基坑回填质量对基础的影响分析.doc

第28卷第2期2006年3月

南　京　工　业　大　学　学　报J

OURNALOFNANJINGUNIVERSITYOFTECHNOLOGYVol.28No.2

Mar.2006基坑回填质量对基础的影响分析李兴文1,宋林辉2,梅国雄2(

1. 深圳市大鹏半岛水源工程管理处,广东深圳518008;

2. 南京工业大学土木工程学院,江苏南京210009

)摘　要:针对目前设计上不重视基坑回填的现象,从推导考虑破裂面的土压力计算公式入手,分析了基坑回填处理

不当引起的受力分布情况以及对基础产生的影响,并通过一工程实例详细阐述了其分析计算过程,可为今后的基

坑回填提供借鉴。

关键词:基坑回填;破裂面;受力分析;基础3中图分类号:TU432　　　文献标识码:A　　　文章编号:1671-7643

(

2006

)

02-0040-05　　随着现代城市建设的高速发展,地下空间的利

用越来越受到人们的重视,诸如地下铁路、地下商场、地下车库等地下建筑物的开发建设在近几年迅

猛递增,这就带来了大量的基坑工程。但基坑回填

工作一直未受到设计单位的重视,在建筑施工图上

一般也不做规定,这就使得施工单位在施工过程中敷衍了事,难以确保回填的质量,最终影响建筑物的使用,甚至使结构发生破坏。下面就对因回填处理不当产生的影响进行分析。1　基础体系的受力分析基坑回填后,基础将受到土侧压力的作用,但由于回填处理不好,使得此处的土压力计算与常用的

土压力计算方法有所不同。由工程实践可知:对于

放坡开挖的基坑,回填土与原场地土之间将存在一滑裂面;而对于采用围护桩支护的垂直开挖基坑,在开挖过程中围护桩已有向坑内的位移,一旦回填拆撑未处理好,比如回填土未达到所需的密实度或所

用的土料不符合要求,将使得围护桩进一步向坑内

倾斜,从而导致坑外侧的土体产生滑裂面(通常在坑边很明显)。也就是说,此时土压力的计算应考虑土体中已存在滑裂面。据此分析,可采用如下的土压力计算公式。1.1　考虑破裂面的土压力计算公式[1]如图1所示,假定墙背竖直、光滑,墙后土体均匀、各向同性,且墙体与土体均属平面变形问题,土

体表面与墙顶面平齐且水平,破裂面BC与水平面

成

θ

角并通过墙踵B点。墙后土体天然容重为

γ/

(kN?m-3)

,抗剪强度指标为c/

(kN?m-2)、

φ/

(°)

,表面超载为q/

(kN?m-2)

,墙高为H/m。单位

墙宽上所受的主动土压力E可这样求得:在离地表任

一深度z处取一微分土条defg,作fh⊥dg,可认为作

用在墙背de上所承受的总主动土压力由微三角滑楔体fhg产生,进而对它沿墙H进行积分,即得墙背AB上所承受的总主动土压力。现取△fhg为脱离体,分析其受力,如图2所示。图2中,法向应力(γz+q

)图1　挡土墙示意图Fig.1　Diagramofretainingwall3

收稿日期:2005-06-27基金项目:江苏省高校自然科学研究计划项目(

04KJB560048

)作者简介:李兴文(

1977-

)

,男,安徽桐城人,在职博士生,主要研究方向为水务工程管理;梅国雄(联系人),教授,E2mail:meiguox@为填土表面下深度z处由自重和超载所产生的力,水平向应力

σ

为墙背对土条所作用得支撑力,Wi为

微三角滑楔体的自重,τ

为沿破裂滑动面上的剪应

力,

N为作用在该滑动面上的法向反力(由静止的

岩土体提供)。图2　微三角楔体受力图Fig.2　Loadingdiagramoftinytriangleweclgeblock可以得到:Wi=γ

?ctgθ(dz

)2/2,τ=[c+Ntgφ]?dz/sinθ,σ

、N待定。对微三角滑楔体△fhg取静力

平衡可求得:N=(γz+q

)ctgθ-cctgθ+tgφ(

1

)将式(

1

)代入∑x=0平衡式可求得:σ=N

(1-tgθ

?tgφ)-c?ctgθ=

tg(θ-φ)

[

(γz+q

)ctgθ-c]-c?ctgθ(

2

)式(

2

)即为侧土压力沿墙高分布的计算公式。

则通过积分就可求得作用在墙背上的总主动土压

力,即:E=tg(θ-φ)

(1

2γH2+qH

)ctgθ-cH-cH?ctgθ(

3

)

1.2　破裂面的确定

破裂面的确定需要知道两个量,即破裂面与水

平面的夹角

θ

和土体滑动转点的位置(图1中B点

的位置)。

土体滑动转点位置可以这样确定:如果是放坡开挖回填的话,由于主要是回填土产生滑移,所以转

点就是坡脚处,也即底板处;如果是围护桩垂直开

挖,因为基础底板施工完毕后,一般都要将底板往外

扩展以顶住支护桩或支护边线上的土体,则可认为

底板以下的支护桩和土体被约束了,底板处即为转

点的位置。同样,极限破裂角

θ

也是如此:如果是放

坡开挖,则可认为极限破裂角即为放坡的坡角;如果

是围护桩垂直开挖,则可根据上述方程求得,当土体

达到极限平衡状态时有:dEdθ=0则:{[tgφ(γH+2q

)

]/2+c}?ctg2θ+　　[tgφ(γH+2q

)+2c]?tgφ

?ctgθ+　　c?(tg2φ-1)-[tgφ(γH+2q

)

]/2=0令:A=[tgφ(γH+2q

)

]/2+c;

B=tgφ[

(γH+2q)?tgφ+2c];

C=c?(tg2φ-1)-[tgφ(γH+2q

)

]/2则有:

ctgθ=

- B±B2-4AC2A　(舍去负根)(4)求反正切后即得到围护桩垂直开挖下的极限破

裂角。

极限破裂角

θ

和土体滑动转点的位置确定后,破裂面的形状也就完全确定下来了,接下来便可求

出作用在墙背上的土压力。另外,计算时将基础外

墙视为以楼板为梁的单向板,得出土侧压力在上面

产生的弯矩,并评价其所受的影响程度。1.3　参数研究

由式(3)可知,总主动土压力E除与土层自身

的土性参数(内聚力、内摩擦角以及重度)有关外,还与土层厚度、极限破裂角

θ

和超荷载q有关。此

处的超荷载q可定义为:计算表层土的土压力时q等于地面的超载,而计算深层土的土压力时,则q等

于该层土以上所有土层的荷载之和。同样,由式(4)可知,极限破裂角

θ

也与土层自身的土性参数(内聚力、内摩擦角以及重度)、土层厚度和超荷载q有关。因此,可以分析各参数对土压力和极限破裂

角的影响程度。

将公式中所涉及到的土性参数值对极限破裂角

和土压力进行敏感性分析(如图3,4所示)。为便

于表示结果,将各参数除以计算中的初始值,进行参

数归一化,极限破裂角和土压力则通过除以初始参数值得到的计算值进行归一化,所以图3,4中各曲

线的纵轴初始值为110。

从图3可知,5个参数(重度

γ

、内摩擦角

φ

、内

聚力c、超载q和土层厚度H

)中,对极限破裂角影响

最大的为内摩擦角

φ,其余参数几乎没有影响。由

图4可知,土压力受超载q和土层厚度H的影响最大,且随超载、层厚、重度的增加而增加,这与实际情况是相符的;而随着内聚力c和内摩擦角

φ

的增大,14　第2期李兴文等:基坑回填质量对基础的影响分析土压力呈减小趋势,这也是合理的,因为内聚力c和

内摩擦角

φ

的增加表明土质变好,则土压

力减小。

另外要说明的是随着内聚力c的

增加,土压力比出

现负值是由于内聚力过大,土

体产生直立高度(即

不需要支护的高度)。图3　土性参数对极限破裂角的敏感性分析Fig.3　Analysisofparameterssensitivetotheultimateruptureangle图4　土性参数对土压力的敏感性分析Fig.4　Analysisofparameterssensitivetotheearthpressure2　基础体系所受的影响2.1　施工期间所受的影响

通过上述的受力分析可知,基础外墙在受到土的

侧向挤压作用后,将在墙体上产生弯矩,使得基础外

墙内侧受拉,而外侧受压。如果弯矩不大且基础外墙受力性能较好,则不会出现问题;如果弯矩比较大,则基础外墙内侧可能出现裂缝,特别在浇筑时间较短,混凝土还未达到应有的强度时,则可能使基础外墙产

生破坏,这种现象在工程抢工期的情况下容易出现。2.2　使用期间所受的影响[2]该影响主要是针对高层建筑在风载、地震荷载

等的作用下出现水平滑移的情况。如图5所示,对

于深基础,设作用在基础顶部的水平荷载为Q,则水

平剪力Q由垂直于剪力方向的侧壁被动土压力合

力P、基底摩擦力合力F1和侧壁(平行于剪力方向)摩擦力合力F2之和来平衡,于是应满足:

KQ≤F1+F2+P

(5)式中:K为安全系数。式(5)移项可变成:

P≥KQ-F1-F2(6)由式(

6

)可知,基坑侧壁所提供的土压力必须

要大于一定的值,才能确保建筑物的安全,所以必须保证基坑的回填质量。如果回填土的密实度不够或

土质很差,则达不到所需的土压力。图5　抗水平滑移计算示意图Fig.5　Diagramofcalculationforanti2slip3　工程实例3.1　工程概况

某商厦建筑地上6层,设2层地下室,基坑实际开挖深度由现自然地坪算起为-11150m。拟建场地地貌单元属长江南岸冲积平原,地下水为浅层孔

隙潜水,稳定水位埋深为-115m左右。支护深度影响范围内土层依次分布着:杂填土、粉土、淤泥质粉

质粘土、粉质粘土,各土层的物理力学指标见表1。表1　土层物理力学参数Table1　Physic2mechanicparametersofsoillayers土　　层

γ/

(

kN?m-3)c/

(

kN?m-2)φ/

(°)h/m①杂填土181510101510210②粉土191316141315115③淤泥质粘土17158101010715④粉质粘土171813101212510⑤粉质粘土1914251015101210

24南　京　工　业　大　学　学　报　第28卷　3.2　设计支护方案

基坑四周采用钻孔灌注桩加二层支撑支护方

案;设计的

基础外墙厚400mm,配两排三级

Φ16

@

100的竖向

钢筋,横向钢筋为三级

Φ1

4@100。地下

室施工的程序为:

(

1

)施工围护桩;(

2

)开挖土方至

冠梁底与施工冠梁;

(

3

)待冠梁砼强度达85%以上,开挖至第二道支撑顶面;(

4

)开挖第二道支撑系统

基槽,施工第二道支撑;

(

5

)待第二道支撑系统砼强

度达到85%以上,开挖土方至坑底;

(

6

)施工承台及

地下室底板,清理围护桩面,并将底板砼浇注范围延伸至围护桩边,顶住围护桩;

(

7

)底板砼强度达到85%以上,拆除第二道支撑,施工地下室侧墙及地下

室二层顶板;

(

8

)待侧墙及地下室二层顶板砼强度

达到85%后,回填地下室侧墙与围护桩之间的槽形空间,拆除第一道支撑,继续施工地下一层侧墙及地下室顶板,见图6。图6　回填拆撑示意图Fig.6　Diagramofbackfillanddismantlingprops3.3　回填拆撑引发的问题拆撑从东北角开始,先对该区域的次梁进行破断,后破断主梁,该区域拆撑结束后,发现支护桩向坑内的倾斜加大,基坑外侧土体出现较大裂缝,并有下陷的迹象,且在基础外墙内侧出现多处小裂缝。3.4　对问题的计算分析

从问题的迹象可知该问题与本文所分析的情况

相符,故可采用上述分析结论对其进行计算分析。首

先计算出极限破裂角,由表2的计算结果可知,角度

随土层深度向下呈递减趋势,即滑裂面为一弧形,与实际情况相符。然后是计算侧土压力,由于侧土压力上小下大,所以第二层地下室的基础外墙受荷较大,考虑到计算方便,将梯形荷载等效成均布荷载。q=E

H=

(

7117+12110

)×4

2×4

=9614　kN/m2可求得基础外墙上的最大弯矩为:Mmax=01096×9614×42=148111　kN?m另外,按规范[3],根据基础外墙的设计参数,可

求得其能承受的最大弯矩为:M设=Asfyγsh0=23216　kN?m则:η=MmaxM设=

14811

23216×100%=6317%即侧土压力在基础外墙上产生的弯矩已达到设

计值的6317%。研究表明[4]:普通钢筋混凝土受弯构件在30%～40%的设计荷载作用下,就可能出现

裂缝;受拉构件在钢筋应力仅为设计值的1/14～1/10时就开始出现裂缝。由此看来,拆撑后基础外

墙出现裂缝是必然的,且裂缝有进一步扩大的可能,为确保安全,应对其余区域回填拆撑的质量进行控制,提高填土的密实度,以减少基坑外侧土体出现破裂面。表2　滑移土体参数计算结果Table2　Calculatedresultsofslippingsoil土　　层

计算深度h/m破裂角/

(°)合力E/

(

kN?m-2)①杂填土21053111812②粉土11552122719③淤泥质粘土6105011504133.5　有限元分析

为进一步验证该分析过程的合理性,运用PLAXIS有限元软件进行数值模拟。所取的土层参

数与上述参数一致。在建模过程中,边界采用45m×45m的方形区域,桩设为弹性体,选用摩尔

库仑本构模型,并采用六节点单元。图7　挡墙水平变形阴影图Fig.7　Shadingmapofhorizontaldisplacementofretainingwall计算后,得到挡墙的水平变形(图7

)

,由图7可

知,最大水平位移达到2210mm;另外,根据挡墙的3

4　第2期李兴文等:基坑回填质量对基础的影响分析总变形图(图8

)

,最大总位移达到31137mm,且两

者均发生在底板与第二道支撑之间,正

是本工程外

墙破坏的位置。图8　

挡墙总变形图Fig.8　Mapoftotaldisplacementofretainingwall因此,不管是简化计算方法,还是有限元模拟计

算,都反映出如果基坑回填不按规范进行,很容易导

致基坑出现破坏,甚至影响到建筑物外墙的安全。4　结　语综上所述可知,基坑回填质量如果未把握好,在拆撑施工阶段就可能出现问题,使基础外墙开裂,严

重时将导致结构破坏;即使施工阶段未出现问题,也给建筑物在使用期间留下了安全隐患,因为在较大

的风载、地震荷载等水平力的作用下,建筑物可能会

因水平抗力不足而发生水平滑移,导致建筑物失稳。因此,设计和施工单位都应重视基坑的回填,以确保建筑物的安全。

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(

2

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[4]　杨志奎.钢筋混凝土裂缝原因分析及处理[J].施工技术,2002,8:47-48.AnalysisofeffectsofpitbackfillqualityonfoundationLIXing2wen1,SONGLin2hui2,MEIGuo2xiong2(

1. DapengHalfIslandAdministrativeOfficeofWaterSourceEngineering,Shenzhen518008,China;

2. CollegeofCivilEngineering,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210009,China

)Abstract:

Thedesignersdonπtattachimportancetothebackfillofpitcurrently.Inordertomakethefoundation

safe,thispaperanalyzesthedistributingoftheloadingandtheeffectonfoundationduringbadmanagementin

backfillofpitbydeducingthecalculationformulaofsoilpressurebasedontherupturesurface.Withanexample

theprocessesofanalysisandcalculationwasoffered.Theycanbeappropriatereferenceforpitbackfillinfuture.

Keywords:backfillofpit;rupturesurface;analysisoftheloading;foundation4

4南　京　工　业　大　学　学　报　第28卷