【正文】 第五章 無支護開挖設計與施工無支護開挖(又稱自立邊坡)是指土質較好、具備自立和放坡條件，不需另設圍護結構便可開挖的基坑邊坡。邊坡是指臨空面為傾斜坡面的土體。由于地質作用自然形成的邊坡，如山坡、岸坡等稱為天然邊坡；由人工開挖、填土方形成的邊坡，如建筑基坑、渠道、土堤、土壩及路堤等土工建筑物的邊坡，通常稱為人工邊坡。本章主要討論人工邊坡在基坑工程中的應用，邊坡的穩(wěn)定是放坡開挖設計中必須首先考慮的問題。由于邊坡的坡面傾斜，在土體自重或其它外力作用下，近坡面的部分土體有向下滑動的趨勢。坡面局部土體下滑稱為邊坡失穩(wěn)或叫滑坡破壞。邊坡坡度設計過陡，不安全，極易喪失穩(wěn)定；而邊坡過于平緩、又過于保守，會大大增加土方工程量，加大占地面積，很不經濟。土坡穩(wěn)定分析計算是放坡開挖時如何解決好安全與經濟這對矛盾的關鍵內容。土坡滑裂面的形式多種多樣。對于粘性土坡，多產生圓柱形滑裂面；無粘性土坡失穩(wěn)，多為平面滑動；不均勻的成層土坡，地基中有軟弱層，易產生復合滑動面，土坡穩(wěn)定分析時應針對不同的土質假定滑裂面形狀進行。土坡失穩(wěn)的根本原因在于土體內剪應力大于抗剪強度。促使剪應力增加的原因很多，如土坡過陡、自重應力過大、水的滲入增加自重、滲透水流的滲透力過大、坡面及坡頂超載過大，打樁、爆破及地震等動荷作用，均會增加剪應力；而造成土的抗剪強度降低的原因為：凍脹、超靜水壓力增長過快過大、振動液化、浸水土的結構崩解等等。影響土坡穩(wěn)定性的因素很多，進行穩(wěn)定分析時，只能抓主要因素，作必要的假定。土坡穩(wěn)定分析的理論基礎是極限平衡理論，計算方法有許多種。較復雜的精確解法，如散體極限平衡理論的解析法、有限單元法等；較簡單的普遍采用的方法是假定滑動面的靜力分析法，如平面滑動法、瑞典圓弧法、條分法、摩擦圓法、對數螺線法、畢肖普公式及泰勒圖表等，各種方法的詳細分析可參閱基礎工程手冊。本章主要就放坡開挖及對土坡加固的一些措施進行分析討論。第一節(jié) 動坡類型在基坑工程設計與施工中，支護形式的選擇應遵循《建筑基坑工程技術規(guī)范》(YB925897)的有關規(guī)定或參閱本書前幾章介紹的內容。常用的邊坡類型如圖51。當選擇放坡開挖時，對邊坡類型的選擇還應考慮如下因素：1．當場地為一般粘性土、粉土，基坑周圍具有放坡開挖堆放土料和機具的條件，地下水位較低，放坡開挖又不會對相鄰建筑物產生影響．可采用局部或全深度的基坑放坡開挖方法。當周邊條件允許時，也可不放坡或不分級放坡開挖。2．基坑周邊為密實的碎石土、粘性土、風化巖石以及其他良好土質，基坑土體有直立開挖條件且基坑較淺時，可不放坡豎直開挖。有地面堆載且基坑較深時，也可對周邊土體進行加固或部分放坡開挖。3．當基坑不具備全深度或分級放坡開挖時，上段可自然放坡或對坡面進行保護處理，以防水滲入或風化碎石土的剝落。保護處理的方法有水泥抹面；鋪塑料布或土工布；掛網噴水泥漿，噴射混凝土護面以及漿砌片石等。基坑周圍地面也應采用抹砂漿、設排水溝等地面防護措施，防止雨水滲入。下段的土體加固常用土釘墻、螺旋錨、噴錨，在坡腳處堆砌草袋、土工織物砂土袋或砌筑磚石墻體等加固方法。4．在基坑深度范圍內有軟弱土層或基坑較深，為降低支護結構的高度以減少作用在樁墻背后的土壓力，場地條件也允許時，上段可挖土卸載、放坡并對坡面進行加固保護；場地狹窄時上段也可豎直挖1～2m并砌筑磚墻圍護。下段設置樁、墻支護結構。5．基坑周圍的坡面防護是很重要的，首先應當在距坑周邊的地面向外有一定的坡度，防止地面水或雨水流入坑內，并有截水溝排走。同時坡面應有水泥砂漿抹面，寬約1．5～2．0m。墻后土體有開裂裂縫時，應用水泥漿或粘性土填封，防止地面水流入。第二節(jié) 自立邊坡實際工程中，由于基坑開挖形成的土坡，其破壞時滑動面常是很不規(guī)則的，它與許多因素有關，其中主要取決于土坡材料的均勻性。為確?；庸こ痰姆€(wěn)定性與安全，自立邊坡的放坡應根據《建筑基坑工程技術規(guī)范》(YB925897)中有關巖土邊坡的坡度和坡高允許值設計，如表51和表52。士坡滑動破壞面可分為平面破壞面和圓弧破壞面，最危險的破壞面則為圓柱狀。因為對單位質量材料來說，圓弧表面積最小，而表面積同抗滑力有關系，單位質量則與滑動力相聯系。如果一個大圓弧不可能在土坡里形成，比如在一個深度長度小得多的無限長土坡里，最危險的破壞面則是一個平行于土坡的平面。如果有一些軟弱層存在，最危險的破壞面將沿著一系列通過這些軟弱層的平面。有時也可能出現平面、圓柱面和其它不規(guī)則破壞面的組合(如圖52)。一、破壞形式1．平面破壞圖53為一順著山坡填筑的路基，它沿底平面破壞。破壞面為平面的原因是未對原山坡作適當的修整，而且底部存在軟弱土層。根據摩爾一庫侖理論，破壞面上的抗滑力由式(51)確定rC+atgrp (5一1)式中r抗剪強度或抗滑應力；應當注意，c和P是破壞面上土的抗剪強度參數。在長度為L的單寬破壞面上，抗滑力=cL+Wcosatg190。其中，彤是破壞面以上土的質量，0t是天然坡角，Wcosa是垂直于破壞面的重力分量?；瑒恿轫樦茐拿娴闹亓Ψ至?，其值為Wsina。安全系數是抗滑力和滑動力的比值，即如果破壞面由兩個或更多的平面組成，情況就變得比較復雜，但仍可按平面滑面問題處理。2．圓柱破壞面為了找出圓柱破壞面的最小安全系數，必須進行大量滑弧計算，以便確定最危險的一個。圖54表示眾多滑弧中的一個。滑動土體被分為行條，第1的質量為Ⅳ，破壞面的長度為厶，傾斜角為0i，正應力為M。安全系數為抗滑力與滑動力的比值。根據摩爾～庫侖理論，土條的抗滑動是以，i+Nft9。應當注意，除非做某些簡化，Ⅳf取決于土條兩側面的力，并且是超靜定的?；瑒恿Φ扔赪isinOi，是重力沿破壞面的分量，滑動力與土條兩邊的力無關，因為土條一邊有一個力，相鄰邊便有一個大小相等方向相反的力與之相抵消。安全系數由下式確定破壞面為圓弧時，安全系數可以定義為兩個力矩之比。無論用力或力矩都一樣，因為后者只是對方程(53)的分子和分母同乘以一個相同的力臂圓弧的半徑而已。在費倫紐斯法(即瑞典條分法或原始條分法)中，假設土條兩邊的力平行于土條底部的破壞面，因此，它們對垂直于破壞面的力沒有作用，或將式(54)代入式(53)可得二、穩(wěn)定分析土坡穩(wěn)定分析方法很多，根據要滿足的平衡方程數目，這些方法主要包括費倫紐斯法，簡化畢肖甫法，對數螺旋法，賈布法，摩根斯頓法和普賴斯法，以及斯潘塞法等。這些方法的基本概念是相同的，不同點在于條塊間力的假定。隨著計算機廣泛地在工程中的應用，有限單元法等數值方法被廣泛地在巖土工程界應用，數值計算方法可以考慮彈性模量和泊松比表示的土的變形特性，可求出破壞面的法向力和剪應力，因而是一種較好的方法，但需要較多的參數。在上述所有穩(wěn)定分析方法中，土的抗剪強度、邊坡的荷載以及需要的安全系數都假設是已知的。實際上這些參數都存在著很大的離散性。最近將概率方法引入巖土工程界，提供了有關破壞的概率，因此，邊坡穩(wěn)定分析的概率方法正在得到進一步的發(fā)展。下面對傳統(tǒng)的較常用的幾種穩(wěn)定分析方法簡要介紹。1．無粘性土坡穩(wěn)定分析由無粘性土如砂、卵礫石以及風化礫石等組成的土坡，其滑動面近似于平面，常用直線滑動法分析其穩(wěn)定性。(1)均質的無粘性土顆粒間無粘聚力，對全干或全部淹沒的土坡來說，只要坡面上的土粒能夠保持穩(wěn)定，那末，整個土坡將是穩(wěn)定的。圖55(a)為一均質無粘性土坡，坡角為p。現從坡面上任取一小塊土體來分析其穩(wěn)定條件。設土塊的重量為Ⅳ，它在坡面方向下滑力丁=Wsinfl；阻止該土塊下滑的力是小塊土體與坡面間的摩擦力乃。為了保證土坡穩(wěn)定，設計均質無粘性土簡單土坡時，必須使穩(wěn)定安全系數F，大于1，F，的取值可參照有關規(guī)范。由式(56b)可見，對于均質無粘性土坡，只要坡角p小于土的內摩擦角9，無論坡的高度為多少，土坡總是穩(wěn)定的。F=1時。t坡處于極限平衡狀態(tài)，此時的坡角9就等于無粘性土的內摩擦角妒；并說明此時無粘性土坡的滑動面為一平面，這與觀測資料是吻合的。(2)當土坡中有滲流通過時，如圖55(b)，沿滲流出逸方向產生滲透力j=17。此時，坡面的小土塊(其體積為y)除受其自重作用外，還受到滲透力的作用，增大了該土塊的滑動力，同時減少了抗滑力。因此，有滲流作用的無粘性土坡的穩(wěn)定安全系數為式中y7土體的浮重度；y。水的重度。其它符號如圖55(b)所示。當滲流方向為順坡面流出時，曰一盧，此時水力坡降按水力學原理i=sinfl。將0及1值代入式(57)，得由式(58)可見，在滲流情況下，無粘性土土坡的穩(wěn)定性要比無滲流情況下的差，其安全系數約降低1／2。這就是說，無滲流時，土坡是穩(wěn)定的；有滲流作用時，坡度就必須變緩，即坡角才能保持穩(wěn)定。2．粘性土坡的穩(wěn)定分析粘性土坡的穩(wěn)定分析方法主要有瑞典圓弧法和泰勒圖表法(或泰勒曲線法)、條分法(太沙基公式和畢肖甫公式)，各種方法的詳細分析可參閱有關手冊。下面主要就泰勒圖表法作一簡單介紹。由于瑞典圓弧法等其它方法需試算，工作量較大。因此不少人尋求簡化的圖表法，其中泰勒圖表法就是其中之一。土坡的穩(wěn)定性與土體的抗剪強度指標C、9，土料重度y，土坡的尺寸盧和H(H為土坡的極限高度)等五個參數有密切關系。這五個參數考慮到均質粘性土土坡的所有物理特性。泰勒最后算出這五個參數間之關系，并用圖表達其計算成果。為了簡化又把三個參數f、y和H。合并為一個新的無量綱參數M，稱為穩(wěn)定數，其值只取決于坡角盧與深度因數咒aN，的定義為式中M一穩(wěn)定數(由邊坡的坡度角及土內摩擦角等確定的系數)；f土的粘結力；y土的重度。穩(wěn)定數M根據坡度角盧和硬層埋深由圖56(a)確定。通過圖56不僅查得Ⅳ，系數，同時也可知道滑動面破壞的形式。當計算中需同時考慮粘聚力f和內摩擦角壚，則利用圖56(b)求得穩(wěn)定數Ⅳ。分析土坡穩(wěn)定性時，常常會遇到在土坡頂下nail深度處存在硬層的情況(圖57)。顯然，滑動面不可能穿過硬層，這時，就必須考慮此硬層對滑動面的影響。根據此硬層所處的深度不同，土坡滑動面可能為：①坡趾圓，即滑弧穿過坡趾，圖57(a)；②斜坡圓，即滑弧穿過坡面，圖57(b)；③中點圓，滑弧經過坡腳之外且與硬層面相切，滑弧的圓心位于通過土坡面中點的垂線上，圖57(c)。計算結果表明，對于驢一0?；蚪咏趏。的土，當fl53。時，最危險滑動面為坡趾圓；當fl53。時，則隨n。值不同，可能為斜坡圓、坡趾圓或中點圓；當挖4時，則都為中點圓；若土的痧3。者，最危險滑動面都為坡趾圓，其Ⅳ。與p的關系有如圖56所示?？傊?，從圖56中可以直接由已知的f，P，7，p確定土坡極限高度H也可以由已知的f，y，Hc確定土坡的極限坡角盧。在設計中，應根據計算所得的日?？紤]適當的安全系數，以選定土坡高度或坡度。例5．1基坑開挖邊坡角盧一70，土的粘聚力f一15kPa，土的重度720kN／m3。計算在不考慮土的內摩擦角的臨界高度H，當開挖深度為4m時，選擇其安全的坡度角p。查圖56，當盧一70時，N=4．8，因此臨界高度H為如果要安全地開挖4．0m，則需Ⅳ，值增大，亦即將邊坡坡度放緩，使盧70，計算方法如下查表得到。查圖56(a)，當／9=20，nd一1．0時的穩(wěn)定系數N，一9．4，同時可知將引起斜面內的破壞。其臨界高度日。為當不考慮土內摩擦角的粘性土需要確定滑動面的位置時，也可以用近似的查表方法。對于邊坡角／953。的邊坡，其滑動為斜面前破壞，按圖58確定滑動圓的參數口。產生底部破壞的邊坡，按圖59確定滑動圓的參數12。目前土坡穩(wěn)定分析多采用平面模型，但實際工程中也常會遇到空間問題的土坡穩(wěn)定。近些年雖然有人提出了一些分析空間問題的方法，但工程中還是常把空間問題當作平面問題來處理，由于沒有考慮滑坡體兩端的約束力，這樣的計算結果偏于安全。三、自立邊坡設計自立邊坡的放坡應按表51和表52的要求確定開挖放坡坡度及坡高，以確?；拥姆€(wěn)定性與安全。當采用直立邊坡時，應首先確定自立邊坡的極限高度。由于土坡類型不同，其土的物理力學性質會差別很大，根據土的極限平衡理論邊坡的破裂面與水平面的夾角在土自重作用下的上、下限坡高H。因土而異。當土坡土質均質時，則認為當實際坡高H≤H。時，土坡是穩(wěn)定的，對分層土邊坡，則認為各層土的極限坡高應分別計算確定。關鍵問題在于極限坡高是取上限還是下限的問題，應進行工程經驗總結或進行邊坡模擬試驗。對于坡頂荷載的作用，通常做法是將荷載q折算成相應土層的等效土層厚度h(q／r)，這時的總：上坡高為H，一H+k。當H≤H。時，則認為該土坡是穩(wěn)定的。對于房屋基礎來說，荷載面積總是有限的，作用于下臥層頂面上的附加壓力，這里引用應力擴散角的概念，按簡化方法計算矩形基礎條形基礎式中口擴散角，一般粘性土取22。d：為下臥層頂面至基礎底面的距離；6垂直邊坡的基底邊長；L平行邊坡的基底邊長。無坡頂荷載作用時，如圖510(a)所示，當HH。時，其高差HH日。延長破裂面線至坡底面，可得一水平距離才E，這里定義為失穩(wěn)距離。如果斜坡坡頂至坡腳的水平距離小于△，則認為坡是不穩(wěn)定的，反之則是穩(wěn)定的。因此，放坡可按階梯形設置，或做成斜坡麗。當坡頂有荷載作用且hqH。時，則破裂面在虛土坡內出現，如圖5一i0(b)所示，水平距離硒即定義為荷載外緣距坡頂的最小距離△q。也就是說，當外荷載較大時，外荷邊緣至坡頂邊緣要有一定的安全距離，大小與土質強度有關。特別是c值，粘聚力越大，則△9可以減少，甚至等于零。對比式(5一10a)和式(5一10b)來說，△q與a具有同樣的物理意義，但確定方法或思路已有很大的不同。滿下臥層層頂面上的總壓力是上覆土層自重應力和荷載引起的附加壓力之和，但由于土的重度y變化較小，自重應力折算土層厚度與上覆土層厚度基本相同，因此僅考慮外荷折算層厚度作為附加邊坡高度。按上述方法，自上而下逐層確定荷載