深基坑支护设计土压力计算方法中的问题探讨<sup>[]</sup>

如题所述

深基坑支护设计工程由于其太多的不确定因素,及其较大的经济效益,使其成为岩土工程的一个热点和难点,设计和施工的许多方法和理论有待于进一步完善。

4.2.1 土压力计算中水、土合(分)算的c、φ值选用

在计算深基坑侧向土压力时,如果基坑主动侧存在地下水,在计算主动土压力时有两种处理办法:一种是分别计算主动土压力和水压力,然后再加在一起,计算时用浮重度,称为水、土分算;另一种是用饱和重度,计算土压力,不再另计水压力,称为水、土合算。

目前,对于粉土、砂类地层采用水、土分算已无异议,但对于粘性土,绝大部分同行赞成采用水、土合算。水、土合算和水、土分算的差异如下:

采用水、土合算时,主动土压力为:

采用水、土分算时,主动土压力为:

式中:Ka——主动土压力系数;

γw——水的重度;

γB——土的浮重度;

γ——土的饱和重度。

由于K a=tan2(45-φ/2) <1,所以水、土合算的结果总是小于水、土分算结果,这为许多工程人员接受。

从本质上弄清水、土合算与分算的区别以及正确选用c、φ值指标是十分重要的。当水、土分算时,竖向应力为γB h,其实质是土的有效自重应力,为与应力相匹配,应当采用土的有效抗剪强度指标c'、φ'值来计算;水、土合算时,竖向应力为γh,γh为总应力,应采用总应力c、φ值指标。这样,分算结果就不一定总是比合算结果大,且更符合实际。如《桂林市西门菜市场主体工程》的粉质粘土层的主动压力计算如下:

取土厚6 m,地下水位深为5 m,地下水位以上土体γ=18 kN/m 3,地下水位以下为γsat=20 kN/m 3,据土试结果总应力强度指标c=21.5kPa,φ=30.6°。有效应力强度指标:c' =26.5kPa,φ'=34.9°。

在水位以上,据总应力指标计算的主动土压力系数K。为:

Ka=tan2(45-φ/2) =tan2(45-30.6/2) =0.570

桂林岩溶区岩土工程理论与实践

在水位以下,据有效应力指标计算的主动土压力系数Ka为:

K'a=tan2(45-φ/'2) = tna2(45-34.9/2) = 0.522

桂林岩溶区岩土工程理论与实践

根据以上参数,其主动土压力计算结果见表4.1。

(1)用总应力指标c、φ值进行水、土合算:

Ea=E1+E2=16.9+24.2=41.1 kN/m

表4.1 采用不同指标进行水、土合(分)算的主动土压力(kN/m )Table 4.1 Active earth pressure for water and earth pressures together(separately) using different indicators(kN/m)

(2)用总应力指标c、φ值进行水、土分算:

Ea=E1+E2+E3=16.9+21.7+5=43.6 kN/m

(3)用有效应力指标c'、φ' 值进行水、土分算:

Ea=E1+E2+E3=16.9+11.3+5=33.2 kN/m

另外有一点也是值得研究的,我们在实践中可发现,当基坑降(排)水时,计算中如何反映水的作用,当水、土合算采用总应力c、φ指标计算粘性土(尤其是沿海的淤泥、淤泥质土等软土),降水前后,土的天然重度并无太大变化,降水区与非降水区(地下水位以下)土的总应力强度指标c、φ值又没有区别,因为当水、土合算时,其c、φ值一般都是用总应力指标c、φ值,因此,降水前后,水、土合算的主动土压力并不变化。

桂林岩溶区岩土工程理论与实践

式中,降水前后c没什么变化,而c、φ值也一样,所以水、土合算结果在土体降水前后无变化,这显然与实际情况不相符。降水后,尽管还是水、土合算,应采用有效应力指标c'、φ'值计算才较符合实际,而不采用传统的总应力指标c、φ值。因为基坑在降水后,其侧向主动土压力要比降水前的主动土压力小。

4.2.2 传统土压力计算中的缺陷——对c、φ值的选用

目前,深基坑工程的勘察工作,对深基坑的针对性不太强,这种现象很普遍。如钻孔间距布置过大,数量不足,土样采取数量不够,即使它符合现有的《岩土工程勘察规范》(GB 50021—94)中的有关规定,但如果考虑到深基坑工程的特点,应增加一些工作量,主要是加大钻孔密度和增加土样采取数量,这或许会多投入一些勘察费用,但可能会节省更多的支护费用。另外可能出现的情况是依据原勘察报告设计基坑支护失败,但加大工作量后、则可使基坑支护获得成功。

4.2.2.1 基坑工程勘察方法

针对深基坑工程特点,在勘察中采用如下办法:

(1)每隔5~10 m 布置一钻孔;

(2)在各个钻孔内,每隔2 m 采取一个土样进行土工试验(可减少标贯、触探等数量);

(3)依据各个钻孔内每个土样不同的c、φ值,作出每个钻孔的土压力分布图。用此土压力分布图来进行支护结构设计,很显然,这样工作做得更细,更符合现场实际情况。

由于每个钻孔在垂直方向上有多个土样,每个土样有一个c、φ值,也就有多个不同的c、φ值,改变过去一层土只有一个c、φ值的状况。很显然,如对于冲洪积土,按勘察规范划分,即使是一层土,但由于其冲洪积背景各异,成分和状态的差异,在垂直方向上,其c、φ值可能会有较大差异,当土层厚度较大时,按一层土一个c、φ值计算出的土压力与实际有出入。本人在桂林市华南塑料电器厂工程的某一钻孔采用加大采样密度,如图4.1,算出过去按一层土(一个c、φ值)计算一个土压力,然后,再算出加大土样密度后用多个c、φ值计算的土压力。

图4.1 华南塑料电器厂工程某钻孔资料Fig.4.1 Borehole data for south China plastic and electric plant

4.2.2.2 土压力计算结果对比

(1)根据图4.1,先按传统算法,以地层分界而分为两层土进行计算其朗肯主动土压力Ea

Ea=E1+E2=30.6+128.6=159.2 kN/m

(2)再根据图4.1,从0~3 m,3~5 m,5~7 m,7~10 m分为4层,分别采用进行计算主动压力Pa

Ea=E1+E2+E3+E4=0.04+10.9+65.0+17.6=93.5 kN/m

由以上计算结果表明,按传统分层计算与按土样细分计算的主动土压力,有一定的差异,两者分别为159.2kPa和93.5kPa,相差达70%。取样密度加大并分段计算,其结果应更接近实际。

4.2.3 结论

(1)水、土合算计算土压力,其c、φ值用总应力强度指标;水、土分算计算土压力,用有效应力强度指标,即c'、φ'。这样,水、土分算的主动土压力并不像过去认为的总比水、土合算值大,而且更符合实际情况。

(2)改变传统勘察方式,加大基坑工程的钻孔密度和取土数量,相对基坑支护而言,其费用比例不大,但能更详细,具体地反映基坑土体c、φ值,因而更能实事求是地计算基坑侧向土压力,并将使支护更趋经济、安全。

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