考虑二维和三维尺寸效应的基坑抗隆起稳定安全系数

考虑二维和三维尺寸效应的基坑抗隆起稳定安全系数

第十二届全国土力学及岩土工程学术大会上海2015王洪新上海城建市政工程（集团）有限公司一、基坑抗隆起稳定性安全系数在基坑设计中的作用基坑设计的主流方法---杆系有限元方法由于计算模型简单、荷载清晰，参数少，有利于工程经验积累；变形与稳定性分开考虑，需要引进保证基坑稳定的安全系数。基坑设计的杆系有限元变形计算方法基坑工程的环境保护等级分类基坑等级地面最大沉降量及围护墙水平位移控制要求环境保护要求一级1.地面最大沉降量≤0.1%H2.围护墙最大水平位移≤0.14%H3.Ks≥2.2基坑周边以外0.7H范围内有地铁、共同沟、煤气管、大型压力总水管等重要建筑或设施，必须确保安全二级1.地面最大沉降量≤0.2%H2.围护墙最大水平位移≤0.3%H3.

Ks≥2.0离基坑周边H～2H范围内有重要管线或大型的在使用的建（构）筑物三级1.地面最大沉降量≤0.5%H2.围护墙最大水平位移≤0.7%H3.

Ks≥1.5离基坑周围2H范围内没有重要或较重要的管线、建（构）筑物Ks值与基坑变形关系(早期上海地铁数据)Ks值与基坑变形关系(Peck)有这么好的关系吗？

在软土地区，采用板桩围护+内支撑体系时，抗隆起稳定安全系数既可以控制围护结构的入土深度，又可以反映基坑变形范围，处于设计的核心地位！二、基坑抗隆起稳定性安全系数计算方法的变迁Skempton(1951)提出了考虑基坑形状及尺寸影响的承载力系数Nc值；Bjerrum(1956)通过类比方法把该系数用于基坑稳定性分析。基坑抗隆起稳定安全系数的计算图(Terzaghi，1943)Nc的取值(Skempton，1951)基坑抗隆起稳定安全系数：早期的基坑抗隆起稳定分析方法地基承载力计算的基准面不能考虑围护结构插入比的影响；只能考虑不排水情况，不能考虑φ≠0情况;可以近似地考虑基坑形状对稳定性的影响，但计算Nc值时采用的方法是不严谨的。基坑抗隆起稳定安全系数的计算图(Bjerrum，1956)Bjerrum安全系数中Nc取值的近似性早期基坑稳定分析方法的缺陷0.707B墙底抗隆起稳定安全系数的计算图(汪炳鉴－夏明耀，1983)汪炳鉴－夏明耀基坑抗隆起稳定安全系数法地基承载力计算的基准面Terzaghi安全系数计算的基准面计算值偏大很多，尽管大多规范推荐此安全系数，但在具体设计中一般不控制设计结果；尽管该系数可以考虑围护结构插入比的影响，但由于不再采用Skempton地基承载力计算方法，使其不能考虑基坑宽度、形状对稳定性的影响。汪－夏法基坑安全系数的缺陷＋基坑宽度有关的项假设不同的滑裂面和安全系数定义可以得到一系列安全系数，由于假设不同这些安全系数彼此间没有可比性；所有安全系数均用于控制围护结构的入比深度；所有的安全系数在不同宽度和平面形状时计算结果相同。最下道支撑GHIJABC抗隆起稳定安全系数滑裂线抗倾覆稳定安全系数滑裂线墙底抗隆起稳定安全系数滑裂线EOQF45°+/245°－/2基坑设计规范建议安全系数的演变及缺陷与Terzaghi基坑安全系数相反，现有规范采用的安全系数主要用于控制围护结构入土深度，普遍忽略了基坑尺寸、形状对安全系数的影响，在狭窄基坑设计时会造成浪费，使设计偏于保守！南水北调穿黄隧道工作井(直径18m，挖深50m，地下墙深76.6m)上海交通大学深水试验池(内径6.2m，挖深36.5m，地下墙深44.5m)工程中的极端情况三、改进基坑稳定性分析安全系数的思路及尝试思路一：保留原安全系数定义，调整算法以考虑基坑宽度、形状对安全系数的影响；思路二：保留原有算法形式，调整安全系数定义，使其能够考虑基坑宽度、形状对安全系数的影响；思路三：定义新的安全系数，综合考虑围护结构插入比、基坑宽度以及形状的影响。改造基坑稳定分析的安全系数的思路抗倾覆稳定安全系数抗倾覆稳定安全系数的改造(保留定义，修改算法)王洪新.基坑宽度对围护结构稳定性的影响[J].土木工程学报，2011，44(6)窄基坑一般宽度基坑宽基坑

基坑宽度分类图(王洪新，2011)保留原有安全系数定义，在宽基坑时可以退化为传统的抗倾覆稳定安全系数。不同宽度基坑的围护插入深度(王洪新，2011)改进的抗倾覆稳定安全系数的应用基本假设:围护墙强度和刚度都很小;围护墙强度和刚度都很大;围护墙强度很大，刚度很小安全系数计算的基准面计算方法:Terzaghi抗隆起稳定安全系数的改造(调整定义，保留算法)针对φ＝0情况王洪新.对基坑抗隆起稳定安全系数的改进[J].岩土力学，2014，35(增刊2)计算分析图计算方法:Terzaghi抗隆起稳定安全系数的改造针对φ≠0情况不同挖深、宽度时的抗隆起稳定安全系数值(φ=0)不同挖深、宽度时的抗隆起稳定安全系数值(φ≠0)调整后的抗隆起稳定安全系数受基坑宽度的影响K随基坑宽度的变化(φ=0)四、综合考虑基坑形状、围护入土深度的抗隆起稳定安全系数(同时修改定义、算法)王洪新.考虑二维和三维尺寸效应的基坑抗隆起稳定安全系数[J].岩土工程学报,2013,35(11)王洪新.考虑基坑形状和平面尺寸的抗隆起稳定安全系数及异形基坑的抗隆起稳定性分析[J].岩石力学与工程学报,2015,34(10)考虑最不利状态稳定性分析的基坑卸载模型；侧面力被支撑体系平衡后的稳定性分析简化模型。基坑抗隆起稳定性分析的计算模型基坑底极限卸载力的计算模型基坑抗隆起稳定性安全系数的定义

与Terzaghi方法不同，这个定义能够严格考虑基坑各种平面形状(包括圆形、矩形、圆形甚至手枪形)对安全系数的影响。开挖引起的附加应力：原始地应力：超载引起的附加应力：墙底的总应力：极限卸载力Pu的计算式中：条形基坑矩形基坑圆形基坑圆形基坑抗隆起稳定安全系数容许值的确定

按《上海地铁基坑工程施工规程》地铁对环境保护等级分类的标准：一级，δH≤0.14%；二级，δH≤0.3%；三级，δH≤0.7%

，则要求一级环境保护等级时，Kw≥1.9；二级基坑时，Kw≥1.5；三级基坑时，Kw≥1.2。

基坑等级地面最大沉降量及围护墙水平位移控制要求一级1.地面最大沉降量≤0.1%H2.围护墙最大水平位移≤0.14%H3.Ks≥?二级1.地面最大沉降量≤0.2%H2.围护墙最大水平位移≤0.3%H3.

Ks≥?三级1.地面最大沉降量≤0.5%H2.围护墙最大水平位移≤0.7%H3.

Ks≥?矩形基坑抗隆起稳定性的角效应手枪形基坑的抗隆起稳定安全系数计算ga(m)ab(m)bc(m)fd(m)Kw326416162.73326416323.06326416483.71基坑形状对抗隆起稳定安全系数的影响Kw与太沙基安全系数的关系失稳基坑的安全系数分析工程平面尺寸(m)挖深(m)地面超载(t/m2)土层重度(t/m3)不排水抗剪强度

(t/m3)Terzaghi安全系数本文安全系数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基坑抗隆起稳定安全系数的计算图(Bjerrum，1956)太沙基基坑安全系数的再次改进DHH·s时时改进太沙基基坑安全系数的应用基坑平面尺寸5.8×8.1m；挖深H=4.5m；地面超载q=10kPa；土层重度γ=18kN/m3；不排水抗剪强度为c=14kPa。五、关于基坑稳定性分析的思考既然规范中推荐的基坑安全系数问题很多，为什么现场设计的基坑大多还能够保持稳定呢？基坑安全系数研究还有必要吗？如果研究，还存在哪些问题没有解决？