探討基坑抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算

1、探討基坑抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算張耀年（福建省建筑科學(xué)研究院, 福州, 350025）摘要 本文探討新頒布規(guī)范中基坑抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算的方法和規(guī)定。關(guān)鍵詞 基坑，抗隆起穩(wěn)定性，地基極限承載力模式，圓弧滑動(dòng)模式Discussion on Basal Stability Analysis against Upheaval in ExcavationAbstract: The method and regulation of new issued building code for basal stability against upheaval in excavation are discussed. Ke

2、ywords: Excavation, basal stability against upheaval, the ultimate bearing capacity method, circle slip method1 前言基坑抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算是基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中一項(xiàng)重要的內(nèi)容，我國(guó)現(xiàn)行建筑規(guī)范中基坑抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算主要采用兩種分析模式：地基極限承載力模式和圓弧滑動(dòng)模式。近三十年來(lái)，大量的基坑工程實(shí)踐使支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)日臻完善，新修訂的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范反映了基坑工程實(shí)踐中積累的經(jīng)驗(yàn)?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的地區(qū)性，我國(guó)地域遼闊，各地工程地質(zhì)的差異較大，因此，各行業(yè)和各地方的規(guī)范對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3、的方法和規(guī)定都稍有差別。本文對(duì)2000年以后新修訂的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范中隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算的方法和規(guī)定作一點(diǎn)分析和比較，因?yàn)?，在使用新?guī)范的設(shè)計(jì)過(guò)程中大家發(fā)現(xiàn)在軟土地基中抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算是基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制因素。2 國(guó)標(biāo)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范 在國(guó)標(biāo)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50007-2012) (以下簡(jiǎn)稱(chēng)規(guī)范A)中，基坑抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算采用地基極限承載力和圓弧滑動(dòng)兩種模式，極限承載力模式的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示：圖1 規(guī)范A極限承載力模式的計(jì)算簡(jiǎn)圖基坑底下部土體的強(qiáng)度穩(wěn)定性應(yīng)滿(mǎn)足下式規(guī)定：式中：KD抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)，KD1.6；NC承載力系數(shù)，NC =5.14；0由十字板試驗(yàn)確定的總強(qiáng)度；土的重

4、度；D支護(hù)結(jié)構(gòu)入土深度；H基坑開(kāi)挖深度；q地面荷載。圓弧滑動(dòng)模式的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2所示：基坑底下部土體的強(qiáng)度穩(wěn)定性應(yīng)滿(mǎn)足下式規(guī)定：式中：Mp支護(hù)樁、墻橫截面抗彎強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；KD抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)，KD1.4。規(guī)范A中基坑抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算方法與建筑基坑工程技術(shù)規(guī)范(YB9258-97) 的計(jì)算方法完全相同， 只是穩(wěn)定安全系數(shù)稍有提高，原穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.4和1.3。圖2 規(guī)范A圓弧滑動(dòng)模式的計(jì)算簡(jiǎn)圖3 建設(shè)部建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程在新頒布的建設(shè)部行規(guī)建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程(JGJ120-2012)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)規(guī)范B)中，基坑抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算采用地基極限承載力和圓弧滑動(dòng)兩種模式，極限承載力模式的計(jì)算簡(jiǎn)

5、圖如圖3所示：圖3 規(guī)范B極限承載力模式的計(jì)算簡(jiǎn)圖規(guī)范B規(guī)定：錨拉式支擋結(jié)構(gòu)和支撐式支擋結(jié)構(gòu)，其嵌固深度應(yīng)滿(mǎn)足坑底隆起穩(wěn)定性要求，抗隆起穩(wěn)定性可按下列公式驗(yàn)算：式中：Kb抗隆起安全系數(shù)；m1基坑外擋土構(gòu)件底面以上土的重度；m2基坑內(nèi)擋土構(gòu)件底面以上土的重度；D基坑底面至擋土構(gòu)件底面的土層厚度；h基坑開(kāi)挖深度；q0地面均布荷載； Nc、Nq承載力系數(shù)；c、j擋土構(gòu)件底面以下土的粘聚力、內(nèi)摩擦角。安全等級(jí)為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)的支護(hù)結(jié)構(gòu)，抗隆起安全系數(shù)Kb分別不應(yīng)小于1.8、1.6、1.4；規(guī)范B還規(guī)定：錨拉式支擋結(jié)構(gòu)和支撐式支擋結(jié)構(gòu)，當(dāng)坑底以下為軟土?xí)r， 其嵌固深度應(yīng)符合以最下層支點(diǎn)為轉(zhuǎn)動(dòng)軸心的圓弧

6、滑動(dòng)穩(wěn)定性要求（本規(guī)程報(bào)批稿電子文檔這段文字是這樣表述的：尚應(yīng)以最下層支點(diǎn)為轉(zhuǎn)動(dòng)軸心的圓弧滑動(dòng)模式按下列公式驗(yàn)算抗隆起穩(wěn)定性）：式中：Kr以最下層支點(diǎn)為軸心的圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定安全系數(shù)；cj、jj 第j土條在滑弧面處土的粘聚力、內(nèi)摩擦角；lj第j土條的滑弧段長(zhǎng)度，取ljbj/cosj；qj作用在第j土條上的附加分布荷載標(biāo)準(zhǔn)值；bj第j土條的寬度；j第j土條滑弧面中點(diǎn)處的法線與垂直面的夾角；Gj第j土條的自重(kN)，按天然重度。安全等級(jí)為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)的支擋式結(jié)構(gòu)，抗隆起安全系數(shù)Kr分別不應(yīng)小于2.2、1.9、1.7。圓弧滑動(dòng)模式的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖4所示：圖4 規(guī)范B圓弧滑動(dòng)模式的計(jì)算簡(jiǎn)圖4 上海市基

7、坑工程技術(shù)規(guī)范上海市基坑工程技術(shù)規(guī)范(DG T J08-61-2010 ) （以下簡(jiǎn)稱(chēng)規(guī)范C)基坑抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算采用地基極限承載力和圓弧滑動(dòng)兩種模式，極限承載力模式的計(jì)算方法與規(guī)范B基本相似，但對(duì)于安全等級(jí)為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)的支護(hù)結(jié)構(gòu)規(guī)定：穩(wěn)定安全系數(shù)RL分別不應(yīng)小于2.5、2.0、1.7。規(guī)范C圓弧滑動(dòng)模式的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖5所示：規(guī)范C規(guī)定：板式支護(hù)體系按圓弧滑動(dòng)模式驗(yàn)算繞最下道內(nèi)支撐點(diǎn)的抗隆起穩(wěn)定性時(shí)，應(yīng)符合下列公式要求：式中：RL抗隆起安全系數(shù)；MRLK抗隆起力矩標(biāo)準(zhǔn)值MSLK隆起力矩標(biāo)準(zhǔn)值Msk圍護(hù)墻的容許力矩標(biāo)準(zhǔn)值MRLkj坑外最下道支撐以下第j層土產(chǎn)生的抗隆起力矩標(biāo)準(zhǔn)值MRLkm坑

8、內(nèi)開(kāi)挖面以下第m層土產(chǎn)生的抗隆起力矩標(biāo)準(zhǔn)值MSLkq坑外地面荷載產(chǎn)生的隆起力矩標(biāo)準(zhǔn)值MSLki坑外最下道支撐以上第i層土產(chǎn)生的隆起力矩標(biāo)準(zhǔn)值MSLkj坑外最下道支撐以下、開(kāi)挖面以上第j層土產(chǎn)生的隆起力矩標(biāo)準(zhǔn)值規(guī)范C規(guī)定：安全等級(jí)為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)的支擋式結(jié)構(gòu)，抗隆起安全系數(shù)RL分別不應(yīng)小于2.2、1.9、1.7。圖5 規(guī)范C圓弧滑動(dòng)模式的計(jì)算簡(jiǎn)圖5上海市城市軌道交通設(shè)計(jì)規(guī)范上海市城市軌道交通設(shè)計(jì)規(guī)范(滬DBJ08-109-2004) （以下簡(jiǎn)稱(chēng)規(guī)范D)的基坑抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算僅采用圓弧滑動(dòng)一種模式。其計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖6所示：圖6 規(guī)范D的計(jì)算簡(jiǎn)圖規(guī)范D規(guī)定：板式支護(hù)體系按圓弧滑動(dòng)模式驗(yàn)算繞最下道內(nèi)支

9、撐點(diǎn)的抗隆起穩(wěn)定性：抗滑力矩：滑動(dòng)力矩：式中：Ks抗隆起安全系數(shù)；坑外最下道支撐以上土層產(chǎn)生的抗滑力矩；j坑外最下道支撐以下土層產(chǎn)生的抗滑力矩；Mh圍護(hù)墻的容許力矩。規(guī)范D規(guī)定：安全等級(jí)為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)的支擋式結(jié)構(gòu)，抗隆起安全系數(shù)分別不應(yīng)小于2.2、2.0、1.8。6 規(guī)范B、規(guī)范C和規(guī)范D的比較上海市由于其地理位置和經(jīng)濟(jì)地位集中了我國(guó)許多最大、最深的基坑工程，上海的基坑開(kāi)挖支護(hù)技術(shù)基本上反映了我國(guó)基坑工程的最高水準(zhǔn)，上海市的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)我國(guó)沿海地區(qū)的軟土地基基坑開(kāi)挖支護(hù)工程具有示范作用。表1以規(guī)范B、規(guī)范C和規(guī)范D為例，對(duì)計(jì)算特征和穩(wěn)定安全系數(shù)作一比較。表1 規(guī)范B、規(guī)范C和規(guī)范D的

10、比較建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程規(guī)范B (JGJ120-2012)基坑工程技術(shù)規(guī)范規(guī)范C (滬DG T J08-61-2010 )城市軌道交通設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)范D (滬DBJ08-109-2004)脫離體的力平衡圖滑動(dòng)力矩由OK段上覆壓力產(chǎn)生的滑動(dòng)力矩，KCGO區(qū)域內(nèi)土體自重產(chǎn)生的滑動(dòng)力矩，CEG區(qū)域內(nèi)土體自重產(chǎn)生的滑動(dòng)力矩。由OK段上覆壓力產(chǎn)生的滑動(dòng)力矩，KCGO區(qū)域內(nèi)土體自重產(chǎn)生的滑動(dòng)力矩，CEG區(qū)域內(nèi)土體自重產(chǎn)生的滑動(dòng)力矩。由OK段上覆壓力產(chǎn)生的滑動(dòng)力矩，KCGO區(qū)域內(nèi)土體自重產(chǎn)生的滑動(dòng)力矩，CEG區(qū)域內(nèi)土體自重產(chǎn)生的滑動(dòng)力矩?？够瑒?dòng)力矩1、滑動(dòng)面ECK上抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生的抗滑動(dòng)力矩。1、圍護(hù)墻的容許力矩

11、，2、EFG區(qū)域內(nèi)土體自重產(chǎn)生的抗滑動(dòng)力矩，（與滑動(dòng)力矩的第項(xiàng)相抵消）3、滑動(dòng)面FECK上抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生的抗滑動(dòng)力矩。1、圍護(hù)墻的容許力矩，2、EFG區(qū)域內(nèi)土體自重產(chǎn)生的抗滑動(dòng)力矩，（與滑動(dòng)力矩的第項(xiàng)相抵消）3、滑動(dòng)面FECK上抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生的抗滑動(dòng)力矩。3、滑動(dòng)面IK上抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生的抗滑動(dòng)力矩。安全系數(shù)安全等級(jí)為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)的支擋式結(jié)構(gòu)， Kr分別不應(yīng)小于2.2、1.9、1.7。安全等級(jí)為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)的支擋式結(jié)構(gòu)，RL分別不應(yīng)小于2.2、1.9、1.7。安全等級(jí)為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)的支擋式結(jié)構(gòu)，Ks分別不應(yīng)小于2.2、2.0、1.8。按圓弧滑動(dòng)模式的抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)，規(guī)范B和規(guī)范C產(chǎn)生的

12、滑動(dòng)力矩的項(xiàng)完全相同，穩(wěn)定安全系數(shù)也完全相同。但是，規(guī)范B產(chǎn)生的抗滑動(dòng)力矩的項(xiàng)忽略了：圍護(hù)墻的容許力矩，EFG區(qū)域內(nèi)土體自重產(chǎn)生的抗滑動(dòng)力矩，和滑動(dòng)面FE上抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生的抗滑動(dòng)力矩。所以，與規(guī)范C相比較，規(guī)范B按圓弧滑動(dòng)模式的抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果偏于安全。對(duì)于按極限承載力模式的抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算，情況則恰恰相反。由于兩本規(guī)范的計(jì)算公式完全相同，而規(guī)范C的穩(wěn)定安全系數(shù)比規(guī)范B要大的多，所以，按極限承載力模式規(guī)范C的抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果偏于安全。按圓弧滑動(dòng)模式的抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)，規(guī)范C和規(guī)范D產(chǎn)生的滑動(dòng)力矩的項(xiàng)完全相同，穩(wěn)定安全系數(shù)也基本相同。但是，規(guī)范D的抗滑動(dòng)力矩多了一項(xiàng)，即滑動(dòng)面IK上抗剪強(qiáng)

13、度產(chǎn)生的抗滑動(dòng)力矩。所以，與規(guī)范D相比較，規(guī)范C抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果偏于安全。在軟土中，抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算以圓弧滑動(dòng)模式為主，因此，按安全度大小比較：規(guī)范B規(guī)范C規(guī)范D，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)是施工臨時(shí)設(shè)施，安全度大的設(shè)計(jì)并不一定是最優(yōu)的設(shè)計(jì)。7 其他一部分省市的地方規(guī)范 2000年以后新修訂的地方基坑支護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范還有：1）北京市建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程（DB11/489-2007）基坑抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算僅采用地基極限承載力一種模式，計(jì)算方法與規(guī)范B基本相似，這可能因?yàn)楸本┑貐^(qū)沒(méi)有軟土，穩(wěn)定安全系數(shù)為1.6。2）浙江省標(biāo)準(zhǔn)建筑基坑工程技術(shù)規(guī)程（DB33/T1008-2010），其基坑抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算采用地基極限

14、承載力和圓弧滑動(dòng)兩種模式，穩(wěn)定安全系數(shù)分別為2.0和1.6, 地基極限承載力模式的計(jì)算方法與規(guī)范B基本相似，而圓弧滑動(dòng)模式的計(jì)算方法與規(guī)范A基本相似，圍護(hù)墻最下道支撐位置作為圓弧滑動(dòng)的圓心。3）天津市建筑基坑工程技術(shù)規(guī)程（DB29-202-2010），其基坑抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算采用地基極限承載力和圓弧滑動(dòng)兩種模式，計(jì)算方法與規(guī)范A基本相似，穩(wěn)定安全系數(shù)均為不小于1.4。4）深圳市基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范（SJG05-2011），其基坑抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算采用地基極限承載力和圓弧滑動(dòng)兩種模式，穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.2和1.4 地基極限承載力模式的計(jì)算方法與規(guī)范B基本相似，而圓弧滑動(dòng)模式的計(jì)算方法與規(guī)范A基本相似。5）成都地區(qū)基坑工程安全技術(shù)規(guī)范（DB51T5072-2011）基坑抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算僅采用圓弧滑動(dòng)一種模式，穩(wěn)定安全系數(shù)為1.3。6）合肥市深