支护桩水平承载力验算和岩土荷载作用下坡体支护结构抗震强度验算问题的分析

2022-02-12方玉树

重庆建筑 2022年1期

方玉树

（1陆军勤务学院，重庆 401311；2岩土力学与地质环境保护重庆市重点实验室，重庆 401311）

0 引言

关于对支护桩是否或如何进行水平承载力验算，全文强制的《建筑和市政地基基础通用规范》（GB 55003—2021）（以下称《地基通用规范》）没有规定。关于对岩土荷载作用下的永久坡体支护结构是否或如何进行抗震强度验算，该规范也没有规定，如果认为坡体支护结构抗震强度验算是《建筑与市政工程抗震通用规范》（GB 55002—2021）规定的事项，而不是《地基通用规范》规定的事项，那么《地基通用规范》通过第5.1.1条第7款和第5.2.1条第2款、第5.2.2条第2款对建（构）筑物桩基抗震承载力验算事项作出规定就无法理解了。因此，是否或如何进行支护桩水平承载力验算和岩土荷载作用下永久坡体支护结构抗震强度验算成了一个问题。本文对此进行分析。

1 关于支护桩水平承载力验算

对支护桩进行水平承载力验算是理所当然的，因为对建（构）筑物中的承受竖向荷载和水平荷载的基础桩既要进行竖向承载力验算，又要进行水平承载力验算。

根据《地基通用规范》“桩基”一章第5.2.3条，单桩水平承载力验算应符合下式规定：

式中：Hik——作用效应标准组合下作用于基桩i桩顶处的水平力（kN）；Rh——单桩基础或群桩中基桩的水平承载力特征值（kN）。

《地基通用规范》“桩基”一章位于“天然地基与处理地基”一章和“基础”一章之间，且上述规定已明确上式中的水平力是作用于桩顶处的，因此，这里的“桩基”是建（构）筑物中的基础，不是坡体支护结构中的桩（支护桩）。

根据该规范第2.2.2条第4款的规定[对坡体支护结构材料强度验算的要求和对建（构）筑物中基础材料强度验算的要求相同]可知，如果支护桩水平承载力验算采用水平承载力特征值概念和允许应力法[就像《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013）[1]所规定的那样]，那是符合《地基通用规范》精神的。

然而，笔者主张支护桩水平承载力验算改用极限承载力标准值概念和安全系数法。

笔者曾经详细论述过地基（桩基）承载力验算采用承载力特征值概念和允许应力法改用地基（桩基）极限承载力标准值概念和安全系数法的主张[2-3]。采用极限承载力标准值概念和安全系数法时，支护桩水平承载力验算与建（构）筑物地基（桩基）承载力验算有所区别的是：抗失稳支护结构中单桩承载安全系数取值需小于抗变形支护结构中单桩承载安全系数。

在安全系数法中，从原则（即不考虑公式或试验误差）上说，特定地质和支护桩（包括其所受荷载的分布）条件下的单桩极限水平承载力有特定值，不因工况（是一般工况还是地震工况）、荷载类型（是抗失稳支护结构岩土荷载还是抗变形支护结构岩土荷载）、地质体类型（是视为岩体还是视为土体）而异，因这些因素不同而不同的是单桩水平承载安全系数。

当支护桩水平承载力验算采用水平承载力特征值概念和允许应力法时，单桩水平承载力特征值（指承载力许用值，下同）需要因岩土荷载类型（是抗失稳支护结构岩土荷载还是抗变形支护结构岩土荷载）的不同而不同，这个问题的存在使得支护桩中单桩水平承载力特征值概念不具有单桩水平承载力的应有特征，如同建（构）筑物地基（单桩）承载力特征值需要因工况（是一般工况还是地震工况）和地质体类型（是视为岩体还是土体）而异，使得建（构）筑物地基（单桩）承载力特征值概念不具有地基（单桩）承载力的应有特征。

关于支护桩水平承载力验算的上述主张，拙著[2]已有较多论述。

顺便指出，该规定原文中“受水平荷载作用下”一语不合语法，应改为“水平荷载作用下”或“受水平荷载作用时”。

2 关于岩土荷载作用下坡体支护结构抗震强度验算

根据《地基通用规范》第2.2.2条第4款和第5.1.1条第7款的规定[对岩土荷载作用下坡体支护结构材料强度验算的要求和对建（构）筑物中基础材料强度验算的要求相同，对建（构）筑物桩基需进行抗震承载力验算]可知，如果对岩土荷载作用下的永久坡体支护结构进行抗震强度验算[就像《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013）[1]所规定的那样]，那是符合《地基通用规范》精神的。

（1）对岩土荷载作用下的坡体抗失稳支护结构不必进行抗震强度验算

根据《地基通用规范》第5.2.1条，轴心和偏心竖向力作用下的桩基竖向承载力验算应分别满足（2）和（3）式、（4）和（5）式：

式中：Nk——作用效应标准组合下基桩或复合基桩的平均竖向力（kN）；NEk——地震作用效应和作用效应标准组合下基桩或复合基桩的平均竖向力（kN）；Nk max——作用效应标准组合下基桩或复合基桩的最大竖向力（kN）；NEk max——地震作用效应和作用效应标准组合下基桩或复合基桩的最大竖向力（kN）；R——基桩或复合基桩竖向承载力特征值（kN）。

由此可知，地震作用效应和作用效应的标准组合下建（构）筑物单桩承载力竖向特征值是作用效应的标准组合下建（构）筑物单桩竖向承载力特征值的1.25倍，当采用安全系数法时，作用效应的标准组合下建（构）筑物单桩竖向承载安全系数是地震作用效应和作用效应的标准组合下建（构）筑物单桩竖向承载安全系数的1.25倍。

但是，抗失稳支护结构中单桩承载安全系数不因作用组合是作用效应的标准组合还是地震作用效应和作用效应的标准组合而不同。

原因在于：地震工况是校核工况，该工况下坡体稳定安全系数已经明显小于一般工况下坡体稳定安全系数，地震工况下由按稳定性公式反算法算得的坡体抗失稳支护结构岩土荷载，既可能大于一般工况下坡体抗失稳支护结构岩土荷载，也可能小于或等于一般工况下坡体抗失稳支护结构岩土荷载。无论地震工况下坡体抗失稳支护结构岩土荷载是否大于一般工况下坡体抗失稳支护结构岩土荷载，它都是刚好使坡体在地震工况下的稳定系数达到相应稳定安全系数的支护力之反力。

因此，当用安全系数表示支护结构安全度时，在理论上，坡体抗失稳支护结构安全系数可取1，或者说，坡体抗失稳支护结构极限承载力等于抗滑支护结构岩土荷载即可。不过，坡体抗失稳支护结构极限承载力的确定存在明显误差，比如：抗失稳支护结构岩土荷载在竖直和水平方向上的分布也难以准确确定，这导致抗失稳支护结构极限承载力的确定即使在构件极限承载力计算无误差时也有明显误差。如果为考虑抗失稳支护结构极限承载力这一新因素的误差对稳定性计算结果的影响而提高稳定安全系数，又会造成同一工程重要性等级和同一失稳类型下的稳定安全系数取值不统一。因此，抗失稳支护结构本身应有一定安全度，但其安全度应低于以主动土压力为荷载时所设计的挡墙。

由此可知，无论支护是何种形式，无论设计方法是安全系数法还是分项系数法，无论是就支护结构材料而言还是就与支护结构接触的岩土体而言，抗失稳支护结构留有的安全度与计算工况是一般工况还是地震工况无关，换句话说，当坡体支护以支护后的坡体稳定系数达到稳定安全系数为要求时，相同的支护结构承担岩土荷载的能力是相同的。

（2）对岩土荷载作用下的坡体抗变形支护结构不必进行抗震强度验算

坡体抗变形结构是用于约束坡体侧向变形的，不是用于防范坡体失稳的。当地震作用下坡体稳定性不满足要求时，需进行的治理是抗失稳治理而不是抗变形治理。在治理后坡体抗震稳定性满足要求的条件下，地震作用只能造成坡体侧向变形有所增加，而不会导致边坡失稳。因此，对岩土荷载作用下的坡体抗变形支护结构不必进行抗震强度验算。

关于岩土荷载作用下的坡体支护结构抗震强度验算的上述主张，拙著[2]已有论述。

按《地基通用规范》第2.2.2条第4款和第5.1.1条第7款建（构）筑物基础和坡体支护结构强度验算规则，该规范没有要求对岩土荷载作用下的永久坡体支护结构进行抗震强度验算本是该规范的缺项之一，但根据上述分析，该规范这样做却是歪打正着。存在这种现象的原因是该规范的岩土荷载作用下坡体支护结构强度验算规则是不正确的，没有区分抗变形支护结构岩土荷载和抗失稳支护结构岩土荷载，没有正确计算抗失稳支护结构岩土荷载并考虑其特殊性[3]。