浅谈深基坑支护设计土压力计算
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摘要：深基坑支护设计是一个涉及面广、综合性强的工作，是融多种学科知识于一体的综合性科学。本文结合工程实例就间隔式钢筋混凝土钻孔灌注桩挡土及土层锚杆支护设计进行了计算分析。
关键词：基坑支护；土压力；设计计算
随着社会经济的快迅发展,城市建设的投入不断加大,对基坑支护设计计算提出了更高、更严的要求。在深基坑支护工程中，边坡的稳定及变形控制的要求尤为重要。在支护结构日臻完善的今天，同时也出现了许多新的支护结构形式与稳定边坡的方法。近几年在我国逐渐涉及的技术难题中包括深基坑支护的设计、施工、监测技术,而深基坑的护壁,不但要保证基坑内正常作业安全,而且要防止基坑及坑外土体移动,保证基坑附近建筑物、道路、管线的正常运行。
1.工程概况
某建筑工程地上16层，地下2层，总高度为68.48m，总建筑面积51818.38 m2，其中地下室面积为7721.88 m2。基坑平面呈J型，基坑底周长约316.6m，底面积约4177.6 m2，基坑底标高为-7.6m。距基坑边：东面约20m是公路，南面5～6m是某单位1#、3#职工住宅楼，西面约15m是民工宿舍，北面约50m是立交桥。
2.深基坑支护类型选择
根据实际情况,经比较采用钻孔灌注桩作为挡土结构较为安全和经济,由于基坑开采区主要为粘性土,它具有一定自稳定结构的特性,因此护坡桩采用间隔式钢筋混凝土钻孔灌注桩挡土,土层锚杆支护的方案。挡土支护结构布置如下:(1)护坡桩桩径600mm,桩净距1000mm;(2)土层锚杆一排作单支撑,端部在地面以下2.00mm,下倾18°,间距1.5m;(3)腰梁一道,位于坡顶下2.00m处,通过腰梁、锚杆对护坡桩进行拉结;(4)桩间为粘性土,不作处理。
3.深基坑支护土压力计算
深基坑支护是近些年来才发展起来的工程运用学科,新的完善的支护结构上的土压力理论还没有正式提出,要精确地加以确定是不可能的。而且由于土的土质比较复杂,土压力的计算还与支护结构的刚度和施工方法等有关,要精确地确定也是比较困难的。所以土压力的计算,仍然是简化后按库仑公式或朗肯公式进行。常用的公式为如下。主动土压力
Eα=1/2γH2tg2(45°-ф2)-2CHtg(45°-ф/2)+2C2/γ
式中,Eα为主动土压力(kN);γ为土的容重,采用加权平均值;H为挡土桩长(m);ф为土的内摩擦角(°);C为土的内聚力(kN)。被动土压力EP=1/2γt2KPCt
式中,EP为被动土压力(kN);t为挡土桩的入土深度(m);KP为被动土压力系数,一般取K2=tg2(45°-ф/2)。
由于传统理论存在一些不足,在工程运用时就必须作经验修正,以便在一定程度上能够满足工程上的使用要求,这也就是从以下几个方面具体考虑:
3.1 土压力参数
抗剪强度指标的测定方法有总应力法和有效应办法,前者采用总应力C、ф值和天然重度γ(或饱和容量)计算土压力,并认为水压力包括在内,后者采用有效应力C、<及浮容量γ计算土压力,另解水压力,即是水土分算。总应办法应用方便,适用于不透水或弱透水的粘土层。有效应力法应用于砂层。
3.2 朗肯理论假定墙背与填土之间无摩擦力
这种假设造成计算主动土压力偏大,而被动土压力偏小。主动土压力偏大则是偏安全的,而被动土压力偏小则是偏危险的。因此采用库仑理论中的被动土压力系数擦角δ,克服了朗肯理论在此方面的假定。可以求得修正后的KP是KP={CosψDCosδ[KF)]-sin(ψo十δ)sinψo}2式中是按等值内摩擦角计算,对粘性土取фD=ф是根据经验取值,δ一般为1/3ф-2/3ф。
3.3 用等值内摩擦角计算主动土压力
在实践中,对于坑深在10m内的支护计算,把有粘聚力的主动土压力Eα,计算式为:E=1/2CHtg2(45°-ф2)+2C2/γ。
用等值内摩擦角时,按无粘性土三角形土压力并入фo,E=1/2γH2tg(45°-ф/2),而E=E,由此可得tg(45°-[SX0фo/2=rH2tg2(45°-ψ/2)-4CHtg(45°-ψ/2)+4C2/r2rH2。
3.4 深基坑开挖的空间效应
基坑的滑动面受到相邻边的制约影响,在中线的土压力最大,而造近两边的压力则小,利用这种空间效应,可以在两边折减桩数或减少配筋量。
3.5 重视场内外水的问题
注意降排水,因为土中含水量增加,抗剪强度降低,水分在较大土粒表面形成润滑剂,使摩擦力降低,而较小颗粒结合水膜变厚,降低了土的内聚力,其中暴雨后土内水分剧增后导致的失稳就是主要原因之一。
综上所述,结场地地质资料以及所选择的基坑支护形成,水压力和土压力可分别按以下方式计算:
(1)水压力:因支护桩所处地层主要为粘性土层,且为硬塑中密状态,另开挖前已作降水处理,故认为此压力采用水土合算是可行的。
(2)土压力:桩后主动土压力,采用朗肯主动土压力计算,即Eα=1/2γH2tg2(45°-ф/2)-2CHtg(45°-ф/2)+2C2/γ桩前被动土压力,采用修正后的朗肯被动土压力计算,即EP=1/2γt2KP+2KP。
式中,KP=[cosψcosδ-sin(ψ+δ)sinψ]2。
4.护坡桩的设计
根据地质报告反映及周围建筑物的现状,该工程采取了支护结构主要采用钢筋混凝土钻孔灌注桩加斜土锚的设计方案,桩的直径为600mm,桩间净距为1000mm。考虑基坑附近建筑屋的影响,还有公路上机车等动截荷的影响,支护设计时,笔者参照部分支护结构设计的相关情形,取地面均布载荷q=40KN/m。
4.1 桩上侧土压力
(1)桩后侧主动土压力,因为桩后土为三层(杂添土、粘土、粉粘土)所以计算时采用加权平均值的C、<、γ,ф=21.32,得:Eα=4.7H2-2.76H+108.49;(2)桩前侧被动土压力:因为桩前侧土为两层(粘土层、粉质粘土层),所以计算时应采用加权平均值的C′、<′、γ′,得:EP=33.89676t2+104.5t;(3)均布载荷对桩的侧压力:由公式Eq=qKaH,得:Eq=18.672H。
4.2 桩插入深度确定
计算前须作如下假设:(1)锚固点A无移动;(2)灌柱桩埋在地下无移动;(3)自由端因较浅不作固定端,按地下简支计算。
4.2.1 建立方程
对铰点(锚固点)A求矩,则必须满足:ΣMA=0所以有1KEP(23t+h-a)=Eq[23(h+t)-a]+Ep(h+t2-α)q式中,K为安全系数,取2,得:8.31t3+82.97t2-138.75t=114.12。
4.2.2 插入深度及柱长计算
根据实际情况t取最小正解;t=1.99m。根据《建筑结构设计手册》及综合地质资料,取安全系数为1.2,所以桩的总长度为12.4m。
4.3 锚拉力的计算
由于桩长已求出,对整个桩而言,由于力平衡原理可以求出的锚拉力,ΣFA=0,即:Eα+Eq=Ep+TA,取t=1.99解得:TA=194.35KN。
5.土层锚定设计
锚固点埋深α=2m,锚杆水平间距1.6m,锚杆倾角18°,这是因为考虑到:
(1)基坑附近有环城南路和建筑物的存在,倾角小,锚杆的握裹力易满足;(2)支护所在粘土层较厚,并且均一,可作为锚定区;(3)粘土层的下履层(粉质粘土层、粉砂层、圆砾层)都是饱水且较薄。土层锚杆锚固端所在的粘土层:c=47.7kpψ=20.72°r=20.13kN/ m2。
5.1 土层锚杆锚非固端段长度的确定
由三角关系有:BF=sin(45°-ф/2)/sin(45°-ф/2+a)o(H-a-d),代入数得:BF=5.06m。
5.2 土层锚杆锚段长度的确定
该土层锚杆采用非高压灌浆,则主体抗压强度按下面公式计算r=C+(1/2)rhtgψ式中,r为埋深h处的抗剪强度;K为安全系数1.5;d为锚杆孔径,取0.12m;锚固段长度L=17.98m。
6.结束语
综上所述，深基坑支护工程虽然大部分是临时性结构,但其具有很强的社会性,技术性和经济性.深基坑设计的计算方法虽然还有待于逐步完善,但如果在实践中不断地给予验证,把理论与实践紧密地相结合在一起,这样就能从量变过度到质变,不断地积累经验,以提高深基坑设计的准确性,达到基坑支护的安全和经济和谐统一。.
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