上海地區(qū)深基坑支擋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全標準研究

陳祖煜，向遠鴻

（中國水利水電科學研究院 巖土工程研究所，北京 100048）

1 研究背景

隨著城市化進程的不斷推進，高層建筑、地鐵以及高鐵車站工程的深基坑規(guī)模越來越大，一旦發(fā)生基坑失穩(wěn)事故，將會造成巨大的人員財產(chǎn)損失，因此需要結(jié)合現(xiàn)有的深基坑工程案例研究完善深基坑支擋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全標準。

現(xiàn)行的深基坑支護規(guī)范主要采用安全系數(shù)作為評判指標。根據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》（JGJ120-2012）［1］，對于安全等級為一級、二級、三級的支擋結(jié)構(gòu)的圓弧滑動整體穩(wěn)定安全系數(shù)分別不應(yīng)小于1.35、1.30、1.25。應(yīng)該說，上述基于安全系數(shù)判據(jù)的標準主要是依據(jù)經(jīng)驗制定的，有必要在近代結(jié)構(gòu)可靠度理論的指導下作進一步的深化論證。2008至2010年間，中國土木工程學會土力學與巖土工程分會結(jié)合上海地區(qū)深基坑工程的關(guān)鍵技術(shù)問題開展專題研究，共收集了111組各類土的抗剪強度試驗數(shù)據(jù)［2-3］，對上海地區(qū)第四紀沉積土的抗剪強度（黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ）的變異性獲得符合實際的認識，在此基礎(chǔ)上開展了巖土工程可靠度分析，將分析成果和上述規(guī)范規(guī)定安全系數(shù)標準作一對比，提升了我國深基坑支護設(shè)計安全控制標準的科學內(nèi)涵和可靠性。

本文基于上海市11個深基坑工程勘測資料所建立的數(shù)據(jù)庫，對上海地區(qū)土層強度指標的變異特征進行研究，對3個典型深基坑邊坡實例開展可靠度分析。通過可靠指標β和安全系數(shù)F對比，評價深基坑安全系數(shù)標準的合理性。

2 上海地區(qū)土層強度指標的變異特征研究

2.1 統(tǒng)計分析上海地區(qū)位于長江三角洲入海口，地基土主要為厚軟土層［4］。綜合11個工程勘察揭露的地層信息、原位試驗數(shù)據(jù)以及室內(nèi)實驗數(shù)據(jù)，大致可將其地層的分布歸納為：（1）表層填土；（2）黏土（共有21組）；（3）粉質(zhì)黏土（共有47組）；（4）粉土（共有21組）；（5）粉砂（共有22組）。

由于相關(guān)報告未能提供完整的原始數(shù)據(jù)，僅提供了試驗結(jié)果的平均值以及最大、最小值，因此在研究上海地區(qū)土層強度指標的變異特征時，采用在《水電水利工程邊坡設(shè)計規(guī)范》［5］中建議的“3σ”準則［6］，即對于具有正態(tài)分布的隨機變量，其99.73%的數(shù)據(jù)落于（μ-3σ，μ+3σ）區(qū)間范圍（μ為隨機變量的平均值，σ為隨機變量的標準差），因此可以理解μ-3σ和μ+3σ分別為該參數(shù)的最小可能值（LCV）和最大可能值（HCV），即：

表1—表4為11個工程各類土相關(guān)數(shù)據(jù)。

考慮到統(tǒng)計的試驗資料數(shù)據(jù)涉及多個不同的復雜工程、試驗條件等因素，將所有數(shù)據(jù)放在一起整理分析，很顯然會增加參數(shù)的變異性。某一具體工程的具體巖體的變異性應(yīng)當要小于現(xiàn)有的統(tǒng)計結(jié)果。因此綜合考慮后提出上海地區(qū)軟土地基土體黏聚力c與內(nèi)摩擦角正切值f=tanφ變異系數(shù)的建議值，如表5所示。后續(xù)計算均采用該建議值。

表1 各工程黏土黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ的變異系數(shù)

表2 各工程粉質(zhì)黏土黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ的變異系數(shù)

2.2 基于總應(yīng)力法的強度指標統(tǒng)計參數(shù)對于飽和軟黏土快速開挖的情況，往往難以準確地測定孔隙水壓力，需要采用總應(yīng)力法。我國水利水電行業(yè)邊坡設(shè)計規(guī)范規(guī)定對在飽和黏性土上快速填方或開挖形成的邊坡，滑裂面上的抗剪強度按下式計算［5］：

其中：σ′c為荷載發(fā)生變化前破壞面上的有效應(yīng)力。

表3 各工程粉土黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ的變異系數(shù)

表4 各工程粉砂內(nèi)摩擦角φ的變異系數(shù)

針對飽和土的這一特點，在穩(wěn)定分析中，可以采取以下步驟。

（1）在邊坡尚未開挖時，相應(yīng)不同深度，根據(jù)上覆有效土重確定確定總強度σ′c，對尚未開挖的土體，通過下式計算固結(jié)應(yīng)力：

式中：hi為上覆土厚度；γi在水上為天然重度，在水下為浮容重；K0為側(cè)壓力系數(shù)，可表示為：

表5 上海地區(qū)軟土地基土體抗剪強度參數(shù)變異系數(shù)建議值

其中，φ′為土的有效內(nèi)摩擦角。

（2）相應(yīng)邊坡或基坑開挖后的體形，進行穩(wěn)定分析，滑面上的任一點，其強度指標為：

文獻［7］詳細論述了相關(guān)的原理和方法。

總強度Su的方差DSu按下式計算：

式中：Dc為黏聚力ccu的方差；Df為內(nèi)摩擦角正切值f=tanφcu的方差。

3 深基坑穩(wěn)定分析的確定性方法

基坑穩(wěn)定分析實際上是對具有支擋結(jié)構(gòu)的直立土坡的分析，分別對基坑的邊坡以及基坑整體穩(wěn)定進行分析。計算時需要考慮下述問題。

3.1 支擋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定分析Teizaghi等［8］和Casagrandi［9］指出，傳統(tǒng)的庫倫理論假定墻背后的滑裂面為平面，墻后土壓力呈三角形分布，土壓力合力作用點在墻體下三分點。這一理論主要適用于重力式擋土墻。對于深基坑這樣的柔性支護結(jié)構(gòu)，墻后土壓力分布圖形大致為矩形，因而土壓力合力作用點大致在中點。Chen等［10］提出了考慮作用點不同位置的土壓力計算方法。相關(guān)的計算在作者編制的STAB程序中實現(xiàn)。

相應(yīng)一定斷面和配筋的混凝土結(jié)構(gòu)，需要按照“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范”（GB50010-2010）［11］計算其正截面抗彎能力以及斜截面抗剪能力。對于地下水位較高的軟土地區(qū)，單靠混凝土擋墻難以承擔全部主動土壓力，故常見提供內(nèi)支撐力的幾層鋼衍架，相關(guān)的承載力計算屬另一領(lǐng)域?！敖ㄖ又ёo技術(shù)規(guī)程”［1］要求這一承載力需考慮乘以作用基本組合的綜合分項系數(shù)γF和結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0。

3.2 插入式支擋結(jié)構(gòu)的深層抗滑穩(wěn)定分析根據(jù)“建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程”［1］的建議，采用圓弧滑裂面簡化畢肖普法驗算最危險滑裂面核算穩(wěn)定性。

4 深基坑穩(wěn)定可靠度分析

4.1 風險標準《工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準》（GB50153-2008）［12］對房屋建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力極限狀態(tài)允許可靠指標規(guī)定如表6所示。

表6 房屋建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力極限狀態(tài)的可靠指標β

上?；庸こ潭嗵幏比A地段，一旦發(fā)生失穩(wěn)將會造成極大的人員財產(chǎn)損失，故對本文分析的案例，選取可靠指標β=3.7作為安全標準的參考值進行研究，對應(yīng)“建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程”（JGJ120-2012）［1］圓弧滑動整體穩(wěn)定安全系數(shù)允許值，取一級建筑物的相應(yīng)值，即F=1.35。

4.2 可靠指標在深基坑穩(wěn)定分析中，參數(shù)的不確定性所包含的風險可近似的表達為一系列隨機變量的函數(shù)，可將這一系列力分為作用力S和抗力R兩大類，但是在穩(wěn)定性分析中往往無法將抗力與作用力完全分開［13］，例如材料的重量，既可視為作用力，也可視為抗力（摩擦力）產(chǎn)生的因素，因此仍可沿用安全系數(shù)來評價邊坡的穩(wěn)定性。安全系數(shù)可以表達為：

式中，x1、x2、…、xn為計算安全系數(shù)時輸入的一系列隨機變量。

在巖土工程領(lǐng)域，一個比較方便的方法是將極限狀態(tài)方法進行改寫［13］，建立系統(tǒng)的功能函數(shù)的設(shè)計目標為：

當功能函數(shù)G的分布曲線模型為正態(tài)分布時，失效概率Pf即能通過均值μG和標準差σG的函數(shù)表示。定義可靠指標 β［13］為：

可靠指標β的計算采用Rosenblueth法［13-14］計算，該方法要求在某幾個點上估計功能函數(shù)的值，根據(jù)這些數(shù)據(jù)即可通過簡單的計算公式確定可靠指標。

5 典型工程分析

本文選擇了上海地區(qū)3個具有代表性的深基坑工程進行支擋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全研究，研究可靠指標和安全系數(shù)標準相關(guān)關(guān)系。

5.1 上海湖北大廈綜合樓 上海湖北大廈綜合樓基坑工程邊坡支護采用鉆孔灌注樁結(jié)合兩道半鋼筋混凝土支撐的方法，最大開挖深度12 m，支護樁最大插入深度26.7 m。典型基坑地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 上海湖北大廈綜合樓基坑邊坡典型剖面（高程單位：m；土層厚度單位：mm）

根據(jù)工程地質(zhì)報告，對實際計算剖面做了概化，并假定地下水位于地表填土層底。對原始試驗數(shù)據(jù)進行整理后如表7所示。

表7 上海湖北大廈計算參數(shù)

根據(jù)前文所述，在計算支擋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性時，假定主動土壓力作用點在墻高中點。根據(jù)圖1的地層信息及表7的計算參數(shù)建立模型，搜索可靠指標β最小的臨界滑裂面，并計算對應(yīng)滑裂面的安全系數(shù)F，從而求出作用在支擋結(jié)構(gòu)上的實際主動土壓力P。計算結(jié)果如表8，計算簡圖如圖2（a），可見，本案例目標可靠指標3.7和安全系數(shù)的允許值1.35處于同一水平。

表8 上海湖北大廈深基坑支擋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全計算結(jié)果

表9 上海湖北大廈深基坑整體滑弧穩(wěn)定安全計算結(jié)果

圖2 上海湖北大廈基坑支護穩(wěn)定計算結(jié)果

在計算插入式支擋結(jié)構(gòu)的深層抗滑穩(wěn)定時，固定滑弧經(jīng)過支擋樁底搜索最小可靠指標β對應(yīng)的臨界滑裂面，并計算對應(yīng)滑裂面的安全系數(shù)F。同時，由于部分工程是變形控制，安全系數(shù)較高。為了驗證可靠指標β=3.7的合理性，故本文在基坑周圍其他條件不變以及工程允許的插入比范圍內(nèi)，同時調(diào)整板式支護結(jié)構(gòu)插入深度，使得計算的臨界滑裂面的可靠指標接近規(guī)范規(guī)定的3.7。計算結(jié)果如表9，計算簡圖如圖2（b），可見，本案例目標可靠指標3.7和安全系數(shù)1.27處于同一水平。如以規(guī)范要求的的允許值1.35控制，則偏于安全。

5.2 世博演藝中心世博演藝中心是中國2010年世博會主體工程的基礎(chǔ)設(shè)施之一，主體為地上3層、地下3層建筑，地上3層高度約為30.0 m，下設(shè)3層整體地下室，埋深約為14.0 m。典型基坑地質(zhì)剖面如圖3所示。根據(jù)工程地質(zhì)報告，對實際計算剖面做了概化，并假定地下水位于地表填土層底。對原始試驗數(shù)據(jù)進行整理后如表10所示。

計算結(jié)果見表11，計算簡圖如圖4（a）。支護結(jié)構(gòu)可靠指標和安全系數(shù)分別為3.698和1.393，和規(guī)范要求的目標可靠指標3.7和安全系數(shù)的允許值1.35基本處于同一水平。相應(yīng)原設(shè)計滑弧深度為24.9 m的整體穩(wěn)定性分析結(jié)果，無論可靠指標還是安全系數(shù)都遠大于規(guī)范要求，但對滑弧深度調(diào)整為17.2 m的工況，本案例目標可靠指標3.7和安全系數(shù)1.35處于同一水平。

表10 上海世博演藝中心計算參數(shù)

表11 上海世博演藝中心深基坑穩(wěn)定安全計算結(jié)果

圖4 上海世博演藝中心基坑支護穩(wěn)定計算結(jié)果

5.3 上海銀行上海銀行大廈工程場地長約112.5 m，寬約104 m，整個建筑由53層金融辦公樓和5層裙房組成。整個地塊為全地下室，地下室3層整體底板，底板埋深約15 m，總建筑面積約10萬m2。典型基坑地質(zhì)剖面如圖5所示。

圖5 上海銀行基坑邊坡典型剖面（高程單位：m；土層厚度單位：mm）

根據(jù)工程地質(zhì)報告，對實際計算剖面做了概化，并假定地下水位于地表填土層底。對原始試驗數(shù)據(jù)進行整理后如表12所示，計算結(jié)果如表13所示。

表12 上海銀行計算參數(shù)

表13 上海銀行深基坑穩(wěn)定安全計算結(jié)果

圖6 上海銀行基坑支護穩(wěn)定計算結(jié)果

上海銀行安全分析成果與世博演藝中心相似，支護結(jié)構(gòu)可靠指標和安全系數(shù)分別為3.698和1.426，和規(guī)范要求的目標可靠指標3.7和安全系數(shù)的允許值1.35基本處于同一水平。相應(yīng)原設(shè)計滑弧深度為28.3 m的整體穩(wěn)定性分析結(jié)果，無論可靠指標還是安全系數(shù)都遠大于規(guī)范要求，但對滑弧深度調(diào)整為24.8 m的工況，目標可靠指標3.7和安全系數(shù)1.35處于同一水平。

6 結(jié)論

本文分析整理了上海市11個深基坑工程的111組地勘數(shù)據(jù)，提出上海地區(qū)典型土類的抗剪強度指標的變異系數(shù)參考值。按照《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的墻身和深層抗滑穩(wěn)定的兩種模式，以上海湖北大廈綜合樓等3個深基坑工程為實際案例對比分析了安全系數(shù)和可靠指標。計算成果表明，“工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標準”建議的可靠指標β=3.7和“建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程圾規(guī)定的安全系數(shù)F=1.35有較好的對應(yīng)關(guān)系。本文可為深基坑支擋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全標準的制訂提供理論依據(jù)。

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