葉 明，朱威威

(廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510635)

1 概述

隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)一體化進(jìn)程的推進(jìn)，廣東省區(qū)內(nèi)各項(xiàng)跨區(qū)域調(diào)水項(xiàng)目紛紛啟動(dòng)，與之配套的管線工程日益增多。因社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(xiàng)目沿線需要垂直支護(hù)的比例日漸提高，與此同時(shí)，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(jì)工作中，抗隆起等一系列穩(wěn)定性驗(yàn)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(jì)算幾種常用規(guī)范計(jì)算公式的逐項(xiàng)剖析，通過典型案例模型計(jì)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(shí)際的設(shè)計(jì)工作提供參考。

目前，水利行業(yè)尚未對基坑工程編制專項(xiàng)規(guī)范，設(shè)計(jì)工作中主要參考的規(guī)范有住建部《建筑基坑支護(hù)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(shí)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(hù)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(shí)踐通常采用能考慮土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的c、φ值的地基承載力模式和圓弧滑動(dòng)模式兩種，均屬于極限平衡分析方法。因前者計(jì)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(shí)際計(jì)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(shí)，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(jì)工作中會(huì)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(shí)，按圓弧滑動(dòng)計(jì)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(jì)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(jí)安全等級(jí)基坑抗隆起分項(xiàng)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(diǎn)對圓弧滑動(dòng)模式進(jìn)行對比分析。

2 采用圓弧滑動(dòng)模式分析抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算方法的力矩取舍

圓弧滑動(dòng)抗隆起分析法[1]認(rèn)為：土體沿支護(hù)墻體底面滑動(dòng)，滑動(dòng)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(diǎn)的力矩平衡比值。

圖2 圓弧滑動(dòng)模式計(jì)算示意

滑動(dòng)力矩的產(chǎn)生來源主要有以下4個(gè)方面：① GM水平段地面施工荷載q引起的滑動(dòng)力矩M1；② OAMG區(qū)塊土體自重產(chǎn)生的滑動(dòng)力矩M2；③ OACB區(qū)塊土體自重產(chǎn)生的滑動(dòng)力矩M3；④ BCE區(qū)塊土體自重產(chǎn)生的滑動(dòng)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(shí)，除了BEF區(qū)塊被抵消抗滑力矩外，剩余抗滑動(dòng)力矩的產(chǎn)生來源主要有以下3個(gè)方面：① MA豎直段在水平側(cè)向力作用下豎向滑動(dòng)面上抗剪強(qiáng)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(qiáng)度所產(chǎn)生的抗滑力矩M抗2；③ 支護(hù)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(hù)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(yàn)算簡圖見圖3所示，計(jì)算公式如下：

圖3 住建部規(guī)圓弧滑動(dòng)模式計(jì)算示意

(1)

式中：

KRL——最下層支點(diǎn)為軸心的圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定安全系數(shù)。

住建部規(guī)[2]要求一級(jí)～三級(jí)安全等級(jí)的取值，分別為2.2、1.9、1.7；廣東省住建廳規(guī)范計(jì)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(hù)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(jí)～三級(jí)分別為1.1、1.0、0.9)，即1.76、1.6、1.44。本規(guī)程計(jì)算抗滑力矩最大特點(diǎn)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(jì)算安全系數(shù)計(jì)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(yàn)算簡圖見圖4所示,計(jì)算公式如下：

圖4 上海市規(guī)圓弧滑動(dòng)模式計(jì)算示意

(2)

(3)

(4)

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

γS——作用分項(xiàng)系數(shù)，取值1.0；

Msk——支護(hù)墻體允許抗彎力矩；

MRLkj——坑外最下層支點(diǎn)以下第j層土體產(chǎn)生的抗滑動(dòng)力矩；

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

MSLkq——坑外地面施工荷載引起的滑動(dòng)力矩；

MSLki——坑外最下層支點(diǎn)以上第i層土體產(chǎn)生的滑動(dòng)力矩；

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

其中最下層支點(diǎn)以下第j層土體產(chǎn)生的抗滑動(dòng)力矩為：

(5)

可知其計(jì)算中包含了住建部規(guī)缺失的滑動(dòng)圓弧面上土體水平側(cè)壓力產(chǎn)生的抗滑動(dòng)力矩[4]，但公式中并未考慮最下層支點(diǎn)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?jì)算公式與上海規(guī)范大致相同，不同之處在于在抗滑力矩中未考慮支護(hù)墻體允許抗彎力矩，但增加了最下層支點(diǎn)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(hù)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(yàn)算簡圖見圖5所示,計(jì)算公式如下：

圖5 深圳市規(guī)圓弧滑動(dòng)模式計(jì)算示意

(7)

浙江省規(guī)驗(yàn)算簡圖見圖6所示，計(jì)算公式如下：

圖6 浙江省規(guī)圓弧滑動(dòng)模式計(jì)算示意

(8)

式中：

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

兩地的規(guī)范計(jì)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(qiáng)度指標(biāo)，而是采用相應(yīng)深度十字板抗剪強(qiáng)度換算來直接計(jì)算滑動(dòng)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(bào)告提供的相應(yīng)深度十字板抗剪強(qiáng)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(dòng)，實(shí)驗(yàn)所得的強(qiáng)度遠(yuǎn)小于原狀土強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度與實(shí)際工況更貼合。

但缺點(diǎn)也很明顯，首先是無法有效利用傳統(tǒng)計(jì)算方式在本地區(qū)已有的累計(jì)經(jīng)驗(yàn)，如遇地勘資料缺失或基坑設(shè)計(jì)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(shí)做出相應(yīng)改變；其次，十字板剪切試驗(yàn)是在原位鉆孔中進(jìn)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(yàn)的區(qū)域性較強(qiáng)，不利于跨區(qū)域項(xiàng)目的參考對比[10-11]。

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

表1 各計(jì)算方案滑動(dòng)及抗滑力矩的取舍

表2 各計(jì)算方案對安全系數(shù)的要求

圓弧滑動(dòng)分析本質(zhì)上就是找到合理的滑動(dòng)面，以這個(gè)滑動(dòng)面為受力分析為基礎(chǔ)，而滑動(dòng)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(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度比。設(shè)計(jì)工作中通常為協(xié)調(diào)最下層支撐以下土體的機(jī)械開挖便利性[12](空間越大越好)和支護(hù)結(jié)構(gòu)抗彎構(gòu)造的經(jīng)濟(jì)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(jì)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(hù)典型斷面為例進(jìn)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(qiáng)度較低，不宜放坡開挖，垂直支護(hù)段占比較大。選取典型支護(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)采用剛性支護(hù)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(hù)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(jì)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(jì)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(jì)算方案結(jié)果進(jìn)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(jì)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(jí)基坑1.9的安全要求，這與實(shí)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(jí)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(gè)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(jì)算結(jié)果僅比上海市規(guī)略高一點(diǎn)；同時(shí)上海市規(guī)在嵌固深度較低時(shí)(0.2H嵌入比)因考慮支護(hù)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(hù)嵌入比影響曲線示意

通常在調(diào)整嵌固深度的同時(shí)，也可通過攪拌樁、旋噴樁等土體加固措施提高土體強(qiáng)度，因圓弧滑動(dòng)計(jì)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(gè)常見區(qū)間的安全系數(shù)計(jì)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(jì)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(jí)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(qiáng)對于計(jì)算結(jié)果的改善作用都不明顯，導(dǎo)致與實(shí)際工程中如嚴(yán)格按照此規(guī)范，會(huì)產(chǎn)生明顯不合理不經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(hù)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(shí)際的原位十字板剪切數(shù)值作為計(jì)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(jì)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(jì)算結(jié)果更優(yōu)。

4 結(jié)語

1) 由于土體隆起破壞與支護(hù)墻體彎曲破壞較少同時(shí)發(fā)生，且支護(hù)墻的允許力矩相比滑動(dòng)面抗滑力矩小得多，因設(shè)計(jì)前期支護(hù)墻允許抗彎力矩尚未明確，作為安全儲(chǔ)備計(jì)算時(shí)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(hù)時(shí)，該部分抗滑作用值得設(shè)計(jì)者手動(dòng)復(fù)核其影響。

2) 對于多道內(nèi)支撐的支護(hù)結(jié)構(gòu)，尤其是可加預(yù)加力的鋼管支撐，事實(shí)上增加了豎直段抵抗滑動(dòng)的水平法向分力，對于抗滑有利。目前各規(guī)范對滑動(dòng)面豎直段的水平側(cè)壓力均按安全儲(chǔ)備考慮，且該分項(xiàng)影響對于嵌入深度較小時(shí)，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(qiáng)度計(jì)算抗隆起穩(wěn)定驗(yàn)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(jì)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?？赏讲捎蒙虾Ｊ幸?guī)計(jì)算公式，幫助復(fù)核結(jié)果，提升設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性。