淺談基坑支護整體穩定性分析

【摘 要】本文主要討論如何由基坑工程特點及土體參數、周邊環境等信息推導基坑周圍地表變形從而判斷工程穩定性的方法，也即尋求能僅僅根據基坑開挖各參數特點而對整個基坑周邊地表重要的點位處的沉降變形發展規律進行預測的方法，做到提前預測、判斷，及時調整設計、施工方案，以確保基坑穩定。

【關鍵詞】基坑穩定性；基坑隆起；地表沉降

引言

基坑失穩是基坑支護失敗的最常見的原因，尤其在軟土地區。導致基坑失穩的原因主要有兩類：一類是因結構（包括墻體和支撐）強度、剛度或穩定性不足；另一類是因地基土抗剪強度不足或土體變形過大。前一類失穩屬于支護結構內力范圍。本文側重討論后一類原因即土體變形引起的失穩。

1. 基坑的整體穩定性分析

基坑失穩不僅會嚴重破壞基坑，影響工程進行，還會危及周圍環境，帶來巨大損失。因此保持基坑穩定是基坑支護設計重要目標之一。 在基坑開挖過程中，可以見到三種基坑工程變形的宏觀表現：基坑隆起、墻體側移、地表沉降。由于土的流變特性造成這三類變形。基坑開挖的直接結果產生土體隆起并造成坑內外土體作用于擋墻的壓力趨向于被動土壓力，而墻 外側土體作用于墻體的土壓力趨向于主動土壓力，由于墻體側移并不均等，故土壓力的分布并不是線性關系分布的。同時因土拱效應，墻外側土壓力會趨于均勻，墻體側移的結果是坑外土體也發生變形，并產生墻體側移位移協調（在接觸界面）變形，形成附加應力，產生塑性區，變形的效果逐步傳至地面，形成地表沉降。 可見地表沉降與墻體側移和基坑隆起等變形緊密相關。如若圍護結構變形較大，引起周圍地面沉降和水平位移也較大，可能會造成影響相鄰建筑物或市政設施安全使用。除圍護結構變形過大外，地下水位下降，以及滲流帶走地基土體中細顆粒過多也可能會造成周圍地面沉降過大，施工過程中應予以注意。

2. 基坑工程穩定性驗算

基坑工程有多種失穩形式，總歸起來，基坑失穩形式主要有：擋墻（及支撐）強度不夠、整體失穩、隆起失穩、管涌失穩、底鼓失穩等幾種。影響基坑工程穩定性的因素也眾多，與土體性質、擋墻及錨撐自身的強度和剛度、擋墻入土深度、施加之預應力、基坑尺寸大小及周圍環境要求等等皆有關系。不同的基坑工程其穩定性情況皆有不同，因此有必要進行穩定性驗算。

對于支護體系結構的計算方法很多，并各有其較成熟的理論，均是建立在一定的假設條件基礎上、設定相應的本構模型，以探索和揭示擋墻、支撐、土體等結構的內力、變形、彎矩、撓度等的變化機理，從而安全、合理、優質地進行基坑圍護設計。總體說來，圍護結構的計算方法可歸納為以下幾大類：古典方法，支撐軸力、墻體彎矩、變位不隨開挖過程而變化的方法、支撐軸力、墻體彎矩、變位隨開挖過程而變化的方法、共同變形理論、有限單元法及邊界元法等數值方法和攝動法理論。

2.1坑底土抗隆起驗算

在深厚軟土層中，當基坑開挖深度較大時，則作用在坑外側的坑底水平面上的荷載相應增大，此時需驗算坑底土的承載力，如承載力不足將導致坑底土的隆起。

關于坑底土抗隆起穩定的驗算方法很多，這里略作概括。Terzaghi — Peck認為，當圍護墻在坑底以下有插入段時，只要經驗算作為懸臂梁的插入段抗彎能力滿足要求，坑底土就不會隆起。上海市標準《基坑工程設計規程》推薦了一種考慮墻體極限抵抗彎矩的抗隆起驗算方法，該法認為開挖面以下的墻體能起到抵抗基底隆起的作用，并假定土體沿墻體底面滑動，且滑動面為圓弧，此法較適用于中等強度和較軟弱的粘性土層中的地下墻工程，在地質條件較好時不宜采用。另外，還可參照Prandtl和Terzaghi地基承載力公式，并將擋墻底面的平面作為求極限承載力的基準面，同時考慮土體的因素進行穩定性驗算，此法可適用于各類土質條件。

2.2 抗傾覆分析

基坑發生傾覆失穩主要是由于主被動土壓力及水壓力相對于墻趾的作用力矩的失衡而引起的圍護墻的傾覆現象。

2.3 抗管涌分析

對于位于高水位地帶的深基坑，當底部有砂層，尤其是粉細砂層時，應注意防止出現抗管涌（流砂）。即使擋墻使用了地下墻，也往往會因為錨桿和地下墻槽段接頭的質量問題而發生流砂或管涌事故，相關文獻總結了這方面的一些經驗教訓。 抗管涌計算比較簡單，一般教科書和工程書上皆有涉及。

2.4 整體穩定性分析

對于排樁（或地下墻）支護的基坑，其整體穩定性分析可按簡化圓弧條分法計算，具體步驟為：

首先在擋墻頂部作與水平面交角為36度的斜線，然后在該線上任取點O1 、O2 、O3 …… Om作為滑動中心分別驗算相應滑動面的整體穩定性，由此可確定最危險的圓弧滑動面，當最危險的圓弧滑動面亦滿足驗算下面公式時，則基坑整體穩定，否則屬于不穩定。

對于給定的滑動中心Oi，其驗算過程為：以Oi為圓心，通過擋土墻底端作圓弧滑動面，從圓心作垂線將弧內土體劃分為兩部分，分別求出其合力W1， W2，將W1， W2的作用線延長與弧相交，并求出法向力N1， N2，再對圓心Oi求矩，最后按下式驗算對應于該滑動面的基坑整體穩定性：

1.2 （W1X1- W2X2-TX）≤（N1+N2）tanφR + cLR

式中：

T ——作用在擋墻上的支（錨）水平合力

W1， W2——分別為滑動中心垂面兩側的滑動土體自重重力

N1， N2 ——分別為在滑動面上的法向分力

X1，X2 ——分別為滑動土體重力作用線滑動中心垂面的距離.

c、φ ——分別為土體的粘聚力和內摩擦角

L、R ——分別為滑動面的弧長和半徑

3. 地表沉降變形

在深基坑施工過程中，甚至施工完成后相當一段時期內，其周圍地表沉降變形都是一個極其重要的參考指標。因基坑土方開挖，引起圍護結構變形，進而造成地面沉降，基坑降水也會引起沉降變形。由于在城市高層建筑施工中，地面沉降（或局部隆起）尤其是不均勻沉降對周圍環境的影響是很大的，沉降過大將引起房屋傾斜、管線開裂、道路塌陷，因此，作為技術與施工人員應格外注意基坑施工過程中的各種變形量，及時觀測、分析、處理，尤其是預測其發展趨勢，以利用有限的反饋信息對整個工程及后期的穩定性作出判斷，做到信息化施工。

前已述及，地表沉降與基坑隆起、擋墻側向變形以及土體水平位移等變形皆有緊密聯系，因此如果能建立他們之間的聯系并且求算出地表沉降估算式，則也就知道了整個基坑工程的變形情況，從而可由估算出的地表沉降值直接判斷出基坑工程的穩定性。 基坑開挖引起地面沉降估算方法大致有三種： （1）經驗方法；（2）試驗及圖解分析法（公式估算法）；（3）外推預測法（數值分析法）；結合高數知識和試驗及圖解分析法得到基坑地表最大沉降公式：

公式中之k、B、H、Nk 等參數依具體工程而定。

4. 工程驗算

為了驗證上述推導的基坑周邊地表沉降公式，筆者選取了調研期間收集的幾個工程實例，現對其作分析如下：

（1）廣東三水某大廈深基坑工程，地下室兩層，基坑開挖深度H為9.5m，基坑寬度B為41m，采用鉆孔灌注樁結合深層攪拌樁進行支護，并設置兩道水平角撐，土體重度γ為18KN/m3，不排水模量Es為15.1MPa，不排水剪切強度Cu=21.8KPa，地表沉降影響范