（岩土工程专业论文）红粘土地区悬臂支护桩应用与计算.pdf

摘要 在深基坑工程中采用钢筋混凝土灌注桩形成排桩式支护结 构，其中有悬臂式钢筋混凝土支护桩桩径一般为中6 0 0 1 0 0 0 m m ， 桩顶设置圈梁，在各地得到较广泛应用。 在悬臂支护桩的计算分析中必须考虑支护体系的稳定问题， 以及支护桩的结构内力和变形问题。基坑支护结构分析计算中， 目前有两种主要基本理论和方法，一种主要是以极限平衡理论为 依据的传统计算方法，该种方法是将支护体系稳定问题与结构内 力变形问题分开的。另一种是考虑支护结构与土体介质相互作用 f 门现代数值分析方法，如其中的连续介质有限元法，它可以考虑 * j = i | ，边界条件，也可以考虑岩土的多种性态和本构关系，从理论 卜来说连续介质有限元法是先进的。但由于它在实际运用中的一 些局限性，因此目前实际工程中现行规范推荐采用的仍为传统计 算方法。 本文根据红粘土较典型的地质条件的特点，提出了悬臂支护 桩嵌入坑底以下土( 岩) 层的边界类型及失效模式，结合工程实 际针对基坑工程悬臂支护桩采用传统计算方法在土压力计算、稳 定性验算方面所存在的主要问题进行分析研究，并提出处理意见 和计算方法，本文还介绍了悬臂支护桩内力和变形计算的主要方 法，并采用连续介质有限元法进行对比分析和校核。 经理论及计算综合分析，悬臂支护桩土压力的计算及取值， 本文建议根据土的软硬状态确定修j 下的土压力系数k 。，进行计算分 析是比较安全合理的。红粘土地区，悬臂支护桩只要进行抗倾覆 稳定验算，满足了要求，有无裂隙存在均不必要另外进行整体稳 定验算了，但裂隙中存在地下水进必须考虑其静水压力作用，按 本文公式验算稳定。 关键词：红粘土悬臂支护桩土压力稳定性内力位移 有限元 a b s t r a c t t h er e i n f o r c e dc o n c r e t e p i l et os h a p er e t a i n i n gs t r u c t u r ei s a d o p t e d i n d e e p e x c a v a t i o n e n g i n e e r i n g ， t h e c a n t i l e v e r - t y p e r e t a i n i n gp i l e sr a d i u sisf r o m6 0 0m m t ol0 0 0 m mg e n e r a l l y ，a n dp i l e p e a ks e t e dr i n g b e a m s g e tm o r ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o n i n m a n y d i s t r i c t t h ec a n t i l e v er _ t y p e r e t a i n i n gp i l e sc o m p u t a t i o n a la n a l y s i s m u s tc o n s i d e rs t e a d yp r o b l e mo fr e t a i n i n gs y s t e m ，a n dr e t a i n i n g p i l e si n t e r n a lf or c ea n dd i s t o r t i o np r o b l e m a tp r e s e n t ，e x c a v a t i o n e n g i n e e r i n gh a v et w om a i nb a s i ct h e o r i e sa n dm e t h o d ，o n ek i n di s m a i n l yat r a d i t i o n a lc o m p u t i n gt e c h n o l o g yt a k i n gb a l a n c e dt h e o r yo f l i m i ta sb a s i s ，t h em e t h o di ss e p a r a t e df r o mp r o b l e mo u to fd i s t o r t i o n o fi n t e r n a lf o r c eo ft h es t r u c t u r e a n o t h e ri sn u m e r i c a ls i m u l a t i o n m e t h o dt h a tc o n s i d e r st h e p r o b l e mc o m p l e x i t yb e t w e e nr e t a i n i n g s t r u c t u r ea n ds o i lm e d i u m ， s u c ha st h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o do f c o n t i n u o u sm e d i u mt h a tt a k e r e t a i n i n gs t r u c t u r ea n ds o i lm e d i u m i n t oa c c o u n t u n i t a r ya n a l y s is ， c o n s i d e r v a r i o u s k i n d so fb o r d e r c o n d i t i o n s ，s u c hc o m p l i c a t e df a c t o r s a st h es o i lm e d i u mo fm a n y k i n d so fr o c k s ，c a nc o n s i d e rr o c ka n ds o i lm e d i u m sa n i s o t r o p y ，t h e f i n i t ee l e m e n tm e t h o do fc o n t i n u o u sm e d i u mi sa d v a n c e di nt h e o r v ， b u tb e c a u s ei th a ss o m el i m i t a t i o ni n a c t u a y ， s oa c t u a l p r o je c t c u r r e n tn o r mr e c o m m e n ds t i l lt o a d o p t t r a d i t i o n a l c o m p u t i n g t e c h n 0 1 0 9 ya tp r e s e n t a c c o r d i n gt o t h et r a i to fg e o j o g i cc o n d i t i o n o fa d a m i c e a r t h ，t h i s p a p e rp o s e st h eb o r d e rt y p ea n de x p i r i n gm o d e lo fc a n t i l e v e r t y p e r e t a i n i n gp i l ew h i c he m b e d st h eb e d o fs o i l a n dr o c ku n d e rt h e e x c a v a t i o nb o t t o m ，a n dc o m b i n i n gt h e p r o j e c tr e a l i t y ， t h ec h i e f p r o b l e ma b o u tt r a d i t i o n a lc a l c u l a t i o nm e t h o di nt h ee a r t hp r e s s u r e i i a r es t u d i e dr e f e r r i n gt oc a n t i l e v e r t y p er e t a i n i n gp i l ei ne x c a v a t i o n e n g i n e e r i n g ，a n dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o d sa n ds p e c i f i ca d v i c e s a r e p r os e d t h ep a p e rr e c o m m e n d st h ec h i e fw a yo fi n s i d e f o r c ea n d d e f or m a t i o nc a l c u l a t i o no fc a n t i l e v e r t y p er e t a i n i n gp i l e ，a n da d o p t s t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o do fc o n t i n u o u sm e d i u mt 0c o m p a r e a f t e rt h e o r ya n dc a i c u i a t i o nc o m p r e h e n s i v ea n a i y s i s ，t h ep a p e r s u g g e s t sa c c o r d i n gt ot h es o f torh a r ds t a t eo fs o i l ，t h ef i xo ft h e e a r t hs t r e s sc o e f f i c i e n tk s io ft h ec a l c u l a t i o na n dn u m e r i c a lv a l u eo f c a n t i l e v e r - t y p er e t a i n i n gp i l ei sf a i r l yg o o d i nt h ea d a m i c e a r t ha r e a ， i fi tm e e tt h ec h e c k i n gc a l c u l a t i o no fs t a b i l i t yr e s i s t a n c ec a ps i z e ，w e n e e dn o tc h e c kc a l c u l a t i o no fs t a b i l i t yn om a t t e ri ft h ec r a c ke x i s t ， b u ti tm u s tc o n s i d e rt h ec a i mw a t e rp r e s s u r ei ft h e u n d e r g r o u n d w a t e re x js ti nt h ecr a c k k e y w o r d s ：a d m i c e a r t h ；c a n t i l e v e r t y p er e t a i n i n gp i i e ；a n a l y s i so f s t a b i l i t y ；i n s i d ef o r c e ；d e f o r m a t i o n ；】i m i te l e m e n tm e t h o d i i i 红粘土地区悬臂支护桩应用与计算 1 1 概要 第一章绪论 在深基坑工程中采用钢筋混凝土灌注桩形成排桩式支护结 构，其中有悬臂式钢筋混凝土支护桩桩径一般为中6 0 0 l 0 0 0 m m ， 桩顶设置圈梁( 如图1 1 ) ，在各地得到较广泛应用。可按分离式 问隔布置，也可密排式布置，可嵌入土层中，也可嵌入岩层中， 由于悬臂式支护桩结构可承受较大弯矩，当重力式挡墙因场地宽 度不够而不能采用时，悬臂式支护桩就能克服这一缺点，可以在 1 5 m 左右的狭窄范围设置悬臂式支护桩，嵌入在土层中悬臂支护 桩基坑工程为防止支护桩位移过大，开挖深度一般不超过5 m ，嵌 入基岩中悬臂支护桩可不受此限制，它有时既作工程桩又兼作支 护桩，经济效果较好。尤其是施工无震动，对周围临近的建筑物、 道路和地下管线不会造成危害，可以机械成孔，也可以人工成孔， 造价较低。 悬臂支护桩是依靠足够的入土深度h d 或嵌入完整岩石内一定 深度维持整体稳定，依靠支护桩自身强度抗弯能力保证结构的安 全，依靠支护桩自身刚度和与周 围土体相互作用保证支护桩不 产生过大的变形和位移来满足 工程要求，因此在悬臂支护桩的 计算分析中必须考虑支护体系 的稳定问题，以及支护桩的结构 内力和变形问题。在基坑支护结 构分析计算中，目前有两种主要 基本理论和方法，一种主要是以 极限平衡理论为依据的传统计 基坑顶地面 图1 1 算方法，该种方法是将支护体系稳定问题与结构内力变形问题分 贵州大学硕t 研究生学位论文 土 潞捧支 竺， 红粘土地区悬臂支护桩应用与计算 开的，首先采用极限平衡理论计算分析支护的稳定问题，然后采 用古典土压力理论计算土压力，将土压力作为一种荷载采用结构 力学方法计算支护体系内力和变形( 如弹性地基梁法) 。另一种是 考虑支护结构与土体介质相互作用的现代数值分析方法，如其中 的连续介质有限元法，该方法是将支护结构与周围土体介质有机 连成一体进行整体分析，可以考虑各种边界条件，初始状态结构 外形，多种岩土介质( 如上层为不同土层，下面为基岩) 等复杂 因素，也可以考虑岩土介质各向异性，弹塑性，粘滞性等多种性 态和本构关系。三维问题的有限元，还可以考虑沿基坑纵向分区 丌挖的空间受力效应，描述整个基坑丌挖过程中支护桩荷载效应 和土体中的内力位移以及应力状态，判别其塑性破坏区，总之从 理论上来说连续介质有限元法是先进的，但是由于土体本构关系 和土体参数难以确定，以及土体按连续介质模拟时采用的边界条 件与实际工程之间可能存在差异，土塑性区发展范围与支护体系 稳定定量关系难以确定，使其应用受到限制，加之传统计算方法 简单方便，因此目前实际工程中现行规范“2 “3 “4 “5 推荐采用 的仍为传统计算方法，在大型复杂基坑工程中一般采用连续介质 有限元法对实际工程问题进行分析对比，使得对问题有着更全面 更深入的理解认识，以便使设计更符合实际，正确指导施工。 任一种支护结构设计计算，不仅要考虑支护结构形式，也要 考虑其工程地质条件，同时任何计算理论方法都建立有一定假设 条件，解题则有一定局限性。因此本文根据红粘土较典型的地质 条件的特点，结合工程实际针对悬臂支护桩，采用传统计算方法 所存在的问题进行讨论研究，并提出处理和计算方法，还采用连 续介质有限元法进行对比分析和校核。 1 2 红粘土工程地质特点 由于红粘土成因环境条件特殊，固其工程性质、分布等具有 贵州大学硕士研究生学位论文 红粘十地区悬臂支护桩应用与计算 典型特点，它与悬臂支护桩工作受力条件，失效模式有直接影响， 是基坑工程设计的主要依据，其主要特点如下： ( 1 ) 土层厚薄不均上硬下软：在天然竖向剖面上地表呈坚硬， 硬塑状态，向下逐渐变软，土的含水量、孔隙比随深度递增，力 学性质相应降低，据统计上部呈肇硬硬塑状态部分占总统计土层 厚度的7 5 以上，它的厚度一般大于5 m ，可塑部分占l o 2 0 ， 软塑占5 l0 ，较软土层多分布于岩面的凹洼处，水平分布不连 续。红粘土总的平均厚度不大，在高原或山区，它的分布较零星， 一般厚度为lo 15 m ，少数达l5 3 0 m ；在准平原或丘陵地区，分 布连续，一般厚度为lo l5 m ，最厚达3 0 余米。土层厚度随岩面 起伏而变，沿承平方向变化很大，相距l m 水平距离处，土厚耜差 5 m 以上。 ( 2 ) 内磨擦角击= o ”，粘聚力较大：红粘土天然重度r 为 16 5 l8 5 ( k n m 3 ) ，室内三轴试验内磨擦角为o 。3 。，粘聚力c 为5 0 15 0 k p a ，无侧限抗压强度q 。为2 0 0 4 0 0 k p a ，压缩系数a 1 2 为o 1 0 4 ，压缩模量e 。一般为6 o 1 6 0 m p 。，变形模量e 。一般为 l o 0 3 0 0 m p 。 ( 3 ) 红粘土胀缩性能以收缩为主，膨胀性很小，收缩率很高， 地农收缩裂隙发育一般深度为2 4 m ，最深者已达8 m ，破坏了土 的整体性、连续性。对土体稳定的影响应进行研究。 ( 4 ) 当红粘土为致密结构时。可视为不透水，其渗透系数为 i 1 0 “s 。粒间孔隙饱和，浸水或雨季含水量也不会明显增加。 由于土中裂隙的存在土体具有一定透水透气性，则地表水或大气 降水可渗入其中，这种水的存在极不稳定，一般无统一水面，随 补给而变，当补给充分，埋藏位最低洼，才可测到初见与稳定水 位，一般水量不大。因此根据以上所述在基坑工程中，如无地表 贯州大学硕士研究生学位论文 红秕十地区悬臂支护桩应用与计算 水渗入土体中，可不考虑地下水的影响。 1 3 悬臂支护桩嵌入坑底以下土( 岩) 层中的类型 为了研究悬臂支护桩实效、破坏模式，确定桩底处边界，首 先将支护桩根据嵌入坑底以下土( 岩) 层中条件进行分类。以便 按传统计算方法进行设计计算。 由于红粘层厚度变化较大，基岩起伏以及基坑开挖深度不同， 悬臂支护桩按嵌入坑底以下土( 岩) 层条件一般可有如下四种类 型。 土 坑项 卜一 y 土土= 7土土 f 一 等不 土| i ! z嘉 r 图1 2 支护桩嵌入坑底类型 a 、嵌入坑底以下至桩底端全为红粘土层，如图1 2 ( a ) b 、嵌入坑底以下为红粘土层，但桩底端支承在基岩面如图1 。2 ( b ) c 、嵌入坑底以下部分为红粘土层，但桩底端嵌入较完整岩层 有一定嵌固深度如图1 2 ( c ) d 、坑底下全为岩层，桩底端全嵌入较完整岩层有定嵌固深 度如图1 2 ( d ) 1 4 红粘土地区悬臂支护桩实效模式 责州大学颔十j 研究生学位论文 4 iiiiijhii二i什叶二i、 三 红粘十地区悬臂支护桩麻用与计算 支护结构失效模式决定了支护结构设计计算要求，为满足其功 能要求，按传统计算方法首先必须根据支护结构型式、工程地质 及水文地质条件分析其失效模式。根据红粘土工程地质特点悬臂 支护桩失效模式一般有： 1 悬臂式支护桩的倾覆失稳 当悬臂式支护桩因嵌入坑底以下土层中深度或嵌入完整岩层 中的深度不够，支护桩的顶部向坑内倾倒，即倾覆失稳，前述四 种嵌入条件的支护桩均应进行倾覆稳定验算，以便恰当地确定嵌 入土( 岩) 层中的深度。 2 悬臂支护体系的整体失稳 整体失稳是指在土体中形成了连续滑动面，支护结构连同基 坑外侧及坑底的土体一起滑动，丧失稳定性，由此可知整体稳定 仅在前述支护桩嵌入坑底以下全为土层的情况，即( a ) 型嵌入条 件，对于( b ) 型嵌入条件因桩底端进入完整岩层有一定深度，只 要保证桩底端的桩身不发生剪切破坏不会整体失稳。由上所述只 对( a ) 型嵌入条件的悬臂支护桩进行整体失稳验算。 3 支护桩的结构性破坏 由于桩侧主动土压力估算较小或对结构材料强度估计过高， 致使结构失去了承载力的破坏模式，对前述四种嵌入条件的支护 均应分别按受弯、受剪计算进行结构设计。 4 支护桩变形及桩顶位移过大失效 由于支护桩变形位移过大造成坑顶地面沉陷，影响临近地面 地下市政设旌及建筑物、构筑物的正常工作和安全，对于悬臂支 护桩尤其嵌入土层中的支护桩应进行变形和位移计算。由以上支 护模式分析可知，嵌入土层的深度必须经上述稳定及变形位移验 算后综合确定。 贵州大学碗l 研究生学位论文 红粘十地区悬臀支护桩心甩q 计算 第二章悬臂支护桩抗倾覆稳定计算 对于基坑以下桩全嵌入土层( 包括桩底支承于完整岩面处) 即图1 2 中嵌入条件( a ) 、( b ) 型应进行抗倾覆验算。 2 1 土压力计算值及修正值 根据郎会理论，坑外桩后某深度处主动土压力p 。，坑内桩前 某深度处被动土压力p 。分别为 凡2y 斌。一2 c k a ( 2 1 ) p p2 ，z k p + 2 。k p ( 2 2 ) 两式中y 为土的重度( 删朋3 ) ；深度z ( ) 。计算坑外桩后主动 土压力应从基坑顶地面计算；计算坑内桩前被动土压力应从坑底 面计算。c 为红粘土的粘聚力( 地) ；另外，两式中主动土压力系 数e 、被动土压力系数k 。分别按以下公式计算： 筏= 培2 ( 4 5 。一刍；当土的内摩擦角为零度时致= l ； k ，= 培2 ( 4 5 。+ 要) ；同理因= o 。砟= i ，则( 1 ) ( 2 ) 式可写为： p 。= ，z 一2 c ( 23 ) 岛。y z + 2 。 ( 2 4 ) 以上各式中c 、值按规范“1 应按室内三轴不固结不排水试验确定， 根据工程试验及文献”红粘土按三轴试验值很小( 咖= 0 0 3 0 ) ， f 值较大( 一般f 超过5 0 瓴) ，土的天然重度，= 1 6 5 1 8 5 删。 贵州人学硕+ l 。研究生学位论文 红粘十地区悬臂立护桩应用与计算 近似取庐= 0 0 按( 2 3 ) ( 2 4 ) 式计算，其主动土压力p 。计算结果很 小，甚至为负值( 拉力) 对地表硬可塑红粘土c 、值也许较高一 点，但z 值较小，c 值较值增加多些，则儿值仍然较小或为负值， 显然不符合实际，当采用上述计算结果设计，显然不安全，因此 规程【3 】对此问题提出处理意见是当计算点处主动土压力值小于零 时应取零。图2 1 中( a ) 为一基坑工程地质资料及被动土压力图； 图( b ) 为按( 2 3 ) 式计算主动土压力图；图( c ) 为按规程 3 修 正后主动土压力图。根据( b ) 、( c ) 土压力图可以看出该基坑工 程可不设支护桩，边坡可直立，这在实际工程中是不可能的( 当 基坑丌挖深度不深，短暂时间内这种情况也许可能) 。根据试验资 料分析【5 】 6 l 【7 1 ，由于悬臂支护桩桩底位移较小，桩顶位移较大，土 压力沿桩身分布与刚性挡墙相似可按三角形分布计算，其值小于 相同深度处的静止土压力。规范1 4 1 提出另一处理意见是：对于粘性 土中悬臂支护桩，当主动土压力沿桩身任何深度其值小于0 2 5 倍 土自重应力时，在该高度处应按0 2 5 倍土自重应力取值，即 儿= o 2 5 y z ，相当于不考虑粘聚力c 的作用，取巧= o - 2 5 ( 相当于无 粘性土娜= 3 7o 的k 。值) 。另外，由表2 1 对正常固结坚硬状态粘 性土，静止土压力系数k = 0 2 0 4 ，说明上述主动土压力修正主 动土压力系数( 0 2 5 ) 相当于坚硬状态下静止土压力系数下限取值， 按规范1 4 l 修正主动土压力图如图( d ) ，该修正值比按规程更符合 上述实测资料，接近实际些，但该修正系数未考虑土的软硬状态 统一按o 2 5 取值，不一定合理。为此，本文建议主动土压力按下 式计算： p 。j = k 。：y ? z ( 5 ) 式中：世。一一为修正主动土压力系数，根据计算点土的软硬 状态按表2 1 中静止土压力系数k 的下限值取值。按( 5 ) 式修正 贵州大学顶：+ 。研究生学位论文 7 红粘十地区悬臂支护桩应用与计算 主动土压力图如图( e ) 静止土压力系数如表2 1 土硬可塑粘性可软塑粘性软塑粘性流塑粘 坚硬土 类 + 土性土 o 2 o 7 5 0 4 0 5 o 5 0 60 6 o 7 5 o 40 8 觚 坑顶 1 8 3 m ： 辐岳澌一丽一j i 舯| j 忙1 8 州向 苎 8 ) 地质资辩及技动土压力 c j 埂程正龋( d ) 甥范肇正值r ( e ) 接本文惨正值 图2 1 土压力计算值及修正值 以上采用经验系数法即不用抗剪强度指标计算土压力已不是 先例。如“上海市基坑工程设计规程”对褐黄色粘性土、淤泥质 粘性土分别按土的物理性质指标、孔隙比提出经验系数计算土压 力。由于影响土压力因素很多，f 确计算土压力是个复杂问题， 贵州大学硕士研究生学位论文 a j 5一乏一 iiik从一一 lij峪。旨。if，=除单 ， 矿 、，l 、 型qjll+a“耸 哪茧 一 l l 了 一 赚 哺 红粘土地区悬臂支护桩应用与计算 为了设计计算方便在工程上常采取经验处理方法，以解决一般工 程设计问题。这种经验处理的方法常见于各种设计规范f 7 1 。 2 2 计算宽度6 0 的确定 支护桩土压力计算跨度6 取值，也直接影响抗倾覆的安全系数 大小，同时也影响支护桩内力的大小。连续布置的排桩结构按平 面问题可取单位宽度计算支护桩前后被动土压力、主动土压力， 对于分离式问隔布置的支护桩，由于桩之间被土分割，土压力分 布很复杂，尤其坑底以下更复杂。工程计算中均假设土压力沿基 坑坑边纵向在相同深度处是相同的。基坑以上考虑桩间横向挡板 的作用主动土压力计算宽度6 取桩的中心距：基坑以下被动土压力 是出于支护桩在主动土压力作用下向基坑方向发生位移，坑前土 体对桩产生抗力。大量试验证明：桩抵抗作用的宽度大于桩实际 宽度6 。因此公路、铁道有关规程及规范【2 1 规定： 当桩径存或宽度6 大于1m 时，矩形6 0 = 6 + 1 ：圆形6 0 = o 9 ( d + 1 ) ， 当桩径d 或宽度6 小于1m 时，矩形6 ；1 5 6 + 0 5 ：圆形 6 0 = o 9 ( 1 5 矗+ o 5 ) 以上计算6 0 大于桩中心距仍按桩中心距。基坑以下坑内桩后主 动土压力计算宽度氛取值方法很多：一种是认为基坑以下主动土压 力为支护桩的水平荷载同样取桩的中心距；第二种是认为桩在主 动土压力作用下产生位移变形，桩与相邻土体一起工作，其计算 宽度玩与基坑以下被动土压力p 。计算宽度相同1 2 l ：另一种是认 为基坑以下主动土压力p 。只作用在支护桩的表面上，则取桩的实 际与土接触面宽度瓦。 贵州大学硕士研究生学位论文 9 妻l 粘造区悬臂支护桩应用与计算 通过上述可知，坑底以上主动土压力计算宽度6 0 及坑底以下被 动土压力计算宽度，工程计算时各种方法取值相同。只是基坑以 下主动土压力计算宽度存在三种不同取值方法，第一种计算结果 偏大。当桩中心距较大时与实际值相差较大。第三种计算结果偏 小不安全，也不符合实际。第二种方法是考虑在主动土压力、 被动土压力作用下，桩侧土体均参加工作，比较符合实际，故基 坑以f 主动土压力、被动士压力计算宽度岛应相同，按上述被动士 压力计算宽度6 0 公式计算。支护桩在内力计算时也可按此方法确 定。 2 3 悬臂支护桩计算简图 悬臂支护桩计算简图及安全系数大小，按现行规范或规程有 两种，一种是如图2 2 ， 抗倾覆稳定应满足下列要求： 丝：丛1 3( 2 6 ) m 。e 。h n 式中：昱，、一分别为被动土压 j j 的合力及合力对支护桩底端的 力臂。 e 、玩一分剐为主动土压力 r _ e a j i r ， c 皇 ，e d、 ， 习 的合力及合力对支护桩底端的力臂。 图2 2 悬臂式结构计算简图 图2 2 中c 点为主动压力与被动土压力相等的点，即从c 点以下才有被动土压力，以上均为主动土压力。这与桩前被动土 压力从坑底计算，桩后主动土压力从坑顶计算至坑底标高处( 如 图3 1 3j ) 所求褥的安全系数是不相等的。图2 3 中坑外桩后的主动 土压力在坑底以下采用的是矩形分布，是考虑到坑底以下坑内桩 贵州大学硕士研究生学位论文1 0 红粘土地区悬臂支护桩应用与计算 前的原静止土压力与坑外桩后的一部分主动土压力相抵消。 显然对于多层粘性土按图2 2 计算较麻烦。规程对于多层土 采用图2 3 计算方法，如图2 4 按规程3 1 要求为 。民一1 2 ，。吃瓦0 ，上式中r o 为建筑基坑 侧壁重要性系数，根据基坑侧壁安全等级确定，安全等级一、二、 三其相应 分别为1 1 ，1 o ，o ，9 。本文为了方便计算又不降低其 安全等级，综合规范1 与规程【，其抗倾覆计算简图采用图2 4 ， 计算式为： 遒1 3( 2 7 ) 吃e ， 图2 3 ，虬一 文 上虹+ 兰_ 一 陆 图2 4 悬臂支护桩计算简图 基坑外桩后主动土压力厩摄基坑开挖回以上或以f 分别计算。 计算点位于基坑开挖面以上时： 5 勺乙岛 ( 2 8 ) 式中：z ，一一为计算点至基坑顶地面深度： 一一为深度乙以上土的加权平均天然重度： 妫一一为计算点处按土的软硬程度查表一i 的修正主动土压力系 数： 贵州大学硕士研究生学位论文 红粘土地区悬臂支护桩应用与计算 计算点位于基坑开挖面以下时： 儿，= 民 ( 2 9 ) 式中： ，一一分别为基坑开挖深度及开挖面以上土的加权平均 天然重度： k ，一一为基坑面以下计算点处按土的软硬程度查表2 1 的修正主 动土压力系数； 对于坑内桩前被动土压力按下式计算：= 五世，+ 2 e b ( 1 0 ) 式中：互一一为计算点至基坑底 面深度： ，卅，一为深度z ，以上土的加权平 均天然重度； k ，一一为计算点处按土的内摩 超壁 檫标准值丸计算的被动土压力系 数： e 一为计算点处的粘聚力标准 值。 以上各土层内摩檫角九，粘聚力 图2 5 c ，均按室内三轴不固结不排水试验确定。 根据图2 1 地质资料，桩中心距为2 8 m ，桩径d 为o 8 m ， ( 2 1 6 2 ) 及按( 2 8 ) ( 2 9 ) 公式计算，悬臂支护桩土压力计 算简图如图2 5 ，按( 2 7 ) 式计算，稳定安全系数为1 3 4 1 3 。 2 4 总结 由于古典土压力理论是根据刚性挡墙及土体极限平衡条件且 贵州大学硕士研究生学位论文 红粘十地区悬臂支护桩应用与计算 附加其他假设条件求解，同时采用抗剪强度指标的试验方法、排 水条件也不完全符合土体实际工作受力条件，所以土压力计算结 果与实际差别较大，应给予修正。本章提出按土的软硬状态确定 修f 的土压力系数k ，同时应考虑土的固结状态、支护结构位移 对土压力的影响，对正常固结土其足。值不宜大于静止土压力系数 以表2 1 中的下限值。当桩底端嵌入完整岩石内桩端位移受到约 束，在相同条件下桩后主动土压力一般大于上述下限值但小于上 限值，应根据支护桩位移和变形条件另行考虑。 在计算作用在支护桩土压力沿纵向的水平合力时，必须知道 计算宽度6 0 ，在基坑坑底以上，由于桩之间一般设有横向挡土板， 所以计算坑外桩后主动土压力时，6 n 取桩中心距：计算坑底以下坑 内桩前被动土压力及坑外桩后主动土压力时，均应考虑桩与相邻 土体相互作用，6 0 应按公式计算，其6 0 值应大于桩身宽度但不应大 于桩中心距。 悬臂支护桩计算简图是沿桩身土压力分布图，不同的经验假 设有不同的分布图，将直接影响有关抗倾覆、内力的计算结果， 参考基坑丌挖测试结果【6 1 ，同时为方便计算。本章建议采用图2 4 计算是比较合理的。 上述讨论研究的三个问题实属一个有关土压力大小及分布的 问题，影响土压力因素较多，非常复杂，较可靠且较符合实际的 是采用现场实测，反演分析等方法总结经验取得数据解决上述问 题，同时通过实测或试验可得出桩身位移、桩身内力变形等参考 值。 贵州大学硕t 研究生学位论文 红轺t 地区悬譬支护桩窟用与计算 第三章悬臂支护桩的整体稳定验算 根据工程地质勘察资料统计分析i 5 】由于红粘土成土特性，母岩 岩性决定了红粘土层厚度。在高原或山区，它的分布较零星， 般厚度约5 8 m ，少数达15 3 0 m ；在准平原或丘陵地区，分布较 连续。一般厚度为1 0 15 m ，最厚达3 0 余米，因此悬臂支护桩桩 底端可能嵌入完整岩石中，也可能完全嵌入在坑底以下土体中。 根据嵌入红粘体中悬臂支护桩的稳定失效模式分析，悬臂支护 桩主要有倾覆失稳和支护体系整体失稳的可能。由于两种失效模 式机理不同应分别验算，加之红粘土在接近地表土层较硬，随深 度增加含水量增加土质变软。根据规程1 3 l 规定；当嵌固深度下部存 在软弱土层时，更应验算其整体稳定性。对于抗倾覆稳定验算， 一般比较简单主要是如何选择土压力计算结果使之比较符合实 际：对于整体稳定验算，由于支护边坡为直立陡坡，红粘土性质 特殊按室内三轴不固结不排水试验结果1 5 l ，内摩檫角一= o o 3 0 ，粘 聚力c 一般超过5 0 劬，不同于简单土坡，最危险滑动面位置大，j 、 不能套用其经验，因此最危险滑动面圆心位霞怎样确定值得研究。 另外，红粘土在地表层一般存在于缩裂隙，其深度可达5 m 以上， 降低了土体的整体性，因此应考虑于缩裂隙的存在对整体稳定是 否有影响。本章除讨论研究有关上述问题外，为方便计算还结合 舡 籼 l 贵押大学硕十研究生学位论文 一1 0 0 - i i 。叫 矿j 1 4 红袖十地区悬臂盘护桃应用- 计算 红粘土土质特点提出了简化计算公式。由1 4 节支护桩失效模式分 析可知，悬臂支护桩的整体稳定分析仅用于支护桩嵌入坑底以下 全为土的( a ) 型嵌固条件，对于嵌固条件为( b ) 型桩考虑桩的 作用可不进行稳定计算，但桩端应嵌入岩层内一定深度。 3 1 最不利滑动面的确定 现行有关规范或援程1 2 】f 3 1 f 4 ) 仍采用圆弧滑动面法进行基境 支护体系整体稳定验算，红粘土虽然“0 0 ，但由于土层随深度含 水量增加，土质变软，粘聚力随之降低，土质不均匀，滑动面上 粘聚力也并非均匀分布，为此采用圆弧滑动面条分法验算( 图3 1 ) 。 假定各土条间的相互作用力大小相等，方向相反，故各土条 仅有作用力彬( 土条自重) ，霉，由土条平衡条件j = 形c o s 口 z = 形s i n 口，：根据对滑动面圆心计算抗滑动矩m 。及滑动力矩鸠 故整体稳定系数b 为： b = 筹= 鬻 硪= o o ( 3 1 ) ( 3 2 ) 根据规范”墨1 2 ，而规范1 将边坡按三个安全等级确定b ： 一级为1 3 ，二级为1 2 s ，三级为1 2 ，考虑基坑边坡的稳定性直 接影响周边环境、相邻建筑、市政设施，本章建议忍采用1 3 较合 理。 贵州人学颇j j 研究生学位论文 l 峨 b 一m 立职 一一 b 豇= 粘土地区悬臂史护桩应用；汁等 由于悬臂支护体系为一垂直陡坡，圆弧滑动面圆心位置不能按 简单土坡经验确定验算，为了确定最危险滑动面圆心( 最小值稳 定安全系数相应滑动面 圆心) ，分别取圆心为 a o ，a 1 ，a 2 ，a 3 ，a 4 ， a5 ，通过多次试算，如 图2 所示地质条件，相应 坑底 一 整体稳定系数疋如下： f so = 3 8 1 4f s l = 3 7 5 4 f s 2 = 3 9 0 1 f s 3 = 4 19 0 f s 4 = 3 7 3 9 f s 5 = 3 7 4 3 由以上分析，红粘土 坑项 坚硬 凸= 8 0 k p a。 十l ：0 。 羔 y = 1 8 州，一 可塑 岛铺诚豫 悼矿音 b = 】b 褂i ，m 1 鞍塑如二5 舾嘀扣矿 皇 h = 1 8 w 一 墨 图3 2 地区，当不考虑基坑顶地面干缩裂隙影响，由于f s4 与f s o 误差在 1 9 7 ( 5 ，因此为了方便计算确定最危险滑动面圆心为a o 点。 3 2稳定计算公式的简化 因土的内摩檫角庐= o o ，由公式( 2 ) 得： 磊s 盘 又由图3 3 可知：( 3 2 ) 式可写为 磊= 器= 靛 式中且。为土条f 自重彬至圆心水平距离或彬对a o 点的力臂。上式 还可以写为： r ： 墨生 驿 r w b r e w c r c w 为面积e b f 的土重；为面积f b c 的土蓖且= ，= 贵州丈学颀i 研究生学位论文 6 红粘士地区悬雷兜护桩应用j 计算 !rf 、带； 7 l 芷域。” 鼙二_ j ? ? 鼍l f 一。 图3 3 只：些生( 3 3 ) 6 呢吩 式中既为面积a 。b c d 土块重，凡为其重心距a 。点的水平距离 按上式计算更为简单方便。由( 3 ) 式可知：滑动力矩嗨= 形曩， 当尽 1 1 3 不能满足要求时，如果基坑深度h 确定。则可加大桩嵌入 土层深度忽，由此可增大r 即增加抗滑动矩嬲。；如果基坑深度h 可以减小，则既减小，相应滑动力矩怫减小，尽同样可以增大。 3 3 地面以下于裂隙对整体稳定的影响 由于地表层干缩裂隙的存在，是否对稳定安全系数玛有影响。 现分析如下：假若地表以下无地下水作用，裂缝c d 以右面积c d g ( 阴影面积) 土块重不产生滑动作用，圆弧段cg 的粘聚力c 不参 加抗滑作用，则由图3 4 可知，当圆弧滑裂面圆心位于a 。点时： 贵州大学硕上研究生学位论文 一 n一、 迹、。 下，j”矿轴， a f寺 广l 一 红粘七地区悬臂支护桩庸用f j 计算 e ： 墨生 3 4 ) 3 玎0 尺一r 。 式中f 从e 点算 至c 点，设裂隙以右土 体宽d g 为3 5 m ，裂隙 深k 为5 m ，地质资料 与图3 2 相同，按( 3 ，4 ) 式计算稳定系数 乓。= 6 3 5 ，大于无裂隙 f j 一卜 图3 4 存在时稳定系数b 。= 3 8 1 4 。经过试算分析，这主要是因滑动力 矩减小，所以由( 3 4 ) 式计算的b 值将大于( 3 3 ) 式计算的b 值。如果将滑动面的圆心移至a 2 点( 图3 5 ) 同样可采用( 3 3 ) 式计算b ，设a 2 点距a o 为3 5 m 时，则2 = 4 2 6 8 小于b 。= 6 3 5 ， 从图3 5 可以看出这是因滑动力矩增大所至。另外当圆心移至 a 3 时黾，= 4 0 9 1 ，由于毛，与：均大于无裂隙存在时稳定系数 b 。= 3 8 1 4 ，因此桩顶地坪面以下土体中具有干缩裂隙时，对整 体稳定无影晌，即可以不考虑干缩裂隙影响。 如果有地表水渗入裂隙中或存在地下水则应考虑裂缝中的 静水压力的作用如图3 5 ，则( 3 3 ) 式可改写为( 3 5 ) 式，同 时还应考虑c 值的降低，由此，s 更会降低。 乓：粤一 ( 3 5 ) 呢b + 易( 三+ z ) j 式中：昂为静水压力合力，k 为裂隙深，z 为地面具最危险滑动 面圆心的距离，其他如图3 5 所示。裂隙深度k 可近似地按郎金 理论计算挡墙墙顶产生的拉力区高度公式： 贵州人学颂i j 研究生学位论义 红粘土地区悬臂支护桩威用与计算 3 4 总结 ：丝 ( 3 6 ) k4 * ，l 一。， 图3 5 ( 1 ) 通过多次试算证明：最不利圆弧滑动面的圆心位于支 护桩的顶点，即图3 1 中a o 点。为此这样方便了计算，不需作多 点试算。由此可知，当稳定安全系数乓 1 3 不能满足要求时，可减 小基坑开挖深度或增大支护桩嵌入土层深度。 ( 2 ) 公式( 3 3 ) 说明整体稳定验算时，不必严格对土体进 行分条，只是取直径r 等于桩长作圆弧，计算出圆弧各段粘聚力 啊，以及计算出基坑底以上桩后土体重量w a 及w a 重心距a o 点距离r a ，代入( 3 3 ) 式计算。 ( 3 ) 通过分析，桩顶地坪面以下土体中具有干缩裂隙时， 对整体稳定无影响，因此可以不考虑干缩裂隙影响。对于有地下 水时，可采用图3 5 取a 3 点以上为最危险滑动面圆心，按式( 3 5 ) 计算，并应考虑静水压力产生的滑动力矩以及土的抗剪强度c 值 贵州大学顶一j 研究生学位论史 i 上1 k 匿 红粘十地区悬臂支护桩应用与计算 是否降低。 ( 4 )按传统方法根据稳定验算确定悬臂支护桩嵌入土层深 度后，还必须进行变形验算，最后才能确定实际的嵌入土层深度。 ( 5 )当悬臂支护桩桩底端承于岩面经抗倾覆验算满足要求 后，可不进行整体验算。 贵州大学硕士研究生学位论文 红粘土地区悬臂支护桩应用与计算 第四章嵌岩悬臂支护桩的计算 本章将讨论桩前后土压力如何考虑桩底端因嵌入岩石内其变 形位移受到约束面受到影响。桩底端嵌入岩层内深度如何计算确 定，桩顶位移如何计算。 4 1 土压力计算 根据现场实测资料 表明悬臂桩桩前后主动r l 被动土压力分布大小类麓j - j 似刚性挡土墙，土压力i 的大小及其分布规律受 到墙体可能的运动方 向、墙后填土的种类填 士面的形式、墙体形式 及刚度、以及地基变形 图4 1 墙身位移和土压力关系 条件等一系列因素影 响。根据墙体位移情况和墙后土体所处的应力状态可分为主动土 压力ea 、被动士压力e 。和静止土压力e 。实验测试表明：在相同 条件下主动土压力小于静止土压力，静止土压力最高者可超过两 倍主动土压力。而静止土压力又小于被动土压力，即 e a e o 0 1 h 被动土压力绕墙顶转动o 0 5 h 主动土压力墙体平移 0 0 0 4 h 粘土主动土压力绕墙底转动o 0 0 4 h 根据很多试验资料的分析，产生主动土压力和被动土压力所 需的位移值可参见表4 1 ，另外文献也报道了欧洲规范、加拿大 岩土工程手册、以及我国上世纪9 0 年代所发表的有关产生主动土 压力和被动土压力所需相对位移值。综上所述资料分析：对于砂 土产生被动土压力e p 的墙顶位移，约为主动土e 。压力所需墙顶 位移a 的5 0 倍以上；粘性土产生主动土压力所需墙顶位移约为 砂土的4 倍；粘性土达到被动土压力所需墙顶位移值估计也大于 砂土。 当前实际工程设计计算时，仍采用两种古典土压力理论计算： 假设土体为刚塑性体，根据极限平衡条件分别求得主动极限状态 下的主动土压力和被动极限状态下的被动土压力，其结果是最小 主动土压力极限值和最大的被动土压力极限值，不能求得两种土 压力极限值的相应位移值。当墙体不发生任何位移和变形，墙后 土体处于弹性状态，作用于挡土墙上的静止土压力e 。可采用弹性 理论