深厚软土地区基坑稳定计算的探讨.pdf

深厚软土地区基坑稳定计算的探讨 D i s c u s s i o no nS t a b i l i t yC a l c u l a t i o no f F o u n d a t i o nP i ti nD e e p - S o f l S o i l A r e a s 李志伟 ( 福建省建筑科学研究院，福州3 5 0 0 2 5 ；福建省绿色建筑技术重点实验室，福州3 5 0 0 2 5 ) L I Z h i - w e i ( F u j i e n A c a d e m y o f B u i l d i n g R e s e a r c h , F u z h o u 3 5 0 0 2 5 ，C h i n a ；F u j i a n K e y L a b o r a t o r y o f G r c e n B u i l d i n g T e c h n o l o g y , F u z h o u 3 5 0 0 2 5 ，C h i n a ) 【摘要】在深厚软土地区用直剪固结不排水强度指标进行基坑抗隆起稳定验算时，应取土体充分固结后所取得的强 度指标对深厚软土层合理分层，提出随深度变化的分层强度指标，为后期基坑支护设计提供更为合理的参数，以保证 其设计更为经济合理当地方经验较丰富时，可适当考虑对稳定计算有利因素，从而更合理地进行围护结构设计。 A b s t r a c t I n d c e p - s o f t s o f t a r e a s , w h e n t h e c o n s o l i d a t e d - u n d r a i n e d s t r e n g t h i n d e x i s u s e d f o r t h e c a l c u l a t i o n o f t h e b a s a l s t a b i l i t y r o f e x c a v a t i o n , t h e s o i l s h o u l d b e f u l l y c o n s o l i d a t e d i n d i r e c t s h e 缸t e s t T h e d c e p - s o f t s o i l s h o u l d b e l a y e r e d t o o b t a i n r e a s o n a b l e p a r a m e t e r s c h a n g i n g w i t h d e p t h , t h o r e b y p r o v i d i n g m o r e r e a s o n a b l e p a r a m e t e r s T h e p o s i t i v e f a c t o r s c a n p r o p e r l y b e c o n s i d e r e d f o r s t a b i l i t y c a l c u l a t i o n w i t h r i c h l o c a l e x p e r i e n c e ， w h i c h c a n b e m o r e r e a s o n a b l e t o r e f i n e t h e d e s i g n o f t h e r e t a i n m g s t r u c t u r e 【关键词】深厚软土；基坑；稳定计算 K e y w o r d s d e e p - s o f t s o i l ；f o u n d a t i o n p i t ；s t a b i l i t y c a l c u l a t i o n 【中图分类号】T U 4 3 2【文献标志码】A 【文章编号 1 0 0 7 - 9 4 6 7 ( 2 0 1 3 ) 0 8 - 0 0 8 2 - 0 3 1 引言 深基坑的变形及稳定问题是岩土工程中的两个重要的主 题。目前，在深基坑支护设计中，基坑变形验算往往对应于正 常使用极限状态，而稳定性问题则往往对应于承载能力极限 状态，即稳定性直接决定基坑支护体系能否继续承载，若稳定 性无法满足要求将直接导致深基坑发生整体滑动、坑底隆起、 突涌等，并严重影响基坑周边环境。因此，在设计中，除应满足 基坑正常使用的变形控制外，尚应重点进行基坑的稳定性验 算。其中，除应避免因支护结构体系的强度、刚度或稳定性不 足引起支护系统破坏外，尚应验算因基坑土体强度不足、地下 水作用而引发的基坑失稳。 近年来，随着城市地下空间的加速开发，深基坑深度、规 模均不断加大，使得工程难度不断提高，加之管理水平偏低等 影响。造成了深基坑事故频发，也引起工程技术人员的重视。 【作者简介】李志伟( 1 9 8 4 ) 男。博士，工程师，从事岩土工程方面 的设计与科研。I 电子信箱) l i z h i w e i _ t j u y a h o o C N 。 新版基坑规j I 呈【I 】针对稳定性问题进行了较大幅度的调整， 对各类稳定性进行了更加严格的规定，其中包括墙底平面的 隆起稳定验算、软弱下卧层顶面隆起稳定验算及绕最下层支 点的圆弧滑动稳定验算均进行了明确的规定，并确定了较高 标准的安全系数，这进步说明基坑稳定性验算的重要性。 然而，在实际工程实践中发现，当基坑处于深厚软土场地 时，根据新版规程的计算模式，计算所得的墙底平面抗隆起稳 定系数及绕最下层支点的圆弧滑动稳定安全系数往往较难满 足规程的要求，这就要求不断加大围护结构的插入深度，即使 是当基坑开挖深度较，J 惦助不例外。可是，围护结构的插入深 度不断加大，基坑造价会不断提高，造成了工程浪费。因此， 本文将针对规程中墙底平面抗隆起稳定验算模式及绕最下层 支点的圆弧滑动稳定验算模式的规定，结合工程实例，对两类 稳定安全系数计算中所存在的问题进行讨论。 2 工程案例计算 2 1 新版基坑规程规定的抗隆起稳定验算内容 8 1 万方数据 l 工程设与设计 l a h 嘲矗n 叶妇腑 咖I 1 ) 依据普朗德尔极限平衡理论公式进行墙底平面的隆起 稳定验算，计算模型如图l a 所示。 2 ) 假定破坏面为I 撕层支点为圆心、通过墙底的圆弧 形，进行圆弧滑动稳定验算，计算模型如图l b 所示。 a 墙底平面隆起稳定验算 b 下层支点圆弧滑动稳定验算 图1 稳定计算模型 由图l 可知，针对上述两类稳定，深层土体的强度指标对 稳定安全计算结果起至关重要的作用，即深层土体强度指标 的高低将直接决定稳定计算结果是否能满足要求。同时，在绕 最下层支点的圆弧滑动稳定计算模型中，最下层支点平面以 上的滑动土条与围护结构、外围土体之间的摩阻力均未予以 考虑，且忽略了围护结构的抗弯力矩。 2 2 工程实例计算 选择沿海地区某典型深厚软土场地土层，具体土层分布 及物理力学指标如表l 所示。 表1 土体物理力学指标 杂填土 1 8 02 01 0 01 0 0 淤泥1 5 8 1 8 08 08 0 粉质黏土1 8 5 2 02 6 51 3 0 淤泥质土1 7 31 0 01 5 01 0 0 计算工况如下：基坑开挖深度分别取5 m 和l O m ，分别对 应道和二道支撑，插入比分别取1 0 、1 2 5 、1 5 。针对不同的 计算工况，抗隆起稳定安全系数计算结果如表2 所示。 裹2 稳定安全系数计算结果 盐墨三堡亟匿星蔓星茎全塑塑 噩丝竖壁I 丝堑厶鲨鳖当E 亘笪墨王塞盛 E 1 01 3 1 0 2 0 ( 设一逼支撑) 1 1 2 5 5：胞3 7 8篇1 7 ( 设二釜支撑) 苫：啪8 1 5：3 6 3 2 ； 根据规程要求，对于安全等级为级、二级、三级的支护 结构，抗隆起安全系数分别不应小于1 8 、1 6 、1 4 ；对于安全 等级为级、二级、三级的支挡式结构，以最下层支点为轴心 的圆弧滑动稳定安全系数分别不应小于2 2 、1 9 、1 7 。 8 2 由图2 可以明显看出，在本工程实例的深厚软土场地 中，墙底平面的抗隆起稳定安全系数及绕最下层支点的圆弧 滑动稳定安全系数均难以满足规范的要求。 鉴于此，为了解淤泥层指标提高对抗隆起稳定验算结果 的影响，本文针对淤泥层的指标进行适当提高，C 值分别取 1 0 、1 2 、1 4 、1 6 k P a ，9 值分别取1 0 0 、1 2 01 4 0 、1 6 0 。针对提高后的 强度指标，稳定安全系数计算结果如下： 1 ) 对于开挖深度为5 m ，设置道支撑的情况： ( 1 ) 插入比为1 O ：当黏聚力c l O k P a 、内摩擦角9 1 0 。 即可满足墙底平面上的抗隆起稳定要求；而当c 1 4 k P a 、9 1 6 。时，方可满足绕最下层支点的圆弧滑动稳定要求。 ( 2 ) 插入比1 2 5 ：当c ， 8 k P a 、妒1 0 。即可满足墙底平面 上的抗隆起稳定要求；而当C 1 4 k P a 、p 1 4 0 时，方可满足绕 最下层支点的圆弧滑动稳定要求。 ( 3 ) 插入比为1 5 ：当c ， 8 k P a 、9 l O o 民p 可满足墙底平面 上的抗隆起稳定要求；而当c 1 2 k P a 、9 1 4 0 时，方可满足绕 最下层支点的圆弧滑动稳定要求。 2 ) 对于开挖深度为l O m ，设置两道支撑的情况： ( 1 ) 插入比为1 0 ：当c 8 k P a 、妒1 6 0 ，或c 1 4 k P a 、9 1 4 0 时，基本可满足墙底平面上的抗隆起稳定要求，但无法满 足绕最下层支点的圆弧滑动稳定要求。 ( 2 ) 插入比为1 2 5 ：墙底进入粉质黏土层，墙底平面上的 抗隆起稳定均可满足要求，但无法满足绕最下层支点的圆弧 滑动稳定要求。 ( 3 ) 插入比为1 5 ：由于墙底进人相对较好的土层，墙底平 面上的抗隆起稳定均可满足要求，但仍无法满足绕最下层支 点的圆弧滑动稳定要求。 通过计算可知，当淤泥指标较高或墙底进入较好土层时， 墙底平面上的抗隆起稳定安全系数满足要求，而绕最下层支 点的圆弧滑动稳定则较难满足，尤其是当开挖深度较大时，即 使淤泥层指标进行了较大幅度的提高，仍未能满足规程要求。 3 原因分析 3 1 直剪试验强度指标取值偏低 通过匕述工程实例的计算，当软土强度指标适当提高后， 墙底平面的抗隆起稳定安全系数及绕最下层支点的圆弧滑动 稳定安全系数均可较好地满足规范要求。 万方数据 目前，在稳定性计算时，软土通常采用直剪固结不排水强 度指标。然而，地勘报告提供的固结不排水强度指标通常并非 真正意义上的固结快剪指标，主要原因在于：在常规的直剪试 验中，固结时间通常较短，甚至仅进行6 0 m j n 的固结即进行剪 切试验，这就造成所取得强度指标并非真正意义上的固结快 鹁指标，而往往比完全固结后的强度指标低，亦即稳定计算所 用的强度参数比实际的土体强度参数小，这必然造成计算所 得的抗隆起稳定安全系数偏小，结果偏于保守的情况。 因此，当采用直剪固结不排水强度指标时，应将土体充分 进行固结，方可得到较为合理的强度指标。根据已有学者的研 究成果，在直剪试验中，当预压固结时间大于5 6 h 时，土体 的固结已基本完成，已基本可满足工程要求，即在工程应用 时，应尽可能确保直剪试验的固结时间，使得试验指标与实际 土体强度指标更加贴近，使得基坑稳定计算结果更加合理。 3 2 深层软土指标取值偏低 在地质勘察过程中，对于深厚的软土层，通常从该层顶面 至底面仅按一层土进行考虑，所得的强度指标则取所有试样 的平均值，将深层与浅层的试样进行平均，这对于深厚的软土 层，将造成较大的误差，对于浅层土，往往其含水率、孔隙比及 强度指标较低，而对于深层土，其强度指标则相对较高，采取 平均值后往往较大程度匕忽略了深层土体强度指标随深度增 大的效果，即试验采用平均值的