深基坑的支护类型设计问题探讨__墨水学术,论文发表,发表论文,职

所属栏目：建筑设计论文范文发布时间：2011-02-25浏览量:237

副标题#e#摘要：结合工程实际指出应用朗肯理论计算主动土压力和被动土压力的条件；分析选择符合工程实际的主动土压力和被动土压力的计算方法是支护结构设计的关键；针对深基坑支护类型选择、深基坑支护土压力的计算、护坡桩的设计等几个方面探讨如何做好建筑工程施工中深基坑支护的问题。
　　关键词:深基坑支护类型支护设计
　　从阐明深基坑支护的必要性出发,分析了支挡结构的多种类型及其适用条件.结合工程实际指出应用朗肯理论计算主动土压力和被动土压力的条件.分析选择符合工程实际的主动土压力和被动土压力的计算方法是支挡结构设计的关键.并就深基坑支护类型选择、深基坑支护土压力的计算、护坡桩的设计、土层锚定设计等几个方面探讨如何做好建筑工程施工中深基坑支护的问题.
　　1深基坑支护的原因
　　我们通常所说的深基坑一般是基坑深度大于5m的基坑工程，为保证地下结构施工及基坑周边环境的安全，需对基坑侧壁及周边环境采用支挡、加固与保护措施。基坑侧壁的稳定,主要是由土体内摩擦阻力和粘结力来保持平衡的，在基坑开挖过程中必然破坏土体的应力平衡，当这种破坏能力超过土体保持其侧壁稳定能力时，基坑将产生破坏，从而影响地下结构施工安全，并对周边环境造成成破坏，如管线拉断，房屋出现结构裂缝、甚至导致临近建筑整体倒塌等。
　　造成基坑侧壁失稳的原因主要有以下几点:(1)基坑边坡开挖过陡，不能满足土体的自稳要求，尤其在基坑边坡坡顶出现堆载或动载的情况，基坑侧壁发生整体垮塌。(2)基坑开挖形成后，未进行保护，即使在开挖过程中基坑侧壁能保持稳定，但在雨水的冲刷、地下水渗透作用，基坑侧壁土体收雨水浸泡，容重增加，其抗剪强度降低,造成基坑侧壁垮塌.(3)基坑边缘附近大量堆载或停放机具、材料,或由于动荷载的作用,使土体中的剪应力超过土体的抗剪强度.(4)土方开挖方法未遵守“从上往下,分层开挖;开槽支撑,先撑后挖”的原则.为了缩小施工面,减少土方,或受场地的限制不能放坡时,则可设置土壁支撑.
　　2深基坑支护的类型
　　深基坑支护工程是一种特殊的工程构筑物,它具有复杂性、可变性和临时性的特点.无论采用何种支护结构,对支护结构的强度、嵌入深度、支护受力及构造都必须进行设计和详细计算,一定要做到结构可靠、经济合理,确保安全.支护结构包括挡墙和支撑(土锚)两部分.支护形式分为支挡型支护和加固型支护两大类.
　　2.1支挡型支护
　　支挡型支护目前常用的有钢板桩支护、挡土灌注桩支护、地下连续墙支护、带有内支撑桩排支护等几种形式,而这些支护系统中,往往辅以止水防渗、支撑拉锚、降水排水、挖土卸载等技术措施,使支护方案达到最优效果.
　　基坑实际开挖深度如在7m以内,应首选悬臂支挡形式.桩长根据地质情况正确进行土压力计算后,确定深入坑底深度,并辅以搅拌桩止水,在坑顶处沿基坑排桩顶部设置压顶梁锁口,以加强桩排和围护结构的整体性和刚度,增加桩身的抗弯强度.
　　2.2加固型支护
　　加固型支护多采用深层水泥搅拌桩,既可挡土又可形成隔水帷幕,目前已用于8m深的基坑,它特别适用于软土地基,深层搅拌水泥土桩挡墙,按重力式挡土墙设计,要验算基坑滑动稳性、抗倾覆稳定性和墙身应力等.
　　挡土墙宽度和插入深度应根据地质资料,通过计算基坑侧壁土压力作用下保持平衡,并应满足抗倾覆、抗隆起、抗滑移和基坑整体稳定性而确定.对于8m以内的基坑可采用4～6排14m水泥搅拌桩,排列一起互相搭接的重叠10～15m具有较大厚度的重力式挡土墙.为了克服搅拌桩抗弯刚度小的弱点,可在桩内插筋,以提高桩体的抗弯、抗剪性能和整体刚度.水泥搅拌桩水泥参量一般为15%左右.水泥搅拌桩具有施工工期较短,它既可挡土,亦可防水,而且造价低廉.
　　综上所述,支护结构的选型,涉及技术因素和经济因素,要从满足施工#p#副标题#e#要求,减少对周围的不利影响,施工方便,工期短,经济效益好等方面考虑,做到“可靠可行,安全经济”.经过技术经济比较后加以确定,而且支护结构选型要与地下水位降低、挖方方案等配套研究确定,并应做好施工过程中的监测工作,保证万无一失.
　　3深基坑支护的有关计算
　　3.1深基坑支护土压力
　　深基坑支护是近些年来才发展起来的工程运用学科,新的完善的支护结构上的土压力理论还没有正式提出.而且由于土的土质比较复杂,土压力的计算还与支护结构的刚度和施工方法等有关,要精确确定也是比较困难的.目前,土压力的计算,仍然是简化后按库仑公式或朗肯公式进行.
　　主动土压力:EA=(1/2)γH2tan2(45°-φ/2)-2cHtan(45°-φ/2)+2c2/γ,(1)
　　式中:EA—主动土压力(kN);γ—土的容重(kg/m3),采用加权平均值;H—挡土桩长(m);φ—土的内摩擦角(°);c—土的内聚力(kN).
　　被动土压力:Ep=(1/2)γH2Kp,(2)
　　式中:Ep—被动土压力(kN);Kp—被动土压力系数,一般取Kp=tan2(45°-φ/2);r,H同上.
　　由于传统理论存在达些不足,在工程运用时就必须作经验修正,以便在一定程度上能够满足工程上的使用要求,这也就是从以下几个方面要具体考虑的.
　　3.1.1土压力参数尤其抗剪强度中c、φ的取值问题,抗剪强度指标的测定方法有总应力法和有效应力法.前者采用总应力c、φ值和天然重度γ(或饱和容量)计算土压力,并认为水压力包括在内;后者采用有效应力c、φ及浮容量γ计算土压力,另解水压力,即是水土分算.总应力法应用方便,适用于不透水或弱透水的粘土层;有效应力法应用于砂层.
　　3.1.2朗肯理论假定墙背与填土之间无摩擦力这种假设造成计算主动土压力偏大,而被动土压力偏小.主动土压力偏大则是偏安全的,而被动土压力偏小则是偏危险的.针对这一情况,在计算被动土压力时,采用修正后的被动土压力系数Kp,因为库仑理论计算被动土压力偏大.因此采用库仑理论中的被动土压力系数擦角δ,克服了朗肯理论在此方面的假定,可以求得修正后的Kp:
　　Kp=cos(φD)cosδ-[sin(φ0+δ)sinφ0]2,(3)
　　式中是按等值内摩擦角计算,对粘性土取φD=φ是根据经验取值,δ一般为(1/3～2/3)φ.
　　3.1.3用等值内摩擦角计算主动土压力在实践中,对于坑深在10m内的支护计算,按有粘聚力的主动土压力计算Eα,表达式Eα=(1/2)cHtan2(45°-φ/2)+2c2/γ.(4)
　　3.1.4深基坑开挖的空间效应基坑的滑动面受到相邻边的制约影响,在中线的土压力最大,而靠近两边的压力则小,利用这种空间效应,可以在两边折减桩数或减少配筋量.
　　3.1.5重视场内外水的问题注意降排水,因为土中含水量增加,抗剪强度降低,水分在较大土粒表面形成润滑剂,使摩擦力降低,而较小颗粒结合水膜变厚,降低了土的内聚力.
　　(1)水压力:因支护桩所处地层主要为粘性土层,且为硬塑中密状态,另开挖前已作降水处理,故认为此压力采用水土合算是可行的.
　　(2)土压力:桩后主动土压力,采用朗肯主动土压力计算,即
　　Eα=(1/2)γH2tan(45°-φ/2)-2cHtan(45°-φ/2)+2c2/γ.(5)
　　桩前被动土压力,采用修正后的朗肯被动土压力计算,即
　　Ep=(1/2)γt2Kpct,式中:Kp=[cosφcosδ-sin(φ+δ)sinφ]2.
　　3.2护坡桩的设计
　　以某工程支护结构主要采用钢筋混凝土钻孔灌注桩加斜土锚的设计方案为例,桩的直径为600mm,桩间净距为1000mm.考虑基坑附近建筑物,机车等动截荷的影响,支护设计时,笔者参照部分支护结构设计的相关情形取地面均布载荷q=40kN/m.
　　3.2.1桩上侧土压力
　　(1)桩后侧主动土压力,因为桩后土为3层(杂添土、粘土、粉粘土)所以计算时采用加权平均值的c、φ、γ,φ=21.32,得:Eα=4.7H2-2.76H+108.49;(2)桩前侧被动土压力:因为桩前侧土为两层(粘土层、粉质粘土层),所以计算时应采用加权平均值的c′、φ′、γ′#p#副标题#e#,得:EP=33.89676t2+104.5t;(3)均布载荷对桩的侧压力:由公式Eq=qKaH,Eq=18.672H.
　　3.2.2桩插入深度确定计算前须作如下假设:(H1)锚固点A无移动;(H2)灌注桩埋在地下无移动;(H3)自由端因较浅不作固定端,按地下简支计算.[4]
　　(1)建立方程:对铰点(锚固点)A求矩,则必须满足:ΣMA=0,所以有:KEp(23t+h-a)=Eq[23(h+t)-a]+Ep(h+t2-a)q,式中:K=2,为安全系数,经计算得:8.31t3+82.97t2-138.75t=114.12.(2)插入深度及柱长计算:根据实际情况t取最小正解:t=1.99m.
　　根据《建筑结构设计手册》及综合地质资料,取安全系数为1.2,所以桩的总长度为:L=h+1.5t=8.5+1.5×1.99=11.5(m).
　　3.2.3锚拉力的计算由于桩长已求出,对整个桩而言,由于力平衡原理可以求出A点的锚拉力,ΣFA=0,即Ea+Eq=Ep+TA,取t=1.99,解得:TA=194.35kN.
　　3.3土层锚定设计
　　锚固点埋深α=2m,锚杆水平间距1.6m,锚杆倾角18°,这是因为考虑到:(1)基坑附近有道路和建筑物的存在,倾角小,锚杆的握裹力易满足;(2)支护所在粘土层较厚,并且均一,可作为锚定区;(3)粘土层的下履层(粉质粘土层、粉砂层、圆砾层)都是饱水且较薄.[5]
　　3.3.1土层锚杆抗拔计算土层锚杆锚固端所在的粘土层:c=47.7kN,φ=20.72°,r=20.13kN/m3.
　　3.3.1.1土层锚杆锚非固端段长度的确定由三角关系有:Lf=sin(45°-φ/2)/sin(45°-φ/2+α)•(H-a-d),代入数据计算得:Lf=5.06m.
　　3.3.1.2土层锚杆锚段长度的确定该土层锚杆采用非高压灌浆,则主体抗压强度按下面公式计算:τ=c+(1/2)rhtanφ,锚固段长度La=KTA/(πdτ),式中:τ—埋深h处的抗剪强度,K—安全系数1.5,d—锚杆孔径,取0.12m,锚固段长度La=17.98m.
　　4关于深基坑支护结构设计的严肃性
　　在一些业主、城建单位的意识中,深基坑支护结构设计的严肃性远远不如工程设计,对基坑工程中的安全可靠性、经济合理性认识不足，一些业主往往由于经济原因，舍不得投入，对基坑支护不够重视，一些设计工作人员为迎合业主，随意变更设计结构。如某深基坑工程，基坑深度为10m，基坑东南两册为7层民房，西、北两层为市政道路，原设计采用排桩支锚结构，由于造价原因，业主要求采用复合土钉墙的支护体系，设计单位在未经充分论证后，而根据业主意愿而出具施工图，基坑支护完成后，虽然未出现垮塌事件，但由于基坑周边变形过大，导致市政道路开裂、市政供水管道拉裂漏水，民房出现2～4mm的裂缝，门窗变形，引起严重的工程纠纷，并遭受了严重经济赔偿损失。
　　还有一些基坑工程设计，往往只重视支护结构本身的设计，对深基坑工程施工过程中引起的其他危害认识不足，没有提出合理的预防措施。比如深基坑工程的降水问题，在一些地下水丰富的地区，虽然7没有造成基坑侧坍塌或过大的水平位移，支护结构也有效的保证了地下工程的施工，由于深基坑形成及地下结构施工过程中的大规模降水，给周边造成地面沉降，给周边环境造成严重的安全威胁。
　　形成深基坑支护结构设计严肃性不够的原因是多方面的.首先是因为深基坑支护是一门新兴的设计、施工技术,相当多的业主和施工单位、设计单位均是刚刚接触这门技术,对深基坑支护结构的重要性、安全性认识不足;其次是因为对深基坑支护结构设计资质管理不严肃,因而在该设计的实施中采取比较随意的态度.一个时期以来,施工单位、设计院、大学、勘察单位及其他人员均可进行设计,给业主、施工单位造成了随意性较大的影响.
　　5结论
　　深基坑工程是集结构工程与岩土工程等专业于一体的系统工程,工程成功的标志除保证安外,还要考虑工期、造价等综合因素.深基坑工程与周围环境的关系应辩证地对待,完全避免是不可能的,而应该是采取切合实际的措施将影响降低到允许限度以内.深基坑支护工程是近20年来随着城市高层建筑发展而发展#p#副标题#e#的一门新的实践工程学,值得庆幸的随着岩土工程的快速发展，特别是一些大中城市，受场地条件限制，对深基坑工程日益重视，其理论体系越来越完善，对基坑设计提出了更高的要求，建设单位、设计单位及施工单位对基坑工程的重视程度正在加大。基坑支护必将走出一条专业化、系统化的科学之路来。