巖土工程師輔導：巖土深基坑支護設計

　　摘要：深基坑支護的設計、施工、監(jiān)測技術是近10多年來在我國逐漸涉及的技術難題。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上都有了進一步的發(fā)展，取得了可喜的成績。

　　??關鍵詞：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)構日臻完善，出現(xiàn)了許多新的支護結(jié)構形式與穩(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，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)構布置如下：(1)護坡樁樁徑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1.6m;(3)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);(4)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科，新的完善的支護結(jié)構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)比較復雜，土壓力的計算還與支護結(jié)構的剛度和施工方法等有關，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?？辜魪姸戎笜说臏y定方法有總應力法和有效應辦法，前者采用總應力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k法應用方便，適用于不透水或弱透水的粘土層。有效應力法應用于砂層。

　　??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?？梢郧蟮眯拚蟮腒P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?；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，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.護坡樁的設計

　　??該工程支護結(jié)構主要采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁加斜土錨的設計方案，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，支護設計時，筆者參照部分支護結(jié)構設計的相關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)，所以計算時應采用加權平均值的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：(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)構設計手冊》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=5.06 m

　　??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，它還有待于理論上的完善，如何取一種在經(jīng)濟技術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。

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