談基坑開挖安全系數(shù)的影響因素

錢玉林 李小偉 王飛艷

(1.揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225127;2.常州市建筑科學(xué)研究院有限公司，江蘇常州 213000)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，城市化水平越來越高，高層建筑大量興建。商業(yè)用房，車庫等加速了地下空間的開發(fā)，在這些工程中遇到一個(gè)普遍問題就是基坑開挖過程中邊坡穩(wěn)定問題，這一問題一直是土木工程學(xué)科中重要研究課題。本文結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)土體強(qiáng)度指標(biāo)c，φ值以及地下水位對(duì)基坑開挖過程中邊坡穩(wěn)定的影響進(jìn)行分析比較［1］。

1 工程概況

廣福花園小區(qū)位于揚(yáng)州市廣陵區(qū)，人民路與秦郵路交叉口，基坑形狀不規(guī)則，東西走向，東西向長(zhǎng)268 m，南北向長(zhǎng)83 m，基坑總面積15 080 m2，本工程人防地下室±0相當(dāng)于1985年國家高程+7.70 m(絕對(duì)高程)，地下室頂板高程為－5.4 m(相對(duì)高程)，板厚0.40 m，墊層厚0.15 m，地面整平后的平均高程為 +6.85 m(絕對(duì)高程)，實(shí)際基坑開挖深度為5.10 m。

本工程基坑支護(hù)方案根據(jù)總平面圖、基礎(chǔ)圖、地質(zhì)條件并結(jié)合周邊建筑物分布情況及基礎(chǔ)型式確定，基坑側(cè)壁安全系數(shù)等級(jí)為三級(jí)，側(cè)壁重要性系數(shù)為0.9，各側(cè)均采用三級(jí)放坡支護(hù)方案，放坡各側(cè)基坑坡面均采用φ6鋼筋網(wǎng)片(200 mm×200 mm)C20噴射細(xì)石混凝土(厚8 cm)護(hù)坡?；拥叵滤痪€在3.5 m，采用二級(jí)輕型井點(diǎn)降水。

根據(jù)巖土工程地質(zhì)勘察報(bào)告，得到該基坑所處地層情況及強(qiáng)度指標(biāo)見表1。

2 瑞典條分法

瑞典圓弧法的基本假定:

1)假定土坡穩(wěn)定問題是平面應(yīng)變問題。

2)假定滑裂面為圓弧形，計(jì)算時(shí)不考慮土條兩側(cè)的作用力。

表1 土層物理參數(shù)

3)假定計(jì)算圓弧面上的安全系數(shù)值K時(shí)，簡(jiǎn)單地將條塊重量向滑面法向分解來求得法向力。

由于弧面上各點(diǎn)的斜率都不相等，自重等外荷載對(duì)弧面的法向和切向作用分力都不能按整體計(jì)算，所以采用條分法計(jì)算，如圖1所示［2，3］。

圖1 瑞典條分法受力分析圖示

依據(jù)假定用附加外力使土坡達(dá)到極限平衡，安全系數(shù)的計(jì)算公式如下:

3 邊坡穩(wěn)定影響因素分析

邊坡的穩(wěn)定受各種因素的影響，如地下水位、土體的強(qiáng)度指標(biāo)等。因此討論地下水位，c，φ值的變化對(duì)邊坡穩(wěn)定，對(duì)實(shí)際工程有重大意義。

3.1 c值變化對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響

由于本工程中土層①，②厚度較小，在原有的計(jì)算基礎(chǔ)上，保持其他條件不變，將土層③的 c值相應(yīng)變化 ±5%，±10%，±15%，±20%，其他條件也不變。利用瑞典條分法計(jì)算得到結(jié)果見表2;將數(shù)據(jù)整理得出安全系數(shù)隨c值的變化曲線，如圖2所示。

表2 安全系數(shù)隨c值的變化

圖2 安全系數(shù)K隨c值變化曲線

由圖2分析可得，安全系數(shù)K隨粘聚力c值的增大而增大。

3.2 φ值變化對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響

在原有的計(jì)算基礎(chǔ)上，保持其他條件不變，將土層③的φ值相應(yīng)變化±5%，±10%，±15%，±20%，其他條件也不變。利用瑞典條分法計(jì)算得到結(jié)果如表3所示;數(shù)據(jù)整理得安全系數(shù)隨φ值的變化曲線，見圖3。

表3 安全系數(shù)隨φ值的變化

圖3 安全系數(shù)K隨φ值變化曲線

由圖3可知，安全系數(shù)隨土體φ值的增大而增大。

3.3 邊坡穩(wěn)定中c，φ值敏感性分析

敏感度系數(shù)是指評(píng)價(jià)指標(biāo)變化的百分率與不確定因素變化百分率之比。敏感度系數(shù)越高，表示對(duì)該不確定因素的敏感度越高。敏感度系數(shù)的計(jì)算公式為:

式中:SAF——指標(biāo)A對(duì)于不確定性因素F的敏感度系數(shù);

ΔF/F——不確定因素F的變化率;

ΔA/A——指標(biāo)A的變化率。

對(duì)滑動(dòng)面進(jìn)行計(jì)算，得到c，φ值敏感性分析結(jié)果如表4，表5所示。

表4 穩(wěn)定安全系數(shù)對(duì)于c的敏感度系數(shù)

表5 穩(wěn)定安全系數(shù)對(duì)于φ的敏感度系數(shù)

由表4，表5分析可得土體的c值比φ值對(duì)邊坡穩(wěn)定影響大。

3.4 地下水位的影響

由于該工程瀕臨長(zhǎng)江，地下水位高，在邊坡穩(wěn)定分析過程中對(duì)地下水位影響進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，分別取基坑外側(cè)地下水位為2 m，2.5 m，3 m，3.5 m，4 m，4.5 m 時(shí)，對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行比較。利用瑞典條分法計(jì)算得到結(jié)果如表6所示。

表6 穩(wěn)定安全系數(shù)隨地下水位的變化

由計(jì)算結(jié)果分析可得:安全系數(shù)隨基坑外側(cè)地下水位的降低而相應(yīng)的增大。

4 結(jié)語

本文以瑞典條分法為理論基礎(chǔ)，分別討論地下水位、強(qiáng)度指標(biāo)c，φ值對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:1)在一定范圍內(nèi)，基坑開挖安全系數(shù)K隨c，φ值的增大而增大。2)通過敏感性因素分析理論，分別把c，φ值作為不確定因素進(jìn)行討論分析，比較敏感度系數(shù)，得出c值對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響比φ值大。3)通過計(jì)算基坑外側(cè)地下水位在不同位置的穩(wěn)定安全系數(shù)，分析比較得出基坑外側(cè)地下水位越低，基坑開挖安全穩(wěn)定系數(shù)就越高。

［1］楊庚宇，趙少飛.土坡穩(wěn)定分析圓弧滑動(dòng)法的解析解［J］.工程力學(xué)，1998(sup):440-443.

［2］盧廷浩，高貴全.有效應(yīng)力概念下瑞典條分法穩(wěn)定安全系數(shù)公式討論［J］.水利水電科技進(jìn)展，2011，3(2):43-45.

［3］楊 劍.瑞典條分法和畢肖普法在土坡穩(wěn)定分析中的應(yīng)用和研究［J］.鹽城工學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，18(2):66-68.