羅會軍 (長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

非均質(zhì)土層中單支點支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度探討

羅會軍 (長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

針對目前基坑支護(hù)設(shè)計中圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度的計算方法，以極限平衡法中的等值梁法和靜力平衡法，并結(jié)合設(shè)計計算時設(shè)計土層參數(shù)的選取加以展開，對單層支點支護(hù)結(jié)構(gòu)的嵌固深度進(jìn)行了探討，旨在為實際工程中單層支點支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算提供參考。

等值梁法；靜力平衡法；土層參數(shù)；嵌固深度

在建造埋置深度較大的基礎(chǔ)或地下工程時，往往需要進(jìn)行較深的土方開挖，這個由地面向下開挖的地下空間就稱之為基坑?；庸こ套鳛橐豁楇[蔽性的工程，在建筑結(jié)構(gòu)的前期工作中占據(jù)著舉足輕重的角色。為了保證基坑周邊未開挖土體及已有建筑物具有足夠的抗傾覆穩(wěn)定性的需要，這就要求支擋結(jié)構(gòu)要起到擋土的作用。因此合理的選擇支護(hù)方式，對支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行正確的計算，對維護(hù)基坑工程的安全性是十分重要的。目前工程中常采用極限平衡法來計算單層支點支護(hù)結(jié)構(gòu)，而此方法又可分為靜力平衡法和等值梁法[1-2]。下面，筆者以這2種方法對支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算。

1 計算方法

1.1靜力平衡法

靜力平衡法是將嵌入基坑底部以下的樁端看作自由端，整個支護(hù)樁被簡化為一個簡支梁，首先根據(jù)各主、被動區(qū)土體壓力對支撐點處的力矩平衡列出一個關(guān)于嵌固深度d的平衡方程式，整理后可得出一d3函數(shù)的方程，此方程式的求解過程比較繁冗，特別是在非均質(zhì)土層中存在著地下水的情況。因此，一般均采用代入值法。即先設(shè)定一個值，然后代入看等式是否成立，不成立則繼續(xù)賦值代入，直至相等為止。然后再根據(jù)水平力平衡列出平衡方程如下，求出支撐力：

Ra=EAj-EPj

式中，Ra、EAj、EPj分別為支撐力、朗肯主動土壓力合力和朗肯被動土壓力合力，kN。

1.2等值梁法

等值梁法是將插入堅硬土層或是礫石中的樁下端看作是固定端，支撐處被視作為一個鉸支座，反彎點(近似取主動區(qū)與被動區(qū)土壓力為零處)亦被視作為鉸支座；首先根據(jù)等效于簡支梁部分的力矩、力平衡條件求出支撐力。然后利用反彎點以下各水平力對樁底端取矩，求得反彎點以下的樁長，最小嵌固深度即可知。具體計算步驟如下：

1)反彎點的確定。假定支護(hù)樁上土壓力為零的點即為反彎點，設(shè)其在基坑底部以下y處，則有：

即：

(1)

式中，γ1、γ2分別為主動區(qū)與被動區(qū)土層的重度,kN/m3；c為土的粘聚力,kPa；Ka為朗肯主動土壓力系數(shù)，Ka=tan2(45°-φ/2)；Kp為朗肯被動土壓力系數(shù)，Kp=tan2(45°+φ/2)；φ為土的內(nèi)摩擦角，(°)。

2)按簡支梁AB計算等值梁的支點反力Ra及Qb，等值梁法計算簡圖如圖1所示。

3)計算支護(hù)樁的最小入土深度d。如圖1(b)所示，反彎點以下各水平力對G點取距，即∑MG=0，則:

(2)

由式(2)即可解得x，則樁的最小嵌固深度為d=y+x。

2 土層參數(shù)的選取

圖1 等值梁法計算簡圖

設(shè)計人員能否正確的選擇設(shè)計計算強度指標(biāo)參數(shù)對支擋結(jié)構(gòu)的計算是非常重要的，不管采用什么設(shè)計計算方法，除了計算模型要與實際情況相符外，設(shè)計參數(shù)的選取也應(yīng)被予以重點考慮。有時，能否合理地選取設(shè)計參數(shù)對計算結(jié)果的影響往往要大于采用不同計算方法對計算結(jié)果所產(chǎn)生的影響。土層參數(shù)的分算與合算是目前在設(shè)計計算中常常會遇見的2種情況。分算，即按照各土層實際的物理力學(xué)參數(shù)值進(jìn)行計算；合算，則采用土層參數(shù)值按厚度方向的加權(quán)平均值進(jìn)行計算。

2.1土層參數(shù)按實際分層取值

1)主動土壓力強度 當(dāng)計算點在基底以上時，主動土壓力強度為：

當(dāng)計算點在基底以下時，主動土壓力強度為：

σa=σa基抗面

式中，σa，Ka分別是計算點處的主動土壓力強度(kPa)及朗肯主動土壓力系數(shù)；q為地面均布荷載,kN/m；hi為計算深度范圍內(nèi)各土層的厚度,m；γi，ci，φi分別為主動區(qū)計算點處土層物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)(重度(kN/m3)，土的粘聚力(kPa)，土的內(nèi)摩擦角(°))值。

2)被動土壓力強度 被動土壓力強度計算公式為：

式中，σp，Kp分別是計算點處的被動土壓力強度(kPa)及朗肯被動土壓力系數(shù)；γi，ci，φi分別是被動區(qū)計算點處土層物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)值。

2.2土層參數(shù)按加權(quán)平均取值

1)主動土壓力強度 當(dāng)計算點在基底以上時，主動土壓力強度為：

當(dāng)計算點在基底以下時，主動土壓力強度為：

σa=σa基抗面

2)被動土壓力強度 按2.1中被動區(qū)土體壓力強度計算公式計算。

3 工程算例

某基坑工程, 地形平坦，其基坑支護(hù)剖面圖如圖2所示。場地的地層主要由雜填土、淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土組成，基坑開挖深度為6.8m。支護(hù)結(jié)構(gòu)穿過土層為①、②、③，基底坐落于粉質(zhì)粘土中，基坑周邊地面附加荷載取15kPa?；又ёo(hù)剖面圖及各土層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

采用靜力平衡法與等值梁法將土層物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)分別用分算與合算進(jìn)行計算，結(jié)果見表2。

圖2 基坑支護(hù)剖面圖

表1 各土層力學(xué)指標(biāo)

表2 不同方法的計算結(jié)果

由表2的計算結(jié)果可以看出采用等值梁法所得的支護(hù)樁最小嵌固深度與最小支撐力都普遍比用靜力平衡法所得的結(jié)果大；而在計算時采取土層參數(shù)合算與分算時，無論是用哪一種計算方法，前者所得的結(jié)果比后者大。

4 結(jié) 語

1)當(dāng)土層物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)變化較大時，設(shè)計人員應(yīng)充分考慮這一點，在進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)計算時不能簡單地取各層土按厚度的加權(quán)平均值進(jìn)行計算，以免造成較大的誤差。

2) 為了更好的維護(hù)基坑的穩(wěn)定，減小基坑側(cè)壁的變形，用等值粱法計算樁的最小嵌固深度無疑是一個好的選擇，但其計算結(jié)果往往偏于保守；采用靜力平衡法，同樣在滿足基坑穩(wěn)定的情況下，算得的嵌固深度就會小很多，這樣更加經(jīng)濟。3)為了不給工程造價帶來不必要的負(fù)擔(dān)，設(shè)計計算時不能都按等值梁法計算，除應(yīng)考慮工程實際情況外，還應(yīng)視基底下部土層性質(zhì)而定，如果下部土質(zhì)情況較好，則用靜力平衡法；如果下部土質(zhì)情況較差時，考慮到基坑的整體穩(wěn)定性，宜采用等值梁法計算。

[1]徐揚清. 深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計計算[J]. 巖土力學(xué), 1997, 18(2) : 57-61.

[2]建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程(JGJ120-99 )[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2000.

[3]郝恩海.天津地區(qū)深基坑支護(hù)計算方法研究[D].天津:天津大學(xué),1999.

[4]楊佳平. 懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計中土層參數(shù)分算與合算的探討[J]. 世界地質(zhì), 2005(3) : 293-296.

[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409.2012.01.046

TU47

A

1673-1409(2012)01-N142-03