深基坑工程設計計算

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一．深基坑工程設計計算
l   基坑工程設計計算包括三個部分的內容，即穩(wěn)定性驗算、結構內力計算和變形計算。
l   穩(wěn)定性驗算是指分析土體或土體與圍護結構一起保持穩(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，基坑工程設計必須同時滿足這幾個方面的穩(wěn)定性。
l   結構內力計算為結構設計提供內力值，包括彎矩、剪力等，不同體系的圍護結構，其內力計算的方法是不同的；由于圍護結構常常是多次超靜定的，計算內力時需要對具體圍護結構進行簡化，不同的簡化方法得到的內力不會相同，需要根據(jù)工程經(jīng)驗加以判斷；
l   變形計算的目的則是為了減少對環(huán)境的影響，控制環(huán)境質量，變形計算內容包括圍護結構的側向位移、坑外地面的沉降和坑底隆起等項目。
穩(wěn)定性驗算
l        整體穩(wěn)定性
l      邊坡穩(wěn)定性計算
l      重力式圍護結構的整體穩(wěn)定性計算
l      抗傾覆、抗滑動穩(wěn)定性
l       抗傾覆穩(wěn)定性計算
l       抗水平滑動穩(wěn)定性計算
l      抗?jié)B透破壞穩(wěn)定性
邊坡穩(wěn)定性驗算
  假定滑動面為圓弧
  用條分法進行計算
  不考慮土條間的作用力
  最小安全系數(shù)為最危險滑動面
重力式圍護結構的整體穩(wěn)定性
l   重力式圍護結構的整體穩(wěn)定性計算應考慮兩種破壞模式，一種是如圖所示的滑動面通過擋墻的底部；另一種考慮圓弧切墻的整體穩(wěn)定性，驗算時需計算切墻阻力所產生的抗滑作用，即墻的抗剪強度所產生的抗滑力矩。
l   重力式圍護結構可以看作是直立岸坡，滑動面通過重力式擋墻的后趾，其整體穩(wěn)定性驗算一般借鑒邊坡穩(wěn)定計算方法，當采用簡單條分法時可按上面的公式驗算整體穩(wěn)定性。
l   上海市標準《基坑工程設計規(guī)程》規(guī)定，驗算切墻滑弧安全系數(shù)時，可取墻體強度指標內摩擦角為零，粘聚力c=（1/15~1/10）qu。當水泥攪拌樁墻體的無側限抗壓強度qu>1MPa時，可不考慮切墻破壞的模式。
錨桿支護體系的整體穩(wěn)定性
l   兩種不同的假定
l   一種是指錨桿支護體系連同體系內的土體共同沿著土體的某一深層滑裂面向下滑動，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)定的驗算方法計算，按驗算結果要求錨桿長度必須超過最危險滑動面，安全系數(shù)不小于1.50；
l   另一種是指由于錨桿支護體系的共同作用超出了土的承載能力，從而在圍護結構底部向其拉結方向形成一條深層滑裂面，造成傾覆破壞，如右圖所示。經(jīng)常使用的驗算方法是德國學者E.Kranz提出的“代替墻法”。
l   以單錨支護體系為例，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點取在圍護墻底部，c點取在錨固段的中點，cd段是由c點向上作垂線與地面交于d點得到的。利用abcd范圍內的力的平衡關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與錨桿設計水平分力的比值，要求不小于1.50。
l    顯然，代替墻法是適用于錨固段在圍護墻底部以上的情況，如圖所示：圖（a）中的全部錨桿都需要驗算，圖（b）中有兩道錨桿需要驗算，而圖（c）中所有錨桿都深入圍護墻底部以下，不需要進行此項驗算。
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，但實用的大多為極限平衡法。極限平衡法的關鍵是如何確定破裂面的形狀，有些方法建立在圓弧滑動的假定基礎上考慮土釘?shù)目沽?，其安全系?shù)的計算公式和邊坡穩(wěn)定的計算公式類似，只是加上土釘力的作用。
l   《深圳地區(qū)建筑深基坑支護技術規(guī)范》給出的驗算整體穩(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)驗系數(shù)x。
l   四個土釘墻工程破裂面的實測數(shù)據(jù)，并與按對數(shù)螺旋線破裂面假定的計算結果進行了比較。
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，該法同時考慮滑動土條的徑向平衡條件和切向平衡條件，在抗滑力矩中計入土釘?shù)睦颓辛?，得到安全系?shù)的表達式。
 抗傾覆、抗滑動穩(wěn)定性
l    驗算圍護結構抗傾覆穩(wěn)定性的前提是需要確知圍護結構的轉點位置，在工程設計時為了簡化的目的通常假定圍護結構繞其前趾轉動，得到相應的計算公式。
l    這對于土層地質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（如在軟弱土地質條件下）有可能會得出：圍護結構的插入比（D/H）越大、計算得到的安全系數(shù)越低的結論，顯然這是不符合常規(guī)的經(jīng)驗判斷，其問題實質就在于轉點位置選擇的正確與否。
l   擋墻傾覆失穩(wěn)可能有三種情況。第一種是繞前趾轉動，當?shù)鼗軋杂睬揖哂凶銐虻目够r可能出現(xiàn)這種情況；第二種是繞后踵轉動，當?shù)鼗苘浨揖哂懈邏嚎s性時可能出現(xiàn)這種情況；第三種情況是繞墻底某一點轉動，而且轉動中心可能逐漸朝墻背方向移動，最終造成傾覆破壞。
l    根據(jù)對上述第三種情況的分析，通過墻底中部的轉動點作一垂線將擋墻分為兩個部分，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，同時由于轉動點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。
抗水平滑動穩(wěn)定性計算
l   式中f 為圍護結構底部的摩阻力，由于摩擦系數(shù)的取值與圍護結構的材料及土的工程性質直接有關，因此設計人員應當結合工程實際選取合理的值。
l   《深圳地區(qū)建筑深基坑支護技術規(guī)范》和《武漢地區(qū)深基坑工程技術指南》給出了如下幾種土類的摩擦系數(shù)經(jīng)驗值：
l   淤泥質土：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，尚需驗算土釘墻向坑內的傾覆破壞，即淺層破壞。提出了土釘墻內部失穩(wěn)極限平衡分析方法，認為支護面層上部位移大，土釘墻發(fā)生近似繞墻趾轉動的位移。當達到臨界開挖深度時，土體強度已全部發(fā)揮出來，很大部分荷載由土-土釘界面轉移至土釘體上，若此時土釘破壞或被拔出，土釘墻主動區(qū)將繞墻趾向內側轉動而失穩(wěn)，屬淺層破壞。
抗隆起穩(wěn)定性
l   抗隆起穩(wěn)定性的驗算是基坑設計的一個主要內容，如果坑底發(fā)生過大的隆起，將會導致墻后地面下沉，影響環(huán)境安全。但抗隆起穩(wěn)定性驗算的方法很多，基本假定和思路不完全一樣，計算的結果也就相差比較大。一般常用的方法，如地基承載力驗算、踢腳穩(wěn)定性驗算、剪力平衡驗算等。
地基承載力驗算
踢腳穩(wěn)定性驗算
（即土壓力平衡驗算）
l   踢腳穩(wěn)定性是一種形象的名稱，描述圍護結構繞最下一道支撐轉動，墻頂向墻后方傾倒，墻的下端向坑內朝上翻起，使坑底隆起的破壞，如圖所示。有些地方稱為抗傾覆穩(wěn)定驗算，其實這個名稱并不合適，與約定俗成的叫法矛盾，一般將擋墻向坑內移動稱為前傾，向坑外移動稱為后仰。從驗算的實質來看，稱為抗隆起的土壓力平衡驗算比較合適。
l   該法要求驗算最下道支撐面以下主、被動土壓力繞點即最下道支撐的力矩平衡問題，安全系數(shù)定義為：
剪力平衡驗算
l   假定在土體1-2-3-4區(qū)域內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)生剪切破壞而產生滑動，此時轉動力矩為：
l   原則上 值宜根據(jù)場地條件通過采用合理的土工試驗進行確定，但是，由于滑動面上各點的應力狀態(tài)及排水條件等各不相同且加之試驗條件、經(jīng)費等的局限，完全依賴試驗在多數(shù)情況下是不現(xiàn)實的，因此，實用上設計人員又不得不尋求簡化方法。在關于 的取值方法大致經(jīng)歷了兩個階段：
l   起初，對于均質土假定滑動面上各點的 相等：
l   把 t定義為：地基土的不排水剪切強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度或在飽和軟土中取t ＝c進行驗算，在軟弱土地區(qū)很難達到驗算要求，而這樣的驗算結果往往也不符合實際的經(jīng)驗判斷。
l   上海市標準《基坑工程設計規(guī)程》將上述地基承載力驗算和剪力平衡驗算兩種方法并列為抗隆起驗算的必要內容，而將土壓力平衡驗算方法作為抗傾覆穩(wěn)定驗算的內容，小圓弧的中心設在第一道支撐處。
l   《深圳地區(qū)建筑深基坑支護技術規(guī)范》只采用地基承載力驗算方法計算抗隆起穩(wěn)定性，其驗算公式采用Caguot公式，適用于砂土，對于粘性土可采用等效內摩擦角的辦法處理。
l   《建筑基坑工程技術規(guī)范》將地基承載力驗算和剪力平衡驗算兩種方法并列為抗隆起驗算的必要內容，但小圓弧的中心在基坑底面。后兩本標準都沒有驗算抗踢腳穩(wěn)定性的要求。