某基坑支護方案設計及計算

王 洋 （安徽水利開發股份有限公司，安徽 蚌埠 233000）

1 工程概況及地質條件

1.1 工程概況

隨著經濟的發展和城市化進程的加快，為了節約城市土地，大量興建高層建筑和充分利用城市地下空間勢成必然，隨之而來的深基坑工程越來越多。本文所述基坑支護工程位于城市市區，地上17層，地下2層，剪力墻結構，筏板基礎，基坑面積約6000m2，系二級基坑。本文就如何保證深基坑工程既安全可靠又經濟合理、既能提高工程質量又能降低工程造價，作為研究的主要內容。

1.2 地質條件

根據野外鉆探揭示及原位測試、室內土工試驗等結果，影響基坑開挖的土層具體如下。

①層雜填土：層底埋深 0.2m～5.7m，層厚0.8～5.7m，雜色，松散，主要為人工堆填粉土、拆遷遺留建筑垃圾以及原來場地內建筑物的基礎。γ0=19.0 kN/m，c=10.0kPa，φ=18.5。。

②層粉土：層底埋深 1.9～4.5m，層厚 0.5～3.5m，黃褐色，稍濕，中密。γ0=19.3 kN/m，c=19.7kPa，φ=16。。

③層粉土：層底埋深 3.4～7.7m，層厚 1.1～4.1m，黃褐色，稍濕，密實。γ0=19.1 kN/m，c=17.2kPa，φ=16.9。。

④層粉土：層底埋深 4.9～10.1m，層厚 1.0～5.0m，黃褐色～灰褐色，稍濕，密實。γ0=19.0 kN/m，c=17.6kPa，φ=21.7。。

⑤粉土：層底埋深 5.3～11.4m，層厚 0.5～2.8m，褐黃色～青灰色，稍濕，密實。γ0=19.7 kN/m，c=12.3kPa，φ=14.8。。

⑥層粉砂：層底埋深 7.8～16.6m，層厚0.8～8.9m，黃褐色，稍濕 ～ 飽和，密實。γ0=19.5 kN/m，c=4.0kPa，φ=24.0。。

2 基坑支護方案選取

基坑穩定性評價由公式可得：Hcr=4×ctan（45。+φ/2）γ0，CK=14.4kPa，Φk=20.0。，γ0=19.2kN/m3，計算出基坑開挖自穩臨界值：Hcr=4.3m，分層開挖5.0m、10.0m時大于臨界值，不可進行直立開挖。根據場地條件、土質條件和工程特點，基坑側壁安全等級為二級。基坑邊坡安全等級為二級，重要性系數取1.0；基坑開挖5.0m時，若條件允許可放坡開挖，并采用鋼絲網細石混凝土面層進行護坡；基坑開挖10.0m或在靠近主要道路、建筑物及對變形要求較高的管線、設施部位，基坑邊坡應采取支護措施。根據安全第一、經濟合理、節省工期、便利施工的原則，場地工程環境條件一般，放坡受到限制，且距離建筑物較近，需近似垂直開挖，對各種支護方案綜合對比，基坑采用土釘墻支護。場地地下水位勘察期間埋深11.3～12.31m，不影響基坑開挖。

3 土釘支護的設計計算

假設最危險的滑動面是一個破裂的平面，它在平面上的投影就是一條直線，它的傾角可近似為其他設計參數如下：

①地面附加載：根據鄰建物情況、一般建筑規定和實際堆載要求，取Q=15kN/m2。

②土釘孔：用人工成孔，直徑不小于100mm，水平傾角為10。。

③錨桿參數：采用Φ18～Φ32螺紋鋼筋，水平間距1.3m，垂直間距1.3m。

④水泥漿：錨桿孔內壓力注漿，水泥采用32.5級普硅水泥，水灰比0.5～0.65。

⑤鋼筋網、加強筋：網筋φ6.5@250×250；加強筋為φ12圓鋼，固定網筋和連接錨桿。

⑥噴射混凝土：水泥采用32.5級普通硅酸鹽水泥，混凝土厚度100㎜，強度等級為C20。

3.1 土釘軸向拉力計算

其中：Ti為第i排土釘所受的土壓力；Hi為計算點距地面高度；q為地面超載；γ為土的容重；c為土的粘聚力；Sx，Sy為土釘的水平間距和豎向間距，取Sx=Sy=1.3m；Kai為主動土壓力系數

3.2 土釘長度計算

其中：Lai為土釘在破裂面土體內的長；Lbi為土釘在破裂面一側深入穩定區土體中的長度。

Lai根據幾何圖形用正弦定理求出：

其中：H為基坑深度，取10.3m；hi為第i排土釘距地面高度；θ為土釘與水平面夾角,取10。；β為破裂面傾角。

其中：K為安全系數，一般取1.5；Ti為第i土釘所受土壓力；D為土釘孔徑，取100mm；γ為各層土的加權容重；φ為土釘所在土層加權內摩擦角。

根據邊坡圓弧形滑動，需調整土釘長度，各排土釘的長度宜滿足下列條件：

其中：l1為土釘軸線與傾角等于（45+φ/2）；Fs，d為土釘的局部穩定性安全系數，取1.2；τ為土釘與土體之間的界面粘結強度,取100kPa；N為土釘設計拉力。

其中：θ為土釘傾角；p為土釘長度中點所處深度位置上的側壓力。

其中：pm為土釘長度中點所處深度位置上由支護土體自重引起的側壓力；pq為地表均布荷載引起的側壓力。

對于pm≤0.05kaγH的砂土和粉土：

對于pm＞0.05kaγH的一般粘土：

粘性土的pm取值應不小于0.2。

聯立上述式（1）～（8）可得出各排土釘調整后需要滿足的長度。

各排土釘調整后長度 表1

3.3 土釘抗拔力計算

其中：D為土釘孔徑，0.1m；Lbi為第i道土釘伸入破裂面外穩定區長度；τfi為錨體砂漿與土體間各層土的粘結強度。

3.4 土釘抗拉承載力計算

單根土釘抗拉承載力計算應符合下式要求：

其中：Tjk為第j根土釘受拉荷載標準值；Tuj為第j根土釘抗拉承載力設計值可按確定。單根土釘受拉荷載標準值可按下式計算：

其中：ζ為荷載折減系數；eajk為第j個土釘位置處的基坑水平荷載標準值，aj為第j根土釘與水平面的夾角。

按下式計算：

其中：γs為土釘抗拉抗力分項系數，取1.3；dnj為土釘孔直徑；qsi為土釘穿越第i層土土體與錨固體極限摩阻力標準值，應由現場試驗確定，取80kPa；li為第j根土釘在直線破裂面外穿越第穩定土體內的長度，破裂面與水平面的夾角為聯立式（10）～（12），經計算可知抗拉承載力滿足要求。

3.5 土釘加筋直徑計算

其中：A為鋼筋截面積；fptk為鋼筋抗拉強度標準值（335N/mm2）；Tmax為各層土中最大的土壓力；K為安全系數(一般為1.5)。

由上式可得，前四排土釘：A＝254.5mm2選用Φ18；第五排：取 A=380.1mm2選用 Φ22；第六、七排：取A=615.8mm2選用Φ28。

3.6 土釘穩定性驗算

3.6.1 內部穩定性分析

其中：w為破裂面內土體自重；q為地面超載；β為破裂面傾角；φ 為 φ=54.3。+10。=64.3。；TR為土釘抗拔力總和；c為土的粘聚力；φ為土釘所在土層內摩擦角；Sx、Sy為土釘的水平間距和豎向間距。

經計算K值為2.16＞1.2，內部穩定性符合要求。

3.6.2 外部穩定性驗算

①抗滑動穩定驗算

其中：KH為抗滑動穩定安全系數；Eax為墻后主動土壓力；Fi為假設墻底斷面上產生的抗滑合力；B為寬度，取9m。

經計算，KH為1.86＞1.3，抗滑穩定性符合要求。

②抗傾覆穩定驗算

設 Mw為抗傾覆力矩，則 Mw=（W+qB）×（B/2）×Sx

其中：W為墻土的重量；Sx為土釘水平間距。

設 M0為傾覆力矩，則

經計算KQ為7.28＞1.6，抗傾覆穩定性符合要求。

4 結語

本文利用土釘設計規范，對某一工程基坑進行土釘支護設計計算，計算了土釘的軸向拉力、抗拔力、土釘長度以及土釘鋼筋直徑，同時對土釘的抗拉承載力、內部及外部穩定性進行驗算，計算均滿足要求。計算土釘長度時，邊坡失穩是按圓弧形滑動的方式計算，為避免浪費因而計算出的各層土釘長度也按圓弧形滑動進行調整，使設計更合理。

[1]JGJ 120—99，建筑基坑工程施工技術規范[S].

[2]CECS 96:97,基坑土釘支護技術規程[S].