考慮二維和三維尺寸效應的基坑抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)

考慮二維和三維尺寸效應的基坑抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)

第十二屆全國土力學及巖土工程學術大會上海2015王洪新上海城建市政工程（集團）有限公司一、基坑抗隆起穩(wěn)定性安全系數(shù)在基坑設計中的作用基坑設計的主流方法---桿系有限元方法由于計算模型簡單、荷載清晰，參數(shù)少，有利于工程經(jīng)驗積累；變形與穩(wěn)定性分開考慮，需要引進保證基坑穩(wěn)定的安全系數(shù)?；釉O計的桿系有限元變形計算方法基坑工程的環(huán)境保護等級分類基坑等級地面最大沉降量及圍護墻水平位移控制要求環(huán)境保護要求一級1.地面最大沉降量≤0.1%H2.圍護墻最大水平位移≤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施，必須確保安全二級1.地面最大沉降量≤0.2%H2.圍護墻最大水平位移≤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）筑物三級1.地面最大沉降量≤0.5%H2.圍護墻最大水平位移≤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）筑物Ks值與基坑變形關系(早期上海地鐵數(shù)據(jù))Ks值與基坑變形關系(Peck)有這么好的關系嗎？

在軟土地區(qū)，采用板樁圍護+內(nèi)支撐體系時，抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)既可以控制圍護結構的入土深度，又可以反映基坑變形范圍，處于設計的核心地位！二、基坑抗隆起穩(wěn)定性安全系數(shù)計算方法的變遷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。基坑抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)的計算圖(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算的基準面不能考慮圍護結構插入比的影響；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穩(wěn)定性的影響，但計算Nc值時采用的方法是不嚴謹?shù)??；涌孤∑鸱€(wěn)定安全系數(shù)的計算圖(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)法地基承載力計算的基準面Terzaghi安全系數(shù)計算的基準面計算值偏大很多，盡管大多規(guī)范推薦此安全系數(shù)，但在具體設計中一般不控制設計結果；盡管該系數(shù)可以考慮圍護結構插入比的影響，但由于不再采用Skempton地基承載力計算方法，使其不能考慮基坑寬度、形狀對穩(wěn)定性的影響。汪－夏法基坑安全系數(shù)的缺陷＋基坑寬度有關的項假設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)均用于控制圍護結構的入比深度；所有的安全系數(shù)在不同寬度和平面形狀時計算結果相同。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基坑設計規(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)主要用于控制圍護結構入土深度，普遍忽略了基坑尺寸、形狀對安全系數(shù)的影響，在狹窄基坑設計時會造成浪費，使設計偏于保守！南水北調(diào)穿黃隧道工作井(直徑18m，挖深50m，地下墻深76.6m)上海交通大學深水試驗池(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)，綜合考慮圍護結構插入比、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.基坑寬度對圍護結構穩(wěn)定性的影響[J].土木工程學報，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插入深度(王洪新，2011)改進的抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)的應用基本假設:圍護墻強度和剛度都很小;圍護墻強度和剛度都很大;圍護墻強度很大，剛度很小安全系數(shù)計算的基準面計算方法: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φ＝0情況王洪新.對基坑抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)的改進[J].巖土力學，2014，35(增刊2)計算分析圖計算方法:Terzaghi抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)的改造針對φ≠0情況不同挖深、寬度時的抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)值(φ=0)不同挖深、寬度時的抗隆起穩(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、圍護入土深度的抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)(同時修改定義、算法)王洪新.考慮二維和三維尺寸效應的基坑抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)[J].巖土工程學報,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].巖石力學與工程學報,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)定性分析簡化模型?；涌孤∑鸱€(wěn)定性分析的計算模型基坑底極限卸載力的計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，這個定義能夠嚴格考慮基坑各種平面形狀(包括圓形、矩形、圓形甚至手槍形)對安全系數(shù)的影響。開挖引起的附加應力：原始地應力：超載引起的附加應力：墻底的總應力：極限卸載力Pu的計算式中：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》地鐵對環(huán)境保護等級分類的標準：一級，δH≤0.14%；二級，δH≤0.3%；三級，δH≤0.7%

，則要求一級環(huán)境保護等級時，Kw≥1.9；二級基坑時，Kw≥1.5；三級基坑時，Kw≥1.2。

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

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

Ks≥?矩形基坑抗隆起穩(wěn)定性的角效應手槍形基坑的抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)計算ga(m)ab(m)bc(m)fd(m)Kw326416162.73326416323.06326416483.71基坑形狀對抗隆起穩(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)的計算圖(Bjerrum，1956)太沙基基坑安全系數(shù)的再次改進DHH·s時時改進太沙基基坑安全系數(shù)的應用基坑平面尺寸5.8×8.1m；挖深H=4.5m；地面超載q=10kPa；土層重度γ=18kN/m3；不排水抗剪強度為c=14kPa。五、關于基坑穩(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)場設計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？