松散覆盖层与岩体混合基坑土压力计算分析

杨 群，沈习文，谢立广

(1.四川教育学院土木与交通工程学院，四川成都 611130;2.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072 3.中国中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

1 前 言

在基坑工程的设计与施工中，为了维护基坑开挖边坡的稳定，常要设置临时性或半永久性支护体系。土压力是作用于支护结构上的主要荷载，在大型基坑的开挖中能较正确地估算土压力，对于确保工程的正确设计与顺利施工具有十分重要的意义。本文以成都市某深基坑工程为例，对坑壁土压力进行了较为详细的计算分析。

2 工程及场地岩土工程条件概况

该基坑工程位于成都市商业核心区，东临四川省图书馆办公区，南临东大街，西临春熙路，北临阳光酒店，如图1所示。

图1 基坑平面示意

拟建场地内地形平坦，地貌单元属岷江二级阶地。地上主楼35层、裙楼12层;地下5层;建筑高度140m。基坑开挖深度23.8m，周长386.82m、坑内面积9 743.4m2，开挖量约为231 890m3，是目前成都市最深的深基坑。区内覆盖层自上而下为人工填土、可塑粉质粘土、稍密稍湿粉土、松散中砂、稍密圆砾、稍密～密实卵石，基岩为紫红泥岩。场地地下水水位随季节变化，标高494.94～495.03m，最小埋深5.2m，渗透系数参考值K=18m/d。

场地典型地质剖面(图1中的A－A＇剖面)见图2。

3 坑壁土压力计算

本文取A－A’剖面(见图2)为计算剖面，因支护结构主要承受桩体背面的土体对其的作用，故在此取钻孔ZK13附近的土体为计算土层。把力学性质相近的土层简化为一层，其参数取厚度加权平均值，土层简化情况见图3。

3.1 朗肯理论计算分析

在不考虑泥岩的侧向压力情况下，泥岩上部松散土层的土压力值，按文献［1］中关于成层土的朗肯土压力的方法计算，结果见表1，计算相关参数见图3。

3.2 库仑理论计算分析

图2 A－A’地质剖面

库仑理论是根据无粘性土(C=0)的情况导出的，对于C≠0的情况，需通过采用换算的等值内摩擦角φd来代替φ进行计算。在实际应用中，换算条件假定不同，有不同的方法，本文按土的抗剪强度相等来确定，即，计算得各土层的 φd分别为19.8°、41.6°及 46.4°。取墙背与填土之间的摩擦角，按文献［1］中关于成层土的库仑土压力的方法，计算结果见表1，计算相关参数见图3。

表1 朗肯土压力和库仑土压力计算结果

3.3 基坑下部泥岩侧向压力计算分析

由图3知，基坑开挖至坑底时出露泥岩的深度为5m，分析泥岩中侧向压力的分布情况，以出露泥岩的顶面和中部(距坑底2.5m处)为研究对象，按朗肯土压力计算值分别计算在不考虑泥岩侧向土压力和考虑泥岩侧向土压力情况下支护结构的水平位移值。因泥岩出露深度已有5m，可认为桩在嵌固段内的变形甚微，忽略不计。因此，以基坑坑底为嵌固端，按悬臂梁来计算位移。通过利用文献［2］中的方法计算出不考虑泥岩侧向土压力时支护结构的位移值fa和考虑泥岩侧向土压力时支护结构的位移值fb，分别为:

由以上数据可知，位于泥岩部分的支护结构的水平向最大位移值为13.056mm，平均值为8.09mm。

图3 土层简化示意

出露泥岩底面所受到的竖向压力:

σ底≪σc，说明坑壁泥岩在竖向压力作用下不会破坏，而对支护结构产生侧向土压力。支护结构可能因泥岩侧向变形作用使支护结构承受变形压力，为此对坑壁泥岩进行变形计算分析。

出露泥岩顶面所受到的竖向压力σ顶及相应的竖向应变ε顶为:

同理可求得出露泥岩中部的水平向应变为ε中′=0.061 9×10－3。根据式(1)求在竖向压力作用下泥岩坑壁的水平位移。

由此求得坑壁泥岩的水平变形位移为:

据上述计算分析，泥岩部分的支护结构的水平位移，远大于坑壁泥岩的水平变形位移值，可认为支护结构在上部土压力的作用下已经脱离泥岩，即与泥岩间已产生了缝隙，所以泥岩的侧向土压力不予考虑，即认为泥岩中的主动土压力为零。

4 基坑坑壁土压力综合分析及分布特征

4.1 土压力简化计算分析

大多数基坑在其开挖范围内的土体是多层构造，是非均质的。按分层计算比较符合实际情况，但土压力及支护结构的相关设计计算工作量较大。为了减少计算量，通常将各层土的重度γi、内摩擦角值φi和粘聚力Ci按土层厚度加权平均，即γm=均质土来简化计算。简化计算结果与分层计算结果是否接近要视具体情况而定，为此举例进行对比分析。土压力的计算采用两种方法进行。方法1:根据朗肯理论，分层计算;方法2:同样根据朗肯理论，但是土层参数取加权平均值，即简化计算。计算参数的选取和土压力合力的计算结果见表2。

表2 土层物理力学参数及土压力合力计算结果

由上表可知，当各土层性质差别不大时分层计算与简化计算结果相近，但是各土层性质差别较大时两者结果相差较远。所以当土层性质相近时，可采用简化计算。从图3可知，本工程不宜用简化计算，应采用分层计算。

4.2 基坑坑壁土压力分布特征

库仑和朗肯土压力计算结果列于表1中，其分布特征见图4(a)。由表1及图4(a)可知，两者的计算结果相差不大。考虑到按朗肯理论计算出的主动土压力值本已偏大，故在此取朗肯土压力计算值。

图4 基坑坑壁土压力分布特征

虽然泥岩中的主动土压力不考虑，但在坑底的泥岩需考虑其被动土压力。最后得出本基坑坑壁土压力分布如图4(b)所示。

据此土压力分布设计出的支护结构为三层锚拉桩，根据施工过程中的监测资料知，此结构设计合理。

5 结 语

(1)在松散覆盖层与岩体构成的深基坑坑壁土压力计算中，泥岩的侧向压力可忽略不计即认为泥岩中的主动土压力为零;

(2)在土压力的计算中，不能随意的运用全部土层厚度的加权平均来进行简化处理，要视各土层的性质是否相近而定。

［1］刘成宇．土力学［M］．北京:中国铁道出版社，2000．

［2］建筑结构静力计算手册编写组．建筑结构静力计算手册［M］．北京:中国建筑工业出版社，1975．

［3］余志成，施文华编著．深基坑支护设计与施工［M］．北京:中国建筑工业出版社，1997．

［4］中华人民共和国行业标准．建筑基坑支护技术规程(JGJ120－99)［S］．北京:中国建筑工业出版社，1999．

［5］姜志强，孙树林，李磊．基坑开挖中土压力计算模型探讨［J］．河海大学学报(自然科学版)，2003，31(3):303 －306．

［6］王照宇．位移土压力模型及其在基坑工程中的应用［J］．西部探矿工程，2003，(5):23－25．