维普资讯 http://www.cqvip.com
总第１１７期 ２００６年第１期 西部探矿工程 ＥｓＴ—ｃＨＩＮＡ ＥＸＰＬＯＲＡＴＩＯＮ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｊａｎ．２００６ 文章编号：１００４—５７１６（２００６）０１－－００５１－－０４ 中图分类号：ＴＵ４３２文献标识码：Ｂ 岩土抗剪强度参数对围护桩的影响及优选 李友生 ，杨文定 ，宋林辉。，岳克勤ｚ （１・江苏省中成建设工程总公司，江苏南京２１ｏｏｏｏ￣２．南京工业大学土木工程学院江苏南京２１０００９） ，摘要：通过对基坑开挖进行数值模拟，分析抗剪强度参数（即粘聚力和内摩擦角）对桩体最大弯矩的影响程度指出参 数值对支护设计起决定性的作用；并从三个方面叙述了参数的优选方法，以使工程设计人员从总体上把握抗剪强度参 ，数值对桩体上最大弯矩的影响，在确保工程安全的前提下，尽可能制定出经济合理的支护方案以降低工程的造价，从 ，关键词：粘聚力；内摩擦角；数值模拟；弯矩；优选；经济 １概述 在工程上，岩土的抗剪强度参数主要是指粘聚力ｃ和内摩擦 角 ，两者综合表征土的抗剪强度。众所周知，在基坑支护设计 中，这两个参数决定着支护结构所受力的大小，不同的ｃ、 值将 影响支护方案的选择。至于两者对基坑支护设计的影响程度如 何，以往给出的只是定性的说明，本文将结合现行的《建筑基坑支 护技术规￣｝（ＪＧＪ］２ｏ－９９），以悬臂桩为例，定量的描述抗剪强度 参数对围护桩的影响程度。 ２ ｃ、叩值对围护桩影响的数值模拟 根据国家规程我们可以得到支护结构上水平荷载和水平抗 力标准值的计算公式： 水土合算： 一Ｊ＼ ｅｐ１ 、∥ ／ ｈ２ 图ｉ基坑开挖土压力分布图 ｋ＝ｏ Ｋ －－２ｃ。ｋ，／Ｒ７ 水土分算； ｅａｊｋ—Ｃ％￣ｋＫ ｉ一２Ｃｉｋ 水土合算： ｅｐｊｋ：Ｏｐｉｋ －＇￣－２Ｃｉｋ （３） 下，计算公式为式（６）的第一式；当ｃ、 值位于曲线上方时（即ｔ≤ ＋［（ ～ ）一（ｍＪ— ） ｌ＜ａ。］ （２） Ｏ），则最大弯矩位于即基坑底面，计算公式为式（６）的第二式。 水土分算： ｅｐｊｋ＝ＯｐｉｋＫｐｉ＋２Ｃｉｋ￣／Ｋｐ。＋［（ ～ｈｗｐ）一（１～Ｋ ）］ （４） 对上面的公式我们可以进行简化，假设基坑开挖只在一种 土层中进行，且将水土合算与水土分算分别考虑。在对这些特殊 情况分析透彻后，可将其进行组合，并考虑不同的土层（可通过变 换ｃ、 实现），从而得到与规范公式一致的情况。 ２．１水土合算时悬臂围护桩的分析 水土合算即假设基坑位于单一粉土或粘性土层中，则当开 挖深度为ｈ ，嵌固深度为ｈｚ时，则根据规范公式可计算其土压 力值（如图１所示）及悬臂桩上的最大弯矩。 在得出桩体上的最大弯矩之前，应先对弯矩零点位置ｔ值进 行讨论（如式（５）所示），因为不同的ｔ值，求最大弯矩的公式也就 不一样。 一 ４０内摩擦角５ ０ 图２ ｔ－－Ｏ时ｃ、‘Ｐ之间的曲线关系（水土合算） ｔ一［仆 Ｋａ一２Ｃｋ（ ＋ ）］／７ （５） ＝ ㈤ 取ｔ一０，可得：ｃｋ＝ｇｈ￣Ｋ．／２（、／， ＋ｖ厂 ）（如图２所示）。 当ｃ、 值位于曲线下方时（即ｔ≥Ｏ），则最大弯矩位于基坑底面以 （ｈ】一 ２Ｃｋ 。 维普资讯 http://www.cqvip.com
Ｊａｎ．２００６ 西５２ 部探矿工程 Ｎｏ．１ 其中：Ｋ 一ｔａｎ。（４５。一 ／２）；Ｋｐ—ｔａｎ２（４５。＋ ／２）。 所示）以及最大弯矩公式。 从上式可以看出，最大弯矩与ｃ、 值成指数级关系，可以预 见其敏感系数很大，下面结合一实例进行说明。设有一基坑开挖 深度为６．０ｍ，土的重度为１８．０ｋＮ／ｍ３。则首先可分别得出ｃ、 值对最大弯矩的单独影响。 （１） 值对最大弯矩的影响。即式（６）中只允许存在一个变 量 ，可设ｃ一２５．０ｋＰａ，据此可以确定ｔ＝０时的 值，并以此为 界划分出与式（６）两式相应的 的范围，且岩土的内摩擦角一般 在４５。以内。 将所给参数代人可求出ｔ一０时 一２．１８。，也就是说当 ∈Ｅｏ，２．１８２时，采用式（６）中的第一式计算桩体上的最大弯矩 （过渡点左边部分），而当 ∈（２．１８，４５）时，则采用式（６）中的第 二式计算桩体上的最大弯矩（过渡点右边部分）。据此可得到最 大弯矩随内摩擦角的变化，如图３所示： 蠢１ ２０ Ｅ 萎， ００ 肿 ８０ ６０ ４Ｏ ２０ ０ ０ － 。６ ４０ ５０ 内 抹角（ｐ 图３水土合算中 与Ｍ。 的关系 （２）ｃ值对最大弯矩的影响。即式（６）中只允许存在一个变 量ｃ，可设 一２０．０ｋＰａ，据此可以确定ｔ一０时的ｃ值，并以此为 界划分出与式（６）两式相应的ｃ的范围，且岩土的粘聚力一般在 ５０ｋＰａ以内。 将所给参数代人可求出ｔ一０时ｃ一１２．４４ｋＰａ，也就是说当 ｃＥ Ｅｏ，１２．４４３，，ｔ，采用式（６）中的第一式计算桩体上的最大弯矩 （过渡点左边部分），而当ｃＥ（１２．４４，５０）时，则采用式（６）中的第 二式计算桩体上的最大弯矩（过渡点右边部分）。据此可得到最 大弯矩随粘聚力的变化，如图４所示。 （３）ｃ、 值对最大弯矩的综合影响。上述是已知一个参数求 另一个参数对最大弯矩的影响程度，能很好地反映单个参数的 敏感性，但不能全面地反映两个参数同时对最大弯矩的综合影 响程度。下面将假设两个参数均未知，即式（６）中同时存在两个 变量，并引人ｔ一０时ｃ、 之间的关系，在三维空间内给出最大弯 矩同时随粘聚力和内摩擦角的变化，如图５所示。 ２．２水土分算时悬臂围护桩的分析 水土分算即假设基坑位于单一砂性土层中，悬臂桩上的最 大弯矩公式推导过程与水土合算的相似，不过在土压力计算过 程中要增加静水压力，此处不再雷同，直接给出ｔ一０时Ｃ、 之间 的关系为Ｃｋ一［７ｈ Ｋ ＋（１一Ｋ ）７ ｈ１／２（ｖ／Ｋ ＋ Ｋ。）（如图６ ×３５０ 兰３００ ２５０ ２００ １５０ １００ ２０ ４０ ５０ 粘聚』ｊＣ 图４水土合算中Ｃ与Ｍ。 的关系 １５００ Ｌ１０００ ５００ Ｏ １ －５００、』 ３０ 粘聚力 ５０ 角 图５水土合算中ｃ、 与Ｍ。 的关系 Ｕ 联 内摩擦角（Ｉ） 图６ ｔ＝０时ｃ、 之间的曲线关系（水土分算） 同样，当ｃ、 值位于曲线下方时（即ｔ≥Ｏ），则最大弯矩位于 基坑底面以下，计算公式为式（７）的第一式；当ｃ、 值位于曲线上 方时（即ｔ≤Ｏ），则最大弯矩位于即基坑底面，计算公式为式（７） 的第二式。即： ｆＭ础一 ＋ Ｊ Ｙｈ Ｋ ＋（１一Ｋ ）７ ｈ －－２ｃｋ（、／， ＋￣／， ）］。 Ｉ ３［（７＋７ ）Ｋ。］ （７７ ｌ‰一 慧 维普资讯 http://www.cqvip.com
２００６正 第１ 李友生，杨文定，宋林辉，岳克勤：岩土抗剪强度参数对围护桩的影响及优选 和水土合算一样，分三种情况来讨论采用水土分算时，Ｃ、 值对最大弯矩的单独及综合影响程度。 （１） 值对最大弯矩的影响。将参数代入可知ｔ一０时 一 ４．９５。，则最大弯矩随内摩擦角的变化如图７所示。 × ∞ Ｅ Ｌ］』 图７水土分算中 与Ｍ 的关系 （２）Ｃ值对最大弯矩的影响。将参数代入可知ｔ一０时ｃ一 １９．６ＺｋＰａ，则最大弯矩随内摩擦角的变化如图８所示。 × Ｅ 计 Ｄ 札聚力ｃ 图８水土分算中Ｃ与Ｍ 的关系 （３）ｃ、 值对最大弯矩的综合影响。同样，我们可以在三维 空间内给出水土分算时最大弯矩同时随粘聚力和内摩擦角的变 化，如图９所示： ３结果分析 首先可以明确上述曲线是合理的，在水土合算与水土分算 中二维的曲线关系与三维是一致的。接下来我们就可以从上面 的数值模拟结果中得到如下几点结论： （１）除在水土分算中Ｍ 随 值先减后增外（这一点在后面 说明），不管是采用水土合算还是采用水土分算，最大弯矩Ｍ 均随ｃ、 值递减。这也就说明抗剪强度参数值越大，桩体上的最 大弯矩就越小，这与理论及工程实践都是一致的。 （２）从图中可以看出，最大弯矩与Ｃ、 值之间并不是呈线性 关系，其减低的幅度是逐步减小，并最终趋向于零的。ｄ王就是说， ５３ ｌ ４ｏｏ 荟 ３ｏ。 ＜ｌ 蠼２Ｏ。 １。。 Ｏ ， ３０ ，６Ｏ 帖聚力ｃ ４０内摩擦角 图９水土分算中ｃ、 与Ｍ～的关系 如果岩土体的抗剪强度达到一定值后，桩体上将没有弯矩，此时 就不需要进行支护，可以直接开挖了；另外还可注意到在确定是 否需要地基处理时，可参考其抗剪强度指标，如果抗剪强度值较 大（达到图中趋于平稳的状态），则处理后的效果不是很明显。 （３）对比水土合算与水土分算的结果可以看出，弯矩等于零 时，水土分算的Ｃ值（５０ｋＰａ左右）比水土合算的（３０ｋＰａ左右）要 大，我们知道，两种算法的不同点是前者增加了静水压力，即荷载 加大了，这时便需要更大的粘聚力来抵抗增加的荷载，这与工程 实践也是一致的；这种荷载的增加还可推广到地面超载的增加、 基坑开挖深度的增加以及土的重度的增加等。 （４）在水土分算中，最大弯矩与 值的关系出现异常（先减 后增），这是不足为奇的，因为首先应明确上述数值分析是基于国 家基坑支护规程上的计算方法进行的，从其计算公式来看，土压 力值增加了（１一Ｋ ）７ ｈ 项，随着 值的增加，该项的值也递增， 所以最大弯矩便出现了先减后增的情况。 （５）从结果可以看出，ｃ、 值对最大弯矩的影响是很明显的， 例如：△ｃ：△‰ 一１：¨，Ａ｛ｐ：△Ｍ 一１：３．５，具体可在图上 量测对比。 ４抗剪强度参数优选 由上可知：抗剪强度参数对桩体上的最大弯矩影响十分明 显，可以肯定地说，计算结果的可靠性在很大程度上取决于抗剪 强度的正确确定，而不同静力计算方法的影响则要小得多，因此， 在参数的选用上我们应该慎重。目前看来，主要从以下三个方面 进行优选。 ４．１选择合适的剪切实验方法 常用的剪切实验方法，根据不同的排水条件可分为三种，即： 不排水剪ＵＵ（或称为快剪）、固结不排水剪ＣＵ（或称为固结快 剪）以及排水剪ＣＤ（或称为慢剪）。三种方法各有优缺点，ｄ土各 适用于不同的情况。目前规范一般推荐固结快剪指标，因为固结 快剪是在垂直压力下固结后再进行剪切、使试验成果反映正常 固结土的天然强度，充分固结的条件也使试样土受扰动以及土 样中夹薄砂层的影响都减到最低限度，从而使试验指标比较稳 定。但是，具体采用何种试验方法应从三方面考虑： （１）从基坑开挖速率考虑。目前基坑均采用机械开挖，施工 速度快。若土的透水性较差且排水条件又不佳时，土来不及固结 就可能失去稳定，可采用Ｌ兀Ｊ试验；若土的透水性好且排水条件 维普资讯 http://www.cqvip.com
总第１１７期 西部探矿工程 ＷＥＳＴ—ＣＨＩＮＡ ＥＸＰＬ０ＲＡＴ１０Ｎ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ｓｅｒｉｅｓ Ｎｏ．１１７ ２００６年第１期 文章编号：１Ｏ０４—５７１６（２００６）０１一Ｏ０５４—０２ 中图分类号：Ｕ４４３．１５文献标识码：Ｂ 人Ｔ 桩质量监控之探讨 潘宇雄 （海南省环境地质勘察院，海南三亚５７２０００） 摘要：结合三亚丰兴隆区和鹿回头区人工挖孔桩存在的问题，依据实践经验及理论知识，分桩承载力判定、桩砼灌注 和桩砼质量的判定三个问题对人工挖孔桩质量监控进行探讨。 关键词：人工挖孔砼桩；质量监控 人工挖孔桩（以下简称桩）在一些基岩层埋藏较浅地区常被 和夹层较多。该区桩施工时若不清楚其地层特点，容易误判，造 成桩质量事故。 桩质量监控从验收规范来看比较简单，是地基承载力的鉴 定、钢筋笼的检查与桩砼质量的控制过程，但由于地下工程不可 采用。三亚丰兴隆区和鹿回头区是三亚市两大较复杂的基岩区。 丰兴隆区为白垩系红色砂岩，鹿回头区是奥陶系砂岩砾岩。两区 基岩埋藏较浅，裂隙发育，起伏大，风化不均匀，余留的风化岩块 好时，可采用ＣＵ试验。 值进行优选，具体如下： 目标函数为： （２）从基坑降水与否及土的渗透性考虑。当基坑降水时，对 粉土、粉质粘土、砂土而言，因其渗透性相对较强，就是排水固结 过程，并且在基坑开挖过程中，粉土、粉质粘土既非完全不排水， 又非完全排水，因而可采用ＣＵ或ＣＤ试验结果；对粘土、饱和粘 土、老粘土和淤泥质土，由于渗透性很小（Ｋ为１０一～１０ ｃｍ／ 蚤＂ｇｉ－（ｃ＋ｄ；ｔｇｑｇ￣ 一ｍｉｎ 约束条件为： ｃｌ≤ｃ≤Ｃ２； ≤ ‘Ｐ２ （。） ｓ），受荷后来不及排水固结即可能破坏，故宜采用ＵＵ试验结果； 当基坑不降水而采用止水措施时，则宜采用Ｕｕ试验结果。 式中：Ｃ ，Ｃ ——土的粘聚力经验约束上下限值； ‘Ｐ ，（Ｐ２——内摩擦角经验约束上下限值； ｏｉ ——室内试验正应力值和剪应力值； ｎ——ｄｉ— 试验数据点个数。 （３）从应力路径考虑。基坑开挖，宏观上属于卸载问题，土体 中的平均正应力下降，偏应力则大增，根据不同排水条件下的摩 尔应力圆可知，对卸载问题采用ＵＵ实验是偏危险的，而ＣＤ实 验偏安全，ＣＵ实验则居中。 ４．２采用合理的数据统计方法 利用式（８）即可根据室内试验数据和经验优选Ｃ和‘Ｐ值。 ５结束语 通过上面的讨论，可使工程设计人员从总体上把握抗剪强度 参数值对桩体上最大弯矩的影响，从而可以选定经济合理的支护 首先我们应该明确岩土抗剪强度参数Ｃ、‘Ｐ值不是通过直接 方案，在确保工程安全的前提下，降低工程的造价；另外在选择参 单元统计得到的，而是对剪切实验中不同垂直压力。下对应的ｒ 数上，也可以多方面考虑，得出最优的强度参数，从而对整个的支 值统计计算得到的，属于二元统计分析问题。例如可采用随机 护方案进行优化，产生良好的经济效应。 模糊最小二乘法进行统计计算。 ４．３参考经验值 有关规范规定：地面有排水和防渗措施时，土的内摩擦角‘Ｐ ［１］秦四清．深基坑工程优化设计［Ｍ］．北京：地震出版社，１９９８：７～１３． 值可酌情调整，具体如下： ［２］陈忠汉，黄书秩，程丽评．深基坑工程［Ｍ］．北京：机械：ｔ￣ｌｋ出版社， （１）板桩墙外侧，在井点降水范围内，‘Ｐ值可乘以１．１～１．３； ｌ９９９：６０～６５． 参考文献： （２）无桩基的板桩墙内侧，‘Ｐ值可乘以１．１～１．３； （３）有桩基的板桩墙内侧，在送桩范围内乘以１．０；在密集群 桩深度范围内，乘以１．２～１．４； （４）在井点降水土体固结的条件下，可将士的内聚力ｃ值乘 以１＿１～１．３。 ［３］钱家欢，殷宗泽．土工原理与计算．北京［Ｍ］：中国水利水电出版社， １９９６：２５９￣３０２． ［４］建筑基坑支护技术规程（ＪＧＪ１２０—９９）Ｉ－Ｒ］．北京：中国建筑工业出版 社，１９９９：６～１５． ［５］马良驹，袁灿勤．岩土工程勘察数据统计分析［Ｍ］．南京：南京大学 出版社，ｉ９９Ｉ：９０～１０９． 另外，我们还可以结合经验值，采用线性规划理论可对Ｃ、‘Ｐ