支護樁水平承載力驗算和巖土荷載作用下坡體支護結構抗震強度驗算問題的分析

方玉樹

（1陸軍勤務學院，重慶 401311；2巖土力學與地質環境保護重慶市重點實驗室，重慶 401311）

0 引言

關于對支護樁是否或如何進行水平承載力驗算，全文強制的《建筑和市政地基基礎通用規范》（GB 55003—2021）（以下稱《地基通用規范》）沒有規定。關于對巖土荷載作用下的永久坡體支護結構是否或如何進行抗震強度驗算，該規范也沒有規定，如果認為坡體支護結構抗震強度驗算是《建筑與市政工程抗震通用規范》（GB 55002—2021）規定的事項，而不是《地基通用規范》規定的事項，那么《地基通用規范》通過第5.1.1條第7款和第5.2.1條第2款、第5.2.2條第2款對建（構）筑物樁基抗震承載力驗算事項作出規定就無法理解了。因此，是否或如何進行支護樁水平承載力驗算和巖土荷載作用下永久坡體支護結構抗震強度驗算成了一個問題。本文對此進行分析。

1 關于支護樁水平承載力驗算

對支護樁進行水平承載力驗算是理所當然的，因為對建（構）筑物中的承受豎向荷載和水平荷載的基礎樁既要進行豎向承載力驗算，又要進行水平承載力驗算。

根據《地基通用規范》“樁基”一章第5.2.3條，單樁水平承載力驗算應符合下式規定：

式中：Hik——作用效應標準組合下作用于基樁i樁頂處的水平力（kN）；Rh——單樁基礎或群樁中基樁的水平承載力特征值（kN）。

《地基通用規范》“樁基”一章位于“天然地基與處理地基”一章和“基礎”一章之間，且上述規定已明確上式中的水平力是作用于樁頂處的，因此，這里的“樁基”是建（構）筑物中的基礎，不是坡體支護結構中的樁（支護樁）。

根據該規范第2.2.2條第4款的規定[對坡體支護結構材料強度驗算的要求和對建（構）筑物中基礎材料強度驗算的要求相同]可知，如果支護樁水平承載力驗算采用水平承載力特征值概念和允許應力法[就像《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330—2013）[1]所規定的那樣]，那是符合《地基通用規范》精神的。

然而，筆者主張支護樁水平承載力驗算改用極限承載力標準值概念和安全系數法。

筆者曾經詳細論述過地基（樁基）承載力驗算采用承載力特征值概念和允許應力法改用地基（樁基）極限承載力標準值概念和安全系數法的主張[2-3]。采用極限承載力標準值概念和安全系數法時，支護樁水平承載力驗算與建（構）筑物地基（樁基）承載力驗算有所區別的是：抗失穩支護結構中單樁承載安全系數取值需小于抗變形支護結構中單樁承載安全系數。

在安全系數法中，從原則（即不考慮公式或試驗誤差）上說，特定地質和支護樁（包括其所受荷載的分布）條件下的單樁極限水平承載力有特定值，不因工況（是一般工況還是地震工況）、荷載類型（是抗失穩支護結構巖土荷載還是抗變形支護結構巖土荷載）、地質體類型（是視為巖體還是視為土體）而異，因這些因素不同而不同的是單樁水平承載安全系數。

當支護樁水平承載力驗算采用水平承載力特征值概念和允許應力法時，單樁水平承載力特征值（指承載力許用值，下同）需要因巖土荷載類型（是抗失穩支護結構巖土荷載還是抗變形支護結構巖土荷載）的不同而不同，這個問題的存在使得支護樁中單樁水平承載力特征值概念不具有單樁水平承載力的應有特征，如同建（構）筑物地基（單樁）承載力特征值需要因工況（是一般工況還是地震工況）和地質體類型（是視為巖體還是土體）而異，使得建（構）筑物地基（單樁）承載力特征值概念不具有地基（單樁）承載力的應有特征。

關于支護樁水平承載力驗算的上述主張，拙著[2]已有較多論述。

順便指出，該規定原文中“受水平荷載作用下”一語不合語法，應改為“水平荷載作用下”或“受水平荷載作用時”。

2 關于巖土荷載作用下坡體支護結構抗震強度驗算

根據《地基通用規范》第2.2.2條第4款和第5.1.1條第7款的規定[對巖土荷載作用下坡體支護結構材料強度驗算的要求和對建（構）筑物中基礎材料強度驗算的要求相同，對建（構）筑物樁基需進行抗震承載力驗算]可知，如果對巖土荷載作用下的永久坡體支護結構進行抗震強度驗算[就像《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330—2013）[1]所規定的那樣]，那是符合《地基通用規范》精神的。

（1）對巖土荷載作用下的坡體抗失穩支護結構不必進行抗震強度驗算

根據《地基通用規范》第5.2.1條，軸心和偏心豎向力作用下的樁基豎向承載力驗算應分別滿足（2）和（3）式、（4）和（5）式：

式中：Nk——作用效應標準組合下基樁或復合基樁的平均豎向力（kN）；NEk——地震作用效應和作用效應標準組合下基樁或復合基樁的平均豎向力（kN）；Nk max——作用效應標準組合下基樁或復合基樁的最大豎向力（kN）；NEk max——地震作用效應和作用效應標準組合下基樁或復合基樁的最大豎向力（kN）；R——基樁或復合基樁豎向承載力特征值（kN）。

由此可知，地震作用效應和作用效應的標準組合下建（構）筑物單樁承載力豎向特征值是作用效應的標準組合下建（構）筑物單樁豎向承載力特征值的1.25倍，當采用安全系數法時，作用效應的標準組合下建（構）筑物單樁豎向承載安全系數是地震作用效應和作用效應的標準組合下建（構）筑物單樁豎向承載安全系數的1.25倍。

但是，抗失穩支護結構中單樁承載安全系數不因作用組合是作用效應的標準組合還是地震作用效應和作用效應的標準組合而不同。

原因在于：地震工況是校核工況，該工況下坡體穩定安全系數已經明顯小于一般工況下坡體穩定安全系數，地震工況下由按穩定性公式反算法算得的坡體抗失穩支護結構巖土荷載，既可能大于一般工況下坡體抗失穩支護結構巖土荷載，也可能小于或等于一般工況下坡體抗失穩支護結構巖土荷載。無論地震工況下坡體抗失穩支護結構巖土荷載是否大于一般工況下坡體抗失穩支護結構巖土荷載，它都是剛好使坡體在地震工況下的穩定系數達到相應穩定安全系數的支護力之反力。

因此，當用安全系數表示支護結構安全度時，在理論上，坡體抗失穩支護結構安全系數可取1，或者說，坡體抗失穩支護結構極限承載力等于抗滑支護結構巖土荷載即可。不過，坡體抗失穩支護結構極限承載力的確定存在明顯誤差，比如：抗失穩支護結構巖土荷載在豎直和水平方向上的分布也難以準確確定，這導致抗失穩支護結構極限承載力的確定即使在構件極限承載力計算無誤差時也有明顯誤差。如果為考慮抗失穩支護結構極限承載力這一新因素的誤差對穩定性計算結果的影響而提高穩定安全系數，又會造成同一工程重要性等級和同一失穩類型下的穩定安全系數取值不統一。因此，抗失穩支護結構本身應有一定安全度，但其安全度應低于以主動土壓力為荷載時所設計的擋墻。

由此可知，無論支護是何種形式，無論設計方法是安全系數法還是分項系數法，無論是就支護結構材料而言還是就與支護結構接觸的巖土體而言，抗失穩支護結構留有的安全度與計算工況是一般工況還是地震工況無關，換句話說，當坡體支護以支護后的坡體穩定系數達到穩定安全系數為要求時，相同的支護結構承擔巖土荷載的能力是相同的。

（2）對巖土荷載作用下的坡體抗變形支護結構不必進行抗震強度驗算

坡體抗變形結構是用于約束坡體側向變形的，不是用于防范坡體失穩的。當地震作用下坡體穩定性不滿足要求時，需進行的治理是抗失穩治理而不是抗變形治理。在治理后坡體抗震穩定性滿足要求的條件下，地震作用只能造成坡體側向變形有所增加，而不會導致邊坡失穩。因此，對巖土荷載作用下的坡體抗變形支護結構不必進行抗震強度驗算。

關于巖土荷載作用下的坡體支護結構抗震強度驗算的上述主張，拙著[2]已有論述。

按《地基通用規范》第2.2.2條第4款和第5.1.1條第7款建（構）筑物基礎和坡體支護結構強度驗算規則，該規范沒有要求對巖土荷載作用下的永久坡體支護結構進行抗震強度驗算本是該規范的缺項之一，但根據上述分析，該規范這樣做卻是歪打正著。存在這種現象的原因是該規范的巖土荷載作用下坡體支護結構強度驗算規則是不正確的，沒有區分抗變形支護結構巖土荷載和抗失穩支護結構巖土荷載，沒有正確計算抗失穩支護結構巖土荷載并考慮其特殊性[3]。

3 結論與建議

（1）《地基通用規范》沒有對支護結構中單樁水平承載力驗算作出規定是該規范的一個缺項。建議支護結構中單樁水平承載力驗算采用安全系數法，其中巖土荷載由按穩定性公式反算法計算時的單樁承載安全系數小于巖土荷載由巖土壓力法計算時的單樁承載安全系數。

（2）當抗失穩支護結構巖土荷載采用按穩定性公式反算法計算時，支護結構抗震強度驗算（包括截面強度驗算和表面巖土強度驗算）是不必要的。