軟土深基坑抗隆起驗算

軟土深基坑抗隆起驗算

0基坑抗起落架驗算近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，我國城市建設(shè)的發(fā)展呈現(xiàn)出高度快速發(fā)展的趨勢。從高層、超高層建筑到城市軌道交通建設(shè)，相關(guān)的地下工程越來越多，涌現(xiàn)出了大量的深基坑工程。特別是沿海城市地下地鐵大多都是深基坑工程。當(dāng)挖土深度大，由于卸土過多，引起墻前和墻后的豎向壓力差，在墻后土重及地面荷載作用下引起坑底隆起，當(dāng)壓力差大于地基承載力時，基坑就會失穩(wěn)，導(dǎo)致坑底隆起破壞。因此，基坑抗隆起驗算是基坑工程設(shè)計中一項重要的驗算，特別對軟土深基坑尤為重要。基坑的擋墻的位移和坑底穩(wěn)定性具有一定的聯(lián)系。當(dāng)基坑抗隆起的穩(wěn)定性越高，那么擋墻的位移越小，與之相關(guān)的周圍地面的沉降也會越小。反之，當(dāng)基坑抗隆起穩(wěn)定系數(shù)越小，擋墻的位移和地面沉降就會越大，從而對周圍的建筑物形成危害。因此正確計算基坑抗隆起安全系數(shù)具有保證基坑穩(wěn)定和控制變形的重要的實踐和經(jīng)濟意義。在砂性土中基坑開挖，抗隆起穩(wěn)定性通常能得到保證，因此本文不予討論。然而在軟土基坑中，由于土的抗剪強度比較小，當(dāng)基坑很深時，用傳統(tǒng)的方法計算出來的抗隆起穩(wěn)定系數(shù)往往不能達到要求。另一方面，其它一些有利因素沒有考慮在計算方法里，包括圍護墻的入土深度、坑底以下軟土深度、坑底地基處理和工程樁等。這些都能在一定程度上提高基坑的抗隆起穩(wěn)定性，因此有必要提出一個考慮這些有利因素的計算方法，從而使計算結(jié)果更為合理。1基坑穩(wěn)定驗算的基本公式極限平衡分析法是最早用在抗隆起穩(wěn)定性的分析的方法，目前通常運用的兩種方法是分別由Terzaghi和Bjerrum&Eide提出的。Chang運用極限上限定理分析法推導(dǎo)出與Terzaghi相似的穩(wěn)定系數(shù)。Ukritchonetal.運用上下限極限定理，結(jié)合數(shù)值線性規(guī)劃計算方法，對此問題進行了相關(guān)研究。近年來，數(shù)值分析法（有限元法和有限差分法等）在巖土工程中得到了廣泛的運用，已有學(xué)者運用強度折減有限元法進行基坑抗隆起穩(wěn)定性分析。其中極限平衡法是目前廣泛應(yīng)用的方法，此法根據(jù)不同的H/B的大小，可以分為兩種：第一種方法是滑動面的破壞法，此法最早由Terzaghi提出，如圖1(a），適合于H/B小于1的寬淺基坑，假定破壞面一直延伸到地表面；另一種是地基承載力的方法，由Bjerrum&Eide提出，如圖1(b），適合于H/B大于1的窄深基坑。認(rèn)為當(dāng)基坑深度比較深或坑底以上有較硬土層時，Terzaghi所提出的側(cè)滑動面不太可能會延伸到基坑的表面，從而可能會高估坑底的抗隆起穩(wěn)定性。指出基坑開挖卸載引起基坑隆起破壞和基礎(chǔ)承載力問題實質(zhì)上是相類似的，并認(rèn)為地基承載公式可以直接作為穩(wěn)定系數(shù)Nc來運用?？孤∑鸱€(wěn)定安全系數(shù)定義為抵抗力與推動力的比值。Terzaghi提出的抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)計算公式為式中cub是坑底下破壞區(qū)土的加權(quán)平均粘聚力（kPa）；γ是坑外地表至坑底各土層天然容重的加權(quán)平均值（kN/m3）;H為基坑開挖深度（m）;q為地面超載（kPa）;B1為滑動面深度，取;B為基坑寬度（m）;T為坑底以下軟土的厚度（m）。Bjerrum&Eide提出的抗隆起穩(wěn)定系數(shù)計算公式為式中，Nc為穩(wěn)定系數(shù)。圖2給出了穩(wěn)定系數(shù)Nc隨基坑形狀變化的取值。從圖可以看出，與普通基礎(chǔ)一樣，穩(wěn)定系數(shù)與基坑的長度、寬度和深度有關(guān)。為方便取值，Nc通常用下面公式來近似計算：當(dāng)H/B<2.5,當(dāng)H/B>2.5,由于Terzaghi方法中的穩(wěn)定系數(shù)固定為5.7，因此缺乏靈活性，而且通常情況下用Terzaghi方法算出來的安全系數(shù)比Bjerrum&Eide方法大，偏于不安全。因此本文在Bjerrum&Eide方法的基礎(chǔ)上進行相關(guān)改進。影響抗隆起穩(wěn)定性因素除了上面提及的，還有其它一些影響因素，如圍護墻的入土深度、坑底以下軟土深度、坑底地基處理和工程樁等。2提高抗彎穩(wěn)定計算方法的方法2.1基坑抗起落架穩(wěn)定驗算上面兩種典型方法都沒有考慮擋墻的入土深度對抗隆起的安全系數(shù)的影響。而實際工程中，圍護墻都有一定的入土深度，如果不考慮此因素的影響，會低估基坑抗隆起穩(wěn)定性。圍護墻入土深度對基坑抗隆起穩(wěn)定性的影響表現(xiàn)在以下幾個方面：第一，由于墻體有一定的剛度和強度，能夠阻擋土體從基坑外流向基坑內(nèi)，因而減小基底的隆起。如圖3所示，當(dāng)圍護墻有足夠的剛度和強度時，滑動基面一般假設(shè)為在圍護墻底。第二，在正常固結(jié)的軟土中，有效應(yīng)力隨深度增加而增加，土的強度相應(yīng)的也隨深度的增加而增加，即圖3中cub由于圍護墻有入土深度而增加，因此在滑動面上發(fā)揮更高的抵抗力。第三，圍護墻與被動區(qū)土體間具有一定的摩阻力，可減小隆起的產(chǎn)生，從而提高抗隆起穩(wěn)定性。計算時把入土深度范圍內(nèi)的圍護墻與土之間的摩阻力平均到整個基坑，作為抵抗力的一部分。此時，對于考慮圍護墻入土深度影響的基坑抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)可以表達為式中γ1為坑外地表至墻底，各土層天然容重的加權(quán)平均值（kN/m3）；γ2為坑內(nèi)開挖面以下至墻底，各土層天然容重的加權(quán)平均值（kN/m3）;D為圍護墻的入土深度（m）；α是圍護墻與土體間的粘聚力修正系數(shù)，小于1，一般可取0.3～0.7;cudp為支護結(jié)構(gòu)入土深度范圍內(nèi)被動區(qū)土體的加權(quán)平均粘聚力（kPa）。在考慮圍護墻入土深度的情況下，此時公式（3）相應(yīng)修改為當(dāng)(H+D)/B<.25時，當(dāng)(H+D)/B>2.5時，對于象地鐵基坑這樣的長而窄的基坑，由于兩邊端墻相距很遠(yuǎn)，或者兩端墻處是放坡開挖或用土釘墻等支護時，由于沒有圍護墻或圍護墻沒有入土深度，此時不考慮端墻的影響，公式（4）可修改為式中，各符號意義同上。2.2抗起落架穩(wěn)定性影響一般來講，當(dāng)坑底以下土層有硬土層時，由于受到硬土層的約束，圖3所示的坑底隆起破壞面受到影響，破壞面的改變引起穩(wěn)定系數(shù)Nc的增加，從而提高了抗隆起穩(wěn)定性。Faheem,etal運用有限元法證實了坑底以下的土體位移基本上發(fā)生軟土層內(nèi)，而當(dāng)T/B大于0.7時，坑底以下軟土深度對基坑抗隆起穩(wěn)定性幾乎沒有影響。Wong在有限元法計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，引入了坑底下軟土深度對抗隆起穩(wěn)定性影響的修正系數(shù)β。此時抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)計算公式為式中其它各符號意義同上。修正系數(shù)β取值見表1，為方便插值，圖4給出兩者之間的關(guān)系曲線。從圖4可看出，當(dāng)T/B小于0.3時，修正系數(shù)顯著增加。當(dāng)軟土下的土不是非常硬時，不能判定是否要進行此項修正時，可分別用公式（2）和（7）計算安全系數(shù)，取兩者最小值作為最終安全系數(shù)。2.3抗起落架穩(wěn)定性在軟土中的深基坑開挖中，為了減小圍護墻位移和提高基坑的穩(wěn)定性，通常對基坑坑底以下的一定深度范圍內(nèi)進行地基處理。實踐和研究證明，對于在軟土地基中進行的深基坑開挖，基坑底部下的軟土加固處理能有效地減小圍護墻的位移。根據(jù)Mana&Clough提出圍護墻最大水平位移和抗隆起穩(wěn)定性的關(guān)系可以推出基坑的抗隆起穩(wěn)定性也有相應(yīng)的提高。因此，要對抗隆起穩(wěn)定性的計算式做相應(yīng)的修正。當(dāng)坑底地基處理是基坑一側(cè)到另一側(cè)進行滿堂加固時，地基加固層可以通過發(fā)揮與圍護墻間的摩阻力來阻止加固層下面軟土的隆起。由于處理后加固區(qū)的模量和強度都有較大提高，因此地基加固區(qū)與圍護墻間的摩阻力也相應(yīng)提高，從而進一步提高了抗隆起穩(wěn)定性。此時抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)計算公式可以用公式（4）或（6）來計算，其中cudp必須計入地基加固區(qū)的強度。如果基坑比較寬大，由于地基加固區(qū)的土體一般具有脆性特性，抗壓強度高而抗拉強度低，地基加固層可能會在土的隆起作用下發(fā)生彎曲變形而發(fā)生拉裂脆性破壞。但坑內(nèi)的工程樁可以有效減小地基加固區(qū)的彎曲寬度，降低了加固層的彎曲破壞的可能性。2.4基于工程樁對基坑抗起落架穩(wěn)定性的比基坑的工程樁通常是在基坑開挖以前施工完成的，因此這些工程樁不可避免的會對基坑開挖的性狀產(chǎn)生一定的影響。由于樁的強度和剛度比較大，因此也在一定程度上提高了坑底土的整體力學(xué)性能，從而減小了圍護墻位移。當(dāng)基坑開挖引起基底隆起時，由于受到工程樁的約束，樁與土之間存在摩阻力，工程樁對被動區(qū)土體具有一定的拉錨作用，有利于控制基底隆起，從而提高了抗隆起穩(wěn)定性。采用與圍護墻入土深度的相似的方法考慮工程樁與周邊土對抗隆起穩(wěn)定性的影響，把入土深度范圍內(nèi)的樁與土之間總的摩阻力平均到整個基坑。此時抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)計算公式為式中αp為工程樁與土體間的粘聚力修正系數(shù)，小于1;cudp是支護結(jié)構(gòu)入土深度范圍內(nèi)被動區(qū)土體的粘聚力（kPa）;TP為考慮工程樁影響的被動區(qū)土體的深度，可取圍護墻入土深度D(m）;Dp為工程樁的直徑（m）;Np為坑內(nèi)的工程樁總數(shù)；其它符號意義同前所述。以上考慮工程樁對基坑抗隆起穩(wěn)定性的影響是偏于保守的。實事上，按照如圖3所假定的破壞面，該破壞面穿過樁身，而樁的抗剪強度遠(yuǎn)比土要大，此時相當(dāng)于基底下平均抗剪強度cub有所提高，因此進一步有利于抗隆起穩(wěn)定性。2.5修正抗起落架穩(wěn)定系數(shù)綜合以上討論的圍護墻入土深度、坑底以下軟土深度、坑底被動區(qū)地基處理和坑內(nèi)工程樁等有關(guān)因素的影響，修正后的抗隆起穩(wěn)定系數(shù)可以表示為在設(shè)計軟土中的基坑工程時，可根據(jù)工程的實際情況，選擇適當(dāng)?shù)姆椒ǎ由顕o墻、被動區(qū)地基處理和工程樁等）來提高基坑抗隆起穩(wěn)定性，從而達到減小墻體位移和優(yōu)化設(shè)計圍護結(jié)構(gòu)目的。除上所提及的因素外，影響基坑抗隆穩(wěn)定性因素還有土的強度各向異性和圍護墻墻體強度等。3抗起落架穩(wěn)定驗算Shirlaw,etal介紹了新加坡ClarkeQuay地鐵站入口處基坑開挖，由于新加坡地處沿海，具有深厚的海洋軟土，土質(zhì)條件差，在沒有考慮其它影響因素時，用典型方法計算得到的基坑抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)只有0.45～0.6。為了減小基坑坑底隆起和圍護墻的水平位移及減小圍護樁的入土深度，該工程采用了坑底地基處理和工程樁的聯(lián)合抵抗作用。該工程最后測得坑底隆起量只有3mm，這表明了基坑有足夠的抗隆起穩(wěn)定性。如圖5所示，該段基坑寬10m，深9m，板樁圍護墻深12m，采用三道鋼支撐，坑底下2.5m范圍內(nèi)采用了旋噴樁加固。表2提供了該基坑土的相關(guān)參數(shù)。從該表可以看出，坑底是處在海洋軟土里，而且坑底以下還有15m深的軟土。表3列出了用以上介紹的不同計算公式計算得到的抗隆起安全系數(shù)。從該表可以發(fā)現(xiàn)，抗隆起穩(wěn)定系數(shù)用典型的Terzaghi方法算只有0.627，用典型的Bjerrum&Eide方法算只有0.6，都遠(yuǎn)小于設(shè)計要求的1.5。而如果考慮圍護樁的入土深度、坑底加固區(qū)和工程樁的有利影響，抗隆起穩(wěn)定系數(shù)提高到1.528，滿足設(shè)計要求，說明了上面提出的改進計算方法是合理的。以上相關(guān)計算時，粘聚力修正系數(shù)α和αp取值0.5，地基加固區(qū)的粘聚力為400kPa。如果粘聚力修正系數(shù)α和αp取值1.0，按公式（9）計算得到安全系數(shù)進一步提高到2.364，這一較高安全系數(shù)與實測較小坑底隆起量是一致的。計算結(jié)果也說明了地基加固區(qū)對抗隆起穩(wěn)定性的影響比較大，聯(lián)合使用坑內(nèi)地基加固和工程樁是比較有效的提高抗隆起穩(wěn)定性的方法。從抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)進行反算，可以得到地基加固區(qū)需要的最小厚度。應(yīng)該要注意的是，在聯(lián)合使用坑內(nèi)地基加固和工程樁減小基坑隆起量和提高抗隆起穩(wěn)定性時，由于樁與地基加固區(qū)的粘結(jié)強度比較大，必須要保證樁身具有足夠的抗拉強度，同時在抗隆起破壞面以下的樁與土的摩阻力也要足以把