深基坑工程設計理論的發展與進步

2019-10-30 08:47  來源:巖土網  閱讀:13980

深基坑工程設計理論起源于土力學創始人Terzaghi,其早期提出的表觀經驗土壓力法影響深遠,后來的等值量法、山肩邦男法等逐步取代表觀經驗土壓力法。到1980年代開始,中國大量的深基坑工程的出現,促進了深基坑工程設計理論的新發展,以增量法為代表的新的設計理論異軍突起,全面取代了西方傳統的設計理論,成為我國目前工程設計普遍應用的理論,極大的提高了我國工程設計水平,形成了真正的比較完整的現代深基坑工程設計計算理論,為深基坑工程學科增添了新內容。這是我國工程科技工作者在深基坑工程方面的重要貢獻和成就。這里發表對增量法的發展和應用做出了系統研究的楊光華教授撰寫的關于深基坑設計理論的進步與發展的文章,供大家學習參考。

深基坑工程設計理論的發展與進步

楊光華

(廣東省水利水電科學研究院,廣東省巖土工程技術研究中心)

深基坑工程是土木工程的熱門方向,原因在于還時不時之間會發生一些工程事故,引起大家的關注和討論。那么是什么原因使得在今天社會那么重視安全問題下還會發生工程事故呢?這是值得我們思考的。我想主要原因應該是三個方面:一是我們對深基坑工程的設計理論的認識還不夠,二是巖土工程的復雜性,三是工程管理還存在不足。關于設計理論方面,雖然西方學者包括土力學創始人Terzaghi,對此做出了重要貢獻,建立了傳統的經典計算方法,但遠不能適應現代工程的需求。那么深基坑工程的設計理論目前處于什么狀態?取得了哪些進步?還存在什么問題?這是值得總結和思考的。筆者從1980年代開始從事深基坑工程的研究與設計,歷經了我國在這一個學科方向的發展過程,在此試圖做一下回顧,提出個人觀點,供大家參考和批評指正。

深基坑支護工程在我國的發展是始于1980年代我國大量高層建筑與城市地鐵工程的興起,而西方則早在1930年代的柏林和紐約地鐵工程就有了深入的研究,依據測試所獲得的認識,通過一定的假設,發展了適用于當時計算技術的計算方法。我國深基坑支護的計算方法則是后來居上,發展了以增量法為代表的更實用有效的先進計算方法,能科學計算考慮各種復雜施工過程的受力和變形,目前已成為我國深基坑工程設計的主要和普遍應用的現代計算方法,解決了大量的工程設計的計算難題,提高了對深基坑支護結構受力機理的認識,極大的提高了深基坑工程的設計水平,形成了系統的現代深基坑工程設計的新算法,這是中國學者對巖土工程學科的重要貢獻,值得借鑒。  

一、計算方法發展簡況

深基坑支護工程在西方較早應該是地鐵工程建設的需求。西方的研究方法比較注重工程實測和試驗,通過測試發現支撐力的分布規律,從而提出了所謂的表觀土壓力的分布模式,然后建立相應的設計計算方法,像Terzagli-Peck的1/2分割法就是較早的工程實用計算方法,后來進一步發展了等值梁法和山肩邦男法等,這些方法建立在一定試驗測試結果基礎上,同時適合于當時的計算技術,是工程中得到廣泛應用的一些經典的工程設計計算方法。后來有限元方法的出現,成為一個重要的現代計算方法。有限元方法理論上可以計算所有的問題,但計算結果的可靠性取決于巖土的本構模型和參數確定的可靠性,采用不同的本構模型,所得結果不同甚至可能差異大,有時可能網格劃分的不同都會有不同的結果,同時該工具使用相對較復雜,應用時需要有較高的專業基礎和經驗,作為應用于普遍的工程設計尚有一定難度,但作為研究工具或復雜的三維問題的分析則是一個很好的計算手段。所以工程實際應用主要還是采用計算結果具有較好唯一性的所謂的荷載結構法,其把土與支護結構分離,把土用土壓力和土彈簧支承代替,把支護結構看作為用土彈簧支承下受土壓力作用的結構進行計算,這是較實用有效的工程計算方法,如通常的彈性地基梁法。

但早期由于計算手段的局限性,多是采用了一些簡化方法,如山肩邦男的近似法假定主動土壓力和入土段土抗力為被動土壓力分布,假設早施工的支撐在后面的施工時其支撐力不變,每次計算一個支撐力,這樣可以減少求解的未知數,降低計算難度。但現代計算技術的發展,解決了計算手段的局限性,自然可以發展更符合實際的計算方法。

我國的深基坑工程起步于1980年代大量的高層建筑地下室的支護和地鐵基坑開挖的支護,早期由于基坑工程是一個臨時工程,只是作為一個施工措施,不進行具體的設計,由施工單位實施,受力計算多采用西方的傳統工程計算方法,如等值梁法等,計算支護的內力和支撐力,沒有規范和標準,一般不計算支護的變形。由于基坑支護是臨時工程,缺乏統一標準,一般希望用盡量省錢的方案,由此造成事故頻發,影響安全,后來才規范了設計,并對設計資質提出了要求,同時為確保安全,還要組織專家對設計和施工方案進行審查,對支護的安全建立了第三方監測機制等,提高了基坑工程的安全性。

后來總結我國自己的經驗和研究成果,在1997-1999年間開始產生第一批我國的深基坑支護設計規程規范,提出了以增量法和彈性支點法等為代表的更先進科學的計算方法,同時開發了相應的計算軟件,使我國的先進方法得到更廣和方便的應用,形成了比西方傳統的工程計算方法更先進實用的中國方法,極大的提高了我國深基坑工程的設計水平。

二、深基坑支護結構的受力特點和計算方法

圖片未命名

深基坑支護結構是一個擋土結構,如圖1所示。當需要垂直開挖一個深度為圖片未命名的基坑時,由于土體不能自立穩定,需采用垂直支擋結構,如采用鋼筋混凝土排樁懸臂式支護,嵌入基坑底以下深度圖片未命名。深基坑支護設計時,則需要計算懸臂支護樁的彎矩、剪力等內力,用于設計支護樁的截面、配筋等,保證其受力安全。同時還要計算其可能產生的位移,以判斷支護的位移是否會對周邊建筑物的安全造成影響。

如何對支護結構的內力和變形進行計算?這就需要建立相應的計算模型。以懸臂樁支護為例,經典的傳統方法計算采用極限土壓力平衡法,擋土側作用主動土壓力,基坑內被動側作用被動土壓力。主被動土壓力合力為零處即為剪應力等于零的位置,主被動土壓力對剪應力為零處計算彎矩,即為懸臂樁的最大彎矩,按最大彎矩設計結構。這種方法不能計算支護的位移,實際被動側也并不能都達到被動土壓力值,是一種簡化計算。

比較實用的方法是把基坑支護樁作為一個豎放的彈性地基梁,如圖2所示,受主動側主動凈土壓力作用,基坑被動側土體用一系列彈簧代替,可以用結構力學或桿件有限元方法計算支護結構的內力和變形。

圖片未命名

當懸臂的支護受力過大,或支護頂部位移過大時,可設置支撐或錨拉。如設置三層支撐,如圖3所示,此時,要考慮支撐或錨拉的設置是先開挖后設置的特點,施工過程不同階段其計算的結構簡圖也是不同的,如圖4所示。同時,因為支撐是先開挖后支撐的,在支撐設置前支撐位置處支護結構已發生了位移的,如圖4a)b)c)所示,每個支撐設置前,支護結構在支撐位置處其實已經產生了位移圖片未命名,三個支撐并不是同時開始受力作用的。如圖4a),在第一道支撐放置前,基坑必須先開挖到第一層支撐以下的位置,才有空間架設第一層支撐,但在放置第一層支撐前,支護結構相當于一個懸臂支護結構。對于圖4b),只有開挖到第二層支撐時,才能架設第二層支撐,此時實際發生作用的只有第一層支撐,只有第二層支撐架設后的開挖,第二層支撐才開始參與發揮作用。因此多撐支護結構受力過程在不同階段,其計算的結構簡圖其實是不同的,各支撐受力也不是同時開始受力的。因此,深基坑支護結構的受力過程是一個隨施工過程而變化的復雜過程,傳統的工程方法尚不能有效計算這一個復雜全過程的受力,除非采用有限元等現代數值方法。

圖片未命名

圖片未命名

目前一些著作教材采用以下圖5的計算模型模擬計算不同施工階段的受力,作用于支護結構上的土壓力是總土壓力,這種計算方法其實是不對的,其并不能考慮支撐是先變形后加撐的效果。比較圖4c)的變形特點與圖5c)的計算圖式可見,由4c),第三層支撐是在支護結構已位移了圖片未命名后才施加的,圖5c)是沒有考慮這一過程的,顯然圖5c)計算的第三層支撐力會偏大很多。


圖片未命名

三、現代深基坑支護結構實用計算方法的發展

1.增量法和全量法

現代計算技術的發展,使得我們可以有更有效的手段來更科學的計算深基坑支護結構的受力,傳統的經典方法是以手算為主,主要是計算內力,是一種高度的簡化方法,與實際結果差異大,同時不能計算支護結構的變形。實體有限元數值方法由于本構模型的不完善,使計算結果穩定性不太理想,需要有豐富的應用經驗,作為工程設計普遍應用尚有一定難度。因此,發展計算結果穩定、計算簡便的實用計算方法更易于工程應用。作為荷載結構法的彈性地基梁法是比較合適的方法。關鍵是解決三個問題:一是施工過程不同階段的受力模擬,二是土壓力荷載,三是巖土彈簧剛度的合理確定。對于荷載通常在擋土側取為主動土壓力,被動區為土抗力,抗力的極限值為被動土壓力。考慮施工過程的模擬計算方法通常有增量法(楊光華,1991,1994)和全量法(肖宏彬和蔡偉銘1992)。增量法是每一步施加增量荷載,計算每一個增量步的內力和變形,然后各增量步的結果疊加。注意增量荷載有兩部分,一是增量土壓力,二是基坑內開挖時,基坑內被挖掉的土彈簧在開挖前所受的抗力,把土彈簧的抗力作為外荷載反向作用于支護結構上,計算簡圖如圖6所示。楊光華在1988-1989年進行廣州珠江過江隧道深基坑工程的三層支撐的連續墻支護計算時提出了用增量法計算支護施工全過程的受力,1991年發表了采用增量法解決支護入土深度的計算方法,1994年發表了增量法。而全量法則是每一步都施加總量土壓力荷載,但每一步的計算簡圖必須考慮每一個支撐受力前支護結構的初始位移的邊界條件,其計算簡圖如圖7所示,肖宏彬和蔡偉銘(1992)較早發表了這種計算方法。

圖片未命名

圖片未命名

2、土彈簧剛度確定

通常土彈簧剛度是按winkle假設確定。以往樁基側向荷載下m值的確定應用不夠方便。國家規范(1999,黃強主編)采用一個經驗公式還是比較有特色的實用方法。

其采用m法確定土的水平抗力系數:

圖片未命名


z為基坑頂以下深度,h為基坑深度,m值一般按以下經驗公式計算

圖片未命名

圖片未命名為土的粘聚力和內摩察角,圖片未命名為擋土結構在坑底處的水平位移(mm),當此處的水平位移不大于10mm時,可取圖片未命名。這樣可以用土的常用的強度指標 圖片未命名來確定,工程中應用比較方便。

陸培炎(1991)提出了另一種采用土的變形模量用J.Boussinesq解近似求土的彈簧剛度K的方法,按下式計算:

圖片未命名

其主要用土的變形模量圖片未命名來計算土的彈簧剛度K,b 為支護樁直徑或計算單元寬度,μ為土的泊松比,ω為幾何形狀系數。

兩種方法的計算結果對于非軟土土層差異不大,但對于巖層時,式(2)所得的m值可能會偏小。另外對于軟土,存在圖片未命名的假設與實際差異較大,如何取定圖片未命名值的問題還值得探討,如果按實際基坑底支護結構的位移,則可能會遠大于10mm,例如可能是30mm或更大,這樣m值會降低幾倍,m值降低后,支護位移更大,如此循環,m值是否會更小呢?

3.土壓力問題

工程上一般采用朗肯土壓力理論,也有一些學者研究位移與土壓力的關系,認為基坑支護結構變形較小,作用的土壓力可能介于靜止土壓力與主動土壓力之間,于是可考慮不同位移時的土壓力,但這存在一個問題是,多大位移時土體達到主動土壓力呢?這沒有一個明確和標準的數值,不夠方便應用。另外,這種差異可能較小于土體抗剪強度參數的誤差引起的差異,從而降低了其應用的意義,因此,在工程中應用不廣泛。

第二個土壓力問題是,太沙基等西方工程計算方法中采用了一種依據實測統計的表觀經驗土壓力計算支護內力和支撐力。這種表觀土壓力分布通常是矩形或梯形的,與朗肯土壓力理論的三角形分布不同,如圖8、圖9所示。也有一些文獻據此以為朗肯土壓力理論不適用于深基坑支護,其實不是這樣的。楊光華(1998)采用朗肯土壓力,用增量法計算了支撐力,再把支撐力按其承擔的面積變成分布力,發現這個分布力與太沙基的表觀經驗土壓力一致,由此可認為,所謂的表觀土壓力,其實是支撐力的分布壓力,由于支撐后施加,各支撐受力發揮作用的時間不同,支撐是在支護結構已發生了位移后再施加上去的,其分擔的土壓力與施工的順序有關,遲加的支撐發揮作用晚,這樣,最下一道支撐力并不像朗肯土壓力的那樣越往下面越大,而可能是矩形甚至還更小的梯形分布,如圖9所示。而Terzaghi-Peck的二分之一分割法計算支撐力采用這種表觀經驗土壓力其實就是考慮了支撐施工順序的影響的一種簡化方法,如圖10a)所示,而如果還是用如圖10b)所示的朗肯土壓力,反而是不合適的。

圖片未命名

圖片未命名

第三個問題是一些工程支護結構實測內力較小,尤其是一些硬土地基,當然也可能是巖土參數或是其他原因,但即使是土壓力理論,通常朗肯理論要比庫倫理論保守,主要是土與擋墻間是否為光滑或有摩擦的差異。但產生的土壓力則差異不少,一般朗肯主動土壓力偏大,被動土壓力偏小,而庫倫土壓力則主動土壓力偏小,被動土壓力偏大。因而工程中常用朗肯土壓力是偏安全的。但朗肯理論或庫倫理論其破壞面都是直線,楊光華(1994)也推導了另一種新的土壓力公式,其假設破壞面是地基承載力的Prantle面,局部是非直線段,土與墻體接觸光滑,其得到的公式形式與朗肯土壓力相同,只是主動和被動土壓力系數不同,其結果是介于朗肯土壓力與庫倫土壓力之間,應該也是一個可用的理論,三種土壓力理論的結果如圖11所示。一種折中而偏安全的方案是主動土壓力用朗肯土壓力,被動土壓力采用新土壓力理論。

三、復雜受力條件下增量法的應用

深基坑支護結構的受力過程是較為復雜的,以上只是介紹了加撐施工過程的受力,其實還存在支撐拆除或換撐,以及支撐或錨索施加預加力(預應力)的情況,同時還有支護入土段部分土抗力部分超過被動土壓力的問題,這些復雜施工過程的受力計算,應用增量法都可以較方便的得到解決。還有更復雜的情況則是支護結構體系或截面也在施工過程發生變化的,以及考慮一些彈簧及結構的非線性等更復雜的變化則只能用增量法來解決了。因此,增量法應該是深基坑支護結構受力變形計算最合適的方法。如圖10所示,圖10a)為基坑開挖到坑底的工況,然后進行地下室結構底板施工,完成地下室底板施工,如圖10b),然后拆除第二層支撐,拆支撐過程支護結構的受力,相當于把拆除支撐所受的力反方向作用于支護結構上,這一步的增量荷載就是拆除的支撐所受的支撐力,如圖10c)所示,此時地下室的底板通常澆筑砼到支護處即可作為支撐,計算拆除的反向支撐力作用下支護的位移增量和內力增量即是拆除支撐這一步過程所產生的受力結果。增量法可以很直觀簡便的計算這一過程支護結構的受力。

圖片未命名

增量法還可以用于合理確定支護的入土深度問題,以懸臂支護結構為例,楊光華(1991)應用增量法提出如圖11所示的確定支護入土深度的方法,圖11a)為懸臂支護計算的位移和基坑底以下入土段土體的抗力分布,當基坑底被動區土抗力部分超過被動土壓力時,把超過部分作為外荷載,反向作用于支護結構上,作為一個增量步,并且把超過被動土壓力區的土彈簧剛度設置為零,如圖11b)所示,計算支護結構產生新的位移和內力增量,疊加到這一增量步前的位移和內力,得到新的支護位移和入土段土的抗力分布,如圖11c)所示,當基坑底被動區土的抗力仍有超過被動土壓力時,則繼續把超過部分的力作為荷載增量,繼續作為一個增量步繼續迭代計算,如圖11d)所示,直到沒有土體抗力超過被動土壓力為止,如圖11e)所示,此時可以得到對應的支護位移、支護的彎矩和入土段的土體抗力分布,此時可以由支護頂的最大位移和入土段土體抗力的安全性確定入土段是否滿足要求,如果不滿足,則增加入土段長度,繼續按這個方法計算,直到滿足要求為止。這樣確定的入土深度可以保證位移和穩定兩方面的要求,也合理考慮了入土段被動土壓力的限定,是比較合理的確定支護入土深度的方法。

圖片未命名

錨索預應力(預加力)的作用與計算。錨索預應力的作用是更好的發揮錨索的抗拉能力,錨索是高強度低剛度的構件,有較大的抗拉拔能力,但要有一定的位移才能產生抗力,通過預加軸力就可以使支護位移不大的條件下能發揮錨索較大的拉力,如果不加預加力,可能要較大的位移才能發揮出錨索的抗拉能力,而支護結構位移過則大會影響周邊環境的安全。圖12是某基坑支護設計的錨索拉力和預加力,其地質條件是往下越好,下部已是強風化和中風化泥巖了,顯然其只有第一排錨索加了較小的100kN預加力,而其他排的錨索都沒有加預加力,尤其對于下部兩排,設計錨索力較大,由于支護結構下部的位移較小,沒有預加力的作用通常是較難發揮到設計的拉力,如果是這樣設置顯然是不夠合理的。合理的錨索預加力的設置可以更好的發揮錨索的作用,如何合理的進行錨索預加力的計算,則可以方便的用增量法計算,可以參考楊光華的文章(1996).

圖片未命名

四、土釘支護計算方法的進步

土釘支護也是發源于國外,但在我國得到了進一步的發展與應用。土釘支護計算主要是穩定問題,位移計算雖有探討,但還缺乏公認可靠的方法。土釘支護設計中遇到主要的困難主要是兩個問題,一是土釘力的計算,二是穩定計算。

圖片未命名

對于土釘力,一些實測表明其沿基坑深度的分布是近似梯形的,如圖13c),與圖13b)朗肯土壓力的分布不同,產生這一差異,這與前面支撐力分布是一樣的,就是因為土釘是邊開挖邊加設的,也即各層土釘發揮作用的時間是不相同的,后施工的土釘跟支撐一樣是先變形后施加的,因此土釘力的計算嚴格來說要像支撐力一樣,采用增量法(楊光華,2004)計算,模擬施工過程才是合理的,采用太沙基的基于監測的表觀經驗土壓力雖也反映了施工過程的影響,但對于不同土質,不同施工順序難以全面反映,現代計算技術的發展為我們提供了新的手段,可以用增量法計算土釘力更科學合理。在通過增量法把土釘的受力機理搞清楚后,也可以進一步對土釘力的計算提出簡化計算方法。可以認為土釘承擔的荷載還是不平衡的土壓力,而土釘支護基坑開挖后承擔的不平衡力就是主動土壓力,只是由于土釘發生作用先后不同而產生分布的不同,而土釘力總力與總主動土壓力相等,這樣,土釘力分布形式可以采用測試獲得的模式,而總土釘力力與主動土壓力相等,這樣可以簡化計算(楊光華,2003),如圖14所示。

圖片未命名

圖片未命名

圖片未命名為基坑底以上的總主動土壓力

由此而得到:

圖片未命名

(4)式就是目前一些規范計算土釘力的等效土壓力。采用等效土壓力后,不同深度的土釘力即可以按面積分配法進行計算,這個方法相對較實用、有效和合理。增加一定的安全系數即可以作為設計土釘力。

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第二個問題是穩定計算,通常采用圓弧滑動穩定計算時,對于一些基坑底附近存在軟土層時,往往是偏不安全,也發生了不少事故,如圖15所示。這是計算模式存在問題,因為進行圓弧穩定計算時,土釘發揮了作用,對提高穩定性有利,但基坑底附近的軟土在豎向土荷載圖片未命名作用下,軟土層的承載力不足造成下坐,土釘對軟土的承載力并不能提供幫助,因此,土釘支護穩定應要增加地基承載力的驗算,這也是一些事故的啟示的結果。

這是土釘支護在我國應用取得的兩項新成果,對提高土釘支護設計水平發揮了重要作用。

五、雙排樁支護的計算

在不宜設置支撐又不能進行錨拉而一般的懸臂支護也難以滿足工程要求時,就要采用雙排樁甚至三排樁支護。我國目前規范方法提供的雙排樁支護的計算方法是綜合了何頤華(1996)、鄭剛(2004)等人的方法而形成的,也是具有中國特色的實用計算方法。

雙排樁采用的也是荷載結構法的算法,關鍵是土壓力的分配和土彈簧剛度的計算,尤其是軟土地區,尚需發展完善計算方法,楊光華(2016)等對此做了一些研究探討。由于雙排樁造價較貴,有條件時也會采用雙排樁非等間距的方案,如前排(靠基坑側)密排后排間跳布置,或前墻(靠基坑擋土側)后樁等方案,這些都還缺少有效的計算方法,對這些復雜結構體系可能要采用實體有限元方法。所以,進一步發展完善有限元方法解決一些復雜問題的計算也是很有意義的。

六、基坑的安全等級及位移控制問題

早期的規范把安全等級和位移控制作為同一個問題,如一級基坑,要求重要性系數為1.1,位移控制不大于30mm或0.0025h,h為基坑深度。在工程實踐中發現這一做法不夠全面。重要性系數主要是提高安全性,而位移控制主要是保護周邊環境安全和支撐體系受力安全,這是兩個不同的概念。在工程實踐中發現,當周邊環境寬松時,支護控制小于30mm時是不必要且會付出較大的代價,另一方面,一些周邊環境要求較嚴時,即使是30mm也是不夠的,如臨近地鐵線傍時支護變形控制通常要求是10mm,也有一些臨近重要建筑物時,通常要求位移即使小于30mm也會造成影響。因此,應該把安全儲備和位移控制這兩個問題分開考慮。設立安全等級與變形控制等級,安全等級主要是對重要基坑提高安全儲備,控制重要性系數,變形控制等級主要是根據周邊環境及支護結構本身的極限位移,控制位移的標準,這樣才更科學合理,目前上海規范和廣東規范是明確分開安全等級和變形控制等級的,新的國家規范對位移控制也與安全等級控制分離了。這也是深級坑工程歷經實踐而取得的新認識和進步。

七、一些尚未解決好的問題

1.水土合算和分算的問題

目前一般粘性土采用合算,砂土采用水壓力和土壓力分開計算,但對砂質粘土之類則較難確定。如廣東地區的花崗巖殘積土,具有一定的含砂量和透水性,按水土合算和分算都比較難以明確,但是合算與分算的結果差異巨大,造價也差異巨大。最近廣西南寧一基坑坍塌,也與水密切相關,說是水管爆裂使水壓力劇增,但水管爆裂原因,也可能是支護位移過大導致。這都涉及基坑支護如何考慮水壓力的影響的問題。廣東地區多數除砂層外,其他土質基本是用水土合算,早期一些地鐵工程也曾采用對水壓力乘以一個折減系數的處理方法。對這個問題國內也有一些討論,但尚未定論。

圖片未命名

2.軟土基坑底以下的土壓力問題

目前土壓力計算是主動區采用主動土壓力,

坑內被動區極限值為被動土壓力。對軟土地基,當軟土強度指標較小時,基坑深度h達到一定值時,存在一個悖論,即支護在基坑底以下的插入深度h1越深,可能安全系數會越小,這是因為出現了圖片未命名的情況,除非考慮軟土強度參數隨深度增大,否則不好理解。

3.巖土參數的合理取值問題

土力學參數取值較難準確。土的強度與土的固結狀態有關,與應力路徑有關。另外深基坑工程的土都是處于原狀狀態,目前靠取樣由室內試驗獲得的參數與實際現場的原狀態參數也是有差異的,從而增加了工程設計的難度。如杭州地鐵事故的各層軟土,其參數在不同的固結狀態下如表1所示,顯然,取不同固結狀態下的參數設計會得到不同的結果,如何取用合適的計算參數呢?表2所示為勘察報告提供的廣州某基坑工程設計的建議參數,這個參數與廣州基坑規程提供的經驗參數比較顯然是過于保守了,廣州基坑規程對于殘積砂巖粉質粘土給出經驗參數:硬塑狀: C=30-40kPa,內摩擦角圖片未命名=23°-26°,堅硬狀:C=40-48kPa,內摩擦角圖片未命名=24°-28°,強風化粉砂巖C=300-500kPa,內摩擦角圖片未命名=32°-40°,而表2中相應巖土層的參數比規程的經驗參數偏小多了,按這個參數設計顯然是過于保守了。表2中強風化層的內摩擦角比全風化還小,連松散的素填土都不如,顯然是不合理的。巖土參數的不合理會導致設計的不合理,參數取大了,偏危險,參數取小了,偏保守。因此,合理取定基坑支護中巖土的力學參數還是一個很考究的問題,這也是做好基坑設計的一個難點。

圖片未命名


圖片未命名


當然,深基坑工程還有一些較復雜的情況,尤其是三維空間效應問題,靠通常的荷載結構法計算好困難較大,可以考慮采用有限元等數值方法,但要積累本構模型及參數的經驗。

八、結論

深基坑支護計算涉及結構計算、結構和巖土共同作用、荷載以及復雜的施工過程的影響,是綜合結構與巖土學科的一個學科分支。在改革開放前,我國涉及較少,教材內容少而落后,主要是介紹西方的一些工程計算方法。初期由于缺乏標準規范,計算方法落后,再加上把其看作為一個臨時工程,重視不夠,造成了不少工程事故,成為土木工程行業的熱點。大量的工程實踐促進了學科發展。我國在深基坑工程設計理論可以說是后來者居上,建立了以增量法為代表的我國先進實用的計算方法體系,取代了以往西方的傳統工程方法,成為了目前行業普遍應用的方法,相應的發布了我國深基坑支護設計的一批規范和標準,極大的提高了我國深基坑工程的設計水平。我國在深基坑計算方法的貢獻主要體現在:

1.建立了以彈性地基梁為基礎的增量法和全量法,簡單實用和有效,可以計算施工過程的影響,可以計算支護結構的變形。尤其增量法,可以方便的計算支撐或錨拉預加力、支撐拆除、被動區巖土屈服,甚至土的變形的非線性等復雜問題,已成為設計普遍應用的新方法,是深基坑工程設計理論的重要進步。

2.m值的經驗公式和土彈簧剛度的簡化計算,使工程應用更方便。

3.通過增量法,科學的解釋了Terzaghi-Peck的表觀經驗土壓力的機理,表觀經驗土壓力其實不是真實作用于支護墻上的土壓力,是支撐力的分布力,而支撐力是于施工過程有關的,支撐力通過增量法可以更合理的進行計算。

4.通過增量法,提出并完善了土釘力的計算方法,完善了土釘支護的穩定計算方法,完善了土釘支護的設計理論。

5.對雙排樁支護提出了荷載結構簡化計算方法。

6.獲得了支護位移對周邊環境影響的的一些經驗值,用于支護的變形控制設計。

7.深基坑支護工程計算理論尚有一些問題需進一步研究解決,如側壓力的水土合算與分算問題,軟土在基坑底以下的土壓力的問題等很大的影響工程造價,雙排樁甚至更復雜的支護結構的計算問題,圓形深豎井結構的空間效應,甚至軟土基坑被動區加固效果的實用計算等,這些都值得進一步深入研究,提出有效可行的解決方法。有限元數值計算是解決復雜深基坑問題計算的有效手段,對土的本構模型和參數等需要不斷的積累經驗,使計算結果更符合實際。深基坑工程設計中如何合理取定巖土參數也是一個重要的難題。

主要參考文獻:

[1] 中華人民共和國行業標準《建筑基坑支護技術規程》(JGJ120-99)(黃強主編)

[2] 中華人民共和國行業標準《建筑基坑支護技術規程》(JGJ120-2011)(楊斌主編)

[3] 中華人民共和國行業標準《建筑基坑支護技術規范》(YB 9258-97)(王吉望、唐業清主編)

[4] 中國工程標準化協會標準《基坑土釘支護技術規程》(CECS 96:97)(陳肇元主編)

[5] 廣東省標準《土釘支護技術規程》(DBJ/T15-70-2009)(田美存主編)

[6] 廣東省標準《建筑基坑支護技術規程》(DBJ/T 15-20-2016)(鐘顯奇主編)

[7] 廣州市標準《廣州地區建筑基坑支護技術規定》(GJB02-98)(陳如桂主編)

[8] 深圳市標準《建筑基坑支護技術規范》(SJG 05-2011)(丘建金、張曠成主編)

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[18] 楊光華. 深基坑支護及擋土結構中新的主動和被動土壓力計算理論[A]. 高層建筑地下結構及基坑支護——中國建筑學會地基基礎學術委員會1994年年會論文集[C]. 北京:宇航出版社,1994。

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[24] 楊光華,黃忠銘,姜燕,徐傳堡,喬有梁,陳富強,深基坑支護雙排樁計算模型的改進[J],巖土力學,2016年S2期。

完成于 2019.10.29.

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全部評論(4)

  • yanggh發表于 11月13日 11:16這家伙很懶,沒有個性簽名!
  • 廣東規程與國標計算方法的不同,主要是每步計算時施加的荷載不同,廣東規程用增量法,施加的是增量荷載,國標應該是全量法,施加的是總荷載。求支撐錨桿或土彈簧的剛度可以相同。
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  • 夢回大唐發表于 11月12日 18:20這家伙很懶,沒有個性簽名!
  • 楊老師,您好,我想請問廣東省《建筑基坑工程技術規程》與國標《建筑基坑支護技術規程》在計算基坑設計計算時,都采用彈性支點法,但是具體的計算方法又不同,不同在哪呢
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  • tangtanghao發表于 11月04日 10:50這家伙很懶,沒有個性簽名!
  • 學習!學習!
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  • 默默前行發表于 11月01日 10:20這家伙很懶,沒有個性簽名!
  • 向大師學習了!
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楊光華

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