上海規(guī)范重力式圍護墻穩(wěn)定性若干問題探討

梁發(fā)云，楊開彪, ，李鏡培

（1. 同濟大學 地下建筑與工程系，上海 200092；2. 廣東省建筑設(shè)計研究院，廣東 廣州 510010）

1 引 言

水泥土重力式圍護墻（簡稱重力式圍護墻）具有施工方便、效率高、工期短、成本低等優(yōu)點，是軟土地區(qū)應用廣泛的一種基坑圍護形式[1]。國家行業(yè)標準《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》[2]采用單一的安全系數(shù)法進行巖土穩(wěn)定性的承載力極限狀態(tài)設(shè)計，而在軟土地區(qū)具有代表性的地方標準上海市《基坑工程技術(shù)規(guī)范》[3]（以下簡稱上海規(guī)范）則采用了分項系數(shù)表達的計算公式，在表達形式上與國家行業(yè)標準[2]有所不同。需要指出的是，該分項系數(shù)主要依據(jù)工程經(jīng)驗確定，并未實行真正意義上的概率極限狀態(tài)設(shè)計，本質(zhì)上仍屬于傳統(tǒng)的安全系數(shù)法。而場地地質(zhì)條件、土性參數(shù)的變異性、周邊環(huán)境等因素都會對基坑工程的安全性產(chǎn)生影響，若將這些不確定因素歸結(jié)為單一安全系數(shù)，以此來評價基坑工程的安全性是不妥當?shù)摹?/p>

可靠度理論可以對各種不確定性加以定量考慮，通過可靠指標β來評價工程結(jié)構(gòu)的安全度。與結(jié)構(gòu)工程相比，巖土工程相關(guān)規(guī)范向可靠度設(shè)計轉(zhuǎn)軌相對滯后，隨著可靠度理論實用化進程的推進，巖土工程設(shè)計規(guī)范逐漸向以概率論為基礎(chǔ)的分項系數(shù)設(shè)計方法轉(zhuǎn)變。

況龍川等[4]探討了上海地區(qū)重力式圍護墻在不同挖深下各穩(wěn)定失效模式的可靠度水平，分析表明地基承載力和水平滑移是水泥土重力式圍護墻的控制失效模式。本文依據(jù)上海地區(qū)實際工程分析了重力式圍護墻的穩(wěn)定性可靠度，討論了主要影響因素對重力式圍護墻穩(wěn)定性的影響。

2 關(guān)于穩(wěn)定性可靠度的討論

依據(jù)JC法和上海規(guī)范[3]，建立水泥土重力式圍護基坑工程穩(wěn)定性的極限狀態(tài)方程，并對搜集的上海地區(qū)重力式圍護墻工程進行可靠度分析。

2.1 計算方法

上海規(guī)范對于水泥土重力式圍護基坑的穩(wěn)定性驗算內(nèi)容包括整體穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性、抗水平滑動穩(wěn)定性、坑底抗隆起穩(wěn)定性、抗?jié)B流穩(wěn)定性以及抗承壓水穩(wěn)定性等6種情況[3]，根據(jù)目前工程設(shè)計經(jīng)驗，本文僅對起主要控制作用的整體穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性和抗水平滑動穩(wěn)定性等3種驗算模式[5]進行分析。需要說明的是，下文討論所采用的計算圖式和計算公式均來源于上海規(guī)范，與國家行業(yè)標準的規(guī)定有所不同[2]。

重力式圍護墻的穩(wěn)定性計算圖式如圖1所示。圖中，F(xiàn)p、Fa、Fw分別為墻前被動土壓力、墻后主動土壓力和凈水壓力（水壓力為坑內(nèi)外水壓力之差，這里未考慮墻底水壓力）；Zp、Za、Zw分別為墻前被動土壓力、墻后主動土壓力和靜壓力作用點至墻底的距離；ER為沿墻底面的抗滑力；H為挖深；D為插入深度；B為圍護墻寬度；G為墻體自重；q為超載；O為最危險圓弧滑動面的圓心；Wi為第i條土條的自重；bi為第i條土條的寬度；iα為第i條圓弧中點的切線和水平線的夾角。

圖1 計算圖式Fig.1 Computational mode

重力式圍護墻的3種穩(wěn)定驗算模式的極限狀態(tài)方程見式（1），其中MR為抗力項，MS為荷載項。

式中：ci、φi分別為第i條土條滑動面上土的黏聚力和內(nèi)摩擦角；qi為第 i條土條處的地面超載值；li為第i條土條沿滑動面的弧長。

抗傾覆穩(wěn)定性MR、MS公式為

式中：c、φ分別為墻底土層的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

抗剪強度指標 c、φ可視為隨機變量，將抗力項MR和荷載項MS簡化為隨機變量c、φ的函數(shù)。通過將 MR、MS在 c、φ均值點處泰勒展開并取線性項，可分別求得MR、MS的均值和變異系數(shù)[5]。

依據(jù)上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計集團搜集的上海地區(qū)工程資料，對勘察報告中的場地土工試驗成果進行統(tǒng)計，由此得到了各土層直剪固結(jié)快剪峰值強度指標c、φ的場地變異系數(shù)統(tǒng)計值，對其進行95%置信度的區(qū)間估計，見表1。

表1 上海地區(qū)各土層場地變異系數(shù)Table 1 Field variability coefficient of soils in Shanghai area

本文采用95%置信度的區(qū)間上限值來反映上海地區(qū)土層的變異性，計算結(jié)果偏于安全。適用于土性參數(shù)的概率分布形式有正態(tài)分布和對數(shù)正態(tài)分布[6]，采用正態(tài)分布會使失效概率偏大[7]，本文采用對數(shù)正態(tài)分布來描述土性參數(shù)。為簡化計算，假定c、φ和MR、MS服從對數(shù)正態(tài)分布且相互獨立。

分析中第①層素填土的重度可取18 kN/m2，黏聚力c取5 kPa，內(nèi)摩擦角φ取20°，其變異系數(shù)近似取為0。其他各土層參數(shù)則按實際工程的統(tǒng)計結(jié)果取用，在此不再列出，圍護墻重度取19 kN/m2，不考慮其變異性，地下水位統(tǒng)一取地面下0.5 m，超載取20 kPa。按JC法編制Matlab程序。

2.2 實際工程分析

對收集到的上海地區(qū) 23個重力式擋墻工程進行分析，求得各穩(wěn)定性模式的安全系數(shù)和可靠指標，計算結(jié)果見表 2。表中，將整體穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性和抗水平滑動穩(wěn)定性的安全系數(shù)分別表示為Kz、Kq、Kh；可靠指標分別表示為βz、βq、βh。上海規(guī)范關(guān)于水泥土重力式圍護的穩(wěn)定性設(shè)計安全系數(shù)的規(guī)定見表3。

表2 計算結(jié)果匯總Table 2 Results of calculation

表3 上海基坑規(guī)范設(shè)計安全系數(shù)Table 3 Design safety factor of Shanghai code

從表2、3可以看出，除個別工程外，各工程穩(wěn)定性安全系數(shù)均要大于規(guī)范設(shè)計安全系數(shù)，這表明實際工程的設(shè)計安全水準通常要高于規(guī)范規(guī)定值。

上海地區(qū)實際工程各穩(wěn)定性可靠指標均值所對應失效概率見表 4。其中抗水平滑動穩(wěn)定性可靠指標最低，均值為3.72，對應失效概率為9.96×10-5，水平滑動多為穩(wěn)定性驗算的控制失效模式。

表4 可靠指標均值對應的失效概率Table 4 Failure probability of mean reliability indexes

3 關(guān)于穩(wěn)定性影響因素的討論

重力式圍護墻通過對土體加固形成了具有一定厚度和嵌入深度的圍護墻體，圍護墻插入比θ（θ=H/D）、墻體寬度B和開挖深度H等都會對基坑穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。為分析各因素對基坑穩(wěn)定性的影響，對其分別進行探討。選擇上述實際工程中4個典型場地進行分析，各場地土層參數(shù)見表5。

表5 典型工程場地土層參數(shù)Table 5 Soil parameters of typical projects

3.1 插入比θ

為了討論插入比θ 對重力式圍護墻穩(wěn)定性的影響，令θ 分別為1.0、1.1、1.2、1.3、1.4，選擇挖深H = 5 m，墻寬B = 4.7 m為研究對象，針對表5中4個工程場地進行分析，結(jié)果如圖2～4所示。

圖2 插入比θ對整體穩(wěn)定性的影響Fig.2 Impact of insertion ratio on overall stability

從圖2可以看出，隨插入比θ增大，整體穩(wěn)定性安全系數(shù)Kz、可靠指標βz均有一定程度的提高。

插入比θ對抗傾覆穩(wěn)定性的影響如圖3所示。從圖中可以看出，隨插入比θ的增大，抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)Kq和可靠指標qβ反而呈減小趨勢，這并不符合工程實際，已有研究[8]考慮了墻土摩擦力及墻底土反力的作用，克服了該不合理現(xiàn)象。

圖3 插入比θ對抗傾覆穩(wěn)定性的影響Fig.3 Impact of insertion ratio on overturning stability

插入比θ對抗水平滑動穩(wěn)定性的影響如圖4所示。由圖可見，隨插入比θ的增大，安全系數(shù)Kh、可靠指標βh均有一定程度地提高。

圖4 插入比θ 對抗水平滑動穩(wěn)定性的影響Fig.4 Impact of insertion ratio on sliding stability

3.2 墻體寬度B

為了討論墻體寬度B對重力式圍護墻穩(wěn)定性的影響，令B分別為0.7H、0.8H、0.9H、1.0H，選擇開挖深度H = 5 m，插入比θ = 1.3為研究對象，同樣依據(jù)上述4個工程場地來進行分析。

從圖5中可以看出，增加墻寬B、整體穩(wěn)定性的安全系數(shù)Kz、可靠指標βz在一定范圍內(nèi)波動，墻寬B的改變對重力式圍護基坑整體穩(wěn)定性的影響并不明顯。

墻寬B對抗傾覆穩(wěn)定性的影響如圖6所示。由分析結(jié)果可知，隨墻寬B的增大，抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)Kq和可靠指標βq均呈增長趨勢，提高墻寬B可改善重力式圍護墻抗傾覆穩(wěn)定的安全狀態(tài)。

圖5 墻寬B對整體穩(wěn)定性的影響Fig.5 Impact of wall width on overall stability

圖6 墻寬B對抗傾覆穩(wěn)定性的影響Fig.6 Impact of wall width on overturning stability

墻寬 B對抗水平滑動穩(wěn)定性的影響如圖 7所示。由結(jié)果可知，提高墻寬B可在一定程度上提高抗水平滑動穩(wěn)定性的安全系數(shù)Kh、可靠指標βh。

圖7 墻寬B對抗水平滑動穩(wěn)定性的影響Fig.7 Impact of wall width on sliding stability

3.3 開挖深度H

為了討論開挖深度H對重力式圍護墻穩(wěn)定性的影響，令開挖深度分別為4、5、6、7 m，選擇墻體寬度B = 0.8H，插入比θ= 1.3為研究對象，對上述4個工程場地進行分析，分析結(jié)果如圖8～10所示。從圖中可以看出，對于相同的墻寬B和插入比θ，隨著開挖深度的增加，重力式圍護墻整體穩(wěn)定性的安全狀態(tài)逐漸降低，開挖深度H的改變對水泥土重力式圍護基坑整體穩(wěn)定性的安全狀態(tài)有著顯著地影響。

開挖深度 H對抗傾覆穩(wěn)定性的影響如圖 9所示。其變化趨勢與整體穩(wěn)定性類似，即隨開挖深度H的增加，抗傾覆穩(wěn)定性的安全狀態(tài)逐漸降低，下降趨勢明顯。開挖深度H的改變對水泥土重力式圍護基坑的抗傾覆穩(wěn)定性有著重要地影響。

圖8 開挖深度H對整體穩(wěn)定性的影響Fig.8 Impact of excavation depth on overall stability

圖9 開挖深度H對抗傾覆穩(wěn)定性的影響Fig.9 Impact of excavation depth on overturning stability

開挖深度H對抗水平滑動穩(wěn)定性的影響如圖10所示。分析結(jié)果與整體穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性類似，開挖深度H的改變對水泥土重力式圍護基坑的抗水平滑動穩(wěn)定性有著重要地影響。

圖10 開挖深度H對抗水平滑動穩(wěn)定性的影響Fig.10 Impact of excavation depth on sliding stability

4 結(jié) 論

（1）上海地區(qū)實際工程的設(shè)計安全水準通常高于規(guī)范規(guī)定值，水平滑動多為重力式圍護工程穩(wěn)定性驗算的控制失效模式。

（2）通過提高插入比和墻體寬度可改善水泥土重力式圍護基坑的抗傾覆、抗水平滑動穩(wěn)定性的安全狀態(tài)。對于整體穩(wěn)定性，提高插入比較有效，而其對墻體寬度的變化不敏感。

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