深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算分析

黃 榮

（四川省川建勘察設(shè)計(jì)院，四川 成都 610081）

前言。在深基坑支護(hù)工程中，邊坡的穩(wěn)定及變形控制的要求尤為重要。在支護(hù)結(jié)構(gòu)日臻完善的今天，同時(shí)也出現(xiàn)了許多新的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式與穩(wěn)定邊坡的方法。近10多年來(lái)在我國(guó)逐漸涉及的技術(shù)難題中包括深基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)技術(shù),而深基坑的護(hù)壁,不但要保證基坑內(nèi)正常作業(yè)安全,而且要防止基坑及坑外土體移動(dòng),保證基坑附近建筑物、道路、管線的正常運(yùn)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?；悠矫娉蔎型，基坑底周長(zhǎng)約316.6m，底面積約4177.6m2，基坑底標(biāo)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(hù)類型選擇。根據(jù)實(shí)際情況,經(jīng)比較采用鉆孔灌注樁作為擋土結(jié)構(gòu)較為安全和經(jīng)濟(jì),由于基坑開(kāi)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(hù)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(hù)的方案。擋土支護(hù)結(jié)構(gòu)布置如下:(1)護(hù)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(guò)腰梁、錨桿對(duì)護(hù)坡樁進(jìn)行拉結(jié);(4)樁間為粘性土,不作處理。

3、深基坑支護(hù)土壓力計(jì)算。深基坑支護(hù)是近些年來(lái)才發(fā)展起來(lái)的工程運(yùn)用學(xué)科,新的完善的支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力理論還沒(méi)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(jì)算還與支護(hù)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。所以土壓力的計(jì)算,仍然是簡(jiǎn)化后按庫(kù)侖公式或朗肯公式進(jìn)行。常用的公式為如下。

主動(dòng)土壓力

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

被動(dòng)土壓力EP=1/2γt2KPCt

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

由于傳統(tǒng)理論存在一些不足,在工程運(yùn)用時(shí)就必須作經(jīng)驗(yàn)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(gè)方面具體考慮:

3.1、土壓力參數(shù)?？辜魪?qiáng)度指標(biāo)的測(cè)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、ф值和天然重度γ(或飽和容量)計(jì)算土壓力,并認(rèn)為水壓力包括在內(nèi),后者采用有效應(yīng)力C、<及浮容量γ計(jì)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。

3.2、朗肯理論假定墻背與填土之間無(wú)摩擦力。這種假設(shè)造成計(jì)算主動(dòng)土壓力偏大,而被動(dòng)土壓力偏小。主動(dòng)土壓力偏大則是偏安全的,而被動(dòng)土壓力偏小則是偏危險(xiǎn)的。因此采用庫(kù)侖理論中的被動(dòng)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(hù)十 δ)sinψo(hù)}2式中是按等值內(nèi)摩擦角計(jì)算,對(duì)粘性土取фD=ф 是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值,δ 一般為1/3ф-2/3ф。

3.3、用等值內(nèi)摩擦角計(jì)算主動(dòng)土壓力。在實(shí)踐中,對(duì)于坑深在10m內(nèi)的支護(hù)計(jì)算,把有粘聚力的主動(dòng)土壓力Eα,計(jì)算式為:E=1/2CHtg2(45°-ф2)+2C2/γ。

用等值內(nèi)摩擦角時(shí),按無(wú)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(kāi)挖的空間效應(yīng)?；拥幕瑒?dòng)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(yīng),可以在兩邊折減樁數(shù)或減少配筋量。

3.5、重視場(chǎng)內(nèi)外水的問(wèn)題。注意降排水,因?yàn)橥林泻吭黾?抗剪強(qiáng)度降低,水分在較大土粒表面形成潤(rùn)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,其中暴雨后土內(nèi)水分劇增后導(dǎo)致的失穩(wěn)就是主要原因之一。

綜上所述,結(jié)場(chǎng)地地質(zhì)資料以及所選擇的基坑支護(hù)形成,水壓力和土壓力可分別按以下方式計(jì)算:

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

(2)土壓力:樁后主動(dòng)土壓力,采用朗肯主動(dòng)土壓力計(jì)算,即Eα=1/2γH2tg2(45°-ф/2)-2CHtg(45°-ф/2)+2C2/γ樁前被動(dòng)土壓力,采用修正后的朗肯被動(dòng)土壓力計(jì)算,即EP=1/2γt2KP+2KP。

式中,KP=[cosψcosδ-sin(ψ+δ)sinψ]2。

4、護(hù)坡樁的設(shè)計(jì)。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告反映及周圍建筑物的現(xiàn)狀,該工程采取了支護(hù)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(jì)方案,樁的直徑為600mm,樁間凈距為1000mm?？紤]基坑附近建筑屋的影響,還有公路上機(jī)車等動(dòng)截荷的影響,支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí),筆者參照部分支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)情形,取地面均布載荷q=40KN/m。

4.1、樁上側(cè)土壓力

(1)樁后側(cè)主動(dòng)土壓力,因?yàn)闃逗笸翞槿龑?雜添土、粘土、粉粘土)所以計(jì)算時(shí)采用加權(quán)平均 值 的 C、<、γ,ф=21.32, 得 :Eα=4.7H2-2.76H+108.49;(2)樁前側(cè)被動(dòng)土壓力:因?yàn)闃肚皞?cè)土為兩層(粘土層、粉質(zhì)粘土層),所以計(jì)算時(shí)應(yīng)采用加權(quán)平均值的C′、<′、γ′,得:EP=33.89676t2+104.5t;(3)均布載荷對(duì)樁的側(cè)壓力:由公式 Eq=qKaH,得:Eq=18.672H。

4.2、樁插入深度確定。計(jì)算前須作如下假設(shè):(1)錨固點(diǎn)A無(wú)移動(dòng);(2)灌柱樁埋在地下無(wú)移動(dòng);(3)自由端因較淺不作固定端,按地下簡(jiǎn)支計(jì)算。

4.2.1、建立方程。對(duì)鉸點(diǎn)(錨固點(diǎn))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。

4.2.2、插入深度及柱長(zhǎng)計(jì)算。根據(jù)實(shí)際情況t取最小正解;t=1.99m。

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》及綜合地質(zhì)資料,取安全系數(shù)為1.2,所以樁的總長(zhǎng)度為12.4m。

4.3、錨拉力的計(jì)算。由于樁長(zhǎng)已求出,對(duì)整個(gè)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(shè)計(jì)。錨固點(diǎn)埋深α=2m,錨桿水平間距1.6m,錨桿傾角18°,這是因?yàn)榭紤]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(hù)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。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(zhǎng)度的確定。

由三角關(guān)系有:BF=sin(45°-ф/2)/sin(45°-ф/2+a)o(H-a-d),代入數(shù)據(jù)計(jì)算得:BF=5.06m。

5.2、土層錨桿錨段長(zhǎng)度的確定:。該土層錨桿采用非高壓灌漿,則主體抗壓強(qiáng)度按下面公式計(jì)算r=C+(1/2)rhtgψ式中,r為埋深h處的抗剪強(qiáng)度;K為安全系數(shù)1.5;d為錨桿孔徑,取0.12m;錨固段長(zhǎng)度L=17.98m。

結(jié)語(yǔ)。深基坑支護(hù)工程隨著城市高層建筑的發(fā)展將越來(lái)越普遍,它也是一門發(fā)展的新的實(shí)踐工程學(xué),還有待于理論上的完善,如何取一種在經(jīng)濟(jì)技術(shù)上都合理的支護(hù)類型就必須充分考慮現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、工程地質(zhì)條件以及工程要求。

[1]最新深基坑支護(hù)工程設(shè)計(jì)施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實(shí)施手冊(cè),1999.

[2]陳忠漢.地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工叢書-深基坑工程.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[3]深基坑支護(hù)工程實(shí)例.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2000.