深基坑支護設計淺探——某綜合樓工程為實例

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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(gòu)日臻完善，出現(xiàn)了許多新的支護結(jié)構(gòu)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(gòu)，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(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)的剛度和施工方法等有關(guān)，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(quán)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。 總應辦法應用方便，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。基坑的滑動面受到相鄰邊的制約影響，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(4 5°-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(gòu)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?？紤]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(gòu)設計的相關(guān)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(quán)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(quán)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(gòu)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(guān)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(shù)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。