深基坑工程技术讲座(11)──第十一讲　挡土支护结构侧压力(中).PDF

建筑技术讲座 北京秋光技术开发有限公司 岩土技术开发部 深基坑工程技术讲座11 沈保汉 北京市建筑工程研究院 第十一讲 挡土支护结构侧压力中 11. 1 主动土压力与被动土压力 11. 1. 1 定义 挡土支护结构在土压力作用下,将向基坑内侧移 动即产生背离土体的横向位移或绕前趾向基坑内 侧转动。当位移达到一定量值时,则其后土体开始形 成滑裂面,应力达到极限平衡状态,此时土压力处于 最小值,称为主动土压力 E α , 进入主动土压力状态 的位移量一般是比较小的表111 1 。 图1111 侧土压力与位移关系图 挡土支护结构在外荷作用下,将向土体方向移动 或转动。随着位移的增加,土体阻止其变形的抗力将 增加,应力水平随之提高,使作用于结构上的土压力 逐渐增加。当位移达到一定量值时,则土体中亦将形 成一个滑裂面,应力达到极限平衡状态,此时土压力 处于最大值,称为被动土压力Ep ,进入被动土压力 状态的位移量比主动土压力状态要大得多表11. 1 。 产生主动和被动土压力所需位移量的参考值 表11. 1 土 类 应力状态位移形式所需位移量 砂 土 主 动 被 动 主 动 被 动 平 移 平 移 绕前趾转动 绕前趾转动 0 1001～01005 H 0105H 0 1001～01005 H 011H 粘 土 主 动 主 动 平 移 绕前趾转动 0 1004～01010 H 0 1004～01010 H 注1.本表引自刘建航主编的 基坑工程手册 表4 - 1朱桐 浩 ;2. 本表用于挡土墙,对于深基坑挡土支护结构可参 考;3.表中H为挡土墙高度。 挡土支护结构所承受的土压力,要精确地加以确 定是很困难的,甚至是不可能的,因为影响土压力的 不确定因素太多,至少有16个见本技术讲座第十 讲。 11. 1. 2 库伦土压力和朗金土压力 库伦Coulomb土压力理论1773年的基本假 定 1 挡土墙是刚性的,墙后填土是各向同性、 均质 的无粘性砂土 ;2 当墙身向前或向后移动以产生主 动土压力或被动土压力时的滑动破坏楔体是沿着墙 背和一个通过墙踵的平面发生滑动 ; 3 破坏土楔视 为刚体 ;4 摩擦力沿着破裂平面是均匀分布的,摩擦 系数f tanφφ为内摩擦角 ;5有墙身摩擦,亦即破 坏土楔沿着墙背移动,在墙的界面上产生摩擦力 ; 6 破坏是一个平面变形问题,即取无限长楔体的一个单 位长度进行讨论。根据上述假定,从滑动楔体处于极 限平衡状态时的静力平衡条件出发,求出主动土压力 及被动土压力。 库伦理论的主要缺点是假定土是理想的以及滑 裂面定为平面。在主动土压力与被动土压力的计算 中,由于实际滑裂面是曲面,这使得在平面滑裂面假 定下的计算结果,导致主动土压力偏小差值为2～ 10 ;被动土压力显著偏大,差值随内摩擦角φ的增 大而增加,有时相差数倍至十数倍,若应用此值则是 危险的。 朗金Rankine土压力理论1857年 , 其概念简 单明确而被工程界广泛采用。朗金土压力建立在土 体的摩尔一库仑强度理论及半无限土体的微元极限 平衡状态的假定上。朗金土压力理论的基本假定 1挡土墙背竖直、 光滑 ; 2 墙后砂性填土表面水平 并无限延长 ,3 墙对破坏楔体没有干扰。推导结果, 主动朗金状态出现与水平面成 45 φ / 2 夹角的滑 动面,被动朗金状态出现与水平面成 45 -φ / 2 夹角 的滑动面。可以说,朗金土压力公式是库伦土压力理 论的一个特例。由于没有考虑墙背和填土之间的摩 擦力,这样求得的主动土压力值偏大,而被动土压力 值则偏小。因此,用朗金土压力理论来设计挡土墙总 是偏于安全的。 74 第25卷- 2 建筑技术开发 1998年4月 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 贝尔Bell ,1915年把朗金理论发展成可考虑粘 聚力c值的土压力理论。以下为考虑粘聚力的朗金 土压力计算公式。 eaγztan2 45 - φ 2 - 2ctan45- φ 2 11 - 1 epγztan2 45 φ 2 2ctan45 φ 2 11 - 2 式中 ea 计算点处的主动土压力强度kPa ; ep 计算点处的被动土压力强度kPa ; γ 土的重度kN/ m3 ; z 计算土压力点的深度 m ; c 土的粘聚力kPa ; φ 土的内摩擦角 ; 定义 Ka tan2 45 - φ 2 ; Kp tan2 45 φ 2 ; 式中 Ka 无粘性土情况的朗金主动土压力系数; Kp 无粘性土情况的朗金被动土压力系数。 11. 1. 3 经典理论土压力与深基坑挡土支护结 构土压力的区别 经典理论土压力与深基坑挡土支护结构土压力的区别表11. 2 对比项目库伦、 朗金理论土压力深基坑挡土支护结构土压力 土 类 墙后填土为均质无粘性砂土基坑土为杂填土及粘性土、 粉土、 砂土或经加固后的土等,在开 挖前土体已具有一定的坚固性,不再是散粒状 土体应力 性 质 先筑墙后填土,填土过程是土体应力增 长过程 先设桩墙后在基坑范围内开挖土方,开挖过程是土体应力释 放过程 结构使用要求挡土墙是永久性的挡土支护结构多数是临时性的 结构特性假设挡土墙为刚性体挡土支护结构多数为柔性结构 土压力特性 挡土墙建成后视土压力为定值土压力是土与挡土支护结构之间相互作用的结果,土压力大小 和分布随结构类型、 刚度、 支点数量而异,在开挖过程中土压力 随结构变形而动态地变化 墙土间摩擦力 朗金土压力理论假设墙背与填土之间 不存在摩擦力 挡土结构与其背后土之间实际上存在摩擦力 空间效应 库伦、 朗金土压力理论所解决的挡土墙 是平面问题 挡土支护结构土压力有显著的空间效应 时间效应 库伦、 朗金极限平衡原理,属于静态设 计原理 开挖后的土体处于动态平衡状态,这是由于开挖后长时期内基 坑环境有所变化以及土体松弛等原因致使土体强度逐渐下降 施工效应 确定土压力计算参数 c 、 φ等采取定 值,不考虑施工效应 深基坑工程采用降排水引起土体固结,打桩时产生的挤土效应, 以及对地基土进行加固等,均会提高土的c、φ值 由表11. 2可知,按经典理论计算得到的土压力不 能简单地直接用于计算深基坑挡土支护结构,应视具 体情况,作必要的修正。总之,土压力的计算不是由精 确的理论来保证其正确可靠,而应通过现场测试和室 内模型试验并依此为基础,提出简单实用而尽可能合 理的土压力计算模式。 在计算土体作用在挡土结构上的侧压力时,应着 重考虑下列因素土的物理力学性质土的重度、 抗剪 强度 ; 挡土结构相对土体的变位方向和大小;地面坡 度、 地面荷载与邻近基础荷载;地下水位及其变化;挡 土支护结构的刚度;深基坑工程的施工方法与施工顺 序。 11. 2 悬臂式柔性挡土支护结构的土压力 实践表明,作用于悬臂式柔性挡土支护结构的土 压力与公式11 - 1和11 - 2的计算值存在着误差。 虽然土压力并不完全处于静止或主动状态,但通常仍 采用静止或主动土压力进行估计,甚至被动区也同样 采用被动土压力来估计,再根据实践的经验加上适当 的修正系数。严格地说,在被动区是随着结构的变形, 土压力逐渐由静止土压力向被动土压力进展,但并未 达到被动土压力,否则土体将开始破坏。被动区的土 压力通常宜根据结构与土的相互作用来确定,称为土 的被动抗力。 11. 2. 1 软土地区的悬臂式柔性挡土支护结构 对于软土地区软土的定义及特性见本讲座第三 讲 , 作用于悬臂式柔性挡土支护结构的土压力与朗金 土压力相差不大,可以通过调整参数来解决。 实例1 天津市建筑科学研究院金鸣等1994 ,结 84 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 合模型试验和工程实测得出结果软土地区中的悬臂 式挡土支护结构的主动土压力呈三角形分布形式,其 值一般可按静止土压力计算取值。 实例2 宁波北仑港火力发电厂设备基础基坑深 6m ,采用双排钻孔桩d600mm ,L27m构架式挡墙,坑 内开挖后呈阶梯状3m ,6m各一阶梯 , 开挖后墙体位 移较小 2 ～ 3cm 。实测的主动土压力呈三角形分布, 其值比朗金土压力计算值略大。 11.2. 2 一般粘性土地区的悬臂式柔性挡土支护 结构 对于一般粘性土地区一般粘性土的定义及特性 见本讲座第四讲的悬臂式柔性挡土支护结构,由于粘 性土的粘聚强度,挡土结构与土体之间的摩阻力等因 素,使挡土支护结构中实际的土压力往往小于按公式 11 - 1和11 - 2的计算值图11. 2。同时由于挡土 桩墙和土的位移不协调,后者的位移小于前者的位 移,在粘聚力的影响下桩墙后土产生裂缝,从桩墙 顶开始向下延伸一定深度,向后延伸一定宽度图11. 3 ;在裂缝上部,土体与桩脱离,该部位的土压力为零 图11. 2 ,因土的粘聚性,裂缝处土体不会坍落;在裂 缝下部裂缝闭合,该处土体受剪切;上述现象与朗金土 压力假定显著不同。但当上层粘性土的含水量大于液 限时,土处于流态,则裂缝不会出现。 由图11. 2可以看出非挖土侧的土压力的合力值 图11. 2 实测土压力与朗金 图11. 3 模型试验地缝与沉表 土压力对比 裂陷的描绘显著低 于朗金土压力的合力值,并且前者的合力作用点亦下 移;被动区的上半区段的土压力略大于朗金被动土压 力,下半区段的土压力则明显地小于朗金被动土压力。 模型试验表明,即使桩处于临界失稳状态时,也无法在 整个嵌固段都达到朗金的线性分布的被动土压力状 态。 表11. 3为北京地区的两个实例。 以上两个工程实例数据表明 1 实测土压力值显 著地低于朗金土压力值,并且主动土压力降低幅度大 于被动土压力 ;2 实测钢筋应力值远远低于钢筋强度 标准值 ;3 实测弯矩值也显著地低于计算弯矩值。总 之,用朗金土压力来计算一般粘性土地区的悬臂式柔 性挡土支护结构是偏于安全的。 何颐华等1991提出裂缝计算理论及按粘性土滑 动体土压力计算的方法。该法要点如下 1裂缝深度Hc以上侧土压力为零 ; 2 裂缝深度 Hc 北京地区悬臂式挡土支护结构实例表11. 3 深基坑工程名称北京医院急诊楼北京邮政通信枢纽工程 基坑深度m8. 4010120 挡土支护结构类型单排人工挖孔桩单排人工挖孔桩 桩 径mm800800 桩 长m1217016160 嵌固长度m41306140 实测主动土压力/朗金主动土压力1/ 31/ 4～1/ 3 实测被动土压力/朗金被动土压力1/ 21/ 3～1/ 2 实测钢筋应力MPa20～4920～30 两根桩的实测弯距/计算弯矩 30 ,5850 ,60 至基坑深度之间,土压力按三角形分布计算 ; 3 开挖 面以下沿用粘性土朗金土压力 ; 4 假设裂缝深度Hc 不随挡土结构的位移而变化,并等于粘性土竖直开挖 能站立的理论高度Hp,即 Hc Hp 4c γKa 11 - 3 11 - 3式中的符号同11 - 1、11 - 2式。 应用11 - 3式时,需考虑以下因素 1 由于地质 勘察时原状土剪切试验强度指标c值的离散性较大,适 当降低c值 ; 2 在雨季施工时,及其它外界因素的影 响,可能会导致土体含水量的增加例如在裂缝处被水 充满 , 造成c值的降低,为避免这种情况就要求做好坑 顶防水;3 11 - 3式是在极限分析下得出的,故该式 应除以一定的安全系数。 11. 3单支点柔性挡土支护结构的土压力 锚定板型单支点挡土支护结构,其主动土压力由 94 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 锚定板拉杆和入土部分的被动土压力共同承受,加以 平衡。锚定板拉杆和入土部分为挡土结构上下两个支 点,结构顶部的位移近似于多支点挡土结构的顶部的 位移,其底部的位移则近似于挡土墙底部的位移,最大 位移在中部。上部土压力分布近似于抛物线与多支 点挡土支护结构顶部的土压力分布近似 , 下部土压力 分布呈三角形与挡土墙底部的土压力分布近似。实 测主动土压力分布见图11. 4 α中 as1t1曲线,其面积 as 1t1b1大约等于atb1三角形面积,在计算时为简化计 算仍可按三角形分布来计算。这样,总主动土压力的 作用点,比库伦 朗金理论计算值略向上移动。即锚 定板型单支点挡土支护结构的实际弯矩,比库伦 朗 金理论计算值小一些,而锚定板拉杆的实际拉力则要 大一些。 锚杆型单支点挡土支护结构图11. 4b ,由于锚杆 需要有一定的覆土厚度,所以一般说来,锚固点在地面 下一定深度处。这样锚杆以上部分 ab 段可看作是一 个挡土墙,其变形和土压力分布与挡土墙近似;而锚杆 以下部分 bd 段的变形和土压力分布则与锚定板型单 支点挡土支护结构近似。所以,ab段主动土压力呈三 角形 abb 1分 布, bd段 主 动 土 压 力 则 呈 曲 线 形 bb 1s1t1 d 分布。总主动土压力亦与库伦 朗金理论土 图11. 4 单支点挡土支护结构上的土压力分布图 a锚定板型; b锚杆型 压力atd接近,这样,计算时可近似地取三角形atd。 于是,按库伦 朗金理论土压力计算结果,弯矩值偏于 安全,锚杆拉力则偏小。 11. 4 悬臂式重力式挡土支护结构的土压力 上海市基坑工程设计规程DBJ08 - 61 - 97 、深 圳地区建筑深基坑支护技术规范SJ G05 - 96 和 武汉 地区深基坑工程技术指南WBJ1 - 1 - 7 - 95,对悬臂 式水泥土桩挡墙的侧土压力均采用朗金理论计算。其 中上海规程采用土体天然饱和重度计算土压力,不单 独算水压力,同时考虑到各土层的强度差异,强度指标 均取按土层厚度加权平均值。 上接46页 夹层橡胶隔震垫自重大,安装时工作面小,又是在 高处作业,除遵守国家颁布的有关安全规范外,还必须 采取如下措施 1施工用脚手架跳板要专门搭设,留出安装工作 面,且不得有探头。 2操作人员必须系安全带,有保护设施。 3吊装时,必须有专人统一指挥、 协调,塔吊司机 必须持证上岗,听从指挥且不得违章作业。 7.效益分析 711社会效益 1目前,国家还设有关于夹层橡胶隔震垫统一的 施工规范,通过本工法为减震垫施工积累了宝贵的第 一手资料,探索了一条比较可行的施工方法,为将来制 定统一的施工规范打下了坚实的基础。 2为结构减震技术在大面积公用建筑上应用作 了一个有益的探索,提供了一个可供借鉴的范例。 7. 2 经济效益 1减震垫施工存在工作面小、 工序多、 工作量大、 技术含量高等特点,所以从整个工程看进行本分项工 程施工时产生的窝工现象比较严重,这就要求我们精 心组织统筹安排,与其它的分项工程穿插施工,以保证 整个工程的工期。 2采用橡胶隔震垫虽增加了本项投入,但减少了 结构抗震的投入,还大大增强了抗震性能,减小上部结 构设计的限制,从而降低整个房屋造价。 总的来讲,运用本工法施工安全,速度快,能可靠 的保护减震垫安装的质量。 8.工程实例 太原市图书馆工程,是太原市的重点工程之一,主 馆东西方向长56125m ,南北方向5215m ,建筑面积近 二万平方米,六层框架结构,地下室一层,部分水箱间、 电梯间为七层,本工程全部采用夹层橡胶隔震垫,大部 分同一柱上有二个或多个橡胶垫,最多者同一柱上有 四个橡胶垫,本工程使用隔震垫135套,原设计工期47 天,采用工法施工仅用了22天全部安装完。随后抗震 办、 质检站、 监理公司、 建设单位、 设计院等单位专门组 织了一个验收小组,一次性验收合格率达92186 。 05 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.