《安全技术》之土坡稳定分析在深基坑安全施工中的应用

1、土坡稳定分析在深基坑安全施工中的应用 随着社会经济及工程技术的高速发展，高层建筑日益增多，深基础的应用也广泛起来，施工中的安全管理尤其是深基坑施工中的安全工作亦越来越重要起来。脚手架、施工临时用电、模板等专业性较强的几个安全施工方案均可较熟练地进行量化处理，如脚手架受力计算、配电线路负荷计算、模板的承载力计算等，这些量化处理在安全施工中起着举足轻重的作用。在深基础施工中，如基坑的深度、基土的力学性能、坡顶受外部荷载的作用等对基坑安全都具有决定性影响，基坑施工中的定量技术处理对施工安全来说同样是关键的一环。本文的目的，在于结合平常工程中的实际问题，运用土坡稳定分析理论，分绍简单的基坑安全验算方法

2、，以便较安全、迅速地对基坑安全进行定量分析，有理有据地编制、实施基坑安全施工方案。 一、工程中基坑常见的情况分析 深基坑现场一般均进行大小不同的放坡处理。土坡的滑动是基坑常见的破坏形式。土坡滑动指土坡在一定范围内整体地沿某一滑动面（一般为近似圆弧的曲面）向下和向外移动而丧失其稳定性。典型的粘性土土坡破坏常见形式如图1所示。下面根据工程实际中常见的几种情况，进行基坑安全方面的讨论。 图1 粘性土坡的滑动面 （一）无粘性土土坡 无粘性土土坡受力分析如图2所示。无粘性（如砂质土、粉砂质土）土颗粒之间不存在内聚力（c=0），只有摩擦力T，只要坡面不滑动，土坡即保持其稳定性而不破坏。设斜坡坡角为，其上土

3、颗粒重量为mg，砂土的内摩擦角为，则坡面上土颗粒所受的坡面法向反力及切向下滑力为： 图2 无粘性土破稳定分析 N=mg cos T=mg sin 沿坡面切向摩阻力：T=Ntan=mg cos tan 稳定安全系数： K=T/T=mg cos tan/（mg sin） 对于无粘性土土坡，当坡角与土的内摩擦角相等即=时，T=T，稳定安全系数K=1，土坡处于极限平衡状态；当（此时K1）时，可认为土坡是安全的。为了保证土坡有足够的安全储备，可取K=1.11.5 （二）粘性土土坡 粘性土土坡的安全验算，有两种方法：一种是条分法，一种是泰勒稳定数表法。条分法由于寻找最危险滑动圆心的工作量较大，与数表法比较

4、而言比较繁琐，这里只以泰勒稳定数表的方法为例介绍。泰勒稳定数表如表1、表2所示。 表1 泰勒稳定数表 表2 泰勒稳定数表（饱和软粘土） 1对于非饱和软粘土采用表1：其横坐标表示土坡的坡角，纵坐标表示稳定数Ns，按土的内摩擦角值不同，采用不同的Ns曲线值作为稳定数安全设计取值，实际的稳定数可由下式计算求出： Ns=rH/c r-为土的容重 c为土的内聚力 H为土坡高度 当NsNs时，认为所验算土坡是安全的；当Ns=Ns时，认为所验算土坡处于临界状态；当NsNs时，认为所验算土坡将产生滑移破坏。也就是说，只有NsNs时所验算土坡处于安全状态。同样，为了保证土坡有足够的安全储备，可取K=Ns/Ns=

5、1.11.5。 泰勒稳定数表在土坡稳定验算中的用法是多样的，上面介绍的是已知坡角、土层内聚力c、内摩擦角、容重r、坡高H，救援稳定数Ns，也可以根据工程实际需要，运用于以下两种情况：已知坡角和土层的c、r及对应的Ns，求稳定的坡高H；已知H、c、r及对应的Ns，求稳定的坡角。 2对于饱和软粘土土体，采用表2：其横坐标表示坡角，纵坐标表示稳定数Ns。当坡角53时，破坏曲面通过坡角，采用表中曲线左半部分的Ns值；当坡角53时，破坏情形取决于坡角及深度系数nd（坚硬土面层至土坡顶的距离与土坡高度的比值）。当软土层厚度较大（nd4）时，可取nd=，由表2知Ns=5.52，此时土坡的临界高度： Hc=5

6、.52cu/r cu为土的不排水（快剪）强度 （三）土坡土质分层情形 土坡土质分层是土体形成过程中的自然现象。当基坑深度小于土层厚度时，一般不予考虑分层带来的影响（饱和软粘土除外）。当土坡高度范围内由不同类型的土分层构成时，土坡的安全稳定验算必须按各层所处的深度及该层土的力学性能指标进行。 （四）土坡上部受荷载作用情形 基坑边缘受荷载作用在实际工程中是普遍现象，如在坡顶安置塔机、堆放建筑材料、开通物料运输道路等。此类情形应按照实际荷载的作用将其换算成当量的土重，即用假想的土重代替均布荷载，当量土层的厚度为h=q/r（q为均布荷载集度，r为构成土坡土层的容重）。 二、工程实例 （一）工程概况 山

7、东省平阴县人民医院综合门诊楼，主楼为钢筋混凝土框架结构，钢筋混凝土筏板式基础；地下一层地上十一层，建筑规模15214.9m2，高度为43.2m。该门诊楼基坑自然深度为6.8m，自然坪以下4.5m为水位高度。拟建场区岩土可分为四层（局部包括亚层），各层概况如下：（Qml4）杂填土；杂色，稍湿，松散稍密，多为粉质土，灰渣、碎砖不等，分布不均匀，厚度0.21.5m。（Q4al+pl）黄土状粉质粘土；灰褐色、黄褐色，可硬塑，混少量姜石、砾石及植物根，见少量孔隙，局部姜石含量可达10%15%，粒径0.53cm。该层分布稳定，厚度1.053.6m。（Q3al+pl）粘土：棕红色，硬塑，局部可塑，含少量铁锰

8、结核，局部含白云质灰岩碎石，含量10%40%不等，个别含量超过50%，粒径0.53cm。该层土分布稳定，厚度0.14.5m。（Olz）白云质灰岩：灰白色、灰黄色，结晶结构，中厚层状构造，本层岩溶现象较严重，局部溶洞、裂隙发育。各层与土坡稳定相关的力学性能指标见表3。 基坑土层力学性能指标 表3 见表 （二）问题提出 在基坑边缘安置一台由山东集团公司生产的QTZ63型塔式起重机，该起重机自身重量为30548kg、最大起重量6000kg、配重12000kg、其下部为钢筋混凝土基础（重量5m5m1.3m2500kg/m=81250kg）。试验算基坑的安全稳定性。 （三）安全验算 安装塔机时第层土已被

9、塔机基础占去，第层土为岩石无需验算，只对第、层土进行稳定验算即可，如图3所示。 坡角=arctan（5.5/0.6）=83.78 塔机包括所有附着物在内总质量： W=30548kg+6000kg+12000kg+81250kg=129798kg 当量土层厚度： h=129798kg/（5m5m）2710Kg/m3=1.93m 1第层土稳定性验算 土坡等效告诫H=h+h1=1.92m+1.90m=3.82m Ns=rH/c=(2.7110009.8N/m33.82m)25000N/m2=4.06 由泰勒稳定数表查得：Ns=6.5 K=Ns/N2=6.5/4.06=1.60 所以，第层土满足安全稳

10、定要求。 2第层土稳定性验算 第层土下部的1.3m厚度在水位线以下，此层土应按饱和软粘土考虑，采用表2中数据。 土坡等效高度H=h+h2=1.92m+1.9m+2.3m=6.12m =83.7853 由泰勒稳定数表2查得：Ns=4.3 Ns=rH/c=2.7410009.8N/m3（2.3+1.9+1.92）m45000N/m2=3.65 K=Ns/Ns=4.3/3.65=1.18 所以，第层土也满足安全稳定性要求。 3结论：塔机安设处基坑满足安全稳定要求；进而，在基坑顶部无塔吊处或附加荷载q129798kg（5m5m）=5191.92kg/m2时，亦满足土坡安全稳定要求。 三、保持土坡安全稳定应注意的几点 （1）构成土坡土体的抗剪强度降低。如土体中含水量增加、超静水压力的增加，会使土体向排水固结反方向发展，则土体的抗剪性能下降，从而降低土坡的稳定性。在实际工程中，坡顶一定范围内注意不要受水侵蚀，尤其注意坡顶土的缝、洞、坑等导水条件的形成。另外，还要注意基坑附近地下消防、生活、采暖管线的