深基坑支护失效模式初探

2010-02-27张宏刚崔中兴炊鹏飞

水利与建筑工程学报 2010年5期

张宏刚,崔中兴,谢淼,炊鹏飞,黄彪

(1.西安理工大学水利水电学院,陕西西安710048;2.西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安 710055;3.湖北省地球物理勘察研究院,湖北武汉 430056)

0 前言

众所周知,深基坑支护工程是一项复杂的临时系统工程,之所以复杂在于岩土材料的结构性、区域性和强大变异性,同时支护体系的安全储备相对较低,为了实现最优化的支护,首先就要保证深基坑支护的稳定性,而对于这种稳定性的研究,目前最具前景的做法就是基于可靠性理论的极限状态来设计。此种方法通过寻求基坑支护失效模式,建立极限状态方程,然后解方程求可靠度指标来评定支护体系的稳定性,而可靠度指标的获得必须要正确建立基坑支护系统的失效模式。廖瑛等人曾用JC法做了三种失效模式下的可靠性分析,本文试图在前人研究的基础上通过分析影响支护系统稳定性的各种因素和失效机理来建立基坑失效模式,从而为可靠度的计算提供更准确的帮助。

1 影响支护失效的因素分析

通过大量实践的验证和理论分析,可以把影响支护系统稳定性的诸因素归结为外部因素和内部因素,如表 1所示。

表1 基坑支护体系稳定性影响因素

1.1 与岩土体自身有关的内部因素分析

内部因素对支护体系稳定性的影响主要源于岩土材料的变异性,而这种变异性主要体现在它的结构性和随机性,因而在求解土压力时带来了诸多麻烦,无论是库仑土力还是朗肯土压力,或者修正后的土压力均离不开土体参数c,φ的选取,经过概率统计分析发现,这两种指标是影响土压力的主要指标[2],且这两种指标具有一定的相关度;基坑在开挖后常表现出一定的时空效应,主要表征为基坑边角附近的空间作用较强,而中部较弱,边角处围护结构的水平位移和被动土压力较小,随后逐步增大,至基坑中部达到最大值;而主动土压力的变化规律则反之[3]。现在的许多支护体系都是由空间支撑杆系连接而成,无论是何材质的杆系均涉及杆件在组装后具有一定的收缩蠕变,尤其是混凝土构件,这种蠕变进而会导致杆件的应力松弛,使杆件的应力水平降低;同时,各支护杆件直接或间接与土体接触,因此在连接处需要进行节点强度设计和构造设计,比如锚固点、杆系交接点、杆系交接处还要进行防水和防锈处理;支护设计时,宜适当考虑支护结构和土体间的摩擦力,以减小主动土压力的计算值[4],然而目前在土压力计算中很少考虑这个问题;同时这诸多因素是相互影响相互耦合的,要综合处理之。许多基坑设计人员不注意此类问题的巨大危害,表现在选取强度指标时,试验方法不当(如三轴剪切试验选UU和CU得出的强度指标是有差异的)、模型选取不合理、计算方法缺少精度等诸多问题,最终导致土压力计算不准引发基坑失稳。

1.2 影响支护稳定的外部因素分析

随着岩土施工规范、规程的逐渐健全,施工技术和施工质量在不断提高,然而对于深基坑支护的施工技术还很欠缺,尽管岩土材料具有地区差异性,但是至今尚未出现统一的技术规程,仅有的几部规程和标准也是地区性的,因而在基坑支护施工中就出现了各式各样的问题,如降水不合理,回灌不及时等均可引起土体的大量变形。最直接的影响是由于施工失当引起的支护系统失效,最终表征在系统的失稳上;再加之,施工现场组织管理的不科学,支护不及时,使得基坑裸露时间过长最终反映在坑壁土体强度指标的变异上,因此在施工时一定要边开挖边支护(如土钉支护);信息化施工力度不够,监控不及时也是出现问题的一个重要环节(如西安长乐路某深基坑因降雨入渗导致坑壁位移加剧,出现局部塌陷);同时,在支护方案设计中要选择可靠的支护型式,而且最好能通过科学、可靠的优化指标来体现型式选择的合理性,过去许多基坑失稳就是由于方案设计不完善所致,结果造成了严重的人员和财产损失;有时某些偶然因素也会导致基坑严重失稳,比如地震、爆炸、强风[5]、大暴雨等也会直接危害基坑支护系统的安全,而现行的各种规范和规程中很少考虑这方面的影响。总之,对于外部因素的变化更要密切注意,及时做出评估。

2 失效模式的建立

基于可靠性理论的深基坑稳定性研究要求必须正确合理建立基坑的失效模式,只有失效模式确定正确,可靠性指标才能达到概率意义上的可靠。目前对基坑的失效模式工程界普遍认为是以倾覆失稳、坑底隆起失稳、整体失稳3种主要失稳模式所组成的串联体系为主[6],然而工程实践证明,基坑失稳模式远不止这3种,而是一个多模式相互耦合的多元失效模式,目前设计中此3种稳定基本都能注意到,其余的失效模式却容易忽视而引起基坑失稳。本文试图建立较为全面的基坑失效模式,为可靠性理论分析基坑稳定性奠定基础。现将基坑的失效模式按以下两种形态控制,分述如下:

2.1 基坑两侧土体强度不足,地下水的渗流作用引起基坑失稳

2.1.1 坑底隆起失稳

坑底隆起失稳是基坑边壁外侧的土体在重力和地表超载的作用下从基坑坑底部挤向基坑坑内侧的剪切破坏,且这种剪切破坏主要与粘土的抗剪强度以及土体的加载历史有关系。目前主要以抗滑力矩 Mr和滑动力矩Ms的比值作为隆起安全系数来评定基坑是否隆起失稳,而关于抗滑力矩Mr和滑动力矩Ms的计算根据不同的假设条件会有相应的算法。坑底隆起失稳如图1所示。

图1 坑底隆起失稳

2.1.2 基坑边坡失稳

根据实际的需要,有些基坑要进行放坡开挖。如果放坡设计不合理也会使基坑失稳,这种失稳通常借助于边坡稳定性计算的相关原理进行,一般用圆弧假定面进行分析;先找出滑动圆弧面(不同的假设会有不同的滑裂面),然后求取抗滑力矩和滑动力矩的大小,若出现抗滑力矩小于滑动力矩就会发生基坑边坡失稳。边坡失稳如图2所示。

图2 边坡失稳

2.1.3 坑底被动压力区踢脚失稳(局部失稳)

靠近侧壁的坑底在土体开挖后受到被动土压力,若此被动土压力过大对于软土基坑来说容易出现踢脚失稳。这种失稳通常用墙体底部两侧的主动土压力和被动土压力分别对坑内最后一道支撑取倾覆力矩来判定基坑是否失稳。

2.1.4 坑底管涌失稳

据统计[7],60%以上的基坑事故直接或间接与地下水相关,而地下水作为地质环境内最活跃的成分,其对岩土体的力学性质的影响不容忽视,对基坑稳定性威胁最大的就是管涌和流土。管涌和流土一般都会发生在无粘性的砂土中。流土是水在向上渗流时,表层一定范围内的土体发生悬浮移动;管涌是发生在任何方向的渗流溢出处,当基坑侧墙两侧有较大的水头差使渗流水力梯度达到临界水力梯度(G-1)/(1+e)(G,e分别为沙粒密度和空隙率)足以产生抵消土粒有效重量的作用时管涌引起的基坑失稳随之产生。

2.1.5 时空效应认识不足引起的失稳

深基坑是一个三维空间结构,因此对于基坑稳定性研究应该属于三维空间受力问题,经过大量的工程实践和数值模拟分析可知,深基坑在开挖过程中具有明显的时空效应。为化解由时空效应引起的诸多问题,在深开挖时应根据基坑的几何尺寸进行分层、分步、均衡开挖且支护前不能让基坑在外过分暴露,从而减少土体参数的变异性,挽救土体强度的过早降低;在基坑的变形过程中,由于基坑边角的约束作用,使得边角支护结构的水平位移和被动土压力较小,随后逐渐增大,直到基坑中部边达到最大。刘建航院士曾对此做了许多研究并结合工程实践,认为以科学的施工工艺和施工参数作为设计依据来克服因时空效应而引起的基坑变形失稳。

2.2 支护结构因强度、刚度、稳定性不足而引起的支护系统破坏所造成的基坑失稳

2.2.1 支护结构或构件失稳

不同的支护方案会确定出不同的支护结构型式,但是无论是何种型式的支护结构,在设计时均要满足强度和刚度的要求,同时要根据基于变形控制的设计方法来设计,并将这种控制和监测手段配合起来使用,若出现小于容许应力变形的情况,基坑支护体系就有可能失效,尤其是在某些节点和结构变型处要保证节点强度、刚度满足要求。

2.2.2 支护结构踢脚失稳

当支护结构在水平荷载作用下,对内支撑或者锚杆支点体系来说,基坑土体有可能在支护结构上产生踢脚破坏失稳。对于单支点结构会产生以该支点为矩心基坑内侧的被动土压力矩与外侧的主动土压力矩的不平衡而产生踢脚破坏失稳;而对多层支点结构是由于对最下层支点转动的两种土压力矩不平衡而产生踢脚失稳。以土钉支护踢脚失稳为例如图3所示。

图3 支护结构踢脚破坏失稳

3 失效模式间相关性探究

从深基坑支护体系稳定性的影响因素分析和工程实践的应用来看,不难发现其中最核心的影响因素是地下水,而地下水会进一步影响土体的物理力学指标,最终体现在对强度指标的影响上。前人研究认为,土体强度指标间有一定的相关性。不难推想,要综合评价支护结构的稳定性,最好是建立起诸失效模式间的相关度ρ,通过相关度的分析,进而分析确定体系失效的主要原因和预防对策,最终才能确保可靠度的求解更接近支护工程实际。为了确定各失效模式的相关性,设Zi,Zj分别是支护结构体系第i,j个失效模式的功能函数,且设Zi,Zj分别是相互独立的随机变量(Xi=1,2,3,…)的非线性函数,现将该非线性函数在各自验算点处展开成Taylor级数,然后取其线性部分,于是Zi,Zj的协方差为