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基坑支护设计荷载组合常见问题分析与讲解

693 2020-11-24 08:57:41

当前,按照《工程结构可靠性设计统一标准GB 50153-2008》、《建筑结构可靠度设计统一标准GB50068-2001》、《建筑结构荷载规范GB 50009-2012》的规定,各类工程结构、建筑结构的设计,应尽量采用以概率理论为基础、以分项系数表达的极限状态设计方法,这其中荷载组合是很重要的内容。对于地基基础设计中的基础强度设计、地基承载力设计、地基变形设计,需要对应的设计状态,以及配套的荷载组合,相对来说,一直比较成熟明确。但对于基坑支护设计来说,由于支护荷载主要来自于坡土自重产生的土压力、水压力、地面超载及环境荷载引起的侧向压力,这在《工程结构可靠性设计统一标准GB 50153-2008》中称作土工作用,进行支护设计荷载组合,在工程实践上,工程师多数情况给予的重视是不够的。本文就此问题开展分析探讨,并提出基坑支护设计荷载组合建议,共同行参考,不妥之处,请批评指正。

南京景伟科技大厦装配式钢结构基坑支护项目介绍

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1、荷载代表值和荷载组合的概念回顾

根据《建筑结构荷载规范GB 50009-2012》,相关的荷载代表值与荷载组合的基本概念复述如下:

标准值:荷载的基本代表值,为设计基准期内最大荷载统计分布的特征值(例如均值、众值、中值或某个分位值)。

准永久值:对可变荷载,在设计基准期内,其超越的总时间约为设计基准期一半的荷载值。

基本组合:永久荷载和可变荷载的组合。

标准组合:采用标准值或组合值为荷载代表值的组合。

准永久组合:对可变荷载采用准永久值为荷载代表值的组合。


2、基坑支护荷载特点分析

基坑支护设计中,支护荷载主要是侧向坡土对支护结构的作用,有:坡土自重与坡顶超载引起的土压力、水压力。按照朗肯土压力理论,表达式为:

坑底以上:

pa=(Σσi+γ*z)*tan²(45°-φ/2)-2*c*tan(45°-φ/2)

pw=γw*zw

式中:

pa----坡土自重与坡顶超载引起的土压力(kPa);

pw---水压力(kPa);

σi---第i个坡顶超载引起的土中竖向附加应力(kPa);

γ---重度(kN/m³);

z---计算点埋深(m);

zw---计算点水头高度(m);

c、φ---土的粘聚力(kPa)、内摩擦角(°)

从上述表达式可以看出,土压力是由坡土自重及坡顶超载引起,通过基坑开挖面,将超越坡土自身自立稳定能力的部分,以侧向土压力的方式,作用给支护结构。所以基坑支护荷载是一种很特殊的载荷。而上部结构荷载主要是构件自重、屋面楼面活荷载、气象荷载、地震荷载等。自重类的荷载为永久荷载,其它活荷载为可变荷载。永久荷载和可变荷载,都是直接施加于结构的一种作用,显然和基坑支护荷载是不同的。永久荷载中的“永久”指的是不随时间而变,是常量。可变荷载中的“可变”指的是随时间可变,是时间型的随机变量。

基坑支护荷载有土压力、水压力,其中的土压力,是坡顶超载、坡土重度、坡土粘聚力、内摩擦角等参数综合在一起产生的结果,随开挖支护深度、支护工艺而变,这其中的重度、粘聚力、内摩擦角等坡土的工程性质参数具有变异性,从工程勘察概率理论看,土的工程性质参数是随机变量,这个随机变量,在一定时期内,随时间而变不是它的主要特征,而是随取样位置、取样工艺而变,所以土的工程性质参数在数理统计上,有平均值、标准值,还有一个变异系数。基坑开挖支护工程,有永久性工程,更多的是临时工程,坡顶超载本身有永久荷载、可变荷载之分,坡顶可变荷载(活荷载)引起的侧向土压力自然属于可变荷载。工程实践上遇到的基坑工程多数是临时工程,从作用时间周期看,坡顶荷载均按永久荷载对待。

从上述分析看出,坡顶永久荷载,连同具有变异性的土自重参数、粘聚力、内摩擦角等主要参数,随开挖而形成的土压力荷载,从基坑支护荷载角度看,是具有变异性的永久荷载。


3、基坑支护荷载组合取值建议

(1)支护结构构件强度设计(抗压、抗拉、抗弯、抗剪、抗冲切),采用承载能力极限状态下的基本组合。土参数选用标准值,水压力、土压力分项系数均取1.2;

(2)支护结构稳定性计算,采用承载能力极限状态下的标准组合。土参数选用标准值,水压力、土压力分项系数均取1.0;

(3)支护结构变形控制,采用正常使用极限状态下的准永久组合。土参数选用平均值,水压力、土压力分项系数均取1.0 。


稿源:岩土工程学习与探索

作者:王长科

本文仅供学术经验分享之用

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