基坑支护结构上水土压力分算与合算

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁西部探矿工程

WEST-CHINAEXPLORATIONENGINEERING

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

seriesNo.121May.2006

文章编号:1004󰀁5716(2006)05󰀁0001󰀁02

中图分类号:TU554󰀁+12󰀁文献标识码:B

󰀁岩土工程󰀁

基坑支护结构上水土压力分算与合算

金永涛1,鲜󰀁亮2,张建新1

(1.同济大学地下建筑与工程系,上海200092;2.路桥集团第二公路工程局,陕西西安710003)

摘󰀁要:以一具体的工程实例为分析背景,介绍了基坑工程中对于支护结构变形、内力分析,选择水土分算与合算的土压力模式对计算结果的影响,进而分析对于不同水土分算与合算产生差别的原因,最后,给出了选择水土分算与合算的原则。

关键词:水土压力;合算;分算

󰀁󰀁随着目前高层、超高层建筑的兴建以及城市地下空间的开发,支护挡土结构及地下连续墙越来越广泛的得到应用,这使得支护结构上的水土压力计算得到越来越多的重视和讨论。一方面,大量的实测结果表明:支护结构上的实际内力远小于计算值。尽管人们一再降低安全系数,或者将荷载折减,往往实测应力还是偏小;另一方面,还是有许多基坑事故频繁发生。一些基坑工程失事又与土中水有关。这种情况表明,我们对于在原状土开挖过程中的土与结构的共同作用和水土相互作用机理的认识还远不够透彻和深入。关于水、土压力的分算还是合算也一直是学术界争论的焦点。结合工程实际,讨论选择不同的水土分算与合算模式,对计算结果的影响。1󰀁水土分算与合算

基坑支护结构主要受两种力的作用:一种为水压力,另一种为土压力。目前,计算基坑支护结构上的水土压力主要有两种方法:即水土合算与水土分算。

对于水土分算,其采用浮重度计算土压力,按静水压力计算水压力,然后两者相加即为总的侧压力,利用有效应力原理计算土压力,水土压力分开计算,计算式为:

pa=k󰀁a󰀁󰀁H-2c󰀁pp=k󰀁p󰀁󰀁H+2c󰀁

k󰀁a+󰀁wH

(1)

土层粉质粘土粉质粘土粉土淤泥质粉质粘土

粉土淤泥质粉质粘土淤泥质粘土

淤泥质粉质粘土

层厚(m)1.51.42.83.12.44.853.5

从上面水土压力分算与合算的公式可以很直观的看出,选择不同的水土压力模式,将会极大影响计算所得的主动、被动土压力值,从而直接影响设计方案与计算结果。2󰀁工程实例

康桥路地道基坑工程,最大开挖深度5.7m,采用厚度为3.7m的搅拌桩围护结构,桩长为12.5m,计算时考虑地面超载20kPa。地下水位埋深为-0.6m,地层分布情况及有关参数见表1。

表1󰀁土层参数表

重度(kN/m3)

1818.619.31818.118.717.917.6

󰀁(󰀁)1520.8325.571618.8251514.5

c(kPa)1012.677.7112.511.681312.5

m(kN/m4)40005000450040004500400043004100

(2)wHk󰀁p+󰀁

式中:k󰀁a、k󰀁p󰀁󰀁󰀁主动和被动土压力系数,两者均以有效应力强度指标c󰀁、󰀁󰀁计算;

󰀁󰀁、󰀁w󰀁󰀁󰀁土的浮重度和水的重度;H󰀁󰀁󰀁基坑开挖深度。

对于水土合算,其计算式为:pa=ka󰀁H-2cpp=kp󰀁H+2c

kakp

(3)(4)

󰀁󰀁围护桩的计算弹性地基杆系有限单元法计算[2],桩前土体反力计算采用m法(m取值见表1),取1m墙宽来分析。(1)水土分算的计算结果:计算得到围护桩桩顶位移为

76mm,桩身最大弯矩759.2kN󰀁m。计算简图及结果如图1。󰀁󰀁(2)水土合算的计算结果:计算得到围护桩桩顶位移为44.4mm,桩身最大弯矩446kN󰀁m。计算简图及结果如图2。󰀁󰀁说明:按水土分算原则计算土压力时,从理论上采用有效应力抗剪强度参数c󰀁、󰀁󰀁是正确的,但是当前工程勘察报告中极少提供c󰀁、󰀁󰀁。上海《基坑工程设计规程》条文说明部分,指出,采用总应力抗剪强度参数c、󰀁计算的土压力与采用有效应力参数c󰀁、󰀁󰀁计算土压力是基本相当的[3]。从而规定:按照水土分算原则计算土压力时,可采用总应力抗剪强度指标。由于本工程勘查报告中未能提供有效应力强度指标,故笔者在水土分算时,依然使用

(下转第3页)

式中:󰀁󰀁󰀁󰀁土的天然重度,地下水位以下取土的饱和重度;

ka、kp󰀁󰀁󰀁主、被动土压力系数,两者均以固结快剪或固结不排水强度指标计算。另外对于粘性土,有些学者还提出采用静水压力乘以与粘土液性指数有关的折减系数,再加上土压力的水土分算的方法。但这种方法在工程实际中,由于其参数涉及较多如液性指数、塑性指数等,操作起来较复杂,所以应用并不广泛[1]。

󰀁

2006年第5期

󰀁郑杏蕊:加筋土挡土墙施工及其施工控制要点

3

在面板安装和拉筋铺设完毕后,及时回填合格的填料,自卸车与面板的距离不小于1.5m,同时机具不得在未覆盖填料的拉筋带上行驶和横断面方向推土。填料碾压,从拉筋带中部压向拉筋带尾部,再由中部压向面板,全面轻压后再重压,同时控制压实机具与面板距离不应小于1m,在1m范围内采用冲击夯实机具夯实。4󰀁施工效果

(1)采用以上施工工艺流程控制要点,保证了面板安装平整度、线型、伸缩缝在允许误差之内。

(2)可流水作业施工,提高拉筋铺设速度、质量,避免拉筋带

的损伤、松弛、扭曲、错位等现象。

(3)根据以上施工工艺流程施工,在工程交验时,单点检查合

格率100%,达到优质工程质量标准。

参考文献:

[1]󰀁吴邦颖,张师德,加筋土结构原理及应用[M].北京,中国铁道出版

社,1986.

[2]󰀁中华人民共和国交通部.公路加筋土工程设计施工规范[S].北京,

人民交通出版社,1991.

(上接第1页)

图3󰀁桩顶水平位移随时间的发展过程

图1󰀁水土分算围护桩的计算简图和结果

水土分算与水土合算最主要的分歧就是:水土分算直接把静水压力作用于围护结构上,水土合算则忽略静水压力。实际上地下水对土的作用是通过土体介质之间的孔隙水的作用施加的,而孔隙水的存在及孔隙水压力的形成是与土的渗透性密切相关的。渗透性强的土体中,孔隙水是水力连通的,易于形成孔隙水对土颗粒的浮力作用,故采用浮容重计算,此时可以认为孔隙水压力即静水压力;而渗透性弱的土体,如透水性很小的粘性土,其孔隙介质与水之间的关系极为复杂,不仅不易形成孔隙水对土粒的浮力作用,所产生的孔隙水压力已不是严格意义上的静水压力。正是基于这种认识,国外工程师在计算时采用总应力法把水土压力合并计算,而不计及墙上的水压力。从以上分析也不难看出,水土分算与水土合算各自的适用条件和参数选择。4󰀁结论

图2󰀁水土和算围护桩的计算简图和结果

水土分算:是一种有效应力分析法,计算时的强度指标一般为固结排水剪指标。适用于渗透性强的砂类土体。

水土合算:是一种总应力分析法,计算时的强度指标一般为不固结不排水剪或固结不排水剪指标。适用于渗透性弱的粘性土体。

上面的工程实例正是由于所在的土层渗透性较小,故采用水土合算,与实际较为接近。

参考文献:

[1]󰀁陈忠汉,程丽萍.深基坑工程[M].北京:机械工业出版社,2002.[2]󰀁刘建航,侯学渊.基坑工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,

1997,4.

总应力强度指标。虽然会产生误差,但误差不会太大[1],而且并不影响结果的可比性。

从计算结果可以看出,采用水土分算比采用水土合算所得到的围护结构最大水平位移、弯矩都大很多,其中水平位移大71%,弯矩大70%,而本工程实测最大桩顶位移为51.7mm(图3),与水土合算法比较接近。这与本工程的土层性质有很大关系(工程主要是渗透性很小的淤泥质粉质粘土),因此,选择水土分算与合算对于设计人员来说,极其重要,它直接影响了基坑工程的安全性、经济性。3󰀁水土分算与合算的选择