浅谈基坑支护整体稳定性分析

浅谈基坑支护整体稳定性分析

【摘要】本文主要讨论如何由基坑工程特点及土体参数、周边环境等信息推导基坑周围地表变形从而判断工程稳定性的方法，也即寻求能仅仅根据基坑开挖各参数特点而对整个基坑周边地表重

要的点位处的沉降变形发展规律进行预测的方法，做到提前预测、判断，及时调整设计、施工方案，以确保基坑稳定。

【关键词】基坑稳定性；基坑隆起；地表沉降

引言

基坑失稳是基坑支护失败的最常见的原因，尤其在软土地区。导致基坑失稳的原因主要有两类：一类是因结构（包括墙体和支撑）强度、刚度或稳定性不足；另一类是因地基土抗剪强度不足或土体变形过大。前一类失稳属于支护结构内力范围。本文侧重讨论后一类原因即土体变形引起的失稳。

1. 基坑的整体稳定性分析

基坑失稳不仅会严重破坏基坑，影响工程进行，还会危及周围环境，带来巨大损失。因此保持基坑稳定是基坑支护设计重要目标之一。在基坑开挖过程中，可以见到三种基坑工程变形的宏观表现：基坑隆起、墙体侧移、地表沉降。由于土的流变特性造成这三类变形。基坑开挖的直接结果产生土体隆起并造成坑内外土体作用于挡墙的压力趋向于被动土压力，而墙外侧土体作用于墙体的土压力趋向于主动土压力，由于墙体侧移并不均等，故土压力的分布并不是线性关系分布的。同时因土拱效应，墙外侧土压力会趋于均

匀，墙体侧移的结果是坑外土体也发生变形，并产生墙体侧移位移协调（在接触界面）变形，形成附加应力，产生塑性区，变形的效果逐步传至地面，形成地表沉降。可见地表沉降与墙体侧移和基坑隆起等变形紧密相关。如若围护结构变形较大，引起周围地面沉降和水平位移也较大，可能会造成影响相邻建筑物或市政设施安全使用。除围护结构变形过大外，地下水位下降，以及渗流带走地基土体中细颗粒过多也可能会造成周围地面沉降过大，施工过程中应予以注意。

2. 基坑工程稳定性验算

基坑工程有多种失稳形式，总归起来，基坑失稳形式主要有：挡墙（及支撑）强度不够、整体失稳、隆起失稳、管涌失稳、底鼓失稳等几种。影响基坑工程稳定性的因素也众多，与土体性质、挡墙及锚撑自身的强度和刚度、挡墙入土深度、施加之预应力、基坑尺寸大小及周围环境要求等等皆有关系。不同的基坑工程其稳定性情况皆有不同，因此有必要进行稳定性验算。

对于支护体系结构的计算方法很多，并各有其较成熟的理论，均是建立在一定的假设条件基础上、设定相应的本构模型，以探索和揭示挡墙、支撑、土体等结构的内力、变形、弯矩、挠度等的变化机理，从而安全、合理、优质地进行基坑围护设计。总体说来，围护结构的计算方法可归纳为以下几大类：古典方法，支撑轴力、墙体弯矩、变位不随开挖过程而变化的方法、支撑轴力、墙体弯矩、变位随开挖过程而变化的方法、共同变形理论、有限单元法及边界

元法等数值方法和摄动法理论。

2.1坑底土抗隆起验算

在深厚软土层中，当基坑开挖深度较大时，则作用在坑外侧的坑底水平面上的荷载相应增大，此时需验算坑底土的承载力，如承载力不足将导致坑底土的隆起。

关于坑底土抗隆起稳定的验算方法很多，这里略作概括。terzaghi —peck认为，当围护墙在坑底以下有插入段时，只要经验算作为悬臂梁的插入段抗弯能力满足要求，坑底土就不会隆起。上海市标准《基坑工程设计规程》推荐了一种考虑墙体极限抵抗弯矩的抗隆起验算方法，该法认为开挖面以下的墙体能起到抵抗基底隆起的作用，并假定土体沿墙体底面滑动，且滑动面为圆弧，此法较适用于中等强度和较软弱的粘性土层中的地下墙工程，在地质条件较好时不宜采用。另外，还可参照prandtl和terzaghi地基承载力公式，并将挡墙底面的平面作为求极限承载力的基准面，同时考虑土体的因素进行稳定性验算，此法可适用于各类土质条件。

2.2 抗倾覆分析

基坑发生倾覆失稳主要是由于主被动土压力及水压力相对于墙趾的作用力矩的失衡而引起的围护墙的倾覆现象。

2.3 抗管涌分析

对于位于高水位地带的深基坑，当底部有砂层，尤其是粉细砂层时，应注意防止出现抗管涌（流砂）。即使挡墙使用了地下墙，

也往往会因为锚杆和地下墙槽段接头的质量问题而发生流砂或管

涌事故，相关文献总结了这方面的一些经验教训。抗管涌计算比较简单，一般教科书和工程书上皆有涉及。

2.4 整体稳定性分析

对于排桩（或地下墙）支护的基坑，其整体稳定性分析可按简化圆弧条分法计算，具体步骤为：

首先在挡墙顶部作与水平面交角为36度的斜线，然后在该线上任取点o1 、o2 、o3 ……om作为滑动中心分别验算相应滑动面的整体稳定性，由此可确定最危险的圆弧滑动面，当最危险的圆弧滑动面亦满足验算下面公式时，则基坑整体稳定，否则属于不稳定。

对于给定的滑动中心oi，其验算过程为：以oi为圆心，通过挡土墙底端作圆弧滑动面，从圆心作垂线将弧内土体划分为两部分，分别求出其合力w1，w2，将w1，w2的作用线延长与弧相交，并求出法向力n1，n2，再对圆心oi求矩，最后按下式验算对应于该滑动面的基坑整体稳定性：

1.2 （w1x1- w2x2-tx）≤（n1+n2）tanφr + clr

式中：

t ——作用在挡墙上的支（锚）水平合力

w1，w2——分别为滑动中心垂面两侧的滑动土体自重重力

n1，n2 ——分别为在滑动面上的法向分力

x1，x2 ——分别为滑动土体重力作用线滑动中心垂面的距离.

c、φ——分别为土体的粘聚力和内摩擦角

l、r ——分别为滑动面的弧长和半径

3. 地表沉降变形

在深基坑施工过程中，甚至施工完成后相当一段时期内，其周围地表沉降变形都是一个极其重要的参考指标。因基坑土方开挖，引起围护结构变形，进而造成地面沉降，基坑降水也会引起沉降变形。由于在城市高层建筑施工中，地面沉降（或局部隆起）尤其是不均匀沉降对周围环境的影响是很大的，沉降过大将引起房屋倾斜、管线开裂、道路塌陷，因此，作为技术与施工人员应格外注意基坑施工过程中的各种变形量，及时观测、分析、处理，尤其是预测其发展趋势，以利用有限的反馈信息对整个工程及后期的稳定性作出判断，做到信息化施工。

前已述及，地表沉降与基坑隆起、挡墙侧向变形以及土体水平位移等变形皆有紧密联系，因此如果能建立他们之间的联系并且求算出地表沉降估算式，则也就知道了整个基坑工程的变形情况，从而可由估算出的地表沉降值直接判断出基坑工程的稳定性。基坑开挖引起地面沉降估算方法大致有三种：（1）经验方法；（2）试验及图解分析法（公式估算法）；（3）外推预测法（数值分析法）；结合高数知识和试验及图解分析法得到基坑地表最大沉降公式：公式中之k、b、h、nk 等参数依具体工程而定。

4. 工程验算

为了验证上述推导的基坑周边地表沉降公式，笔者选取了调研