基坑設(shè)計(jì)施工過(guò)程中等值梁法的應(yīng)用研究

汪元有

【摘要】隨著城市的不斷建設(shè)與發(fā)展，對(duì)建筑的工序要求也越來(lái)越高，深、大基坑工程越來(lái)越多。為保證基坑工程施工的安全，對(duì)基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)可靠的設(shè)計(jì)是十分必要的，等值梁法在設(shè)計(jì)應(yīng)用較為廣泛。本文闡述等值梁法的應(yīng)用原理，在某地鐵站的實(shí)際深基坑工程中運(yùn)用等值梁法進(jìn)行計(jì)算和比較，最終得出合理可靠的數(shù)據(jù)，為工程提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】基坑設(shè)計(jì)；支護(hù)結(jié)構(gòu)；等值梁法；應(yīng)用

由于現(xiàn)代的建筑不斷朝向高層發(fā)展，基坑的面積和深度也隨之增加，基坑工程的難度也隨之提升。設(shè)計(jì)計(jì)算基坑結(jié)構(gòu)內(nèi)力的方式也不斷的在更新，有m法、有限元法、等值梁法、數(shù)值計(jì)算法以及彈性地基梁法等。這就帶來(lái)一個(gè)新的問(wèn)題，在設(shè)計(jì)中到底使用哪一種方法？因?yàn)槊恳环N方法得出的結(jié)果都不一樣，有些甚至相差較大，并且各自擁有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。計(jì)算機(jī)數(shù)值法雖然計(jì)算全面，但是受到不確定因素的影響較大，計(jì)算結(jié)果的精確度不高；數(shù)值法的計(jì)算過(guò)程也有很多問(wèn)題。等值梁法以其計(jì)算簡(jiǎn)潔、原理清晰而被設(shè)計(jì)者們廣泛利用。

一、等值梁法的計(jì)算原理

（一）等值梁法的假定應(yīng)用范圍

等值梁法在對(duì)多支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行分段計(jì)算時(shí)，引用了幾種基本假設(shè)：首先是不考慮支撐墻體發(fā)生的位移；二是假定不動(dòng)鉸的位置；三是在設(shè)置下半部分的支撐之后，假定上半部分的支撐力量不變。

（二）等值梁法的運(yùn)用原理

等值梁法又叫做假想鉸法，在其運(yùn)用過(guò)程中，首先需要假設(shè)假想鉸的位置，也就是擋土結(jié)構(gòu)彈性曲線反彎點(diǎn)的位置。當(dāng)假設(shè)其彎距為零時(shí)，即可將擋土結(jié)構(gòu)劃分為上、下兩部分，其中上半部為簡(jiǎn)支梁，下半部為超靜定結(jié)構(gòu)，確定之后就可以根據(jù)彈性結(jié)構(gòu)的相關(guān)定理解出擋土的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。

由于多支撐的基坑施工程序是先進(jìn)行開(kāi)挖，直至到第一道支撐的位置之下，并保持一定的距離之后，再開(kāi)始第二步的開(kāi)挖以及進(jìn)行第二道的支撐。往后再重復(fù)這樣的工序。所以，使用等值梁法對(duì)多支撐的支護(hù)結(jié)構(gòu)力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要按照實(shí)際的工程需要，結(jié)合施工進(jìn)程進(jìn)行分階段以及分層次的計(jì)算。

（三）基本的計(jì)算步驟

1、根據(jù)各個(gè)土層的物理力學(xué)參數(shù)的不同，計(jì)算出在圍護(hù)樁墻之后土層所受的壓力值，并根據(jù)需求繪出壓力分布圖。

2、求出分層中首層支撐點(diǎn)的力度。在進(jìn)行一層支撐完畢之后，開(kāi)挖第二層的土體，直到挖到一定距離后，確定坑底。但是因?yàn)榇藭r(shí)未進(jìn)行第二層的支撐，那么坑底以上的土體壓力就由第一層和被動(dòng)區(qū)支撐。

3、求出第二層的支撐點(diǎn)的力，利用相關(guān)的計(jì)算原理算出圍護(hù)樁墻之后土壓力值所在的反彎點(diǎn)的位置，如果還有支撐，那么并繼續(xù)求出下一個(gè)點(diǎn)的力度。

4、按照施工中參考的施工力學(xué)模型，用等值梁法求出樁身的內(nèi)力以及樁體的嵌固深度。

二、等值梁法在實(shí)際工程中的應(yīng)用

（一）工程概況

此次的工程實(shí)例為某地鐵站的基坑工程，預(yù)計(jì)開(kāi)挖的基坑總長(zhǎng)度為468.3m，寬度約18.3-23.2m，站臺(tái)的中心處深度在15.60m，覆土厚度約為2.6m。場(chǎng)地的四周分布有水塘和菜地，施工的標(biāo)段內(nèi)部有較多的市政設(shè)施和管線，基本分布在道路的兩邊。以基坑要求的深度和周邊環(huán)境的狀況可以判定此次基坑工程為二級(jí)的安全等級(jí)。地鐵站使用的是明挖順筑法進(jìn)行車(chē)站主體的施工，使用鉆孔對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的圍護(hù)樁進(jìn)行澆筑，在圍護(hù)樁的外側(cè)，設(shè)置三軸的攪拌樁實(shí)施隔水帷幕，基坑內(nèi)部沿著豎向一共設(shè)置三道支撐，與樁頂?shù)木嚯x分別為11.0m，6.00m以及0.50m。第一道支撐的水平間距設(shè)為9.0m，后兩道支撐的水平間距定為3.0m。

依據(jù)對(duì)地鐵站地質(zhì)水文狀況的勘察報(bào)告，場(chǎng)地的地層進(jìn)行人工填土、下部分是第三系的新余群基巖。根據(jù)巖石特性以及本次施工工程的特點(diǎn)，從底部往上依次分為：微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、礫砂、粗砂、中砂、淤泥質(zhì)分支粘土、粉砂、粉質(zhì)粘土以及素填土。總體來(lái)說(shuō)，各個(gè)巖層的圖紙十分不均，風(fēng)化巖的變化起伏大。

從水文狀況上來(lái)看，場(chǎng)地的地下水類(lèi)型有上層滯水、紅色碎屑巖類(lèi)孔隙水、松散巖類(lèi)的孔隙水三種。基坑開(kāi)挖中會(huì)被影響的有載砂礫層中的孔隙水，水位的補(bǔ)給主要依靠江水以及雨水，地下水位離地表約4m。

（二）基坑工程的具體施工步驟

1、首先開(kāi)挖基坑約地表以下2.0m也就是基坑的冠梁梁底之后，實(shí)施冠梁的施工以及開(kāi)始布置第一道支撐；

2、繼續(xù)開(kāi)挖至7.5m，也就是第二道支撐的中心處，開(kāi)始實(shí)施圍檁和第二道支撐的施工；

3、繼續(xù)開(kāi)挖至12.5m的地方，繼續(xù)施做第三道支撐及其圍檁的工程；

4、開(kāi)挖到約16.5m之后，進(jìn)行底板的澆筑；

5、按照一定的順序拆除支撐，進(jìn)行結(jié)構(gòu)部分的施工，最后回填覆土。

（三）土壓力的計(jì)算

土壓力的計(jì)算是施工應(yīng)用中很重要的一歩，目前使用較為廣泛的主要有庫(kù)倫理論以及肯朗理論兩種方式，在本次地鐵站基坑工程中使用肯朗土壓力理論作為指導(dǎo)進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算式如下：

Ka=tan2（45°-α/2）

Kb=tan2（45°+α/2）

Ka：被動(dòng)土壓力系數(shù)

Kb：被動(dòng)土壓力系數(shù)

α：土體的內(nèi)摩擦角度

土的重度取值有些不一樣，在地下水位以上的取其自然重度；以下的取土體的飽和重量，水的重量取值為νx=10.0 kN/m3。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，土體的參數(shù)選擇標(biāo)準(zhǔn)段，再按照土層的厚度計(jì)算出加權(quán)平均值。根據(jù)實(shí)際施工的情況，地面的超載標(biāo)準(zhǔn)段選擇25kN/㎡，在開(kāi)挖的實(shí)際施工中，地下水位會(huì)發(fā)生一定的下降，降到基坑地面以下約0.6m，由于現(xiàn)場(chǎng)的土質(zhì)多為砂質(zhì)土，土體的壓力實(shí)行水、土分開(kāi)計(jì)算。

（四）樁體嵌固的深度計(jì)算

圍護(hù)樁的最小嵌固深度計(jì)算式：ts=y+t.但是在實(shí)際工程中，圍護(hù)樁下端的埋藏深度以x點(diǎn)為準(zhǔn)，所以會(huì)出現(xiàn)實(shí)際嵌固深度為： tx=kts ；k為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取值范圍在1.1-1.2之間。 式中pd為反彎處的剪力；ν為土體的重度；ka、kb分別為被動(dòng)土壓力系數(shù)，可以計(jì)算出樁長(zhǎng)以及嵌固深度。

（五）對(duì)比分析

根據(jù)一系列的計(jì)算結(jié)果，假定彈性地基梁法的計(jì)算值為100%，可以得出各個(gè)支撐的軸力、樁的長(zhǎng)度以及樁身的彎矩。經(jīng)過(guò)支撐軸力計(jì)算值和彈性地基梁法的計(jì)算值對(duì)比發(fā)現(xiàn)，三道支撐中第一、三道的支撐軸力較為接近，第二道的支撐軸力相差較遠(yuǎn)。樁長(zhǎng)數(shù)值大約是彈性地基梁法計(jì)算值的1.5倍，出現(xiàn)這樣的數(shù)據(jù)是因?yàn)樵诳侠释翂毫碚撚?jì)算方法當(dāng)中，沒(méi)有考慮墻和土體之間的摩擦力以及坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)域的土壓力作用。而兩種計(jì)算方法當(dāng)中，樁身的最大彎矩結(jié)果相差非常小，由此可以確定該彎矩值可以作為圍護(hù)樁的設(shè)計(jì)數(shù)值。

（六）結(jié)論和建議

最后，我們可以總結(jié)出等值梁法應(yīng)用的相關(guān)結(jié)論和經(jīng)驗(yàn)：首先可以得出在施工過(guò)程中，等值梁法的計(jì)算模型簡(jiǎn)單、方便、且結(jié)果可靠，為基坑施工支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供初步的參考。另外等值梁法對(duì)基坑多支撐結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)構(gòu)可以用于工程的實(shí)踐，但是要注意的是要考慮墻和土之間的摩擦對(duì)土體壓力的影響。在實(shí)際施工中，需要結(jié)合工程現(xiàn)狀確定合理的墻與土之間的摩擦角，以便于計(jì)算的精準(zhǔn)以及改正被動(dòng)土壓力系數(shù)的數(shù)值。

結(jié)束語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，等值梁法是一種簡(jiǎn)潔、高效的施工計(jì)算方法，但是也有著相應(yīng)的缺陷，比如對(duì)樁體的位移、土體的抗力等等因素考慮的不夠全面，這些因素對(duì)于后期施工的影響較大。所以，等值梁法在施工實(shí)踐中需要結(jié)合實(shí)際工程環(huán)境進(jìn)行進(jìn)一步的完善，使它在施工中發(fā)揮更大的作用。

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