考慮二維和三維尺寸效應(yīng)的基坑抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)

考慮二維和三維尺寸效應(yīng)的基坑抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)

第十二屆全國(guó)土力學(xué)及巖土工程學(xué)術(shù)大會(huì)上海2015王洪新上海城建市政工程（集團(tuán)）有限公司一、基坑抗隆起穩(wěn)定性安全系數(shù)在基坑設(shè)計(jì)中的作用基坑設(shè)計(jì)的主流方法---桿系有限元方法由于計(jì)算模型簡(jiǎn)單、荷載清晰，參數(shù)少，有利于工程經(jīng)驗(yàn)積累；變形與穩(wěn)定性分開考慮，需要引進(jìn)保證基坑穩(wěn)定的安全系數(shù)?；釉O(shè)計(jì)的桿系有限元變形計(jì)算方法基坑工程的環(huán)境保護(hù)等級(jí)分類基坑等級(jí)地面最大沉降量及圍護(hù)墻水平位移控制要求環(huán)境保護(hù)要求一級(jí)1.地面最大沉降量≤0.1%H2.圍護(hù)墻最大水平位移≤0.14%H3.Ks≥2.2基坑周邊以外0.7H范圍內(nèi)有地鐵、共同溝、煤氣管、大型壓力總水管等重要建筑或設(shè)施，必須確保安全二級(jí)1.地面最大沉降量≤0.2%H2.圍護(hù)墻最大水平位移≤0.3%H3.

Ks≥2.0離基坑周邊H～2H范圍內(nèi)有重要管線或大型的在使用的建（構(gòu)）筑物三級(jí)1.地面最大沉降量≤0.5%H2.圍護(hù)墻最大水平位移≤0.7%H3.

Ks≥1.5離基坑周圍2H范圍內(nèi)沒有重要或較重要的管線、建（構(gòu)）筑物Ks值與基坑變形關(guān)系(早期上海地鐵數(shù)據(jù))Ks值與基坑變形關(guān)系(Peck)有這么好的關(guān)系嗎？

在軟土地區(qū)，采用板樁圍護(hù)+內(nèi)支撐體系時(shí)，抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)既可以控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的入土深度，又可以反映基坑變形范圍，處于設(shè)計(jì)的核心地位！二、基坑抗隆起穩(wěn)定性安全系數(shù)計(jì)算方法的變遷Skempton(1951)提出了考慮基坑形狀及尺寸影響的承載力系數(shù)Nc值；Bjerrum(1956)通過類比方法把該系數(shù)用于基坑穩(wěn)定性分析?；涌孤∑鸱€(wěn)定安全系數(shù)的計(jì)算圖(Terzaghi，1943)Nc的取值(Skempton，1951)基坑抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)：早期的基坑抗隆起穩(wěn)定分析方法地基承載力計(jì)算的基準(zhǔn)面不能考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比的影響；只能考慮不排水情況，不能考慮φ≠0情況;可以近似地考慮基坑形狀對(duì)穩(wěn)定性的影響，但計(jì)算Nc值時(shí)采用的方法是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)??；涌孤∑鸱€(wěn)定安全系數(shù)的計(jì)算圖(Bjerrum，1956)Bjerrum安全系數(shù)中Nc取值的近似性早期基坑穩(wěn)定分析方法的缺陷0.707B墻底抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)的計(jì)算圖(汪炳鑒－夏明耀，1983)汪炳鑒－夏明耀基坑抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)法地基承載力計(jì)算的基準(zhǔn)面Terzaghi安全系數(shù)計(jì)算的基準(zhǔn)面計(jì)算值偏大很多，盡管大多規(guī)范推薦此安全系數(shù)，但在具體設(shè)計(jì)中一般不控制設(shè)計(jì)結(jié)果；盡管該系數(shù)可以考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比的影響，但由于不再采用Skempton地基承載力計(jì)算方法，使其不能考慮基坑寬度、形狀對(duì)穩(wěn)定性的影響。汪－夏法基坑安全系數(shù)的缺陷＋基坑寬度有關(guān)的項(xiàng)假設(shè)不同的滑裂面和安全系數(shù)定義可以得到一系列安全系數(shù)，由于假設(shè)不同這些安全系數(shù)彼此間沒有可比性；所有安全系數(shù)均用于控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的入比深度；所有的安全系數(shù)在不同寬度和平面形狀時(shí)計(jì)算結(jié)果相同。最下道支撐GHIJABC抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)滑裂線抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)滑裂線墻底抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)滑裂線EOQF45°+/245°－/2基坑設(shè)計(jì)規(guī)范建議安全系數(shù)的演變及缺陷與Terzaghi基坑安全系數(shù)相反，現(xiàn)有規(guī)范采用的安全系數(shù)主要用于控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)入土深度，普遍忽略了基坑尺寸、形狀對(duì)安全系數(shù)的影響，在狹窄基坑設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)造成浪費(fèi)，使設(shè)計(jì)偏于保守！南水北調(diào)穿黃隧道工作井(直徑18m，挖深50m，地下墻深76.6m)上海交通大學(xué)深水試驗(yàn)池(內(nèi)徑6.2m，挖深36.5m，地下墻深44.5m)工程中的極端情況三、改進(jìn)基坑穩(wěn)定性分析安全系數(shù)的思路及嘗試思路一：保留原安全系數(shù)定義，調(diào)整算法以考慮基坑寬度、形狀對(duì)安全系數(shù)的影響；思路二：保留原有算法形式，調(diào)整安全系數(shù)定義，使其能夠考慮基坑寬度、形狀對(duì)安全系數(shù)的影響；思路三：定義新的安全系數(shù)，綜合考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比、基坑寬度以及形狀的影響。改造基坑穩(wěn)定分析的安全系數(shù)的思路抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)的改造(保留定義，修改算法)王洪新.基坑寬度對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響[J].土木工程學(xué)報(bào)，2011，44(6)窄基坑一般寬度基坑寬基坑

基坑寬度分類圖(王洪新，2011)保留原有安全系數(shù)定義，在寬基坑時(shí)可以退化為傳統(tǒng)的抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)。不同寬度基坑的圍護(hù)插入深度(王洪新，2011)改進(jìn)的抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)的應(yīng)用基本假設(shè):圍護(hù)墻強(qiáng)度和剛度都很小;圍護(hù)墻強(qiáng)度和剛度都很大;圍護(hù)墻強(qiáng)度很大，剛度很小安全系數(shù)計(jì)算的基準(zhǔn)面計(jì)算方法:Terzaghi抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)的改造(調(diào)整定義，保留算法)針對(duì)φ＝0情況王洪新.對(duì)基坑抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)的改進(jìn)[J].巖土力學(xué)，2014，35(增刊2)計(jì)算分析圖計(jì)算方法:Terzaghi抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)的改造針對(duì)φ≠0情況不同挖深、寬度時(shí)的抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)值(φ=0)不同挖深、寬度時(shí)的抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)值(φ≠0)調(diào)整后的抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)受基坑寬度的影響K隨基坑寬度的變化(φ=0)四、綜合考慮基坑形狀、圍護(hù)入土深度的抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)(同時(shí)修改定義、算法)王洪新.考慮二維和三維尺寸效應(yīng)的基坑抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)[J].巖土工程學(xué)報(bào),2013,35(11)王洪新.考慮基坑形狀和平面尺寸的抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)及異形基坑的抗隆起穩(wěn)定性分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2015,34(10)考慮最不利狀態(tài)穩(wěn)定性分析的基坑卸載模型；側(cè)面力被支撐體系平衡后的穩(wěn)定性分析簡(jiǎn)化模型?；涌孤∑鸱€(wěn)定性分析的計(jì)算模型基坑底極限卸載力的計(jì)算模型基坑抗隆起穩(wěn)定性安全系數(shù)的定義

與Terzaghi方法不同，這個(gè)定義能夠嚴(yán)格考慮基坑各種平面形狀(包括圓形、矩形、圓形甚至手槍形)對(duì)安全系數(shù)的影響。開挖引起的附加應(yīng)力：原始地應(yīng)力：超載引起的附加應(yīng)力：墻底的總應(yīng)力：極限卸載力Pu的計(jì)算式中：條形基坑矩形基坑圓形基坑圓形基坑抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)容許值的確定

按《上海地鐵基坑工程施工規(guī)程》地鐵對(duì)環(huán)境保護(hù)等級(jí)分類的標(biāo)準(zhǔn)：一級(jí)，δH≤0.14%；二級(jí)，δH≤0.3%；三級(jí)，δH≤0.7%

，則要求一級(jí)環(huán)境保護(hù)等級(jí)時(shí)，Kw≥1.9；二級(jí)基坑時(shí)，Kw≥1.5；三級(jí)基坑時(shí)，Kw≥1.2。

基坑等級(jí)地面最大沉降量及圍護(hù)墻水平位移控制要求一級(jí)1.地面最大沉降量≤0.1%H2.圍護(hù)墻最大水平位移≤0.14%H3.Ks≥?二級(jí)1.地面最大沉降量≤0.2%H2.圍護(hù)墻最大水平位移≤0.3%H3.

Ks≥?三級(jí)1.地面最大沉降量≤0.5%H2.圍護(hù)墻最大水平位移≤0.7%H3.

Ks≥?矩形基坑抗隆起穩(wěn)定性的角效應(yīng)手槍形基坑的抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算ga(m)ab(m)bc(m)fd(m)Kw326416162.73326416323.06326416483.71基坑形狀對(duì)抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)的影響Kw與太沙基安全系數(shù)的關(guān)系失穩(wěn)基坑的安全系數(shù)分析工程平面尺寸(m)挖深(m)地面超載(t/m2)土層重度(t/m3)不排水抗剪強(qiáng)度

(t/m3)Terzaghi安全系數(shù)本文安全系數(shù)1.Pumpingstation,Fornebu,Oslo5.0×5.03.00.01.750.751.031.022.Storehouse,Drammen4.8×∞2.41.51.901.21.161.003.Piershaft,Goteborgφ0.9250.01.543.50.820.974.Sewagetank,Drammen5.5×8.03.51.01.801.00.930.965.Testshaft(N),Ensjoveien,Olsoφ1.57.00.01.851.20.840.986.Excavation,GrevVedelspl.,Oslo5.8×8.14.51.01.801.41.081.007.“Kronibusshaft,”Tyholt,Trondheim2.7×4.419.70.01.803.50.840.798.Pumpingstation,Jernbanetorget,Oslo8.5×12.26.30.01.902.21.251.039.Storehouse,Freia,Oslo5.0×∞5.00.01.901.61.020.8010.Shaft,Shellhavenφ5.55.21.01.541.61.341.5811.Testshaft,SorligatenOsloφ1.5120.01.852.10.851.01基坑抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)的計(jì)算圖(Bjerrum，1956)太沙基基坑安全系數(shù)的再次改進(jìn)DHH·s時(shí)時(shí)改進(jìn)太沙基基坑安全系數(shù)的應(yīng)用基坑平面尺寸5.8×8.1m；挖深H=4.5m；地面超載q=10kPa；土層重度γ=18kN/m3；不排水抗剪強(qiáng)度為c=14kPa。五、關(guān)于基坑穩(wěn)定性分析的思考既然規(guī)范中推薦的基坑安全系數(shù)問題很多，為什么現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)的基坑大多還能夠保持穩(wěn)定呢？基坑安全系數(shù)研究還有必要嗎？如果研究，還存在哪些問題沒有解決？