重力式水泥土挡墙基坑支护设计中几个问题的探讨[]
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发布时间：2022-05-15 01:11
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时间：2023-07-31 14:22
4.6.1 前言
水泥土搅拌技术是20世纪70年代发展起来的一门新技术，过去主要用来处理软弱地基，而近年来被越来越多地用于基坑支护。由于重力式水泥土支护技术在国内起步较晚，处于发展中，许多设计和施工技术正在完善，其基坑支护设计原理及计算，目前还没有统一的国家标准，只是出了一些地方性、行业性规范或规程。这些规程或规范主要是针对当地的工程情况、基坑和土层等制定出来的，具有较强的地方性。原冶金工业部和建设部分别于1998年和1999年颁布了《建筑基坑工程技术规范》（Y B 9258—97）和《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120—99）（以下分别简称为《规范》和《规程》）。目前国内绝大多数地方的工程技术人员，在进行重力式水泥土挡墙基坑支护设计时，主要是依据和参照《规范》和《规程》来进行设计。
进行重力式水泥土挡墙支护设计，其主要的设计内容一般为：挡墙的抗倾覆、抗滑移、墙身及地基土强度验算、抗隆起验算等。但在具体设计这些内容时，《规程》和《规范》里的计算公式，计算方法等有时相差较大，就是设计内容有时两者也有差异。这常常给基坑工程设计人员带来困难，不知以何种规程或规范为依据。尤其是在设计经验还不多的情况下更加感到棘手。其实，不论是上述的《规范》还是《规程》都不可能包罗万象，它们虽然都提供了一些设计计算方法和公式，但要能满足全国各地的基坑工程设计，也不太现实。这也许是《规范》和《规程》目前只是行业性标准，还没有成为国家标准的原因之一。其实，在支护设计中，只要根据具体的基坑工程及其土层情况，充分领会《规范》和《规程》的精神，设计起来还是很顺利的。下面就重力式水泥土挡墙支护设计内容，结合《规范》和《规程》的差异，对支护设计中的几个问题进行探讨。
4.6.2 抗倾覆设计及验算
抗倾覆设计及验算是重力式水泥土挡墙支护设计的重要内容。它直接关系到挡墙的尺寸大小，进而影响到工程的造价。在抗倾覆设计中，《规范》和《规程》都有明确规定。
原冶金工业部《建筑基坑工程技术规范》的第9.2.2条按式（4.1）确定：
桂林岩溶区岩土工程理论与实践
式中：
——被动土压力绕墙前趾O点的力距和；
——主动土压力绕墙前趾O 点的力矩和；
∑Mw——墙前和墙后水压力对墙前趾O点的力矩和；
G——墙身重量；
B——墙身宽度；
U——作用于墙底面上的水浮力，
γw——水的重度；
hwa——主动侧地下水位至墙底的距离；
hwp——被动侧地下水位至墙底的距离；
lw——U的合力作用点距墙前趾0点的距离；
γt——倾覆稳定抗力分项系数。
原建设部《建筑基坑支护技术规程》的第5.2.1条规定，水泥土挡墙厚度设计值b宜根据抗倾覆稳定条件，对墙底土体为粘性土或粉土时按式（4.2）确定：
桂林岩溶区岩土工程理论与实践
式中：γ0——建筑基坑侧壁重要性系数；
ha——合力∑Eai作用点至水泥土墙底的距离；
∑Eai——水泥土墙底以上基坑外侧水平荷载标准值合力之和；
hp——合力∑Epj作用点至水泥土墙底的距离；
∑E pj——水泥土墙底以上基坑内侧水平抗力标准值的合力之和；
γcs——水泥土墙体平均重度；
h——基坑开挖深度；
hd——合力∑E pj作用点至基坑开挖面得距离。
式（4.1）适应于任何土类（包括粘性土），考虑了地下水的作用，它认为地下水的作用：是自由流动的重力水而作用在挡墙上；而式（4.2）只适应于粘性土或粉土，没有考虑地下水的作用。
实际上，对于粘性土，由于土体孔隙较小，地下水很难自由流动，即使有地下水作用也仅仅是孔隙水压力，而用水土合算计算土压力时，可以把孔隙水压力对挡墙的作用概括进去，因此用式（4.2）较为合理；而对于粉土、砂等，地下水可以较自由地流动，其作用于挡墙的水压力可认为是自由流动的重力水作用，因此用式（4.1）计算较合理。
为了说明式（4.1）对粘性土挡墙设计不太合理，下面举一工程实例。桂林市中山中路某大楼，基坑深为5 m，土层依次为①填土，γ=17 kN/m 3,c =10kPa，φ＝15°厚度为2.5 m；②可塑粘土，γ=18 kN/m 3,c=28kPa，φ＝13°，厚度在8.0 m以上。用重力式水泥土挡墙支护，地下水埋深为1.2 m，表4.6是仅仅考虑抗倾覆的要求而设计计算的结果。
由此可见，《规范》由于过分地考虑了挡土墙前后地下水的作用，在计算过程中得到的地下水前后对挡墙墙前趾倾覆点O的力矩∑M w=1109 kN ·m，远大于主动土压力对O点的力矩
=1109 kM ·m。其实，粘性土是弱渗透性土，地下水很难产生像自由重力水那样的作用效果，其力矩也很难大于主动力的力矩而达到1109 kN·m。但如果当基坑土体为砂土、粉土时地下水对O 点产生的力矩还是可观的，采用《规范》第（9.2.2）条比较合理。当基坑土体为粘性土时，用《规程》中第5.2.1条比较合理。
表4.6 按抗倾覆要求设计计算结果与实际结果对比Table 4.6 Calculations result according to design anti-overturning compared with actual result
最后还有一点需探讨的是：式（4.1）中Ulw原意应为粘土挡墙底部水压力（浮力）对墙前趾O 点的力矩，其中U 为作用于墙底面上的水浮力（kPa），
；lw为U的合力作用点距O 点的距离（m），由此可知Ulw仅仅代表的是墙底单位面积上水压力（浮力）对O 点的力矩，只有Ulw再乘以墙宽B，即UlwB 才代表每延米长度方向上的水压力（浮力）对O 点的力矩；因此建议将式（4.1）改为：
桂林岩溶区岩土工程理论与实践
这样可能更合理。
4.6.3 抗滑移设计及验算
抗滑移设计与验算也是重力式水泥土挡墙设计的重要内容之一，《规程》和《规范》对此也作了较为详尽的规定。抗滑移设计验算可分为：挡墙整体滑移设计验算和挡墙水平滑动设计验算。
《规程》是根据水泥土挡墙嵌固深度来控制满足整体稳定性要求，其具体计算原理和过程在《规程》的附录A中有详细介绍，简洁明了，切实可行。但是，《规程》中没有对基坑抗水平滑动验算作要求。其实，在许多地区，尤其是软土地区，挡墙的水平滑动常常是水泥土挡墙支护工程的常见破坏形式。
《规范》中，既有水平滑动验算公式，又有圆弧整体滑动计算公式，内容较全面。但其整体滑动计算公式是经典的简单条分法，计算方法步骤烦琐，需经多次试算，工作量大，在工程设计中不太方便，而这一点《规程》中的附录A 可以弥补。因此对挡墙整体移动设计验算建议采用《规程》中的附录A 的方法；另外还需对挡墙进行抗水平滑移设计验算，依据《规范》中的计算分式，这样显得更合理。
4.6.4 基坑底部土体强度验算
基坑开挖前，施工完毕水泥土挡墙后，由于水泥土挡墙重度与原基坑土体的重度相差不大，挡墙底部土体所承受的压力无太大变化，原来处于稳定的土层仍将稳定。但当基坑土层开挖后，由于卸荷，基坑边缘的土体由于有临空面，挡墙底部的土体承载能力将降低，尤其是其承载力设计值将会降低，如图4.6，因此有必要验算其地基承载力。对此点，《规程》中没有作要求；而《规范》也仅仅是在第 9.2.3（2）条中式（9.2.3.2）有要求，但其要求不全面，它只对墙底边缘最大压力的A 点处进行了验算。而没有对整个挡墙底部的土体承载力进行验算。而有时，在满足抗倾覆、抗滑移，墙身应力强度，抗隆起等条件的情况下，恰恰是由于基坑挡墙底部土体承载力不足而导致支护失败或更改设计方案。
图4.6 基坑开挖示意图Fig.4.6 Diagram for excavation
例如某基坑深为6 m，基坑土体为软土，γ=17 kN/m 3,c=15kPa，φ＝6°，承载力标准值为fk=90kPa，地下水埋深为3.0 m。用重力式水泥土挡墙支护，设计墙宽B=3 m，挡墙高（h+D）为9 m（经计算满足抗倾覆、抗滑移及墙身应力等验算）。
在基抗开挖后，墙底软土的承载力设计值f应为（参照《建筑地基基础设计规范》（GBJ 7—89）第5.1.3条）
f=fk＋ηbγ（b-3） ＋ ηdγ0（d-0.5）
取
ηb=0；ηd=1.1;fk=90kPa
桂林岩溶区岩土工程理论与实践
将以上取值代入得
f=90 + 1.1 ×10.3 ×（ 6-0.5） = 152.3kPa
挡墙底部压力为：
桂林岩溶区岩土工程理论与实践
f=152.3kPa<P=180kPa
即挡墙底部的土体将破坏。
因此，在进行水泥土挡墙设计时，除按《规范》中的规定验算挡墙底部最大压力外，还需验算整个挡墙底部处地基土承载力，即挡墙底部处土体所受的压力p必须小于土体的承载力设计值f，而这一点，《规范》和《规程》中有关内容均没有提及。
4.6.5 土压力计算中的c、φ值选取
在水泥土挡墙支护设计中，土压力的计算是支护设计的根本依据，而土压力计算中的c、φ值又是最关键的参数。
在工程中，为了尽可能模拟工程各种复杂的排水条件，在进行c、φ值剪切试验时，通常分为三种情况，即三轴剪切试验的不固结不排水剪、固结不排水剪和固结排水剪，如用直接剪切仪，则分为快剪，固结快剪和慢剪。由于三轴剪切试验相对于直接剪切试验，更能模拟土体的实际受力状况以及更能严格控制排水条件，因此其c、φ值也相对更为可靠。对于基坑工程，一般要求采用三轴试验剪切实验。
不同试验方法和排水条件对c、φ值影响很大，例如在桂林市西门菜市主体工程场地，取同一粉质粘土试样进行不同固结排水条件下的直接剪切试验和三轴剪切试验，其对比结果如表4.7（c＇、φ＇为有效应力强度指标值）。由表4.7可知，同一土体采用不同的试验方法和排水条件，其值相差明显，由此计算的土压力也相差甚远。此外，土体的应力历史和应力路径也是影响土体c、φ值的重要因素。
表4.7 桂林市西门菜市主体工程部分粉质粘土剪切试验结果Table 4.7 Results of shear test of silty clay in the main project of Ximen market in Guilin city
对基坑土体c、φ值试验方法的选择，一般的原则是：当地基土的透水性和排水条件不良，土体没有固结，施工速度又较快，土中的水来不及排出时，采用不固结不排水（快剪）剪切试验，例如机械开挖粘性土基坑；而当基坑土体的透水性和排水条件较好时，且施工速度也较慢时，土体能够较充分地固结和排水，采用固结排水（慢剪）剪切试验，例如人工开挖粉砂、粉土基坑；如果介于上述两者之间，可用固结不排水（固结快剪）剪切试验结果。
根据前面的分析，桂林市区主要的基坑工程土层，所采用的剪切试验方法，建议如表4.8。
表4.8 桂林市区基坑土层c、φ值剪切试验的选用Table 4.8 The selection of c、φ in shear test for pit soil in Guilin city
4.6.6 结论
（1）在重力式水泥土挡墙支护设计中，其抗倾覆设计及验算对于粘性土基坑，建议采用《规程》中的有关规定；对于粉土、砂土基坑建议采用《规范》中的有关规定，同时建议将式（4.1）改为：
桂林岩溶区岩土工程理论与实践
（2）在抗滑移设计验算时，建议采用《规程》中的附录A 进行整体抗滑移计算，另外，还必须对基坑进行水平抗滑移验算，采用《规范》中的有关规定。
（3）《规范》和《规程》都没有对水泥土挡墙底部土体进行承载力验算，这有时会直接影响基坑工程的安全，建议对挡墙底部土体进行承载力验算，使挡墙底部土体所受的压力小于其承载力设计值。
（4）重力式水泥土挡墙基坑土压力计算中的c、φ值，可以因为不同试验方法和排水条件而表现为不同的数值，从而影响土压力值，因此，抗剪强度c、φ值试验，要依据不同的基坑土体条件和施工条件，而采用不同的试验方法，不能一概而论。
