深基坑工程設(shè)計(jì)計(jì)算

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一．深基坑工程設(shè)計(jì)計(jì)算
l   基坑工程設(shè)計(jì)計(jì)算包括三個(gè)部分的內(nèi)容，即穩(wěn)定性驗(yàn)算、結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算和變形計(jì)算。
l   穩(wěn)定性驗(yàn)算是指分析土體或土體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)一起保持穩(wěn)定性的能力，包括整體穩(wěn)定性、重力式擋墻的抗傾覆穩(wěn)定及抗滑移穩(wěn)定、坑底抗隆起穩(wěn)定和抗?jié)B流穩(wěn)定等，基坑工程設(shè)計(jì)必須同時(shí)滿足這幾個(gè)方面的穩(wěn)定性。
l   結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供內(nèi)力值，包括彎矩、剪力等，不同體系的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其內(nèi)力計(jì)算的方法是不同的；由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)常常是多次超靜定的，計(jì)算內(nèi)力時(shí)需要對具體圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，不同的簡化方法得到的內(nèi)力不會相同，需要根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)加以判斷；
l   變形計(jì)算的目的則是為了減少對環(huán)境的影響，控制環(huán)境質(zhì)量，變形計(jì)算內(nèi)容包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移、坑外地面的沉降和坑底隆起等項(xiàng)目。
穩(wěn)定性驗(yàn)算
l        整體穩(wěn)定性
l      邊坡穩(wěn)定性計(jì)算
l      重力式圍護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性計(jì)算
l      抗傾覆、抗滑動(dòng)穩(wěn)定性
l       抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算
l       抗水平滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算
l      抗?jié)B透破壞穩(wěn)定性
邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算
  假定滑動(dòng)面為圓弧
  用條分法進(jìn)行計(jì)算
  不考慮土條間的作用力
  最小安全系數(shù)為最危險(xiǎn)滑動(dòng)面
重力式圍護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性
l   重力式圍護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性計(jì)算應(yīng)考慮兩種破壞模式，一種是如圖所示的滑動(dòng)面通過擋墻的底部；另一種考慮圓弧切墻的整體穩(wěn)定性，驗(yàn)算時(shí)需計(jì)算切墻阻力所產(chǎn)生的抗滑作用，即墻的抗剪強(qiáng)度所產(chǎn)生的抗滑力矩。
l   重力式圍護(hù)結(jié)構(gòu)可以看作是直立岸坡，滑動(dòng)面通過重力式擋墻的后趾，其整體穩(wěn)定性驗(yàn)算一般借鑒邊坡穩(wěn)定計(jì)算方法，當(dāng)采用簡單條分法時(shí)可按上面的公式驗(yàn)算整體穩(wěn)定性。
l   上海市標(biāo)準(zhǔn)《基坑工程設(shè)計(jì)規(guī)程》規(guī)定，驗(yàn)算切墻滑弧安全系數(shù)時(shí)，可取墻體強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角為零，粘聚力c=（1/15~1/10）qu。當(dāng)水泥攪拌樁墻體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu>1MPa時(shí)，可不考慮切墻破壞的模式。
錨桿支護(hù)體系的整體穩(wěn)定性
l   兩種不同的假定
l   一種是指錨桿支護(hù)體系連同體系內(nèi)的土體共同沿著土體的某一深層滑裂面向下滑動(dòng)，造成整體失穩(wěn)，如左圖所示；對于這一種失穩(wěn)破壞，可采取上述土坡整體穩(wěn)定的驗(yàn)算方法計(jì)算，按驗(yàn)算結(jié)果要求錨桿長度必須超過最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，安全系數(shù)不小于1.50；
l   另一種是指由于錨桿支護(hù)體系的共同作用超出了土的承載能力，從而在圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部向其拉結(jié)方向形成一條深層滑裂面，造成傾覆破壞，如右圖所示。經(jīng)常使用的驗(yàn)算方法是德國學(xué)者E.Kranz提出的“代替墻法”。
l   以單錨支護(hù)體系為例，如下圖所示，代替墻法假定深層滑裂面是由直線bc段和cd段組成，其中b點(diǎn)取在圍護(hù)墻底部，c點(diǎn)取在錨固段的中點(diǎn)，cd段是由c點(diǎn)向上作垂線與地面交于d點(diǎn)得到的。利用abcd范圍內(nèi)的力的平衡關(guān)系可以求解錨桿的極限抗力，安全系數(shù)定義為錨桿極限抗力的水平分力Th與錨桿設(shè)計(jì)水平分力的比值，要求不小于1.50。
l    顯然，代替墻法是適用于錨固段在圍護(hù)墻底部以上的情況，如圖所示：圖（a）中的全部錨桿都需要驗(yàn)算，圖（b）中有兩道錨桿需要驗(yàn)算，而圖（c）中所有錨桿都深入圍護(hù)墻底部以下，不需要進(jìn)行此項(xiàng)驗(yàn)算。
土釘墻的穩(wěn)定性分析
l   基本原理可分為極限平衡法和有限元法，但實(shí)用的大多為極限平衡法。極限平衡法的關(guān)鍵是如何確定破裂面的形狀，有些方法建立在圓弧滑動(dòng)的假定基礎(chǔ)上考慮土釘?shù)目沽?，其安全系?shù)的計(jì)算公式和邊坡穩(wěn)定的計(jì)算公式類似，只是加上土釘力的作用。
l   《深圳地區(qū)建筑深基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范》給出的驗(yàn)算整體穩(wěn)定性公式中還考慮了由于土釘?shù)妮S向力在破裂面上增加的摩阻力，與前面的公式 相比，在抗滑力矩中增加了這項(xiàng)摩阻力，考慮到對破裂面的正壓力不能全部發(fā)揮，故乘以經(jīng)驗(yàn)系數(shù)x。
l   四個(gè)土釘墻工程破裂面的實(shí)測數(shù)據(jù)，并與按對數(shù)螺旋線破裂面假定的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。
l   針對土釘墻的極限平衡分析提出了考慮土釘拉力的修正條分法，該法同時(shí)考慮滑動(dòng)土條的徑向平衡條件和切向平衡條件，在抗滑力矩中計(jì)入土釘?shù)睦颓辛?，得到安全系?shù)的表達(dá)式。
 抗傾覆、抗滑動(dòng)穩(wěn)定性
l    驗(yàn)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性的前提是需要確知圍護(hù)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)點(diǎn)位置，在工程設(shè)計(jì)時(shí)為了簡化的目的通常假定圍護(hù)結(jié)構(gòu)繞其前趾轉(zhuǎn)動(dòng)，得到相應(yīng)的計(jì)算公式。
l    這對于土層地質(zhì)條件比較好的情況下基本上是合理的、適用的，但對于相反的情況（如在軟弱土地質(zhì)條件下）有可能會得出：圍護(hù)結(jié)構(gòu)的插入比（D/H）越大、計(jì)算得到的安全系數(shù)越低的結(jié)論，顯然這是不符合常規(guī)的經(jīng)驗(yàn)判斷，其問題實(shí)質(zhì)就在于轉(zhuǎn)點(diǎn)位置選擇的正確與否。
l   擋墻傾覆失穩(wěn)可能有三種情況。第一種是繞前趾轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)?shù)鼗軋?jiān)硬且具有足夠的抗滑力時(shí)可能出現(xiàn)這種情況；第二種是繞后踵轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)?shù)鼗苘浨揖哂懈邏嚎s性時(shí)可能出現(xiàn)這種情況；第三種情況是繞墻底某一點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，而且轉(zhuǎn)動(dòng)中心可能逐漸朝墻背方向移動(dòng)，最終造成傾覆破壞。
l    根據(jù)對上述第三種情況的分析，通過墻底中部的轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)作一垂線將擋墻分為兩個(gè)部分，如圖所示，左邊的部分形成傾覆力矩，右邊的部分形成穩(wěn)定力矩，同時(shí)由于轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)左邊擋墻底部的下壓，在擋墻底面必然作用著形成穩(wěn)定力矩的反力，反力的最大值是地基的極限承載力。
抗水平滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算
l   式中f 為圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部的摩阻力，由于摩擦系數(shù)的取值與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的材料及土的工程性質(zhì)直接有關(guān)，因此設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)結(jié)合工程實(shí)際選取合理的值。
l   《深圳地區(qū)建筑深基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范》和《武漢地區(qū)深基坑工程技術(shù)指南》給出了如下幾種土類的摩擦系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值：
l   淤泥質(zhì)土：m = 0.20~0.25
l   粘性土：  m = 0.25~0.40
l   砂  土：  m = 0.40~0.50
l   巖  石：  m = 0.50~0.70
 
土釘墻的淺層破壞
l    在土釘墻不發(fā)生整體失穩(wěn)的條件下，尚需驗(yàn)算土釘墻向坑內(nèi)的傾覆破壞，即淺層破壞。提出了土釘墻內(nèi)部失穩(wěn)極限平衡分析方法，認(rèn)為支護(hù)面層上部位移大，土釘墻發(fā)生近似繞墻趾轉(zhuǎn)動(dòng)的位移。當(dāng)達(dá)到臨界開挖深度時(shí)，土體強(qiáng)度已全部發(fā)揮出來，很大部分荷載由土-土釘界面轉(zhuǎn)移至土釘體上，若此時(shí)土釘破壞或被拔出，土釘墻主動(dòng)區(qū)將繞墻趾向內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)而失穩(wěn)，屬淺層破壞。
抗隆起穩(wěn)定性
l   抗隆起穩(wěn)定性的驗(yàn)算是基坑設(shè)計(jì)的一個(gè)主要內(nèi)容，如果坑底發(fā)生過大的隆起，將會導(dǎo)致墻后地面下沉，影響環(huán)境安全。但抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算的方法很多，基本假定和思路不完全一樣，計(jì)算的結(jié)果也就相差比較大。一般常用的方法，如地基承載力驗(yàn)算、踢腳穩(wěn)定性驗(yàn)算、剪力平衡驗(yàn)算等。
地基承載力驗(yàn)算
踢腳穩(wěn)定性驗(yàn)算
（即土壓力平衡驗(yàn)算）
l   踢腳穩(wěn)定性是一種形象的名稱，描述圍護(hù)結(jié)構(gòu)繞最下一道支撐轉(zhuǎn)動(dòng)，墻頂向墻后方傾倒，墻的下端向坑內(nèi)朝上翻起，使坑底隆起的破壞，如圖所示。有些地方稱為抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算，其實(shí)這個(gè)名稱并不合適，與約定俗成的叫法矛盾，一般將擋墻向坑內(nèi)移動(dòng)稱為前傾，向坑外移動(dòng)稱為后仰。從驗(yàn)算的實(shí)質(zhì)來看，稱為抗隆起的土壓力平衡驗(yàn)算比較合適。
l   該法要求驗(yàn)算最下道支撐面以下主、被動(dòng)土壓力繞點(diǎn)即最下道支撐的力矩平衡問題，安全系數(shù)定義為：
剪力平衡驗(yàn)算
l   假定在土體1-2-3-4區(qū)域內(nèi)的自重及超載作用下，其下的軟土地基將沿圓柱面4-5-6發(fā)生剪切破壞而產(chǎn)生滑動(dòng)，此時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩為：
l   原則上 值宜根據(jù)場地條件通過采用合理的土工試驗(yàn)進(jìn)行確定，但是，由于滑動(dòng)面上各點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)及排水條件等各不相同且加之試驗(yàn)條件、經(jīng)費(fèi)等的局限，完全依賴試驗(yàn)在多數(shù)情況下是不現(xiàn)實(shí)的，因此，實(shí)用上設(shè)計(jì)人員又不得不尋求簡化方法。在關(guān)于 的取值方法大致經(jīng)歷了兩個(gè)階段：
l   起初，對于均質(zhì)土假定滑動(dòng)面上各點(diǎn)的 相等：
l   把 t定義為：地基土的不排水剪切強(qiáng)度或在飽和軟土中取t ＝c。
l   顯然，若按照地基土的不排水剪切強(qiáng)度或在飽和軟土中取t ＝c進(jìn)行驗(yàn)算，在軟弱土地區(qū)很難達(dá)到驗(yàn)算要求，而這樣的驗(yàn)算結(jié)果往往也不符合實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)判斷。
l   上海市標(biāo)準(zhǔn)《基坑工程設(shè)計(jì)規(guī)程》將上述地基承載力驗(yàn)算和剪力平衡驗(yàn)算兩種方法并列為抗隆起驗(yàn)算的必要內(nèi)容，而將土壓力平衡驗(yàn)算方法作為抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算的內(nèi)容，小圓弧的中心設(shè)在第一道支撐處。
l   《深圳地區(qū)建筑深基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范》只采用地基承載力驗(yàn)算方法計(jì)算抗隆起穩(wěn)定性，其驗(yàn)算公式采用Caguot公式，適用于砂土，對于粘性土可采用等效內(nèi)摩擦角的辦法處理。
l   《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)范》將地基承載力驗(yàn)算和剪力平衡驗(yàn)算兩種方法并列為抗隆起驗(yàn)算的必要內(nèi)容，但小圓弧的中心在基坑底面。后兩本標(biāo)準(zhǔn)都沒有驗(yàn)算抗踢腳穩(wěn)定性的要求。