地基土水平抗力系數(shù)m的取值方法

徐 耘 野

(貴州省建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550081)

1 概述

邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)中，抗滑樁是最常用的支護(hù)方式之一。目前抗滑樁的設(shè)計(jì)計(jì)算最常用的方法是線彈性地基反力法，根據(jù)巖土條件的不同，又分為m法，K法，C法等。其中，K法適用于較完整的硬質(zhì)巖層、未擾動(dòng)的硬粘土等地層；m法適用于硬塑～半堅(jiān)硬的砂粘土、碎石土等地層。由于m法計(jì)算簡單，適用范圍更廣，國內(nèi)有關(guān)樁設(shè)計(jì)的規(guī)范大都推薦采用m法。采用m法對(duì)抗滑樁進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，水平抗力系數(shù)m是一個(gè)非常重要的計(jì)算參數(shù)，其取值對(duì)于抗滑樁的設(shè)計(jì)計(jì)算影響比較大，因此m取值是否準(zhǔn)確，往往決定抗滑樁設(shè)計(jì)是否安全合理。

2 規(guī)范條文中m的經(jīng)驗(yàn)取值

TB 10993—2017鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范、GB 50330—2013建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范、JGJ 120—2012建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程、JGJ 94—2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范和《工程地質(zhì)手冊(cè)》(第五版)等相關(guān)規(guī)定及規(guī)范均有說明m值宜通過單樁水平荷載試驗(yàn)實(shí)測確定，當(dāng)無實(shí)測資料時(shí)，按經(jīng)驗(yàn)表格取值。但在設(shè)計(jì)階段，一般情況下難以具備試驗(yàn)條件，同時(shí)由于環(huán)境、時(shí)間等多因素的影響，較難通過水平荷載試驗(yàn)得到m值。

各規(guī)定和規(guī)范都對(duì)各種土層m的經(jīng)驗(yàn)取值作出了規(guī)定，表1～表3分別為上述幾種規(guī)范中對(duì)于m取值的經(jīng)驗(yàn)值范圍。

同時(shí)，《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定，缺少試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)時(shí)，可按下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：m(MN/m4)=(0.2φ2-φ+c)/vb。其中，c，φ分別為土的粘聚力及內(nèi)摩擦角；vb為擋土構(gòu)件在坑底處的水平位移量，一般取10 mm。

表1 《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》及《工程地質(zhì)手冊(cè)》m取值

表2 《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》m取值

表3 《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》m取值

3 相關(guān)文獻(xiàn)中m取值的研究

國內(nèi)學(xué)者對(duì)水平抗力系數(shù)m也做了不少研究。李俊等人在《地基系數(shù)的比例系數(shù)m的確定》一文中，在沒有試樁資料的情況下，根據(jù)動(dòng)力觸探擊數(shù)，得到土層變形模量，最后計(jì)算出m值，最后歸納出：m(MPa/m2)=E0(MPa)，從而降低了按規(guī)范表格取值的隨機(jī)性。

周昌林和朱愛軍在《地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m與其彈性模量E關(guān)系的數(shù)值試驗(yàn)研究》一文中，將鋼筋混凝土圓形樁作為研究對(duì)象，通過有限元模型，研究了水平抗力系數(shù)之比例系數(shù)m與其彈性模量E之間關(guān)系，得到m和E成線性正相關(guān)的關(guān)系，即m=a+bE。

4 工程實(shí)例m值取值分析

貴州省都勻市平塘縣某扶貧搬遷項(xiàng)目中，由于現(xiàn)場土石方開挖以及場區(qū)內(nèi)擬建物的±0.00標(biāo)高差異，存在大量的以角礫土(碎石粘土)為主的土質(zhì)邊坡。部分坡段由于放坡空間不足，需采用抗滑樁作為支擋結(jié)構(gòu)。在抗滑樁設(shè)計(jì)計(jì)算中，首先需要對(duì)于場區(qū)土層的水平抗力系數(shù)m進(jìn)行取值。

根據(jù)對(duì)場區(qū)的碎石土的動(dòng)力觸探、現(xiàn)場大剪等試驗(yàn)，得到了場地碎石土的參數(shù)如下：動(dòng)力觸探修正后的平均擊數(shù)：N63.5=15.50，粘聚力c=50 kPa，內(nèi)摩擦角φ=38°。根據(jù)各規(guī)范和各文獻(xiàn)的研究結(jié)論，對(duì)該場地的水平抗力系數(shù)m進(jìn)行了取值的確定。

4.1 規(guī)范經(jīng)驗(yàn)值

角礫土(碎石粘土)根據(jù)各規(guī)范的m取值如下：根據(jù)《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》及《工程地質(zhì)手冊(cè)》，m取值為30 MN/m4～80 MN/m4；根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》，m取值為5 MN/m4～14 MN/m4，根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》，m取值為100 MN/m4～300 MN/m4。由此可見，對(duì)同一種土層，不同規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)取值存在較大的差異。

4.2 規(guī)范公式計(jì)算

由《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》中的公式，對(duì)m進(jìn)行計(jì)算：

m=(0.2φ2-φ+c)/vb=(0.2×382-38+50)/10=30.08 MN/m4

。4.3相關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)論計(jì)算

根據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)》(第五版)，動(dòng)力觸探平均擊數(shù)：N63.5=15.50，其變形模量E0=38.05 MPa，由《地基系數(shù)的比例系數(shù)m的確定》一文的結(jié)論，m=E0=38.05 MN/m4。

4.4 試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)

由于上述方法確定的水平抗力系數(shù)m差異較大，為了能得到更為準(zhǔn)確的取值，進(jìn)行了3根抗滑樁的水平靜載試驗(yàn)，抗滑樁為1.4 m×1.6 m矩形抗滑樁，樁身混凝土為C30。其水平抗力系數(shù)m按照下式進(jìn)行計(jì)算：

其中，vx=2.441，b0=B+1=2.4 m，EI=11 424 000 kN·m2。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

取其平均值可計(jì)算出其水平抗力系數(shù)m=33.36 MN/m4。

表4 單樁水平靜載試驗(yàn)結(jié)果

4.5 水平抗力系數(shù)m取值

綜上所述，采用《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》中公式計(jì)算出的水平抗力系數(shù)m=30.08 MN/m4、根據(jù)《地基系數(shù)的比例系數(shù)m的確定》一文的結(jié)論m=38.05 MN/m4與試驗(yàn)實(shí)測水平抗力系數(shù)m=33.36 MN/m4三個(gè)結(jié)果比較接近，且都滿足《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》及《工程地質(zhì)手冊(cè)》上m取值為30 MN/m4～80 MN/m4的范圍內(nèi)，因此該工程實(shí)例中水平抗力系數(shù)取值為m=30 MN/m4進(jìn)行抗滑樁的設(shè)計(jì)和計(jì)算。

5 結(jié)語

本文通過不同方法對(duì)工程實(shí)例中水平抗力系數(shù)m進(jìn)行取值，對(duì)實(shí)際工程中水平抗力系數(shù)m的取值方法進(jìn)行了分析。

1)采用《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》中公式進(jìn)行計(jì)算，或者將彈性模量數(shù)值等同于水平抗力系數(shù)m，其計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)較為接近，且滿足《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》及《工程地質(zhì)手冊(cè)》上規(guī)定的取值范圍。2)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》中m的取值偏小，計(jì)算偏安全；《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中m的取值偏大。3)實(shí)際工程中，如果沒有條件進(jìn)行水平荷載試驗(yàn)，水平抗力系數(shù)m應(yīng)盡量采用《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》中公式進(jìn)行計(jì)算，或參照《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》及《工程地質(zhì)手冊(cè)》的取值范圍；也可以參照《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》的取值范圍進(jìn)行保守計(jì)算。4)影響水平抗力系數(shù)m的因素很多，實(shí)際取值時(shí)應(yīng)從各方面進(jìn)行綜合考慮。本文只是針對(duì)各規(guī)范中對(duì)水平抗力系數(shù)m經(jīng)驗(yàn)取值差異較大的問題進(jìn)行了分析，從而得到較為準(zhǔn)確的經(jīng)驗(yàn)取值，且缺乏足夠的理論和實(shí)踐依據(jù)，因此還需進(jìn)一步對(duì)其檢驗(yàn)和研究。