廣東地區(qū)水利工程基坑支護抗隆起穩(wěn)定計算分析

葉 明，朱威威

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司，廣州 510635)

1 概述

隨著區(qū)域經(jīng)濟社會一體化進程的推進，廣東省區(qū)內(nèi)各項跨區(qū)域調(diào)水項目紛紛啟動，與之配套的管線工程日益增多。因社會經(jīng)濟的發(fā)展，受限于愈發(fā)擁擠狹窄的施工空間，調(diào)水供水工程及配套項目沿線需要垂直支護的比例日漸提高，與此同時，水利工程沿海沿河地區(qū)深厚淤泥等軟土地質(zhì)特征，在管線基坑設(shè)計工作中，抗隆起等一系列穩(wěn)定性驗算不易滿足的現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，本文經(jīng)過對國內(nèi)抗隆起穩(wěn)定計算幾種常用規(guī)范計算公式的逐項剖析，通過典型案例模型計算對比各規(guī)范對嵌入比和土體內(nèi)摩擦角的影響差異，為實際的設(shè)計工作提供參考。

目前，水利行業(yè)尚未對基坑工程編制專項規(guī)范，設(shè)計工作中主要參考的規(guī)范有住建部《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120-2012)和廣東省《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)程》(DBJ/T 15-20-2016)，同時常用參考借鑒的規(guī)范有較發(fā)達(dá)地區(qū)上海市《基坑工程技術(shù)規(guī)范》(DG/TJ 08-61-2010)、深圳市《深基坑支護技術(shù)規(guī)范》(SJG 05-2020)、浙江省《建筑基坑技術(shù)規(guī)程》(DB 33/T1096-2014)，以及行業(yè)常用《基坑工程手冊》。

2 抗隆起穩(wěn)定性主要分析模式

我國基坑工程實踐通常采用能考慮土體抗剪強度指標(biāo)的c、φ值的地基承載力模式和圓弧滑動模式兩種，均屬于極限平衡分析方法。因前者計算安全系數(shù)易隨土體內(nèi)摩擦角φ值的增大而迅速增長，結(jié)果是安全系數(shù)較大，實際計算對因其內(nèi)摩擦角φ值的取值較為敏感，如本次工程算例的結(jié)果對土層摩擦角φ值的取值從2°～22°區(qū)間時，對應(yīng)的抗隆起安全系數(shù)可從0.6躍至2.5(見圖1)。所以經(jīng)常在設(shè)計工作中會出現(xiàn)，如遇基坑底部土體內(nèi)摩擦角相比上層土體較大時，按圓弧滑動計算數(shù)值很低無法滿足安全系數(shù)要求，但采用地基承載力模式結(jié)果卻出現(xiàn)結(jié)果幾倍與安全系數(shù)的現(xiàn)象。

圖1 地基承載力模式土體摩擦角影響曲線示意

目前,各地規(guī)范對地基承載力模式的計算公式要求是一致的，僅安全系數(shù)方面住建部和廣東省地方規(guī)范規(guī)定的1～3級安全等級基坑抗隆起分項系數(shù)對其取值均取1.8、1.6、1.4；而上海地區(qū)規(guī)范提高至2.5、2.0、1.7。本文重點對圓弧滑動模式進行對比分析。

2 采用圓弧滑動模式分析抗隆起穩(wěn)定性驗算方法的力矩取舍

圓弧滑動抗隆起分析法[1]認(rèn)為：土體沿支護墻體底面滑動，滑動面為一圓弧，且不考慮基坑寬度的影響，滑弧中心為最下一道支撐處(見圖2)。抗隆起安全系數(shù)即繞中心O點的力矩平衡比值。

圖2 圓弧滑動模式計算示意

滑動力矩的產(chǎn)生來源主要有以下4個方面：① GM水平段地面施工荷載q引起的滑動力矩M1；② OAMG區(qū)塊土體自重產(chǎn)生的滑動力矩M2；③ OACB區(qū)塊土體自重產(chǎn)生的滑動力矩M3；④ BCE區(qū)塊土體自重產(chǎn)生的滑動力矩，但與基坑內(nèi)BEF區(qū)塊自重產(chǎn)生的抗滑力矩抵消。

同時，除了BEF區(qū)塊被抵消抗滑力矩外，剩余抗滑動力矩的產(chǎn)生來源主要有以下3個方面：① MA豎直段在水平側(cè)向力作用下豎向滑動面上抗剪強度所產(chǎn)生的抗滑力矩M抗1；② ACEF圓弧段在豎向及水平側(cè)向力作用下圓弧面上抗剪強度所產(chǎn)生的抗滑力矩M抗2；③ 支護墻體允許的抗彎力矩M抗3。

根據(jù)對以上力矩的取舍不同，各常用規(guī)范大體分為以下3類。

2.1 住建部《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120-2012)和廣東省《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)程》(DBJ/T 15-20-2016)

驗算簡圖見圖3所示，計算公式如下：

圖3 住建部規(guī)圓弧滑動模式計算示意

(1)

式中：

KRL——最下層支點為軸心的圓弧滑動穩(wěn)定安全系數(shù)。

住建部規(guī)[2]要求一級～三級安全等級的取值，分別為2.2、1.9、1.7；廣東省住建廳規(guī)范計算公式與住建部規(guī)范一致，但系數(shù)要求上認(rèn)為其安全系數(shù)取值過大[3]，軟土地層常難以滿足，且公式未考慮支護墻抵抗作用，故適當(dāng)降低要求至1.6γ0(γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，一級～三級分別為1.1、1.0、0.9)，即1.76、1.6、1.44。本規(guī)程計算抗滑力矩最大特點是僅考慮土體自重和地面荷載在圓弧段上的法向分力所引起摩擦力矩。完全未考慮水平側(cè)向力的影響，故計算安全系數(shù)計算值較為保守。

2.2 上海市《基坑工程技術(shù)規(guī)范》(DG/T J08-61-2010)及《基坑工程手冊》

驗算簡圖見圖4所示,計算公式如下：

圖4 上海市規(guī)圓弧滑動模式計算示意

(2)

(3)

(4)

式中：γRL——抗隆起分項系數(shù)，一級～三級安全等級的取值分別為2.2、1.9、1.7；

γS——作用分項系數(shù)，取值1.0；

Msk——支護墻體允許抗彎力矩；

MRLkj——坑外最下層支點以下第j層土體產(chǎn)生的抗滑動力矩；

MRLkm——坑內(nèi)開挖面以下第m層土體產(chǎn)生的抗滑動力矩；

MSLkq——坑外地面施工荷載引起的滑動力矩；

MSLki——坑外最下層支點以上第i層土體產(chǎn)生的滑動力矩；

MSLkj——坑外最下層支點以下至開挖面以上第j層土體產(chǎn)生的滑動力矩；

其中最下層支點以下第j層土體產(chǎn)生的抗滑動力矩為：

(5)

可知其計算中包含了住建部規(guī)缺失的滑動圓弧面上土體水平側(cè)壓力產(chǎn)生的抗滑動力矩[4]，但公式中并未考慮最下層支點以上土體的水平側(cè)向力在豎直段KJ面上的抗滑力矩?！痘庸こ淌謨浴酚嬎愎脚c上海規(guī)范大致相同，不同之處在于在抗滑力矩中未考慮支護墻體允許抗彎力矩，但增加了最下層支點以上土體的水平側(cè)向力在KJ豎直段上的抗滑力矩Mr1i:

(6)

2.3 深圳市《深基坑支護技術(shù)規(guī)范》(SJG05-2020)和浙江省《建筑基坑技術(shù)規(guī)程》(DB33/T1096-2014)

深圳市規(guī)驗算簡圖見圖5所示,計算公式如下：

圖5 深圳市規(guī)圓弧滑動模式計算示意

(7)

浙江省規(guī)驗算簡圖見圖6所示，計算公式如下：

圖6 浙江省規(guī)圓弧滑動模式計算示意

(8)

式中：

Kr——繞最下層支點圓弧滑動的抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)，深圳市規(guī)要求一級～二級安全等級的取值，分別為1.4、1.3[6]，三級未作要求；浙江省規(guī)要求一級～三級安全等級的取值，分別為1.6、1.5、1.4。

兩地的規(guī)范計算較為特殊，兩者均不采用通常規(guī)范要求的三軸固結(jié)不排水剪的強度指標(biāo)，而是采用相應(yīng)深度十字板抗剪強度換算來直接計算滑動面上的抗剪力。浙江省規(guī)根據(jù)其省內(nèi)工程總結(jié)，允許按勘察報告提供的相應(yīng)深度十字板抗剪強度的1.5倍取值[7]。這么選擇的原因，一方面是軟土的靈敏度很高，采樣后，試樣必定收到不同程度的擾動，實驗所得的強度遠(yuǎn)小于原狀土強度[8]；另一方面考慮基坑工程開挖卸載，坑內(nèi)坑底以下土體由正常固結(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)槌探Y(jié)。壓密狀態(tài)產(chǎn)生變化隨之抗剪強度有所增加[9]，且軟土通常滲透系數(shù)較小，孔壓消散較慢，軟土強度相較原狀土變化較小，在窄基坑、短暴露的工況下，采用十字板抗剪強度與實際工況更貼合。

但缺點也很明顯，首先是無法有效利用傳統(tǒng)計算方式在本地區(qū)已有的累計經(jīng)驗，如遇地勘資料缺失或基坑設(shè)計深度因故調(diào)整，缺少相應(yīng)深度地層的十字板剪切數(shù)值，不便于及時做出相應(yīng)改變；其次，十字板剪切試驗是在原位鉆孔中進行，對目標(biāo)地層的適用性比較窄，目前僅適用不能含有砂層、礫石、貝殼等成分干擾的軟粘土層；最后十字板剪切試驗的區(qū)域性較強，不利于跨區(qū)域項目的參考對比[10-11]。

各計算方案滑動及抗滑力矩的取舍統(tǒng)計見表1，同時計算結(jié)果的安全系數(shù)允許值見表2。

表1 各計算方案滑動及抗滑力矩的取舍

表2 各計算方案對安全系數(shù)的要求

圓弧滑動分析本質(zhì)上就是找到合理的滑動面，以這個滑動面為受力分析為基礎(chǔ)，而滑動面的選擇最重要的就是基坑最下層支撐距離坑底的距離和支護結(jié)構(gòu)嵌固深度比。設(shè)計工作中通常為協(xié)調(diào)最下層支撐以下土體的機械開挖便利性[12](空間越大越好)和支護結(jié)構(gòu)抗彎構(gòu)造的經(jīng)濟性(空間越小越好)的矛盾，目前通常最下層支撐距離坑底通常為4～4.5 m左右較為合理；抗隆起設(shè)計主要工作是尋找合適嵌固深度D與基坑深度H的比值嵌入比D/H。

本文以汕尾市區(qū)供水節(jié)水改造工程中垂直支護典型斷面為例進行分析。

3 案例分析

汕尾市區(qū)供水節(jié)水改造工程為解決汕尾市區(qū)、紅海灣開發(fā)區(qū)和海豐縣區(qū)域內(nèi)淡水資源緊缺而新建的一宗供水工程。輸水線路全長約為25.83 km(其中管道埋設(shè)長度約24.17 km，頂管長1.35 km，隧洞長0.31 km)，沿線地質(zhì)②-1淤泥質(zhì)粘土層和③-2淤泥質(zhì)粘土層呈軟塑狀，②-2淤質(zhì)中砂層含水量較大，抗剪強度較低，不宜放坡開挖，垂直支護段占比較大。選取典型支護斷面見圖7：地面超載q為10 kPa，基坑深度10 m且處于淤泥地層，最下層支撐距離坑底4.5 m，支護結(jié)構(gòu)采用剛性支護的“灌注樁+對撐”方式，壓頂梁層采用C30砼支撐尺寸為600 mm×800 mm，腰梁采用工字鋼腰梁+鋼管支撐方式。

圖7 典型支護斷面示意(單位：mm)

嵌入深度D從規(guī)范建議的最小0.2H到2H，為便于比較不同參數(shù)對計算結(jié)果的影響，采用等效均質(zhì)地基模型簡化。隨嵌入比增加，經(jīng)地層參數(shù)加權(quán)平均計算土的重度γ取17～19 kN/m3，內(nèi)摩擦角φ值取7.3°～16.3°，粘聚力c值取7.1～13.3 kPa。因無十字板剪切參數(shù)，故僅對住建部規(guī)、上海市規(guī)和基坑手冊3種計算方案結(jié)果進行對比。

整理得到嵌入比對抗隆起穩(wěn)定性安全系數(shù)的影響曲線見圖8，由圖8可看出，在相同的地層參數(shù)下，隨著嵌固深度的增加，上海市規(guī)和基坑手冊計算結(jié)果呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)特性，嵌入比的增加對應(yīng)安全系數(shù)也線性增加；而住建部規(guī)對應(yīng)安全系數(shù)變化較小，即使嵌入比達(dá)到2.0，安全系數(shù)仍僅有1.6尚無法滿足二級基坑1.9的安全要求，這與實際情況相差較遠(yuǎn)；上海市規(guī)在1H的嵌入深度即可超過二級基坑的安全系數(shù)要求；而基坑手冊因考慮MA豎直段的水平側(cè)向力產(chǎn)生的抗滑力矩，因本案例整個MA豎直段均位于淤泥地層，故水平側(cè)向力所能提供抗滑力矩較小，基坑手冊計算結(jié)果僅比上海市規(guī)略高一點；同時上海市規(guī)在嵌固深度較低時(0.2H嵌入比)因考慮支護墻體抗彎力矩而安全系數(shù)比基坑手冊較大，但該部分影響隨嵌固深度增加迅速弱化。

圖8 住建部規(guī)、上海市規(guī)和基坑手冊支護嵌入比影響曲線示意

通常在調(diào)整嵌固深度的同時，也可通過攪拌樁、旋噴樁等土體加固措施提高土體強度，因圓弧滑動計算土體內(nèi)摩擦角φ值至關(guān)重要[13]，現(xiàn)將嵌固深度分別取0.2H、0.5H和1.0H深度下，土體內(nèi)摩擦角數(shù)值從4°～22°這個常見區(qū)間的安全系數(shù)計算結(jié)果如圖9所示，可見隨這嵌入比的增加，內(nèi)摩擦角φ值在上海市規(guī)和基坑手冊計算結(jié)果中對安全系數(shù)的提升也相較住建部規(guī)更加明顯。

a 嵌入深度0.2H

b 嵌入深度0.5H

c 嵌入深度1.0H圖9 住建部規(guī)、上海市規(guī)和基坑手冊不同嵌入深度下內(nèi)摩擦角影響曲線示意

所以，從抗滑力矩的選擇和安全等級系數(shù)的要求來看，住建部規(guī)要求最為嚴(yán)格的；且嵌固深度和摩擦角的增強對于計算結(jié)果的改善作用都不明顯，導(dǎo)致與實際工程中如嚴(yán)格按照此規(guī)范，會產(chǎn)生明顯不合理不經(jīng)濟的工程舉措。面對這種情況，各地方規(guī)范從自身區(qū)域地質(zhì)情況出發(fā)，各自進行了不同的優(yōu)化措施：廣東省規(guī)優(yōu)化了安全系數(shù)和巖土參數(shù)的選擇要求；上海市規(guī)在不改變安全系數(shù)要求的前提下，增加考慮了嵌固段土體的水平側(cè)向力的抗滑、支護墻體允許抗彎兩方面；深圳市規(guī)及浙江省規(guī)則直接采用更高也更符合實際的原位十字板剪切數(shù)值作為計算依據(jù)，并根據(jù)本區(qū)域地質(zhì)情況更新了安全系數(shù)要求。從以上各規(guī)范的計算對比可見，雖然上海市規(guī)的安全系數(shù)要求較高(同住建部規(guī))，但因考慮更合理的抗滑力矩因素后，結(jié)果對工程使用的加大嵌固深度和加固土體措施呈現(xiàn)明顯正向反饋，在軟土地層中的計算結(jié)果更優(yōu)。

4 結(jié)語

1) 由于土體隆起破壞與支護墻體彎曲破壞較少同時發(fā)生，且支護墻的允許力矩相比滑動面抗滑力矩小得多，因設(shè)計前期支護墻允許抗彎力矩尚未明確，作為安全儲備計算時可忽略其作用。故多地規(guī)范多簡化了該部分有利作用。但當(dāng)選擇采用大尺寸地連墻或大直徑灌注樁短嵌入支護時，該部分抗滑作用值得設(shè)計者手動復(fù)核其影響。

2) 對于多道內(nèi)支撐的支護結(jié)構(gòu)，尤其是可加預(yù)加力的鋼管支撐，事實上增加了豎直段抵抗滑動的水平法向分力，對于抗滑有利。目前各規(guī)范對滑動面豎直段的水平側(cè)壓力均按安全儲備考慮，且該分項影響對于嵌入深度較小時，影響占比較大，以后各地區(qū)規(guī)范日后可考慮如何量化該部分抗滑作用。

3) 廣東省內(nèi)的基坑工程，省規(guī)也已明確可采用十字板剪切強度計算抗隆起穩(wěn)定驗算，應(yīng)積極要求地質(zhì)勘察提供相應(yīng)資料，使用前需嚴(yán)格判斷地層條件是否可以適用。

4) 廣東省規(guī)已放寬的安全系數(shù)要求，但受抗滑力矩計算公式制約，對嵌入比及土體參數(shù)兩方面工程優(yōu)化后提升不明顯的。可同步采用上海市規(guī)計算公式，幫助復(fù)核結(jié)果，提升設(shè)計經(jīng)濟性。