非均质土层中单支点支护结构嵌固深度探讨

罗会军 (长江大学城市建设学院，湖北 荆州 434023)

非均质土层中单支点支护结构嵌固深度探讨

罗会军 (长江大学城市建设学院，湖北 荆州 434023)

针对目前基坑支护设计中围护结构嵌固深度的计算方法，以极限平衡法中的等值梁法和静力平衡法，并结合设计计算时设计土层参数的选取加以展开，对单层支点支护结构的嵌固深度进行了探讨，旨在为实际工程中单层支点支护结构的设计计算提供参考。

等值梁法；静力平衡法；土层参数；嵌固深度

在建造埋置深度较大的基础或地下工程时，往往需要进行较深的土方开挖，这个由地面向下开挖的地下空间就称之为基坑。基坑工程作为一项隐蔽性的工程，在建筑结构的前期工作中占据着举足轻重的角色。为了保证基坑周边未开挖土体及已有建筑物具有足够的抗倾覆稳定性的需要，这就要求支挡结构要起到挡土的作用。因此合理的选择支护方式，对支护结构进行正确的计算，对维护基坑工程的安全性是十分重要的。目前工程中常采用极限平衡法来计算单层支点支护结构，而此方法又可分为静力平衡法和等值梁法[1-2]。下面，笔者以这2种方法对支护结构进行计算。

1 计算方法

1.1静力平衡法

静力平衡法是将嵌入基坑底部以下的桩端看作自由端，整个支护桩被简化为一个简支梁，首先根据各主、被动区土体压力对支撑点处的力矩平衡列出一个关于嵌固深度d的平衡方程式，整理后可得出一d3函数的方程，此方程式的求解过程比较繁冗，特别是在非均质土层中存在着地下水的情况。因此，一般均采用代入值法。即先设定一个值，然后代入看等式是否成立，不成立则继续赋值代入，直至相等为止。然后再根据水平力平衡列出平衡方程如下，求出支撑力：

Ra=EAj-EPj

式中，Ra、EAj、EPj分别为支撑力、朗肯主动土压力合力和朗肯被动土压力合力，kN。

1.2等值梁法

等值梁法是将插入坚硬土层或是砾石中的桩下端看作是固定端，支撑处被视作为一个铰支座，反弯点(近似取主动区与被动区土压力为零处)亦被视作为铰支座；首先根据等效于简支梁部分的力矩、力平衡条件求出支撑力。然后利用反弯点以下各水平力对桩底端取矩，求得反弯点以下的桩长，最小嵌固深度即可知。具体计算步骤如下：

1)反弯点的确定。假定支护桩上土压力为零的点即为反弯点，设其在基坑底部以下y处，则有：

即：

(1)

式中，γ1、γ2分别为主动区与被动区土层的重度,kN/m3；c为土的粘聚力,kPa；Ka为朗肯主动土压力系数，Ka=tan2(45°-φ/2)；Kp为朗肯被动土压力系数，Kp=tan2(45°+φ/2)；φ为土的内摩擦角，(°)。

2)按简支梁AB计算等值梁的支点反力Ra及Qb，等值梁法计算简图如图1所示。

3)计算支护桩的最小入土深度d。如图1(b)所示，反弯点以下各水平力对G点取距，即∑MG=0，则:

(2)

由式(2)即可解得x，则桩的最小嵌固深度为d=y+x。

2 土层参数的选取

图1 等值梁法计算简图

设计人员能否正确的选择设计计算强度指标参数对支挡结构的计算是非常重要的，不管采用什么设计计算方法，除了计算模型要与实际情况相符外，设计参数的选取也应被予以重点考虑。有时，能否合理地选取设计参数对计算结果的影响往往要大于采用不同计算方法对计算结果所产生的影响。土层参数的分算与合算是目前在设计计算中常常会遇见的2种情况。分算，即按照各土层实际的物理力学参数值进行计算；合算，则采用土层参数值按厚度方向的加权平均值进行计算。

2.1土层参数按实际分层取值

1)主动土压力强度 当计算点在基底以上时，主动土压力强度为：

当计算点在基底以下时，主动土压力强度为：

σa=σa基抗面

式中，σa，Ka分别是计算点处的主动土压力强度(kPa)及朗肯主动土压力系数；q为地面均布荷载,kN/m；hi为计算深度范围内各土层的厚度,m；γi，ci，φi分别为主动区计算点处土层物理力学指标参数(重度(kN/m3)，土的粘聚力(kPa)，土的内摩擦角(°))值。

2)被动土压力强度 被动土压力强度计算公式为：

式中，σp，Kp分别是计算点处的被动土压力强度(kPa)及朗肯被动土压力系数；γi，ci，φi分别是被动区计算点处土层物理力学指标参数值。

2.2土层参数按加权平均取值

1)主动土压力强度 当计算点在基底以上时，主动土压力强度为：

当计算点在基底以下时，主动土压力强度为：

σa=σa基抗面

2)被动土压力强度 按2.1中被动区土体压力强度计算公式计算。

3 工程算例

某基坑工程, 地形平坦，其基坑支护剖面图如图2所示。场地的地层主要由杂填土、淤泥质粘土、粉质粘土组成，基坑开挖深度为6.8m。支护结构穿过土层为①、②、③，基底坐落于粉质粘土中，基坑周边地面附加荷载取15kPa。基坑支护剖面图及各土层的物理力学参数见表1。

采用静力平衡法与等值梁法将土层物理力学指标参数分别用分算与合算进行计算，结果见表2。

图2 基坑支护剖面图

表1 各土层力学指标

表2 不同方法的计算结果

由表2的计算结果可以看出采用等值梁法所得的支护桩最小嵌固深度与最小支撑力都普遍比用静力平衡法所得的结果大；而在计算时采取土层参数合算与分算时，无论是用哪一种计算方法，前者所得的结果比后者大。

4 结 语

1)当土层物理力学指标参数变化较大时，设计人员应充分考虑这一点，在进行支护结构计算时不能简单地取各层土按厚度的加权平均值进行计算，以免造成较大的误差。

2) 为了更好的维护基坑的稳定，减小基坑侧壁的变形，用等值粱法计算桩的最小嵌固深度无疑是一个好的选择，但其计算结果往往偏于保守；采用静力平衡法，同样在满足基坑稳定的情况下，算得的嵌固深度就会小很多，这样更加经济。3)为了不给工程造价带来不必要的负担，设计计算时不能都按等值梁法计算，除应考虑工程实际情况外，还应视基底下部土层性质而定，如果下部土质情况较好，则用静力平衡法；如果下部土质情况较差时，考虑到基坑的整体稳定性，宜采用等值梁法计算。

[1]徐扬清. 深基坑支护结构的优化设计计算[J]. 岩土力学, 1997, 18(2) : 57-61.

[2]建筑基坑支护技术规程(JGJ120-99 )[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2000.

[3]郝恩海.天津地区深基坑支护计算方法研究[D].天津:天津大学,1999.

[4]杨佳平. 悬臂式支护结构设计中土层参数分算与合算的探讨[J]. 世界地质, 2005(3) : 293-296.

[编辑] 洪云飞

10.3969/j.issn.1673-1409.2012.01.046

TU47

A

1673-1409(2012)01-N142-03