深基坑工程技术讲座(10)──第十讲　挡土支护结构侧压力(上).PDF

技术讲座深基坑工程技术讲座10 沈保汉 北京市建筑工程研究院 第十讲 挡土支护结构侧压力上 1011 概 述 作用在挡土支护结构上的侧压力包括土 压力、 水压力、 冰荷载寒冷地区、 地震力及地 面荷载所产生的侧压力等。 土压力是作用于挡土支护结构的主要荷 载,特别是在大型深基坑工程中若能较准确地 估算土压力,对于确保深基坑工程的顺利进行 具有十分重要的意义。 从广义来说,土压力是土作用在挡土支护 结构上的或作用在被土体所包围的结构物表 面上的压力及其合力。这些压力及合力是 由土的自重、 土所承受的恒载和活载所产生 的,其大小由土的物理与力学性质、 土和结构 之间的物理作用、 绝对位移、 相对位移以及变 形值与特性所决定。水压力、 冰荷载、 地震力 及地面荷载等均是通过土这一载体作用于挡 土支护结构上,因此,均属于广义土压力,也可 称为特殊情况下的土压力。 1012 影响土压力的因素 作用在挡土支护结构上的土压力受以下 因素制约 1不同土类中的侧向土压力差异很大。 采用同样的计算方法设计的挡土支护结构,对 某些土类可能安全度很大,而对另一些土类则 可能面临倒塌的危险。因此在没有完全弄清 挡土支护结构土压力的性能之前,对不同土类 见本技术讲座第3、4、5讲应区别对待。 2土压力强度的计算及其计算指标的取 值与基坑开挖方式和土类有关。当剪应力超 过土的抗剪强度时,背侧土体就会失去稳定, 发生滑动。由于基坑用机械开挖,一般进度均 较快,开挖卸荷后,土压力很快形成,为与其相 适应采用直剪快剪或三轴不排水剪是合理的。 但剪切前是否要固结,则根据土的渗透性而 定。渗透性弱的土,由于加荷快、 来不及固结 即可能剪损,此时宜采用不固结即进行剪切; 反之,渗透性强的土,宜固结后剪切。深圳地 区建筑深基坑支护技术规范SJ G05 - 96规 定,抗剪强度的试验,对粘土宜采用直剪快剪 或三轴不固结、 不排水强度试验UU ;对饱和 软粘土,在进行快剪或不固结、 不排水强度试 验时,应在自重压力下预固结后,再进行剪切; 对花岗岩残积层的砾质粘性土、 砂质粘性土、 粉质粘土、 粉土和砂土宜采用直剪固结快剪或 三轴固结不排水强度试验CU。以上表明土 压力参数试验要与基坑土体实际的固结状态 相适应。 3土压力是土与挡土支护结构之间相互 作用的结果,它与结构的变位有着密切的关 系,从而导致设计土压力值的不确定性。如经 典的库伦土压力和朗金土压力理论仅考虑主 动与被动状态;在挡土支护结构变形很小时, 要采用静止土压力其值无统一求法 ; 对于作 用于多支点挡土支护结构的土压力则按弹塑 性理论进行计算。 4土压力强度的大小与挡土支护结构刚 度有关。当基坑深度及地层土质等条件均相 同的情况下,作用在重力式挡土支护结构和柔 性挡土支护结构上的土压力显然不同,这是由 于两者刚度相差太大所致。 5对于多支点挡土支护结构,其土压力 大小及分布又因支点锚杆或支撑的位置及 反力大小而变化。 6土压力参数的选取因深基坑挡土支护 84 第25卷 1 建筑技术开发 1998年2月 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 结构及施工工艺而不同。对于悬臂式挡土支 护结构,取卸荷参数即可;而多层锚杆挡土支 护结构则因其对土体的作用是一个不同深度 上的多次卸载 加载 卸载的过程,故对土体 来说,既要考虑卸载的又要考虑加载的土压力 参数。 7挡土支护结构土压力有显著的空间效 应。不少的深基坑开挖实测资料表明,基坑周 边向坑内发生的水平位移呈现出中间大、 两边 小的规律;而且深基坑边坡失稳坍塌,多数实 例也是从长边的居中位置开始发生的。上述 现象说明深基坑开挖是一个空间问题。 8挡土支护结构土压力有显著的时间效 应。按经典的极限平衡原理库伦 朗金土压 力理论进行的深基坑挡土支护设计属于静态 设计,而开挖后的土体是处于动态平衡状态。 一是开挖后的土体处于一种松驰过程,随时间 增长,土体强度逐渐下降;二是开挖后长时期 内基坑环境也会有所变化,例如由于多种原因 造成土体含水量增加,也促使土体强度下降。 以上的时间效应在设计时应予以考虑。 9确定土压力计算参数时要考虑施工效 应。降水是深基坑开挖中经常采用的措施,由 于排 水,土体发生固结,使C、φ值有所提高。 当基础桩采用挤土式桩时,由于挤土效应也可 使C、φ值有所提高。当然要避免挤土桩的负 面效应,见本技术讲座第9讲。 10挡土支护结构上的土压力是随着开 挖过程逐步形成的。特别是多支点挡土支护 结构上的土压力又随着支撑或锚杆的设置及 每步开挖施工参数的差异而产生受力状态的 改变,因此其土压力的分布与一般挡土墙存在 着差异。 11挡土支护结构上的土压力因上、 下端 支点及结构变位情况而差异甚大,见图1011。 图1011 不同支点及不同变位时挡土支护结构土压力举例 a上端固定,下端向外移动 ;b 上下两端固定 ;c 平行外移 ; d 结构绕下端向外倾移 ; e 结构完全不移动 ; f 结构向内倾 移 ;g 悬臂式挡土支护结构下端固定 ;h单道顶撑挡土支护结构下端固定,即插入深度较深 ; i单道顶撑挡土支护结构 插入深度较浅 ;j多支点挡土支护结构的一例 12土压力计算参数 γ、 C、 φ等 带有一定 的随机性。土层物理力学参数选择正确与否 是挡土支护设计能否符合实际的重要环节。 但是现实情况,不少的建设单位在深基坑工程 招标时往往是仅提供主体建筑物的初步勘察 报告,未能提供适应于深基坑工程的专门勘察 报告,而投标单位为了急于中标,就在初勘资 料的基础上,选择计算参数,未经深思熟虑,草 率地进行土压力计算,这就带来较大的随机性 和危险性。正确的做法应是,根据深基坑的等 级,进行补充的岩土工程勘察,在深基坑挡土 支护设计人员的配合下,按设计要求,确定勘 察范围、 基坑周边勘探点间距以及勘探点间 距,并选择合适的试验方法,这样的勘察资料 94 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 就具有针对性,设计人员也能做到心中有数。 13地下水是影响土压力值的一个重大 因素。本技术讲座第9讲中提到上层滞水治理 不妥例如,上下水设施破损而漏水,基坑顶及 坡体未作防水处理致使雨水及地表水等渗入 背侧 土体,坑周排水系统堵塞或暴雨后坑周水 位急剧上升等 , 致使背侧土体的含水量增高, 土的力学指标向不利方向变化 C 、φ值降低 , 主动土压力随之增大,导致深基坑倒塌,类似 事故在全国各地区已屡见不鲜。 14挡土支护结构上的土压力还和土体 与墙桩背的摩擦角有关,而后者又与背侧土 体性质、 墙桩背粗糙程度、 排水条件、 背侧土 体表面轮廓及有无地面荷载等有关。 15土压力的大小和分布是超静定问题。 一是因为位移和变形的作用,二是由于各单个 颗粒产生的压力以及颗粒间作用力的绝对值 仍然不清楚。 16土压力的大小还和土体应力水平有 关。在正常压密状态的同一种土体,不同开挖 深度的土体应力水平是不同的,它的C、φ不是 同一值。 综上所述,土压力的计算具有以下特点 复杂性影响因素太多 , 不确定性,多样性计 算和试验方法多样 , 随机性,变异性施工效 应、 结构型式效应、 时间效应、 空间效应及地下 水影响等以及超静定性等。 目前工程中应用的土压力计算理论,由于 理论的假设与实际情况有一定的出入,加以在 理论中也不可能对影响土压力大小和其分布 规律的各种因素及其相互作用加以全面考虑 和概括,所以只能看作是近似的方法,与实测 数据也有一定的距离,有时甚至差得很大。可 以说,深基坑挡土支护与开挖问题对经典土力 学理论提出了新的挑战,需建立以释放变形为 核心的土压力理论。深基坑开挖与支护的应 力、 变形分析将把不可忽视的卸载问题、 应力 路径问题及其引发出的土体应力、 强度、 变形 性质和变化及其影响因素提上岩土工程师的 议事日程、 提出需要深入研究的课题。总之, 土压力理论还有待于进一步研究,在实践中不 断予以完善。 1013 静止土压力 1作用于挡土支护结构的静止土压力强 度,如同半空间直线变形体在土自重作用下, 无侧向变形的水平侧压力强度e0 e0 K0γz10 - 1 式中 K0 静止土压力系数; γ 土的重度kN/ ; z 计算土压力点的深度m。 K0值有多种取法,下面分别介绍。 2对于正常固结土有以下一些经验公 式。 杰基Jaky ,1944年公式如下 K0 1 - sin φ ′ 10 - 2 式中的φ ′ 是以有效应力得出的有效内摩 擦角,其值由试验确定,但都大于用总应力法 得出的内摩擦角φ值。 拉姆勃Lambe ,1979年对杰基公式进行 修正,提出如下公式 K0 0195 - sin φ ′ 10 - 3 日本的山口1972年提出类似的公式 K0 1 - 01404tan φ ′/ 1 sinφ ′ 10 - 4 日本的大崎顺彦提出,φ ′ 在无条件试验的 情况下,可按下式计算 φ ′ 20N 1510 - 5 坦哈姆提出,对颗粒级配良好的土粒,可 按下式计算 φ ′ 12N 2010 - 6 对于粘性土中的静止土压力系数K0与塑 性指数Ip的经验方程有 Massarsch公式 K0 0144 0142 Ip 100 10 - 7 Alpan公式 K0 0119 0123lgIp10 - 8 安徽省水利科学研究所陆庆英1983年 针对上述经验公式10 - 2、10 - 3、10 - 4 、10 - 7和10 - 8 ,用苏、 浙、 皖、 豫等省试 下接54页 05 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图6 屋面体系平屋面或小坡度的理想材料。图7 为该体系的典型应用示例。该体系有两个重 要部分,即浅色单层高分子防水卷材及机械 固定件的适当选择。 图7 有一些防水卷材的表面是带毛的,可将卷 材和保温材料有效隔离。若卷材中含有增塑 剂,在 “舒泰龙” 上必须铺设浅色隔离层,在 “舒 泰龙” 与金属屋面固定好之后,再用防水卷材 供应商规定的机械固定件将卷材同屋面固定 好。有关机械固定件的细节及装配过程,陶氏 化学及有关卷材供应商均有说明书可供参考。 413 屋顶广场及空中花园 利用屋顶做停车场或花园是一项具有社 会效益和环境效益的新技术。这种设计在中 国已有施工实例,在不久将来将会得到普及。 照片4为建成的屋顶停车场见本期封3图 片。由于大城市的中心地带,空地稀少、 地价 昂贵,用屋顶做停车场即可带来显著的经济效 益和社会效益。 照片5为空中花园的应用实例见本期封 3图片。在欧洲,这种温馨的环境设计经常被 采用。从节能的角度来看,这种设计也是有效 的。 工程实践表明,这项新技术不仅适用于新 建屋面,同时也适用于旧屋面的改造。 上接50页 样的φ ′ 与Ip为参数进行计算,求得的K0值均 有相近的结果。 3下列各表给出了几类土的K0参考值 正常固结土静止土压力表数K0表1011 土 类K0 砂、 硬粘土 N ≥8 ,中等粘土 4 ≤N 8015 软粘土 2 ≤N hw 10 - 12 ; hw 地下水的埋藏深度 m ; γ ′ 土的浮重度kN/ ; γw 水的重度 kN/ 。 45 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.