淺談基坑穩定性分析

馬琳琳

0 引言

基坑開挖的過程是基坑開挖面上卸荷的過程。在基坑開挖時,由于坑內土體挖出后,使地基的應力場和變形場發生變化,可能導致地基的失穩。近年來,城市基坑邊坡失穩、坑底隆起及涌砂等事故時有發生[1],基坑的失穩與破壞可以是緩慢的,也可以是突然的,但都有明顯的觸發因素,諸如振動、暴雨、外荷或者其他的人為因素。所以在進行支護設計時,需要驗算基坑的穩定性。必要時應采取必要的加強防范措施,使地基的穩定性具有一定的安全度。

本文分析了基坑的整體穩定性、圍護結構的抗傾覆穩定性以及基坑底部土體的抗隆起穩定性。后者對保證基坑穩定和控制基坑變形有重要的意義。

1 穩定性分析

1.1 基坑的整體穩定性分析

放坡開挖的基坑或者有支護的基坑,整體穩定性驗算分析通常采用圓弧滑動法(如條分法)。在放坡開挖的基坑中,邊坡失穩主要由于土方開挖引起的基坑內外壓力差(包括水位差)。在有支護的基坑中,采用此方法驗算支護結構和地基的整體抗滑動穩定性時,應注意支護結構一般有內支撐或外側的錨拉結構和墻面垂直的特點,不同于邊坡穩定驗算的圓弧滑動,滑動面的圓心一般在擋墻上方,靠近內側附近。通常試算應確定最危險的滑動面和最小安全系數。考慮內支撐作用時,通常不會發生整體穩定破壞。因此,對于只設一道支撐的支護結構,需驗算整體滑動,對設多道內支撐時可不作驗算。

1.2 基坑的抗滲穩定性驗算

深度較大的基坑在動水壓力的作用下,比較容易發生管涌的現象。所謂管涌是指在滲流水的作用下,土中的細小顆粒被沖走,土的空隙擴大,逐漸形成管狀滲流通道的現象。基坑開挖過程中,由于降水使得基坑內外形成較大的水力梯度,產生較大的滲流力,如不加處理則可能在坑底或坑壁產生流砂或管涌的現象,造成基坑破壞或鄰近建筑物的毀壞。因此,實際工程中通常在基坑周圍設置止水帷幕,來抵抗滲流力。

1.3 基坑底部土體的抗隆起穩定性分析

在許多隆起穩定性的計算公式中,驗算抗隆起的安全系數時,僅僅給出純粘土(φ=0)或純砂土(c=0)的公式,很少同時考慮 c,φ。顯然對于一般的粘性土,在土體抗剪強度中應包括和的因素。同濟大學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面,建議采用下式進行抗隆起穩定性驗算,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)的嵌入長度,m;H為基坑的開挖深度,m;c為樁(墻)底面處土層的粘聚力, kPa;φ為樁(墻)底面處土層的內摩擦角,(°);γ為樁(墻)頂面到底處各土層的加權平均重度,kN/m3;Nq,Nc均為地基極限承載力的計算系數。

用普朗特爾公式:

用太沙基[3]公式:

2 設計實例

某工程基坑開挖深度為12.89m,采用樁φ600@1 200+內支撐支護結構。

1)整體穩定驗算。整體穩定驗算簡圖見圖 1。

計算方法:瑞典條分法應力狀態:總應力法條分法中的土條寬度0.40m。

滑裂面數據:

整體穩定安全系數:Ks=1.394;

圓弧半徑:R=13.316m;

圓心坐標:X=-2.144m;

圓心坐標:Y=9.030m。

2)抗傾覆穩定性驗算。抗傾覆安全系數:

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

經計算:工況 1～工況 7滿足規范要求。工況 8～工況 14:已存在剛性鉸,不計算抗傾覆。

3)抗隆起驗算。抗隆起驗算簡圖見圖 2。

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

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

4)隆起量的計算。

3 結語

本文初步分析了影響基坑穩定性的幾個重要因素,通過以上工程實例計算分析,明確了基坑穩定性的分析和演算方法,同時強調了基坑抗隆起計算在基坑穩定性分析中的重要性,為今后設計工作提供了一定的指導。

[1] 李啟民,孔永安.我國深基坑工程事故的綜合分析[J].科技情報開發與經濟,1999,9(2):35-36.

[2] 侯學淵,賈 堅.基坑支護類型及前景[A].深基坑施工技術交流會論文集[C].上海:上海市土木工程學會巖土力學與基礎工程學術委員會,1991:1-20.

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