上海地区深基坑支挡结构稳定安全标准研究

陈祖煜，向远鸿

（中国水利水电科学研究院 岩土工程研究所，北京 100048）

1 研究背景

随着城市化进程的不断推进，高层建筑、地铁以及高铁车站工程的深基坑规模越来越大，一旦发生基坑失稳事故，将会造成巨大的人员财产损失，因此需要结合现有的深基坑工程案例研究完善深基坑支挡结构稳定安全标准。

现行的深基坑支护规范主要采用安全系数作为评判指标。根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）［1］，对于安全等级为一级、二级、三级的支挡结构的圆弧滑动整体稳定安全系数分别不应小于1.35、1.30、1.25。应该说，上述基于安全系数判据的标准主要是依据经验制定的，有必要在近代结构可靠度理论的指导下作进一步的深化论证。2008至2010年间，中国土木工程学会土力学与岩土工程分会结合上海地区深基坑工程的关键技术问题开展专题研究，共收集了111组各类土的抗剪强度试验数据［2-3］，对上海地区第四纪沉积土的抗剪强度（黏聚力c和内摩擦角φ）的变异性获得符合实际的认识，在此基础上开展了岩土工程可靠度分析，将分析成果和上述规范规定安全系数标准作一对比，提升了我国深基坑支护设计安全控制标准的科学内涵和可靠性。

本文基于上海市11个深基坑工程勘测资料所建立的数据库，对上海地区土层强度指标的变异特征进行研究，对3个典型深基坑边坡实例开展可靠度分析。通过可靠指标β和安全系数F对比，评价深基坑安全系数标准的合理性。

2 上海地区土层强度指标的变异特征研究

2.1 统计分析上海地区位于长江三角洲入海口，地基土主要为厚软土层［4］。综合11个工程勘察揭露的地层信息、原位试验数据以及室内实验数据，大致可将其地层的分布归纳为：（1）表层填土；（2）黏土（共有21组）；（3）粉质黏土（共有47组）；（4）粉土（共有21组）；（5）粉砂（共有22组）。

由于相关报告未能提供完整的原始数据，仅提供了试验结果的平均值以及最大、最小值，因此在研究上海地区土层强度指标的变异特征时，采用在《水电水利工程边坡设计规范》［5］中建议的“3σ”准则［6］，即对于具有正态分布的随机变量，其99.73%的数据落于（μ-3σ，μ+3σ）区间范围（μ为随机变量的平均值，σ为随机变量的标准差），因此可以理解μ-3σ和μ+3σ分别为该参数的最小可能值（LCV）和最大可能值（HCV），即：

表1—表4为11个工程各类土相关数据。

考虑到统计的试验资料数据涉及多个不同的复杂工程、试验条件等因素，将所有数据放在一起整理分析，很显然会增加参数的变异性。某一具体工程的具体岩体的变异性应当要小于现有的统计结果。因此综合考虑后提出上海地区软土地基土体黏聚力c与内摩擦角正切值f=tanφ变异系数的建议值，如表5所示。后续计算均采用该建议值。

表1 各工程黏土黏聚力c和内摩擦角φ的变异系数

表2 各工程粉质黏土黏聚力c和内摩擦角φ的变异系数

2.2 基于总应力法的强度指标统计参数对于饱和软黏土快速开挖的情况，往往难以准确地测定孔隙水压力，需要采用总应力法。我国水利水电行业边坡设计规范规定对在饱和黏性土上快速填方或开挖形成的边坡，滑裂面上的抗剪强度按下式计算［5］：

其中：σ′c为荷载发生变化前破坏面上的有效应力。

表3 各工程粉土黏聚力c和内摩擦角φ的变异系数

表4 各工程粉砂内摩擦角φ的变异系数

针对饱和土的这一特点，在稳定分析中，可以采取以下步骤。

（1）在边坡尚未开挖时，相应不同深度，根据上覆有效土重确定确定总强度σ′c，对尚未开挖的土体，通过下式计算固结应力：

式中：hi为上覆土厚度；γi在水上为天然重度，在水下为浮容重；K0为侧压力系数，可表示为：

表5 上海地区软土地基土体抗剪强度参数变异系数建议值

其中，φ′为土的有效内摩擦角。

（2）相应边坡或基坑开挖后的体形，进行稳定分析，滑面上的任一点，其强度指标为：

文献［7］详细论述了相关的原理和方法。

总强度Su的方差DSu按下式计算：

式中：Dc为黏聚力ccu的方差；Df为内摩擦角正切值f=tanφcu的方差。

3 深基坑稳定分析的确定性方法

基坑稳定分析实际上是对具有支挡结构的直立土坡的分析，分别对基坑的边坡以及基坑整体稳定进行分析。计算时需要考虑下述问题。

3.1 支挡结构的稳定分析Teizaghi等［8］和Casagrandi［9］指出，传统的库伦理论假定墙背后的滑裂面为平面，墙后土压力呈三角形分布，土压力合力作用点在墙体下三分点。这一理论主要适用于重力式挡土墙。对于深基坑这样的柔性支护结构，墙后土压力分布图形大致为矩形，因而土压力合力作用点大致在中点。Chen等［10］提出了考虑作用点不同位置的土压力计算方法。相关的计算在作者编制的STAB程序中实现。

相应一定断面和配筋的混凝土结构，需要按照“混凝土结构设计规范”（GB50010-2010）［11］计算其正截面抗弯能力以及斜截面抗剪能力。对于地下水位较高的软土地区，单靠混凝土挡墙难以承担全部主动土压力，故常见提供内支撑力的几层钢衍架，相关的承载力计算属另一领域。“建筑基坑支护技术规程”［1］要求这一承载力需考虑乘以作用基本组合的综合分项系数γF和结构重要性系数γ0。

3.2 插入式支挡结构的深层抗滑稳定分析根据“建筑基坑支护技术规程”［1］的建议，采用圆弧滑裂面简化毕肖普法验算最危险滑裂面核算稳定性。

4 深基坑稳定可靠度分析

4.1 风险标准《工程结构可靠度设计统一标准》（GB50153-2008）［12］对房屋建筑结构构件的承载力极限状态允许可靠指标规定如表6所示。

表6 房屋建筑结构构件的承载能力极限状态的可靠指标β

上海基坑工程多处繁华地段，一旦发生失稳将会造成极大的人员财产损失，故对本文分析的案例，选取可靠指标β=3.7作为安全标准的参考值进行研究，对应“建筑基坑支护技术规程”（JGJ120-2012）［1］圆弧滑动整体稳定安全系数允许值，取一级建筑物的相应值，即F=1.35。

4.2 可靠指标在深基坑稳定分析中，参数的不确定性所包含的风险可近似的表达为一系列随机变量的函数，可将这一系列力分为作用力S和抗力R两大类，但是在稳定性分析中往往无法将抗力与作用力完全分开［13］，例如材料的重量，既可视为作用力，也可视为抗力（摩擦力）产生的因素，因此仍可沿用安全系数来评价边坡的稳定性。安全系数可以表达为：

式中，x1、x2、…、xn为计算安全系数时输入的一系列随机变量。

在岩土工程领域，一个比较方便的方法是将极限状态方法进行改写［13］，建立系统的功能函数的设计目标为：

当功能函数G的分布曲线模型为正态分布时，失效概率Pf即能通过均值μG和标准差σG的函数表示。定义可靠指标 β［13］为：

可靠指标β的计算采用Rosenblueth法［13-14］计算，该方法要求在某几个点上估计功能函数的值，根据这些数据即可通过简单的计算公式确定可靠指标。

5 典型工程分析

本文选择了上海地区3个具有代表性的深基坑工程进行支挡结构稳定安全研究，研究可靠指标和安全系数标准相关关系。

5.1 上海湖北大厦综合楼 上海湖北大厦综合楼基坑工程边坡支护采用钻孔灌注桩结合两道半钢筋混凝土支撑的方法，最大开挖深度12 m，支护桩最大插入深度26.7 m。典型基坑地质剖面如图1所示。

图1 上海湖北大厦综合楼基坑边坡典型剖面（高程单位：m；土层厚度单位：mm）

根据工程地质报告，对实际计算剖面做了概化，并假定地下水位于地表填土层底。对原始试验数据进行整理后如表7所示。

表7 上海湖北大厦计算参数

根据前文所述，在计算支挡结构稳定性时，假定主动土压力作用点在墙高中点。根据图1的地层信息及表7的计算参数建立模型，搜索可靠指标β最小的临界滑裂面，并计算对应滑裂面的安全系数F，从而求出作用在支挡结构上的实际主动土压力P。计算结果如表8，计算简图如图2（a），可见，本案例目标可靠指标3.7和安全系数的允许值1.35处于同一水平。

表8 上海湖北大厦深基坑支挡结构稳定安全计算结果

表9 上海湖北大厦深基坑整体滑弧稳定安全计算结果

图2 上海湖北大厦基坑支护稳定计算结果

在计算插入式支挡结构的深层抗滑稳定时，固定滑弧经过支挡桩底搜索最小可靠指标β对应的临界滑裂面，并计算对应滑裂面的安全系数F。同时，由于部分工程是变形控制，安全系数较高。为了验证可靠指标β=3.7的合理性，故本文在基坑周围其他条件不变以及工程允许的插入比范围内，同时调整板式支护结构插入深度，使得计算的临界滑裂面的可靠指标接近规范规定的3.7。计算结果如表9，计算简图如图2（b），可见，本案例目标可靠指标3.7和安全系数1.27处于同一水平。如以规范要求的的允许值1.35控制，则偏于安全。

5.2 世博演艺中心世博演艺中心是中国2010年世博会主体工程的基础设施之一，主体为地上3层、地下3层建筑，地上3层高度约为30.0 m，下设3层整体地下室，埋深约为14.0 m。典型基坑地质剖面如图3所示。根据工程地质报告，对实际计算剖面做了概化，并假定地下水位于地表填土层底。对原始试验数据进行整理后如表10所示。

计算结果见表11，计算简图如图4（a）。支护结构可靠指标和安全系数分别为3.698和1.393，和规范要求的目标可靠指标3.7和安全系数的允许值1.35基本处于同一水平。相应原设计滑弧深度为24.9 m的整体稳定性分析结果，无论可靠指标还是安全系数都远大于规范要求，但对滑弧深度调整为17.2 m的工况，本案例目标可靠指标3.7和安全系数1.35处于同一水平。

表10 上海世博演艺中心计算参数

表11 上海世博演艺中心深基坑稳定安全计算结果

图4 上海世博演艺中心基坑支护稳定计算结果

5.3 上海银行上海银行大厦工程场地长约112.5 m，宽约104 m，整个建筑由53层金融办公楼和5层裙房组成。整个地块为全地下室，地下室3层整体底板，底板埋深约15 m，总建筑面积约10万m2。典型基坑地质剖面如图5所示。

图5 上海银行基坑边坡典型剖面（高程单位：m；土层厚度单位：mm）

根据工程地质报告，对实际计算剖面做了概化，并假定地下水位于地表填土层底。对原始试验数据进行整理后如表12所示，计算结果如表13所示。

表12 上海银行计算参数

表13 上海银行深基坑稳定安全计算结果

图6 上海银行基坑支护稳定计算结果

上海银行安全分析成果与世博演艺中心相似，支护结构可靠指标和安全系数分别为3.698和1.426，和规范要求的目标可靠指标3.7和安全系数的允许值1.35基本处于同一水平。相应原设计滑弧深度为28.3 m的整体稳定性分析结果，无论可靠指标还是安全系数都远大于规范要求，但对滑弧深度调整为24.8 m的工况，目标可靠指标3.7和安全系数1.35处于同一水平。

6 结论

本文分析整理了上海市11个深基坑工程的111组地勘数据，提出上海地区典型土类的抗剪强度指标的变异系数参考值。按照《建筑基坑支护技术规程》规定的墙身和深层抗滑稳定的两种模式，以上海湖北大厦综合楼等3个深基坑工程为实际案例对比分析了安全系数和可靠指标。计算成果表明，“工程结构可靠性设计统一标准”建议的可靠指标β=3.7和“建筑基坑支护技术规程圾规定的安全系数F=1.35有较好的对应关系。本文可为深基坑支挡结构稳定安全标准的制订提供理论依据。

参考文献：

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