窄條形基坑抗隆起穩(wěn)定問(wèn)題研究

彭孔曙,陳 娟,盧偉平

（中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州310014）

·隧道與建設(shè)工程·

窄條形基坑抗隆起穩(wěn)定問(wèn)題研究

彭孔曙*,陳 娟,盧偉平

（中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州310014）

抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算是軟土地區(qū)基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，它通常是圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度的控制因素。主要針對(duì)新行標(biāo)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程（JGJ120-2012）》在軟土地區(qū)地鐵等窄條形基坑應(yīng)用過(guò)程中，出現(xiàn)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌入比過(guò)大問(wèn)題進(jìn)行研究，并通過(guò)選用工程實(shí)例進(jìn)行計(jì)算分析，以期對(duì)類似工程提供一定借鑒作用。

地鐵車站；窄條基坑；軟土；坑底抗隆起；有限元

1 問(wèn)題概況及背景

背景:新行標(biāo)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》JGJ120-2012[1]，4.2.5條：當(dāng)坑底以下為軟土?xí)r，其嵌固深度應(yīng)符合下列以最下層支點(diǎn)為軸心的圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性要求：

式中：Kr——以最下層支點(diǎn)為軸心的圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定，安全系數(shù)；安全等級(jí)為1、2、3級(jí)的支擋式結(jié)構(gòu)，Kr分別不應(yīng)小于2.2、1.9、1.7；

cj、φj——第j土條在滑弧面處土的粘聚力，kPa、內(nèi)摩擦角，（°）；

lj——第j土條的滑弧段長(zhǎng)度，m，取lj＝bj/cosθj；

qj——作用在第j土條上的附加分布荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；

bj——第j土條的寬度，m；

θj——第j土條滑弧面中點(diǎn)處的法線與垂直面的夾角，（°）；

ΔGj——第j土條的自重，kN，按天然重度計(jì)算。

本條規(guī)范在實(shí)際設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題：

（1）深基坑計(jì)算軟件在結(jié)合新行標(biāo)4.2.5條進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，若坑底以下淤泥質(zhì)土等軟弱土層較厚時(shí)，坑底抗隆起安全系數(shù)2.2，很難滿足要求。以一個(gè)常規(guī)地鐵車站基坑標(biāo)準(zhǔn)段挖深16m為例，若坑底以下淤泥質(zhì)等軟弱土層較厚，像溫州、福州等地區(qū)，有時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)淤泥質(zhì)土厚度超過(guò)30m，甚至達(dá)60m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)必須穿透軟土層才可能滿足2.2的安全系數(shù)要求，則嵌固深度需超過(guò)30m以上，插入比達(dá)到2以上，大大超出以往基坑工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)的插入比，造成了極大的浪費(fèi)[2]。在有些項(xiàng)目需要控制造價(jià)的條件下，這給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)極大的困擾。

（2）地鐵車站、明挖區(qū)間等窄條型基坑，當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入一定深度時(shí)，應(yīng)用規(guī)范模型計(jì)算時(shí)圓弧滑動(dòng)面已滑過(guò)另一側(cè)圍護(hù)墻。若執(zhí)行新行標(biāo)規(guī)程模型，則只能假設(shè)圓弧已滑穿另一側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，而這幾乎不可能發(fā)生?？蓞⒁?jiàn)圖1。

圖1 計(jì)算簡(jiǎn)圖

2 規(guī)程公式優(yōu)化建議

2.1 新規(guī)程公式及計(jì)算簡(jiǎn)圖的完整理解

新規(guī)程公式的幾個(gè)假定條件：

（1）穩(wěn)定性驗(yàn)算均假定是半無(wú)限體的平面問(wèn)題，即適用于寬基坑。

圖2 計(jì)算簡(jiǎn)圖（考慮qj的作用）

根據(jù)基坑嵌入深度與寬度的比值，可將基坑分為窄基坑、一般寬度基坑和寬基坑3類[3]：

第一類:L/D≤tanφ時(shí)，稱為窄基坑。其中：φ為被動(dòng)區(qū)土體的內(nèi)摩擦角，L為基坑寬度，D為基坑嵌入深度。

第二類:tanφ＜L/D＜tan（π/4+φ/2）時(shí)，稱為一般寬度基坑。

第三類:L/D≥tan（π/4+φ/2）時(shí)，稱為寬基坑。

（2）假定對(duì)于坑內(nèi)部分土條的qj值[作用在第j土條上的附加分布荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）]，規(guī)范假定為0。

2.2 優(yōu)化模型及建議

選取一個(gè)常規(guī)地鐵車站基坑模型，將規(guī)程坑底抗隆起模型應(yīng)用于該模型，針對(duì)規(guī)程中幾個(gè)假定條件的適用性提出疑問(wèn)：

（1）地鐵寬深比約為0.95，顯然為一般寬度基坑，對(duì)側(cè)圍護(hù)墻對(duì)基坑的抗隆起穩(wěn)定性是有影響；

（2）若還是按照規(guī)程中的圓弧滑動(dòng)路徑，圓弧已滑過(guò)另一側(cè)圍護(hù)墻，就算假定圓弧能切過(guò)另一側(cè)圍護(hù)墻，那么坑內(nèi)另一側(cè)圍護(hù)墻外側(cè)滑弧內(nèi)土條即圖中左邊陰影部分的qj值應(yīng)等于上部土體的重量及地面附加超載的疊加值，而不是假定為0。

通過(guò)以上分析，新規(guī)程抗隆起穩(wěn)定計(jì)算公式確實(shí)在窄條形基坑計(jì)算中偏于保守。以下結(jié)合一個(gè)工程實(shí)例，通過(guò)不同嵌固深度情況下的基坑及周邊環(huán)境變形數(shù)據(jù)對(duì)比，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度的確定原則做一個(gè)探討。

圖3 優(yōu)化模型簡(jiǎn)圖

3 工程實(shí)例分析

以福州地鐵中某車站為例，該站標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬22.7m，深約16m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用厚800mm連續(xù)墻，沿基坑深度設(shè)4道支撐，第一道為混凝土支撐，其余為鋼支撐。車站周邊環(huán)境較為復(fù)雜，基坑南側(cè)距住宅小區(qū)（砼6）約7.58m,北東側(cè)距住宅小區(qū)（砼7）約7.39～8.47m，均為樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)16m?；涌偲矫娌贾靡?jiàn)圖4。

土層厚度及參數(shù)如表1所示。

圖4 車站基坑總平面布置圖

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

為了分析不同插入比對(duì)基坑變形的影響，按以下3種情況確定不同的插入深度來(lái)分別進(jìn)行有限元模擬分析：

（1）按照福建省地基基礎(chǔ)規(guī)范[4]，坑底為淤泥質(zhì)土層，圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌入比建議值為1∶（1.1～1.2）,考慮到周邊分布建筑物，按1∶1.3的插入比來(lái)確定嵌固深度，即連續(xù)墻嵌固深度為21m；

（2）完全按照規(guī)程坑底抗隆起計(jì)算公式控制，連續(xù)墻嵌固深度為29m；

（3）考慮坑內(nèi)對(duì)向連續(xù)墻外側(cè)滑弧面以上土體的壓重作用，按規(guī)程公式計(jì)算，連續(xù)墻嵌固深度為27.5m。

計(jì)算采用PLAXIS[5-6]二維有限元軟件，分析連續(xù)墻插入深度變化對(duì)基坑及周邊環(huán)境變形影響性，相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 土層力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

根據(jù)計(jì)算，隨著連續(xù)墻插入深度的增加，車站基坑周邊建筑物的沉降量與臨近建筑物一側(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形量均有一定的減小，基坑底的隆起量也有所減小，詳見(jiàn)表4。

表3 支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

表4 計(jì)算結(jié)果對(duì)比表

通過(guò)以上計(jì)算結(jié)果及分析可以看出，連續(xù)墻插入深度增加對(duì)坑底隆起量以及坑外建筑物沉降量的控制有利，但變形值減小有限。說(shuō)明采取新規(guī)程中抗隆起計(jì)算公式來(lái)控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌入深度，尤其是在地鐵車站、明挖區(qū)間等窄條形基坑時(shí)安全余度較大。

4 結(jié)論與建議

（1）新基坑規(guī)程坑底抗隆起計(jì)算模型及相應(yīng)假定條件在地鐵車站等窄條形基坑的應(yīng)用時(shí)，安全儲(chǔ)備偏大；

（2）窄條形基坑在達(dá)到一定嵌固深度以后，嵌固深度進(jìn)一步加大對(duì)基坑及周邊環(huán)境的變形控制作用有限；

（3）地鐵等窄基坑在進(jìn)行坑底抗隆起計(jì)算時(shí)可考慮對(duì)向圍護(hù)結(jié)構(gòu)的阻擋滑弧作用及對(duì)向圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)土體的壓重作用，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的嵌入深度進(jìn)行優(yōu)化。

[1]楊斌，黃強(qiáng)，楊志銀，王衛(wèi)東，等.JGJ120-2012建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

[2]劉建航，侯學(xué)淵.基坑工程手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

[3]王洪新.基坑寬度對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響[J].土木工程學(xué)報(bào)，2011（06）：120-126.

[4]侯偉生，等.DBJ13-07-2006福建省建筑地基基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.

[5]孔德森,門燕青,張偉,孟慶輝.軟土深基坑坑底抗隆起穩(wěn)定性數(shù)值分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2010（增刊1）：186-190.

[6]李平,陳育民,沈揚(yáng).基坑卸荷回彈變形計(jì)算的一種簡(jiǎn)化分析法[J].解放軍理工大學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，13（01）：88-91.

The Study of Resistance to Uplift Stability of Narrow Foundation Pits

PENG Kong-shu,CHEN Juan,LU Wei-ping
(Powerchina Huadong Engineering Corporation,HangZhou Zhejiang 300014,China)

The calculation of resistance to uplift stability is an important content in the design of foundation pit in soft soil area.It always controls the embedded depth of enclosing structure.The research mainly aims at the embed ratio of the enclosing structure oversize under usage of the new industry standard-The Architecture Foundation Pit Supporting Technical Specification in the subway narrow strip foundation pit in soft soil layer,and calculated and analyzed by choosing a project instance,in order to provide certain reference for similar engineering.

subway station；narrow foundation pit；soft soil；resistant heave at pit bottom；FEM

TU470

A

1004-5716（2015）12-0160-04

2014-12-23

2015-01-05

彭孔曙（1981-），男（漢族），浙江瑞安人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事巖土工程設(shè)計(jì)及研究工作。