淺談基坑穩(wěn)定性分析

馬琳琳

0 引言

基坑開(kāi)挖的過(guò)程是基坑開(kāi)挖面上卸荷的過(guò)程。在基坑開(kāi)挖時(shí),由于坑內(nèi)土體挖出后,使地基的應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)發(fā)生變化,可能導(dǎo)致地基的失穩(wěn)。近年來(lái),城市基坑邊坡失穩(wěn)、坑底隆起及涌砂等事故時(shí)有發(fā)生[1],基坑的失穩(wěn)與破壞可以是緩慢的,也可以是突然的,但都有明顯的觸發(fā)因素,諸如振動(dòng)、暴雨、外荷或者其他的人為因素。所以在進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí),需要驗(yàn)算基坑的穩(wěn)定性。必要時(shí)應(yīng)采取必要的加強(qiáng)防范措施,使地基的穩(wěn)定性具有一定的安全度。

本文分析了基坑的整體穩(wěn)定性、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定性以及基坑底部土體的抗隆起穩(wěn)定性。后者對(duì)保證基坑穩(wěn)定和控制基坑變形有重要的意義。

1 穩(wěn)定性分析

1.1 基坑的整體穩(wěn)定性分析

放坡開(kāi)挖的基坑或者有支護(hù)的基坑,整體穩(wěn)定性驗(yàn)算分析通常采用圓弧滑動(dòng)法(如條分法)。在放坡開(kāi)挖的基坑中,邊坡失穩(wěn)主要由于土方開(kāi)挖引起的基坑內(nèi)外壓力差(包括水位差)。在有支護(hù)的基坑中,采用此方法驗(yàn)算支護(hù)結(jié)構(gòu)和地基的整體抗滑動(dòng)穩(wěn)定性時(shí),應(yīng)注意支護(hù)結(jié)構(gòu)一般有內(nèi)支撐或外側(cè)的錨拉結(jié)構(gòu)和墻面垂直的特點(diǎn),不同于邊坡穩(wěn)定驗(yàn)算的圓弧滑動(dòng),滑動(dòng)面的圓心一般在擋墻上方,靠近內(nèi)側(cè)附近。通常試算應(yīng)確定最危險(xiǎn)的滑動(dòng)面和最小安全系數(shù)。考慮內(nèi)支撐作用時(shí),通常不會(huì)發(fā)生整體穩(wěn)定破壞。因此,對(duì)于只設(shè)一道支撐的支護(hù)結(jié)構(gòu),需驗(yàn)算整體滑動(dòng),對(duì)設(shè)多道內(nèi)支撐時(shí)可不作驗(yàn)算。

1.2 基坑的抗?jié)B穩(wěn)定性驗(yàn)算

深度較大的基坑在動(dòng)水壓力的作用下,比較容易發(fā)生管涌的現(xiàn)象。所謂管涌是指在滲流水的作用下,土中的細(xì)小顆粒被沖走,土的空隙擴(kuò)大,逐漸形成管狀滲流通道的現(xiàn)象?；娱_(kāi)挖過(guò)程中,由于降水使得基坑內(nèi)外形成較大的水力梯度,產(chǎn)生較大的滲流力,如不加處理則可能在坑底或坑壁產(chǎn)生流砂或管涌的現(xiàn)象,造成基坑破壞或鄰近建筑物的毀壞。因此,實(shí)際工程中通常在基坑周?chē)O(shè)置止水帷幕,來(lái)抵抗?jié)B流力。

1.3 基坑底部土體的抗隆起穩(wěn)定性分析

在許多隆起穩(wěn)定性的計(jì)算公式中,驗(yàn)算抗隆起的安全系數(shù)時(shí),僅僅給出純粘土(φ=0)或純砂土(c=0)的公式,很少同時(shí)考慮 c,φ。顯然對(duì)于一般的粘性土,在土體抗剪強(qiáng)度中應(yīng)包括和的因素。同濟(jì)大學(xué)汪炳鑒等參照普朗特爾及太沙基的地基承載力公式,并將墻底面的平面作為求極限承載力的基準(zhǔn)面,建議采用下式進(jìn)行抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算,以求得墻體的插入深度:

其中,q為基坑頂面的地面超載,kPa;D為樁(墻)的嵌入長(zhǎng)度,m;H為基坑的開(kāi)挖深度,m;c為樁(墻)底面處土層的粘聚力, kPa;φ為樁(墻)底面處土層的內(nèi)摩擦角,(°);γ為樁(墻)頂面到底處各土層的加權(quán)平均重度,kN/m3;Nq,Nc均為地基極限承載力的計(jì)算系數(shù)。

用普朗特爾公式:

用太沙基[3]公式:

2 設(shè)計(jì)實(shí)例

某工程基坑開(kāi)挖深度為12.89m,采用樁φ600@1 200+內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)。

1)整體穩(wěn)定驗(yàn)算。整體穩(wěn)定驗(yàn)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖 1。

計(jì)算方法:瑞典條分法應(yīng)力狀態(tài):總應(yīng)力法條分法中的土條寬度0.40m。

滑裂面數(shù)據(jù):

整體穩(wěn)定安全系數(shù):Ks=1.394;

圓弧半徑:R=13.316m;

圓心坐標(biāo):X=-2.144m;

圓心坐標(biāo):Y=9.030m。

2)抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算?？箖A覆安全系數(shù):

其中,Mp為被動(dòng)土壓力及支點(diǎn)力對(duì)樁底的抗傾覆彎矩,對(duì)于內(nèi)支撐支點(diǎn)力由內(nèi)支撐抗壓力決定;對(duì)于錨桿或錨索,支點(diǎn)力為錨桿或錨索的錨固力和抗拉力的較小值;Ma為主動(dòng)土壓力對(duì)樁底的傾覆彎矩。

經(jīng)計(jì)算:工況 1～工況 7滿足規(guī)范要求。工況 8～工況 14:已存在剛性鉸,不計(jì)算抗傾覆。

3)抗隆起驗(yàn)算?？孤∑痱?yàn)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖 2。

Prandtl(普朗特爾)公式(Ks≥1.1～1.2),注:安全系數(shù)取自YB 9258-97建筑基坑工程技術(shù)規(guī)范(冶金部):

Terzaghi(太沙基)公式(Ks≥1.15～1.25),注:安全系數(shù)取自YB 9258-97建筑基坑工程技術(shù)規(guī)范(冶金部):

4)隆起量的計(jì)算。

3 結(jié)語(yǔ)

本文初步分析了影響基坑穩(wěn)定性的幾個(gè)重要因素,通過(guò)以上工程實(shí)例計(jì)算分析,明確了基坑穩(wěn)定性的分析和演算方法,同時(shí)強(qiáng)調(diào)了基坑抗隆起計(jì)算在基坑穩(wěn)定性分析中的重要性,為今后設(shè)計(jì)工作提供了一定的指導(dǎo)。

[1] 李啟民,孔永安.我國(guó)深基坑工程事故的綜合分析[J].科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì),1999,9(2):35-36.

[2] 侯學(xué)淵,賈 堅(jiān).基坑支護(hù)類(lèi)型及前景[A].深基坑施工技術(shù)交流會(huì)論文集[C].上海:上海市土木工程學(xué)會(huì)巖土力學(xué)與基礎(chǔ)工程學(xué)術(shù)委員會(huì),1991:1-20.

[3] TERZAGHIK.Theoretical soilmechanices in engineering practices[M].Wiley New-York,1948.