松散覆蓋層與巖體混合基坑土壓力計(jì)算分析

楊 群，沈習(xí)文，謝立廣

(1.四川教育學(xué)院土木與交通工程學(xué)院，四川成都 611130;2.中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610072 3.中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

1 前 言

在基坑工程的設(shè)計(jì)與施工中，為了維護(hù)基坑開挖邊坡的穩(wěn)定，常要設(shè)置臨時(shí)性或半永久性支護(hù)體系。土壓力是作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上的主要荷載，在大型基坑的開挖中能較正確地估算土壓力，對于確保工程的正確設(shè)計(jì)與順利施工具有十分重要的意義。本文以成都市某深基坑工程為例，對坑壁土壓力進(jìn)行了較為詳細(xì)的計(jì)算分析。

2 工程及場地巖土工程條件概況

該基坑工程位于成都市商業(yè)核心區(qū)，東臨四川省圖書館辦公區(qū)，南臨東大街，西臨春熙路，北臨陽光酒店，如圖1所示。

圖1 基坑平面示意

擬建場地內(nèi)地形平坦，地貌單元屬岷江二級階地。地上主樓35層、裙樓12層;地下5層;建筑高度140m。基坑開挖深度23.8m，周長386.82m、坑內(nèi)面積9 743.4m2，開挖量約為231 890m3，是目前成都市最深的深基坑。區(qū)內(nèi)覆蓋層自上而下為人工填土、可塑粉質(zhì)粘土、稍密稍濕粉土、松散中砂、稍密圓礫、稍密～密實(shí)卵石，基巖為紫紅泥巖。場地地下水水位隨季節(jié)變化，標(biāo)高494.94～495.03m，最小埋深5.2m，滲透系數(shù)參考值K=18m/d。

場地典型地質(zhì)剖面(圖1中的A－A＇剖面)見圖2。

3 坑壁土壓力計(jì)算

本文取A－A’剖面(見圖2)為計(jì)算剖面，因支護(hù)結(jié)構(gòu)主要承受樁體背面的土體對其的作用，故在此取鉆孔ZK13附近的土體為計(jì)算土層。把力學(xué)性質(zhì)相近的土層簡化為一層，其參數(shù)取厚度加權(quán)平均值，土層簡化情況見圖3。

3.1 朗肯理論計(jì)算分析

在不考慮泥巖的側(cè)向壓力情況下，泥巖上部松散土層的土壓力值，按文獻(xiàn)［1］中關(guān)于成層土的朗肯土壓力的方法計(jì)算，結(jié)果見表1，計(jì)算相關(guān)參數(shù)見圖3。

3.2 庫侖理論計(jì)算分析

圖2 A－A’地質(zhì)剖面

庫侖理論是根據(jù)無粘性土(C=0)的情況導(dǎo)出的，對于C≠0的情況，需通過采用換算的等值內(nèi)摩擦角φd來代替φ進(jìn)行計(jì)算。在實(shí)際應(yīng)用中，換算條件假定不同，有不同的方法，本文按土的抗剪強(qiáng)度相等來確定，即，計(jì)算得各土層的 φd分別為19.8°、41.6°及 46.4°。取墻背與填土之間的摩擦角，按文獻(xiàn)［1］中關(guān)于成層土的庫侖土壓力的方法，計(jì)算結(jié)果見表1，計(jì)算相關(guān)參數(shù)見圖3。

表1 朗肯土壓力和庫侖土壓力計(jì)算結(jié)果

3.3 基坑下部泥巖側(cè)向壓力計(jì)算分析

由圖3知，基坑開挖至坑底時(shí)出露泥巖的深度為5m，分析泥巖中側(cè)向壓力的分布情況，以出露泥巖的頂面和中部(距坑底2.5m處)為研究對象，按朗肯土壓力計(jì)算值分別計(jì)算在不考慮泥巖側(cè)向土壓力和考慮泥巖側(cè)向土壓力情況下支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移值。因泥巖出露深度已有5m，可認(rèn)為樁在嵌固段內(nèi)的變形甚微，忽略不計(jì)。因此，以基坑坑底為嵌固端，按懸臂梁來計(jì)算位移。通過利用文獻(xiàn)［2］中的方法計(jì)算出不考慮泥巖側(cè)向土壓力時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移值fa和考慮泥巖側(cè)向土壓力時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移值fb，分別為:

由以上數(shù)據(jù)可知，位于泥巖部分的支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平向最大位移值為13.056mm，平均值為8.09mm。

圖3 土層簡化示意

出露泥巖底面所受到的豎向壓力:

σ底?σc，說明坑壁泥巖在豎向壓力作用下不會(huì)破壞，而對支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)向土壓力。支護(hù)結(jié)構(gòu)可能因泥巖側(cè)向變形作用使支護(hù)結(jié)構(gòu)承受變形壓力，為此對坑壁泥巖進(jìn)行變形計(jì)算分析。

出露泥巖頂面所受到的豎向壓力σ頂及相應(yīng)的豎向應(yīng)變?chǔ)彭敒?

同理可求得出露泥巖中部的水平向應(yīng)變?yōu)棣胖小?0.061 9×10－3。根據(jù)式(1)求在豎向壓力作用下泥巖坑壁的水平位移。

由此求得坑壁泥巖的水平變形位移為:

據(jù)上述計(jì)算分析，泥巖部分的支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移，遠(yuǎn)大于坑壁泥巖的水平變形位移值，可認(rèn)為支護(hù)結(jié)構(gòu)在上部土壓力的作用下已經(jīng)脫離泥巖，即與泥巖間已產(chǎn)生了縫隙，所以泥巖的側(cè)向土壓力不予考慮，即認(rèn)為泥巖中的主動(dòng)土壓力為零。

4 基坑坑壁土壓力綜合分析及分布特征

4.1 土壓力簡化計(jì)算分析

大多數(shù)基坑在其開挖范圍內(nèi)的土體是多層構(gòu)造，是非均質(zhì)的。按分層計(jì)算比較符合實(shí)際情況，但土壓力及支護(hù)結(jié)構(gòu)的相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算工作量較大。為了減少計(jì)算量，通常將各層土的重度γi、內(nèi)摩擦角值φi和粘聚力Ci按土層厚度加權(quán)平均，即γm=均質(zhì)土來簡化計(jì)算。簡化計(jì)算結(jié)果與分層計(jì)算結(jié)果是否接近要視具體情況而定，為此舉例進(jìn)行對比分析。土壓力的計(jì)算采用兩種方法進(jìn)行。方法1:根據(jù)朗肯理論，分層計(jì)算;方法2:同樣根據(jù)朗肯理論，但是土層參數(shù)取加權(quán)平均值，即簡化計(jì)算。計(jì)算參數(shù)的選取和土壓力合力的計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 土層物理力學(xué)參數(shù)及土壓力合力計(jì)算結(jié)果

由上表可知，當(dāng)各土層性質(zhì)差別不大時(shí)分層計(jì)算與簡化計(jì)算結(jié)果相近，但是各土層性質(zhì)差別較大時(shí)兩者結(jié)果相差較遠(yuǎn)。所以當(dāng)土層性質(zhì)相近時(shí)，可采用簡化計(jì)算。從圖3可知，本工程不宜用簡化計(jì)算，應(yīng)采用分層計(jì)算。

4.2 基坑坑壁土壓力分布特征

庫侖和朗肯土壓力計(jì)算結(jié)果列于表1中，其分布特征見圖4(a)。由表1及圖4(a)可知，兩者的計(jì)算結(jié)果相差不大。考慮到按朗肯理論計(jì)算出的主動(dòng)土壓力值本已偏大，故在此取朗肯土壓力計(jì)算值。

圖4 基坑坑壁土壓力分布特征

雖然泥巖中的主動(dòng)土壓力不考慮，但在坑底的泥巖需考慮其被動(dòng)土壓力。最后得出本基坑坑壁土壓力分布如圖4(b)所示。

據(jù)此土壓力分布設(shè)計(jì)出的支護(hù)結(jié)構(gòu)為三層錨拉樁，根據(jù)施工過程中的監(jiān)測資料知，此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

5 結(jié) 語

(1)在松散覆蓋層與巖體構(gòu)成的深基坑坑壁土壓力計(jì)算中，泥巖的側(cè)向壓力可忽略不計(jì)即認(rèn)為泥巖中的主動(dòng)土壓力為零;

(2)在土壓力的計(jì)算中，不能隨意的運(yùn)用全部土層厚度的加權(quán)平均來進(jìn)行簡化處理，要視各土層的性質(zhì)是否相近而定。

［1］劉成宇．土力學(xué)［M］．北京:中國鐵道出版社，2000．

［2］建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算手冊編寫組．建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算手冊［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，1975．

［3］余志成，施文華編著．深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與施工［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，1997．

［4］中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)．建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程(JGJ120－99)［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999．

［5］姜志強(qiáng)，孫樹林，李磊．基坑開挖中土壓力計(jì)算模型探討［J］．河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003，31(3):303 －306．

［6］王照宇．位移土壓力模型及其在基坑工程中的應(yīng)用［J］．西部探礦工程，2003，(5):23－25．