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摘 要 :本文作者结合多年工作经验对土压力计算参数、土压力计算图形、环梁内弯矩及深基坑支护结构设计及施工的重要性认识等问题进行了探讨。
关键词 :深基抗;支护结构;施工技术
近几年来随着我市数百幢超高层建筑相继建成或开工,不少设计和施工单位已积累了较丰富的深基坑支护结构设计和施工经验。但由于对深基坑支护结构尚无国家或本市的相关规范,因而在实际的设计计算方面存在着较大的差异,在施工方面也存在诸多问题。
1 关于土压力计算参数问题
重力密度、内磨擦角Ψ、粘聚力C,是计算土压力时的重要参数,这些参数均是由工程地质勘察所提供的。《工业与民用建筑工程地质勘察规范》TJ21-77规定了工程地质勘察分为三个阶段:选址勘察、初步勘察、详细勘察。这三项勘察是以选址和为建筑物基础设计与处理提供资料为目的的。目前人们进行深基坑支护结构设计时所用的土压力参数也均是来自“详细勘察”(或初步勘察)报告之中而“详细勘察”的布点一般均在建筑物基础周边线以内,而深基坑支护结构承受的主动土压力是来自建筑基础周边线以外的土体。因此用“详细勘察”所提供的土压力参数做为深基坑支护结构设计的依据是不充分的,尤其是在地质条件复杂的场地中更是如此。
深基坑支护结构作为一种临时性的施工结构,它所需的参数应由“施工勘察”提供,在《工业与民用建筑工程地质勘察规范》TJ21-77中虽提出了“对工程地质条件复杂或有特殊要求的重大建筑地基尚应进行施工勘察”但在具体规定的施工勘察的内容(《规范》45条)中只包括了“……提供地层渗透系数K,实测基底回弹、隆起或土的侧向位移,以及临近建筑物的附加沉降……提供其与地基土摩擦系数F……”等,而未对深基坑支护结构设计所需的土压力参数提出要求。同样,在《高层建筑箱型基础设计与施工规》JGJ6-SO勘察要求一章中亦未做出明确具体的规定。
2 关于土压力计算图形问题
目前进行深基坑支护结构设计时大多采用经典的朗肯土压力理论进行荷载计算。首先按公式计算出某深度处土压力强度,而土压力合力则按图形计算。以下是在考虑地面荷载,水土分算、土壤分层
计算的条件下常用的土压力强度计算公式:
主动土压力:
被动土壓力:
当土层之间土压力参数差距不大, γ、Ψ、C取加权平均值进行计算时,公式简化为:
此时Pa与h成直线关系变化。
当无地面荷载,土的粘聚力C=0时,主动土压力合力图形为一顶点在槽顶地面标高处的三角形,如图1:
当有地面荷载q, 时,主a＞0,pka＞2c√Ka动土压力合力图形为一顶点在槽顶地面标高处的梯形,
如图2; 当时。1＞0.C＞0;qka＜2c＜√Ka主动土压力合力图形为一顶点在槽顶地面以下Z处的三角形见图3;当槽边采用取土退台措施卸载时,可将退台水平线以上的土体折算成地面荷载。此时土压力图形的斜边呈变化状态,如图Z=2C/γ√Ka; (与不取土卸载相比,降低了土压力对支护结构的作用,减小了倾覆力矩。因而这种措施被广泛采用)。
另外,当地面荷载q距槽边的距离不同、q的分布宽度不同及水土分算时,主动土压力的图形均有所不同。
但在实际运用当中,由于人们对该公式理解程度的不同,对土压力图形的确定也不同。有的一概略去C值不计,将其做为安全储备;有的不管C值、q值的情况如何,均取顶点在槽顶地面处的三角形计算土压力合力;有的在槽边取土退台卸载后,便不计退台水平线以上的土体的荷载影响等等。这种计算图形处理的不统一、不规范和随意性有时会导致截然不同的支护方案。如在深圳市的地质条件下,可以说6米和9米是两个临界深度,在6米时一般情况下可采悬臂支护方案。但如果在确定土压力图形时采取了偏于保守的方法,则可能会得出需采用单层锚(撑)的结论,因而造成浪费。同样在9米,土压力计算图形的不同处理,亦可能会导致单层锚(撑)支护或双层锚(撑)支护两种不同的支护方案。因而造成支护方案或者过于冒险,或者过于保守。
3 关于环梁内的弯矩问题
在应用环梁做深基坑支护时,有的设计按环梁内没有弯矩只有压力考虑。按结构力学的理论,环形刚架只有在承受均匀分布的法向力时,环梁内弯矩才为零, (轴向压力为qr)。但在环梁用于基坑支护时这两个条件大多不能满足,一是基坑多为矩形、多边形,土压力是沿槽边长度分布的,每一段环梁所对应的槽边长度不等。如在矩形槽的角部,单位长度的环梁对应的槽边长度就较长,因此环梁所受荷载必然是不均匀的。在挖槽时不分层对称均匀开挖,也会使环梁受力不均。另外当环梁外有支撑杆时,支撑杆为一个个的集中力,也不符和布而荷载的假设。这样环梁内必然有弯矩。现在的问题是这种弯矩的大小在哪个数量级上,是否可以忽略不计而只按受压或构造要求对环梁配筋。
从目前发表的有关工程实侧的总结看,尚未见对环梁内弯矩进行监测取得的资料披露。而使用微机进行计算的结果表明,环梁内的弯矩是不可忽略的,如我们对某12米槽深,采用双层环梁(眼镜形)的支护结构进行计算的结果显示,第二道环梁内最大弯矩达376KN=m,产生弯矩的部位在支撑杆(沿环梁外侧间距6. 6米)与环梁相交的结点处,对截面1600mm*800mm的环梁使用上述弯矩进行配筋达18Φ25钢筋,以至截面双排布置。可见弯矩之大而不可忽略。上海银都商城基坑深10米,三道环梁支护,第三道环梁内的弯矩用微机计算出结果亦达3964KN-m,同样说明环梁内弯矩不可忽略。
由于缺少实际监测的第一手资料,微机计算的结果究竟与实际是否相符,环梁内弯矩的大小与环梁外支撑杆的密度之间的关系等等还有待实践和研究,在没有可靠的依据之前,进行环梁支护设计时应尽量使环梁外支撑杆均匀分布并指向园心,且间距不宜过大,最大限度的减少环梁内弯矩,充分发挥其拱效应。但在确定环的截面和配筋时,应按有弯矩考虑。
4 关于深基坑支护结构设计及施工重要性的认识
在一些业主,承建单位的意识中,深基坑支护结构设计的重要性认识不如工程设计,因而不通过设计人轻率变更深基坑支护结构设计的现象屡屡发生,这样往往使深基坑支护结构的施工过程中险象环生至出现事故,不得不采用补救措施,造成经济浪费。
如某工程槽深8. 7m,采用地连增加一层钢管内支撑的支护结构。在施工时,施工人员为了增大钢管支撑与负二层楼板之间的距离,便于操作,将钢管支撑的标高上移了50cm,使钢管支撑与槽底间净距增大到7. 2m。地连墙的设计是按等值梁法计算的,抬高了钢管支撑的标高,就相当于增大了有支撑时地连墙的跨度,使地连墙内弯矩增大。结果基坑开挖完成后,在地连墙距槽底1. 8m左右处出现了1-2mm宽的断断续续的裂缝,虽未贯通,但沿槽一周基本都有,出现险象,当即贴石膏观察裂缝变化,并做好增加支撑的准备,所幸后来裂缝未再发展,但说明已将安全储备几乎耗尽。
另一槽深11m的基坑,采用钢筋砼灌注桩与格构式水泥土深层搅拌帷幕做支护,并取土退台卸载。业主因造价和场地关系,将格构式泥土深层搅拌帷的宽度减小,还减掉了双排水泥土桩之间的格栅布桩,并把取土退台宽度和深度减小。如第二个问题所述,取土退台的宽度和深度与土压力的大小及其作用点的高低有直接关系,这样做的结果是比原设计削弱了支护结构系统,增大了荷载,至使挖土后支结构系统位移过大,不得不采取补救措施,不但未节省反而增加了造价。
形成深基坑支护结构设计重要性认识不够的原因是多方面的。首先是因为深基坑支护是一门新兴的设计、施工技术,它是随着我国近几年超高层建筑迅速增多而发展起来的。相当多的业主和施工单位、设计单位是刚刚接触这门技术,对深基坑支护结构的重要性、安全性认识不足。其次是因为对深坑支护结构设计资质管理的不严格。一个时期以来,施工单位、设计院、大学、勘察单位及其它人员均可进行该设计,给业主、施工单位造成了随意性较大的印象,因而在该设计的实施中也采取比较随意的态度。
5结束
总之,这些问题随着国家有关规范的出台设计水平、施工管理水平和人们认识的提高,将会逐渐解决。现已有部分省市开始加强对深基坑支护结构设计资质的管理,并对该项设计实行专家会审制度。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词 :深基抗;支护结构;施工技术
近几年来随着我市数百幢超高层建筑相继建成或开工,不少设计和施工单位已积累了较丰富的深基坑支护结构设计和施工经验。但由于对深基坑支护结构尚无国家或本市的相关规范,因而在实际的设计计算方面存在着较大的差异,在施工方面也存在诸多问题。
1 关于土压力计算参数问题
重力密度、内磨擦角Ψ、粘聚力C,是计算土压力时的重要参数,这些参数均是由工程地质勘察所提供的。《工业与民用建筑工程地质勘察规范》TJ21-77规定了工程地质勘察分为三个阶段:选址勘察、初步勘察、详细勘察。这三项勘察是以选址和为建筑物基础设计与处理提供资料为目的的。目前人们进行深基坑支护结构设计时所用的土压力参数也均是来自“详细勘察”(或初步勘察)报告之中而“详细勘察”的布点一般均在建筑物基础周边线以内,而深基坑支护结构承受的主动土压力是来自建筑基础周边线以外的土体。因此用“详细勘察”所提供的土压力参数做为深基坑支护结构设计的依据是不充分的,尤其是在地质条件复杂的场地中更是如此。
深基坑支护结构作为一种临时性的施工结构,它所需的参数应由“施工勘察”提供,在《工业与民用建筑工程地质勘察规范》TJ21-77中虽提出了“对工程地质条件复杂或有特殊要求的重大建筑地基尚应进行施工勘察”但在具体规定的施工勘察的内容(《规范》45条)中只包括了“……提供地层渗透系数K,实测基底回弹、隆起或土的侧向位移,以及临近建筑物的附加沉降……提供其与地基土摩擦系数F……”等,而未对深基坑支护结构设计所需的土压力参数提出要求。同样,在《高层建筑箱型基础设计与施工规》JGJ6-SO勘察要求一章中亦未做出明确具体的规定。
2 关于土压力计算图形问题
目前进行深基坑支护结构设计时大多采用经典的朗肯土压力理论进行荷载计算。首先按公式计算出某深度处土压力强度,而土压力合力则按图形计算。以下是在考虑地面荷载,水土分算、土壤分层
计算的条件下常用的土压力强度计算公式:
主动土压力:
被动土壓力:
当土层之间土压力参数差距不大, γ、Ψ、C取加权平均值进行计算时,公式简化为:
此时Pa与h成直线关系变化。
当无地面荷载,土的粘聚力C=0时,主动土压力合力图形为一顶点在槽顶地面标高处的三角形,如图1:
当有地面荷载q, 时,主a＞0,pka＞2c√Ka动土压力合力图形为一顶点在槽顶地面标高处的梯形,
如图2; 当时。1＞0.C＞0;qka＜2c＜√Ka主动土压力合力图形为一顶点在槽顶地面以下Z处的三角形见图3;当槽边采用取土退台措施卸载时,可将退台水平线以上的土体折算成地面荷载。此时土压力图形的斜边呈变化状态,如图Z=2C/γ√Ka; (与不取土卸载相比,降低了土压力对支护结构的作用,减小了倾覆力矩。因而这种措施被广泛采用)。
另外,当地面荷载q距槽边的距离不同、q的分布宽度不同及水土分算时,主动土压力的图形均有所不同。
但在实际运用当中,由于人们对该公式理解程度的不同,对土压力图形的确定也不同。有的一概略去C值不计,将其做为安全储备;有的不管C值、q值的情况如何,均取顶点在槽顶地面处的三角形计算土压力合力;有的在槽边取土退台卸载后,便不计退台水平线以上的土体的荷载影响等等。这种计算图形处理的不统一、不规范和随意性有时会导致截然不同的支护方案。如在深圳市的地质条件下,可以说6米和9米是两个临界深度,在6米时一般情况下可采悬臂支护方案。但如果在确定土压力图形时采取了偏于保守的方法,则可能会得出需采用单层锚(撑)的结论,因而造成浪费。同样在9米,土压力计算图形的不同处理,亦可能会导致单层锚(撑)支护或双层锚(撑)支护两种不同的支护方案。因而造成支护方案或者过于冒险,或者过于保守。
3 关于环梁内的弯矩问题
在应用环梁做深基坑支护时,有的设计按环梁内没有弯矩只有压力考虑。按结构力学的理论,环形刚架只有在承受均匀分布的法向力时,环梁内弯矩才为零, (轴向压力为qr)。但在环梁用于基坑支护时这两个条件大多不能满足,一是基坑多为矩形、多边形,土压力是沿槽边长度分布的,每一段环梁所对应的槽边长度不等。如在矩形槽的角部,单位长度的环梁对应的槽边长度就较长,因此环梁所受荷载必然是不均匀的。在挖槽时不分层对称均匀开挖,也会使环梁受力不均。另外当环梁外有支撑杆时,支撑杆为一个个的集中力,也不符和布而荷载的假设。这样环梁内必然有弯矩。现在的问题是这种弯矩的大小在哪个数量级上,是否可以忽略不计而只按受压或构造要求对环梁配筋。
从目前发表的有关工程实侧的总结看,尚未见对环梁内弯矩进行监测取得的资料披露。而使用微机进行计算的结果表明,环梁内的弯矩是不可忽略的,如我们对某12米槽深,采用双层环梁(眼镜形)的支护结构进行计算的结果显示,第二道环梁内最大弯矩达376KN=m,产生弯矩的部位在支撑杆(沿环梁外侧间距6. 6米)与环梁相交的结点处,对截面1600mm*800mm的环梁使用上述弯矩进行配筋达18Φ25钢筋,以至截面双排布置。可见弯矩之大而不可忽略。上海银都商城基坑深10米,三道环梁支护,第三道环梁内的弯矩用微机计算出结果亦达3964KN-m,同样说明环梁内弯矩不可忽略。
由于缺少实际监测的第一手资料,微机计算的结果究竟与实际是否相符,环梁内弯矩的大小与环梁外支撑杆的密度之间的关系等等还有待实践和研究,在没有可靠的依据之前,进行环梁支护设计时应尽量使环梁外支撑杆均匀分布并指向园心,且间距不宜过大,最大限度的减少环梁内弯矩,充分发挥其拱效应。但在确定环的截面和配筋时,应按有弯矩考虑。
4 关于深基坑支护结构设计及施工重要性的认识
在一些业主,承建单位的意识中,深基坑支护结构设计的重要性认识不如工程设计,因而不通过设计人轻率变更深基坑支护结构设计的现象屡屡发生,这样往往使深基坑支护结构的施工过程中险象环生至出现事故,不得不采用补救措施,造成经济浪费。
如某工程槽深8. 7m,采用地连增加一层钢管内支撑的支护结构。在施工时,施工人员为了增大钢管支撑与负二层楼板之间的距离,便于操作,将钢管支撑的标高上移了50cm,使钢管支撑与槽底间净距增大到7. 2m。地连墙的设计是按等值梁法计算的,抬高了钢管支撑的标高,就相当于增大了有支撑时地连墙的跨度,使地连墙内弯矩增大。结果基坑开挖完成后,在地连墙距槽底1. 8m左右处出现了1-2mm宽的断断续续的裂缝,虽未贯通,但沿槽一周基本都有,出现险象,当即贴石膏观察裂缝变化,并做好增加支撑的准备,所幸后来裂缝未再发展,但说明已将安全储备几乎耗尽。
另一槽深11m的基坑,采用钢筋砼灌注桩与格构式水泥土深层搅拌帷幕做支护,并取土退台卸载。业主因造价和场地关系,将格构式泥土深层搅拌帷的宽度减小,还减掉了双排水泥土桩之间的格栅布桩,并把取土退台宽度和深度减小。如第二个问题所述,取土退台的宽度和深度与土压力的大小及其作用点的高低有直接关系,这样做的结果是比原设计削弱了支护结构系统,增大了荷载,至使挖土后支结构系统位移过大,不得不采取补救措施,不但未节省反而增加了造价。
形成深基坑支护结构设计重要性认识不够的原因是多方面的。首先是因为深基坑支护是一门新兴的设计、施工技术,它是随着我国近几年超高层建筑迅速增多而发展起来的。相当多的业主和施工单位、设计单位是刚刚接触这门技术,对深基坑支护结构的重要性、安全性认识不足。其次是因为对深坑支护结构设计资质管理的不严格。一个时期以来,施工单位、设计院、大学、勘察单位及其它人员均可进行该设计,给业主、施工单位造成了随意性较大的印象,因而在该设计的实施中也采取比较随意的态度。
5结束
总之,这些问题随着国家有关规范的出台设计水平、施工管理水平和人们认识的提高,将会逐渐解决。现已有部分省市开始加强对深基坑支护结构设计资质的管理,并对该项设计实行专家会审制度。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。