松散覆蓋層與巖體混合基坑土壓力計算分析

楊 群，沈習文，謝立廣

(1.四川教育學院土木與交通工程學院，四川成都 611130;2.中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川成都 610072 3.中國中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

1 前 言

在基坑工程的設計與施工中，為了維護基坑開挖邊坡的穩定，常要設置臨時性或半永久性支護體系。土壓力是作用于支護結構上的主要荷載，在大型基坑的開挖中能較正確地估算土壓力，對于確保工程的正確設計與順利施工具有十分重要的意義。本文以成都市某深基坑工程為例，對坑壁土壓力進行了較為詳細的計算分析。

2 工程及場地巖土工程條件概況

該基坑工程位于成都市商業核心區，東臨四川省圖書館辦公區，南臨東大街，西臨春熙路，北臨陽光酒店，如圖1所示。

圖1 基坑平面示意

擬建場地內地形平坦，地貌單元屬岷江二級階地。地上主樓35層、裙樓12層;地下5層;建筑高度140m。基坑開挖深度23.8m，周長386.82m、坑內面積9 743.4m2，開挖量約為231 890m3，是目前成都市最深的深基坑。區內覆蓋層自上而下為人工填土、可塑粉質粘土、稍密稍濕粉土、松散中砂、稍密圓礫、稍密～密實卵石，基巖為紫紅泥巖。場地地下水水位隨季節變化，標高494.94～495.03m，最小埋深5.2m，滲透系數參考值K=18m/d。

場地典型地質剖面(圖1中的A－A＇剖面)見圖2。

3 坑壁土壓力計算

本文取A－A’剖面(見圖2)為計算剖面，因支護結構主要承受樁體背面的土體對其的作用，故在此取鉆孔ZK13附近的土體為計算土層。把力學性質相近的土層簡化為一層，其參數取厚度加權平均值，土層簡化情況見圖3。

3.1 朗肯理論計算分析

在不考慮泥巖的側向壓力情況下，泥巖上部松散土層的土壓力值，按文獻［1］中關于成層土的朗肯土壓力的方法計算，結果見表1，計算相關參數見圖3。

3.2 庫侖理論計算分析

圖2 A－A’地質剖面

庫侖理論是根據無粘性土(C=0)的情況導出的，對于C≠0的情況，需通過采用換算的等值內摩擦角φd來代替φ進行計算。在實際應用中，換算條件假定不同，有不同的方法，本文按土的抗剪強度相等來確定，即，計算得各土層的 φd分別為19.8°、41.6°及 46.4°。取墻背與填土之間的摩擦角，按文獻［1］中關于成層土的庫侖土壓力的方法，計算結果見表1，計算相關參數見圖3。

表1 朗肯土壓力和庫侖土壓力計算結果

3.3 基坑下部泥巖側向壓力計算分析

由圖3知，基坑開挖至坑底時出露泥巖的深度為5m，分析泥巖中側向壓力的分布情況，以出露泥巖的頂面和中部(距坑底2.5m處)為研究對象，按朗肯土壓力計算值分別計算在不考慮泥巖側向土壓力和考慮泥巖側向土壓力情況下支護結構的水平位移值。因泥巖出露深度已有5m，可認為樁在嵌固段內的變形甚微，忽略不計。因此，以基坑坑底為嵌固端，按懸臂梁來計算位移。通過利用文獻［2］中的方法計算出不考慮泥巖側向土壓力時支護結構的位移值fa和考慮泥巖側向土壓力時支護結構的位移值fb，分別為:

由以上數據可知，位于泥巖部分的支護結構的水平向最大位移值為13.056mm，平均值為8.09mm。

圖3 土層簡化示意

出露泥巖底面所受到的豎向壓力:

σ底?σc，說明坑壁泥巖在豎向壓力作用下不會破壞，而對支護結構產生側向土壓力。支護結構可能因泥巖側向變形作用使支護結構承受變形壓力，為此對坑壁泥巖進行變形計算分析。

出露泥巖頂面所受到的豎向壓力σ頂及相應的豎向應變ε頂為:

同理可求得出露泥巖中部的水平向應變為ε中′=0.061 9×10－3。根據式(1)求在豎向壓力作用下泥巖坑壁的水平位移。

由此求得坑壁泥巖的水平變形位移為:

據上述計算分析，泥巖部分的支護結構的水平位移，遠大于坑壁泥巖的水平變形位移值，可認為支護結構在上部土壓力的作用下已經脫離泥巖，即與泥巖間已產生了縫隙，所以泥巖的側向土壓力不予考慮，即認為泥巖中的主動土壓力為零。

4 基坑坑壁土壓力綜合分析及分布特征

4.1 土壓力簡化計算分析

大多數基坑在其開挖范圍內的土體是多層構造，是非均質的。按分層計算比較符合實際情況，但土壓力及支護結構的相關設計計算工作量較大。為了減少計算量，通常將各層土的重度γi、內摩擦角值φi和粘聚力Ci按土層厚度加權平均，即γm=均質土來簡化計算。簡化計算結果與分層計算結果是否接近要視具體情況而定，為此舉例進行對比分析。土壓力的計算采用兩種方法進行。方法1:根據朗肯理論，分層計算;方法2:同樣根據朗肯理論，但是土層參數取加權平均值，即簡化計算。計算參數的選取和土壓力合力的計算結果見表2。

表2 土層物理力學參數及土壓力合力計算結果

由上表可知，當各土層性質差別不大時分層計算與簡化計算結果相近，但是各土層性質差別較大時兩者結果相差較遠。所以當土層性質相近時，可采用簡化計算。從圖3可知，本工程不宜用簡化計算，應采用分層計算。

4.2 基坑坑壁土壓力分布特征

庫侖和朗肯土壓力計算結果列于表1中，其分布特征見圖4(a)。由表1及圖4(a)可知，兩者的計算結果相差不大。考慮到按朗肯理論計算出的主動土壓力值本已偏大，故在此取朗肯土壓力計算值。

圖4 基坑坑壁土壓力分布特征

雖然泥巖中的主動土壓力不考慮，但在坑底的泥巖需考慮其被動土壓力。最后得出本基坑坑壁土壓力分布如圖4(b)所示。

據此土壓力分布設計出的支護結構為三層錨拉樁，根據施工過程中的監測資料知，此結構設計合理。

5 結 語

(1)在松散覆蓋層與巖體構成的深基坑坑壁土壓力計算中，泥巖的側向壓力可忽略不計即認為泥巖中的主動土壓力為零;

(2)在土壓力的計算中，不能隨意的運用全部土層厚度的加權平均來進行簡化處理，要視各土層的性質是否相近而定。

［1］劉成宇．土力學［M］．北京:中國鐵道出版社，2000．

［2］建筑結構靜力計算手冊編寫組．建筑結構靜力計算手冊［M］．北京:中國建筑工業出版社，1975．

［3］余志成，施文華編著．深基坑支護設計與施工［M］．北京:中國建筑工業出版社，1997．

［4］中華人民共和國行業標準．建筑基坑支護技術規程(JGJ120－99)［S］．北京:中國建筑工業出版社，1999．

［5］姜志強，孫樹林，李磊．基坑開挖中土壓力計算模型探討［J］．河海大學學報(自然科學版)，2003，31(3):303 －306．

［6］王照宇．位移土壓力模型及其在基坑工程中的應用［J］．西部探礦工程，2003，(5):23－25．