg2(45°-Φ/2)。

由于傳統(tǒng)理論存在達些不足,在工程運用時就必須作經(jīng)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(shù):尤其抗剪強度C/Φ的取值問題?？辜魪姸戎笜?biāo)的測定方法有總應(yīng)力法和有效應(yīng)辦法,前者采用總應(yīng)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(nèi),后者采用有效應(yīng)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?yīng)辦法應(yīng)用方便,適用于不透水或弱透水的粘土層。有效應(yīng)力法應(yīng)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(shè)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(shù)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(shù)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+δ)SinΨo〕2

式中是按等值內(nèi)摩擦角計算,對粘性土取ΦD=Φ是根據(jù)經(jīng)驗取值,δ一般為1/3Φ-2/3Φ。

2.3 用等值內(nèi)摩擦角計算主動土壓力。在實踐中,對于抗深在10m內(nèi)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(nèi)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(yīng)?；拥幕瑒用媸艿较噜忂叺闹萍s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(yīng),可以在兩邊折減樁數(shù)或減少配筋量。

2.5 重視場內(nèi)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(jié)合水膜變厚,降低了土的內(nèi)聚力。

綜上所述,結(jié)合本場地地質(zhì)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(tài),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(shè)計

該工程支護結(jié)構(gòu)主要采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁加斜土錨的設(shè)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(huán)城南路上機車等動截荷的影響,支護設(shè)計時,筆者參照部分支護結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)情形取地面均布載荷q=40KN/m。

3.1 樁上側(cè)土壓力:

(1)樁后側(cè)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(quán)平均值的C、Φ、γ,Φ=21.32,得:Eα=4.7H2-2.76H+108.49;

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

(3)均布載荷對樁的側(cè)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(shè):

(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(shù),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(jù)實際情況t取最小正解;t=1.99m.

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》及綜合地質(zhì)資料,取安全系數(shù)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(shè)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(huán)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(qū);(3)粘土層的下履層(粉質(zhì)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(guān)系有:BF=sin(45°-Φ/2)/sin(45°-Φ/2+a)·(H-a-d)代入數(shù)據(jù)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(shù)1.5,d--錨桿孔徑,取0.12m,錨固段長度L=17.98m

5 結(jié)論

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