第五章无支护开挖设计与施工

第五章无支护开挖设计与施工无支护开挖(又称自立边坡)是指土质较好、具备自立和放坡条件，不需另设围护结构便可开挖的基坑边坡。边坡是指临空面为倾斜坡面的土体。由于地质作用自然形成的边坡，如山坡、岸坡等称为天然边坡；由人工开挖、填土方形成的边坡，如建筑基坑、渠道、土堤、土坝及路堤等土工建筑物的边坡，通常称为人工边坡。本章主要讨论人工边坡在基坑工程中的应用，边坡的稳定是放坡开挖设计中必须首先考虑的问题。由于边坡的坡面倾斜，在土体自重或其它外力作用下，近坡面的部分土体有向下滑动的趋势。坡面局部土体下滑称为边坡失稳或叫滑坡破坏。边坡坡度设计过陡，不安全，极易丧失稳定；而边坡过于平缓、又过于保守，会大大增加土方工程量，加大占地面积，很不经济。土坡稳定分析计算是放坡开挖时如何解决好安全与经济这对矛盾的关键内容。土坡滑裂面的形式多种多样。对于粘性土坡，多产生圆柱形滑裂面；无粘性土坡失稳，多为平面滑动；不均匀的成层土坡，地基中有软弱层，易产生复合滑动面，土坡稳定分析时应针对不同的土质假定滑裂面形状进行。土坡失稳的根本原因在于土体内剪应力大于抗剪强度。促使剪应力增加的原因很多，如土坡过陡、自重应力过大、水的渗入增加自重、渗透水流的渗透力过大、坡面及坡顶超载过大，打桩、爆破及地震等动荷作用，均会增加剪应力；而造成土的抗剪强度降低的原因为：冻胀、超静水压力增长过快过大、振动液化、浸水土的结构崩解等等。影响土坡稳定性的因素很多，进行稳定分析时，只能抓主要因素，作必要的假定。土坡稳定分析的理论基础是极限平衡理论，计算方法有许多种。较复杂的精确解法，如散体极限平衡理论的解析法、有限单元法等；较简单的普遍采用的方法是假定滑动面的静力分析法，如平面滑动法、瑞典圆弧法、条分法、摩擦圆法、对数螺线法、毕肖普公式及泰勒图表等，各种方法的详细分析可参阅基础工程手册。本章主要就放坡开挖及对土坡加固的一些措施进行分析讨论。第一节动坡类型在基坑工程设计与施工中，支护形式的选择应遵循《建筑基坑工程技术规范》(YB9258-97)的有关规定或参阅本书前几章介绍的内容。常用的边坡类型如图5-1。当选择放坡开挖时，对边坡类型的选择还应考虑如下因素：1．当场地为一般粘性土、粉土，基坑周围具有放坡开挖堆放土料和机具的条件，地下水位较低，放坡开挖又不会对相邻建筑物产生影响．可采用局部或全深度的基坑放坡开挖方法。当周边条件允许时，也可不放坡或不分级放坡开挖。2．基坑周边为密实的碎石土、粘性土、风化岩石以及其他良好土质，基坑土体有直立开挖条件且基坑较浅时，可不放坡竖直开挖。有地面堆载且基坑较深时，也可对周边土体进行加固或部分放坡开挖。3．当基坑不具备全深度或分级放坡开挖时，上段可自然放坡或对坡面进行保护处理，以防水渗入或风化碎石土的剥落。保护处理的方法有水泥抹面；铺塑料布或土工布；挂网喷水泥浆，喷射混凝土护面以及浆砌片石等。基坑周围地面也应采用抹砂浆、设排水沟等地面防护措施，防止雨水渗入。下段的土体加固常用土钉墙、螺旋锚、喷锚，在坡脚处堆砌草袋、土工织物砂土袋或砌筑砖石墙体等加固方法。4．在基坑深度范围内有软弱土层或基坑较深，为降低支护结构的高度以减少作用在桩墙背后的土压力，场地条件也允许时，上段可挖土卸载、放坡并对坡面进行加固保护；场地狭窄时上段也可竖直挖1～2m并砌筑砖墙围护。下段设置桩、墙支护结构。5．基坑周围的坡面防护是很重要的，首先应当在距坑周边的地面向外有一定的坡度，防止地面水或雨水流入坑内，并有截水沟排走。同时坡面应有水泥砂浆抹面，宽约1．5～2．0m。墙后土体有开裂裂缝时，应用水泥浆或粘性土填封，防止地面水流入。第二节自立边坡实际工程中，由于基坑开挖形成的土坡，其破坏时滑动面常是很不规则的，它与许多因素有关，其中主要取决于土坡材料的均匀性。为确保基坑工程的稳定性与安全，自立边坡的放坡应根据《建筑基坑工程技术规范》(YB9258-97)中有关岩土边坡的坡度和坡高允许值设计，如表5-1和表5-2。士坡滑动破坏面可分为平面破坏面和圆弧破坏面，最危险的破坏面则为圆柱状。因为对单位质量材料来说，圆弧表面积最小，而表面积同抗滑力有关系，单位质量则与滑动力相联系。如果一个大圆弧不可能在土坡里形成，比如在一个深度长度小得多的无限长土坡里，最危险的破坏面则是一个平行于土坡的平面。如果有一些软弱层存在，最危险的破坏面将沿着一系列通过这些软弱层的平面。有时也可能出现平面、圆柱面和其它不规则破坏面的组合(如图5-2)。一、破坏形式1．平面破坏图5-3为一顺着山坡填筑的路基，它沿底平面破坏。破坏面为平面的原因是未对原山坡作适当的修整，而且底部存在软弱土层。根据摩尔一库仑理论，破坏面上的抗滑力由式(5-1)确定r-C+atgrp(5一1)式中r--抗剪强度或抗滑应力；应当注意，c和P是破坏面上土的抗剪强度参数。在长度为L的单宽破坏面上，抗滑力=cL+Wcosatg190。其中，彤是破坏面以上土的质量，0t是天然坡角，Wcosa是垂直于破坏面的重力分量。滑动力为顺着破坏面的重力分量，其值为Wsina。安全系数是抗滑力和滑动力的比值，即如果破坏面由两个或更多的平面组成，情况就变得比较复杂，但仍可按平面滑面问题处理。2．圆柱破坏面为了找出圆柱破坏面的最小安全系数，必须进行大量滑弧计算，以便确定最危险的一个。图5-4表示众多滑弧中的一个。滑动土体被分为行条，第1的质量为Ⅳ，破坏面的长度为厶，倾斜角为0i，正应力为M。安全系数为抗滑力与滑动力的比值。根据摩尔～库仑理论，土条的抗滑动是以，i+Nft9。应当注意，除非做某些简化，Ⅳf取决于土条两侧面的力，并且是超静定的。滑动力等于WisinOi，是重力沿破坏面的分量，滑动力与土条两边的力无关，因为土条一边有一个力，相邻边便有一个大小相等方向相反的力与之相抵消。安全系数由下式确定破坏面为圆弧时，安全系数可以定义为两个力矩之比。无论用力或力矩都一样，因为后者只是对方程(5-3)的分子和分母同乘以一个相同的力臂--圆弧的半径而已。在费伦纽斯法(即瑞典条分法或原始条分法)中，假设土条两边的力平行于土条底部的破坏面，因此，它们对垂直于破坏面的力没有作用，或将式(5-4)代入式(5-3)可得二、稳定分析土坡稳定分析方法很多，根据要满足的平衡方程数目，这些方法主要包括费伦纽斯法，简化毕肖甫法，对数螺旋法，贾布法，摩根斯顿法和普赖斯法，以及斯潘塞法等。这些方法的基本概念是相同的，不同点在于条块间力的假定。随着计算机广泛地在工程中的应用，有限单元法等数值方法被广泛地在岩土工程界应用，数值计算方法可以考虑弹性模量和泊松比表示的土的变形特性，可求出破坏面的法向力和剪应力，因而是一种较好的方法，但需要较多的参数。在上述所有稳定分析方法中，土的抗剪强度、边坡的荷载以及需要的安全系数都假设是已知的。实际上这些参数都存在着很大的离散性。最近将概率方法引入岩土工程界，提供了有关破坏的概率，因此，边坡稳定分析的概率方法正在得到进一步的发展。下面对传统的较常用的几种稳定分析方法简要介绍。1．无粘性土坡稳定分析由无粘性土如砂、卵砾石以及风化砾石等组成的土坡，其滑动面近似于平面，常用直线滑动法分析其稳定性。(1)均质的无粘性土颗粒间无粘聚力，对全干或全部淹没的土坡来说，只要坡面上的土粒能够保持稳定，那末，整个土坡将是稳定的。图5-5(a)为一均质无粘性土坡，坡角为p。现从坡面上任取一小块土体来分析其稳定条件。设土块的重量为Ⅳ，它在坡面方向下滑力丁=Wsinfl；阻止该土块下滑的力是小块土体与坡面间的摩擦力乃。为了保证土坡稳定，设计均质无粘性土简单土坡时，必须使稳定安全系数F，大于1，F，的取值可参照有关规范。由式(5-6b)可见，对于均质无粘性土坡，只要坡角p小于土的内摩擦角9，无论坡的高度为多少，土坡总是稳定的。F=1时。t坡处于极限平衡状态，此时的坡角9就等于无粘性土的内摩擦角妒；并说明此时无粘性土坡的滑动面为一平面，这与观测资料是吻合的。(2)当土坡中有渗流通过时，如图5-5(b)，沿渗流出逸方向产生渗透力j=17。此时，坡面的小土块(其体积为y)除受其自重作用外，还受到渗透力的作用，增大了该土块的滑动力，同时减少了抗滑力。因此，有渗流作用的无粘性土坡的稳定安全系数为式中y7--土体的浮重度；y。--水的重度。其它符号如图5-5(b)所示。当渗流方向为顺坡面流出时，曰一卢，此时水力坡降按水力学原理i=sinfl。将0及1值代入式(5-7)，得由式(5-8)可见，在渗流情况下，无粘性土土坡的稳定性要比无渗流情况下的差，其安全系数约降低1／2。这就是说，无渗流时，土坡是稳定的；有渗流作用时，坡度就必须变缓，即坡角才能保持稳定。2．粘性土坡的稳定分析粘性土坡的稳定分析方法主要有瑞典圆弧法和泰勒图表法(或泰勒曲线法)、条分法(太沙基公式和毕肖甫公式)，各种方法的详细分析可参阅有关手册。下面主要就泰勒图表法作一简单介绍。由于瑞典圆弧法等其它方法需试算，工作量较大。因此不少人寻求简化的图表法，其中泰勒图表法就是其中之一。土坡的稳定性与土体的抗剪强度指标C、9，土料重度y，土坡的尺寸卢和H(H为土坡的极限高度)等五个参数有密切关系。这五个参数考虑到均质粘性土土坡的所有物理特性。泰勒最后算出这五个参数间之关系，并用图表达其计算成果。为了简化又把三个参数f、y和H。合并为一个新的无量纲参数M，称为稳定数，其值只取决于坡角卢与深度因数咒aN，的定义为式中M一稳定数(由边坡的坡度角及土内摩擦角等确定的系数)；f--土的粘结力；y--土的重度。稳定数M根据坡度角卢和硬层埋深由图5-6(a)确定。通过图5-6不仅查得Ⅳ，系数，同时也可知道滑动面破坏的形式。当计算中需同时考虑粘聚力f和内摩擦角垆，则利用图5-6(b)求得稳定数Ⅳ。分析土坡稳定性时，常常会遇到在土坡顶下nail深度处存在硬层的情况(图5-7)。显然，滑动面不可能穿过硬层，这时，就必须考虑此硬层对滑动面的影响。根据此硬层所处的深度不同，土坡滑动面可能为：①坡趾圆，即滑弧穿过坡趾，图5-7(a)；②斜坡圆，即滑弧穿过坡面，图5-7(b)；③中点圆，滑弧经过坡脚之外且与硬层面相切，滑弧的圆心位于通过土坡面中点的垂线上，图5-7(c)。计算结果表明，对于驴一0。或接近于o。的土，当fl53。时，最危险滑动面为坡趾圆；当fl53。时，则随n。值不同，可能为斜坡圆、坡趾圆或中点圆；当挖4时，则都为中点圆；若土的痧3。者，最危险滑动面都为坡趾圆，其Ⅳ。与p的关系有如图5-6所示。总之，从图5-6中可以直接由已知的f，P，7，p确定土坡极限高度H也可以由已知的f，y，Hc确定土坡的极限坡角卢。在设计中，应根据计算所得的日。考虑适当的安全系数，以选定土坡高度或坡度。例5．1基坑开挖边坡角卢一70，土的粘聚力f一15kPa，土的重度7----20kN／m3。计算在不考虑土的内摩擦角的临界高度H，当开挖深度为4m时，选择其安全的坡度角p。查图5-6，当卢一70时，N=4．8，因此临界高度H为如果要安全地开挖4．0m，则需Ⅳ，值增大，亦即将边坡坡度放缓，使卢70，计算方法如下查表得到。查图5-6(a)，当／9=20，nd一1．0时的稳定系数N，一9．4，同时可知将引起斜面内的破坏。其临界高度日。为当不考虑土内摩擦角的粘性土需要确定滑动面的位置时，也可以用近似的查表方法。对于边坡角／953。的边坡，其滑动为斜面前破坏，按图5-8确定滑动圆的参数口。产生底部破坏的边坡，按图5-9确定滑动圆的参数12。目前土坡稳定分析多采用平面模型，但实际工程中也常会遇到空间问题的土坡稳定。近些年虽然有人提出了一些分析空间问题的方法，但工程中还是常把空间问题当作平面问题来处理，由于没有考虑滑坡体两端的约束力，这样的计算结果偏于安全。三、自立边坡设计自立边坡的放坡应按表5-1和表5-2的要求确定开挖放坡坡度及坡高，以确保基坑的稳定性与安全。当采用直立边坡时，应首先确定自立边坡的极限高度。由于土坡类型不同，其土的物理力学性质会差别很大，根据土的极限平衡理论边坡的破裂面与水平面的夹角在土