挡土墙_桩_前堆载反压或预留土体分析与计算_金亚兵.pdf

第20 卷 第 3 期 1999 年 9 月 岩 土 力 学 Rock and SoilMechanics Vol. 20 No . 3 Sept . 1999 挡土墙( 桩) 前堆载反压或预留 土体分析与计算 金亚兵周志雄 ( 深圳市地质局, 518031)( 机械工业部第三勘察研究院, 武汉 430030) 摘 要 提出了在挡土墙( 桩) 前堆载反压或预留土体时挡土墙( 桩) 的受力分析方法及计算公 式, 并用工程实例验证了该分析方法的实用性和计算公式的合理性 关键词 挡土墙( 桩); 堆载反压 ;预留土体 ; 分析方法 ;计算公式 分类号 TU 476 1 前 言 在挡土墙( 桩) ( 以下统称挡土墙) 前回填 土方或堆砌砂包 ,是基坑支护工程施工过程中 或基坑使用过程中处理挡土墙变形过大或破 坏失稳时较常采用的简易快捷的方法, 此方法 也称堆载反压法 而挡土墙前预留土体则是 基坑支护工程的一种设计事前处理办法 ,即利 用挡土墙前预留土体作为支护体系的一部分 , 以此来减小支护结构的构造尺寸从而降低支 护造价; 或是利用挡土墙前预留土体的支挡功 能替代内支撑或锚拉 ,以此为地下室开挖土方 提供便利 ,节省支护造价 。

一般堆载反压法工 程上较常用,而预留土体则较少见 ,究其原因 , 笔者认为有两点 : 一是挡土墙前预留土体对支 护结构的受力影响没有成熟的或被公认的计 算方法 ; 二是挡土墙前预留土体工程实践较 少,缺乏实测资料,特别是有、无预留土体时的 比较资料, 因此, 设计者拿不出充足的依据使 方案获得通过 本文中的挡土墙前堆载反压 或预留土体的分析方法和计算公式 ,是笔者在 前人研究成果的基础上, 结合自己在工程设计 实践过程中的不断尝试而获得成功的经验总 结,可供基坑支护工程设计和施工时参考 使用 2 分析方法和计算公式 在挡土墙前堆载反压或预留土体,其作用 有两个结果 : 一是产生水平抗力 , 直接控制挡 土墙的前移 ; 另一是产生被动土压力 ,间接地 控制挡土墙埋入段的水平位移或弯曲变形从 而达到控制悬臂段的位移或变形因此 ,堆载 反压和预留土体的受力分析,实质上就是分析 它们产生的水平抗力和被动土压力的分布状 况和大小 2. 1 分析方法 假设某基坑挡土墙前堆载或预留土体如 图 1( a) 所示 , 其作用等于图 1( b) 、图 1( c) 之 和 图中 ,当 Bt≠0 时 , 为梯形反压荷载或梯 形预留土体 ; 当 Bt=0 时 , 为三角形反压荷载 或三角形预留土体 。

图 1( b) 中的水平抗力 e 分布呈梯形 ,当反压荷载或预留土体为三角形 时 ,水平抗力 e 分布呈三角形 , 其分布强度见 2. 2节中的推导 图1( c) 和图1( d) 荷载产生的 被动土压力之和等于图 1( e) 荷载产生的被动 土压力 图 1( e)荷载产生的被动土压力强度 到稿日期: 1998 -12 -30 金亚兵, 男, 34 岁, 博士, 高级工 程师, 从事岩土工程的设计与研究 图 1 堆载反压或预留土体受力分析图 Fig. 1 Analysis plan of surcharge reaction and reserved soils 图 2 堆载反压或预留土体产生的被动土压力分布强度图 Fig. 2 Diagram of distribution of passive earth pressure for surcharge reaction and reserved soils 见图 2( a) ,图 1( d)荷载产生的被动土压力分 布强度见图 2( b) , 于是图 1( c)荷载产生的被 动土压力分布强度笔者认为可取前两者之差 2. 2 计算公式 ( 1)被动土压力合力 如图 2( c) , 由堆载或预留土体产生作用 于挡土墙上的被动土压力合力 Ep为 Ep= 1 2 [ B0tan( 45° - φ 2 )+Bttanφ ]Kpq0 ( 1) 合力作用点离基坑底线的距离 hp为 hp= B 2 0Ka+BtKatanφ+B 2 ttan2φ 3( B0Ka+Bttanφ ) ( 2) 当堆载或预留土体为三角形分布时, 式 ( 1) ,( 2) 中的 Bt=0,于是: Ep= 1 2 B0KaKpq0 hp= B0Ka 3 ( 2)水平抗力强度及合力 分析由堆载或预留土体产生的水平抗力 时不考虑土体与挡土墙之间的摩擦力,把反压 57 第 3 期 金亚兵: 挡土墙( 桩) 前堆载反压或预留土体分析与计算 土体或预留土体看成刚体 ,其可能沿基坑底线 水平移动 。

于是 ,堆载反压或预留土体产生的 水平抗力强度 e 的求算过程如下 : 由 图3( b) , fy=σytanφ , fy+ Δy= σy+ Δytanφ=( σy+Δw) tanφ 由∑Fx=0可得: edy =fy+ Δy-fy= Δwtanφ 其中 Δ w ≈γ xdy =γ Bt+ ( B0-Bt) H0 y dy 把 Δw 代入到上式中 ,得到 e = Bt+( B0 -Bt) H0 y γ tanφ( 3) 图 3 堆载反压或预留土体 产生的水平抗力分析图 Fig. 3 Distribution of horizontal thrust for surcharge reaction and reserved soils 水平抗力 e 的合力E 为 E =∫ H0 0 edy = ∫ H0 0 Bt+( B 0-Bt) H0 y γ tanφ dy = 1 2 ( B0+Bt) H0γ tanφ( 4) 合力 E 的作用点位于基坑线以上h 处, h =( B 0+2Bt) H0 3( B0+Bt) ( 5) 当堆载或预留土体为三角形分布时, 式 ( 3) ,( 4) ,( 5) 中的 Br=0, 于是水平抗力分布 强度 e 、 合力 E 及其作用点距离h 分别为 : e =B0 H0 γ tanφ y( 6) E =1 2 B0H0γ tanφ( 7) H = H0 3 ( 8) 当预留土体为粘性土时,应考虑其粘聚力 的影响 ,于是式( 3) ,( 4) ,( 5) ,( 6) ,( 7) ,( 8) 应 为 : e = Bt+B0 -Bt H0 y γ tanφ+ Bt+( B0 -Bt) H0 y c( 9) E =1 2 ( B0+Bt) H0γ tanφ+B0c ( 10) h =( B 0+2Bt) ( γ tanφ+c) H20 3( B0+Bt) H0γ tanφ+6B0c ( 11) 当堆载或预留土体呈三角形分布时 e = B0 H0 γ tanφ y +B0 H0yc ( 12) E =1 2 B0H0γ tanφ+B0c( 13) h = B0( γ tanφ+c) H20 3B0H0γ tanφ+6B0c ( 14) 上列各式中, c 为土体粘聚力 , γ 为土体 重度。

3 工程实例应用 深圳市保税区 SB 厂房基坑支护工程 [ 1] , 如图 4 所示 ,基坑深 6. 1 m,长 48 m ,宽 8m ,基 坑边坡土体主要由填土和淤泥质土组成 各 58 岩 土 力 学 1999 年 土层 主 要 物 理 力 学 参 数 为: 填 土γ = 18 kN/m3, c =12 kPa , φ=14 ° ; 淤泥质土 γ =17 kN/m3, c =10 kPa , φ=10° ; 粘土 γ= 20 kN/m3, c =25 kPa , φ=20° 该厂房基础桩 为沉管灌注桩 , 基坑开挖前完成桩基施工 根 据场地周边条件允许有4. 0 m 的放坡空间 ,为 此在 填土 层中设 计两 排土 钉, 土钉 为长 6. 0 m, 22mm 的钢筋 , 土钉水平间距1. 5 m , 倾角 10° 左右 ; 在淤泥质土层中打入三排6 m 长 50 mm ×5 的钢管, 钢管间距 500 mm × 800 mm , 平面呈梅花型布置, 管身设有注浆 孔,钢管打入淤泥质土层后高压注入水灰比为 0. 5 的纯水泥浆 边坡下坡段保留部分土体并 反压砂包 , 在坡脚打入长1. 0 m 间距为0. 5 m 的木桩,反压砂包的目的一方面是增加反压土 体的重量, 另一方面是控制淤泥质土体的坍 滑。

根据施工经验, 如图 4 中的钢管与注入的 水泥浆扩散层形成近似于水泥搅拌桩式的墙 体 因此, 设计验算主要是验算钢管 -水泥浆 体的抗倾覆稳定性 图 4 某基坑支护剖面图 Fig. 4 Profile of surporting system of a foundation pit 3. 1 计算主动土压力合力 主动土压力合力 Ea由淤泥质土层中的主 动土压力合力 E′a和粘性土层中的主动土压力 合力 E″a构成, 它们的计算过程为: e′a= ( γ1h1+γ2h2) Ka2-2c2Ka2= ( 18 ×3. 0 +17 ×h2)×0. 704 - 2 ×10 ×0 . 839 =21. 24 +11. 97h2 式中 Ka2为淤泥质土的主动土压力系数 ; E′a=1 2( 21. 24 +57. 15)×3. 0 = 117. 66 kN/m e ″ a= ( γ1h1+γ2h2+γ3h3) Ka3-2c3Ka3= ( 18 ×3 . 0 +17 ×3. 0 +20 ×h3)×0. 49 - 2 ×25 ×0. 7 =16. 45 +9. 8h3 式中 Ka3为粘土的主动土压力系数 ; E″a= 1 2 ( 16. 45 +45. 85)×3. 0 =93. 45 kN/m 。

于是有 Ea=E′a+E″a=211. 11 kN/m 3. 2 计算被动土压力合力 被动土压力合力 Ep由三部分组成: 一是 反压砂包和预留土体对钢管的水平抗力 E′ p; 二是反压砂包和预留土体对基坑底以下钢管 产生的被动土压力 E″p; 三是基坑底以下被动 侧土体对钢管产生的被动土压力 E p 现分算 如下: 根据前述公式( 13) ,( 14) , 反压砂包和预 留土体对钢管的水平抗力 E′p为 E′ p= 1 2 ×1. 5 ×3. 0 ×17 ×tan10° + 1. 5 ×10 =21. 74 kN/m h′ p= 1. 5 ×( 17 ×tan10° +10)×3. 02 3 ×1. 5 ×3. 0 ×17 ×tan10° +6 ×1. 5 ×10 = 1. 34 m 根据前述公式( 1) ,( 2) , 反压砂包和预留 土体对基坑底以下钢管产生的被动土压力合 力 E″p为 E″p=1 2 ×1. 5 ×0. 7 ×2. 04 ×17 ×3. 0 = 54. 62 kN/m 59 第 3 期 金亚兵: 挡土墙( 桩) 前堆载反压或预留土体分析与计算 h″ p=1. 5 ×0. 7 3 =0. 35 m 基坑底被动侧土体对钢管的被动土压力 合力 E p为 e p=γ3hKp3+2c3Kp3= 40. 8h +71. 5 式中 Kp3为粘土的被动土压力系数。

E p=1 2 ×( 71. 5 +193 . 9)×3. 0 = 398. 1 kN/m 故Ep=E′ p+E″p+E p=474. 46 kN/m 3. 3 钢管-水泥浆体抗倾覆稳定性验算 因钢管-水泥浆体受到的被动土压力大于 主动土压力约一倍, 故不会产生水平滑动 ,只 需验算其抗倾覆稳定性( 见图 5) 图 5 土压力分布图 Fig. 5 Diagram of earth pressure distribution 由主动土压力产生的钢管端点的主动弯 矩 Ma为: Ma=E′a×4. 27 +E″a×1. 26 = 620. 16 kN·m/m Mp=E′p×4. 34 +E″p×2. 65 + E p×1 . 27 =744. 68 kN·m/m Mw= 1. 0 ×6 . 0 ×20。