隨著社會經(jīng)濟及工程技術(shù)的高速發(fā)展，高層建筑日益增多，深基礎(chǔ)的應(yīng)用也廣泛起來，施工中的安全管理尤其是深基坑施工中的安全工作亦越來越重要起來。腳手架、施工臨時用電、模板等專業(yè)性較強的幾個安全施工方案均可較熟練地進行量化處理，如腳手架受力計算、配電線路負荷計算、模板的承載力計算等，這些量化處理在安全施工中起著舉足輕重的作用。在深基礎(chǔ)施工中，如基坑的深度、基土的力學(xué)性能、坡頂受外部荷載的作用等對基坑安全都具有決定性影響，基坑施工中的定量技術(shù)處理對施工安全來說同樣是關(guān)鍵的一環(huán)。本文的目的，在于結(jié)合平常工程中的實際問題，運用土坡穩(wěn)定分析理論，分紹簡單的基坑安全驗算方法，以便較安全、迅速地對基坑安全進行定量分析，有理有據(jù)地編制、實施基坑安全施工方案。

一、工程中基坑常見的情況分析

深基坑現(xiàn)場一般均進行大小不同的放坡處理。土坡的滑動是基坑常見的破壞形式。土坡滑動指土坡在一定范圍內(nèi)整體地沿某一滑動面（一般為近似圓弧的曲面）向下和向外移動而喪失其穩(wěn)定性。典型的粘性土土坡破壞常見形式如圖1所示。下面根據(jù)工程實際中常見的幾種情況，進行基坑安全方面的討論。



圖1 粘性土坡的滑動面

（一）無粘性土土坡

無粘性土土坡受力分析如圖2所示。無粘性（如砂質(zhì)土、粉砂質(zhì)土）土顆粒之間不存在內(nèi)聚力（c=0），只有摩擦力T，只要坡面不滑動，土坡即保持其穩(wěn)定性而不破壞。設(shè)斜坡坡角為β，其上土顆粒重量為mg，砂土的內(nèi)摩擦角為φ，則坡面上土顆粒所受的坡面法向反力及切向下滑力為：



圖2 無粘性土破穩(wěn)定分析

N=mg cosβ T=mg sinβ

沿坡面切向摩阻力：T′=Ntanφ=mg cosβ tanφ

穩(wěn)定安全系數(shù)：

K=T′/T=mg cosβ tanφ/（mg sinβ）

對于無粘性土土坡，當(dāng)坡角β與土的內(nèi)摩擦角相等即β=φ時，T′=T，穩(wěn)定安全系數(shù)K=1，土坡處于極限平衡狀態(tài)；當(dāng)β＜φ（此時K＞1）時，可認為土坡是安全的。為了保證土坡有足夠的安全儲備，可取K=1.1~1.5

（二）粘性土土坡

粘性土土坡的安全驗算，有兩種方法：一種是條分法，一種是泰勒穩(wěn)定數(shù)表法。條分法由于尋找最危險滑動圓心的工作量較大，與數(shù)表法比較而言比較繁瑣，這里只以泰勒穩(wěn)定數(shù)表的方法為例介紹。泰勒穩(wěn)定數(shù)表如表1、表2所示。



表1 泰勒穩(wěn)定數(shù)表



表2 泰勒穩(wěn)定數(shù)表（飽和軟粘土）

1．對于非飽和軟粘土采用表1：其橫坐標(biāo)表示土坡的坡角β，縱坐標(biāo)表示穩(wěn)定數(shù)N_s，按土的內(nèi)摩擦角φ值不同，采用不同的[N_s]曲線值作為穩(wěn)定數(shù)安全設(shè)計取值，實際的穩(wěn)定數(shù)可由下式計算求出：

N_s=rH/c

r-為土的容重 c—為土的內(nèi)聚力

H—為土坡高度

當(dāng)N_s＜[N_s]時，認為所驗算土坡是安全的；當(dāng)N_s=[N_s]時，認為所驗算土坡處于臨界狀態(tài)；當(dāng)N_s＞[N_s]時，認為所驗算土坡將產(chǎn)生滑移破壞。也就是說，只有N_s＜[N_s]時所驗算土坡處于安全狀態(tài)。同樣，為了保證土坡有足夠的安全儲備，可取K=[N_s]/N_s=1.1~1.5。

泰勒穩(wěn)定數(shù)表在土坡穩(wěn)定驗算中的用法是多樣的，上面介紹的是已知坡角β、土層內(nèi)聚力c、內(nèi)摩擦角φ、容重r、坡高H，救援穩(wěn)定數(shù)N_s，也可以根據(jù)工程實際需要，運用于以下兩種情況：①已知坡角β和土層的c、φ、r及對應(yīng)的[N_s]，求穩(wěn)定的坡高H；②已知H、c、φ、r及對應(yīng)的[N_s]，求穩(wěn)定的坡角β。

2．對于飽和軟粘土土體，采用表2：其橫坐標(biāo)表示坡角β，縱坐標(biāo)表示穩(wěn)定數(shù)N_s。當(dāng)坡角β＞53°時，破壞曲面通過坡角，采用表中曲線左半部分的[N_s]值；當(dāng)坡角β＜53°時，破壞情形取決于坡角β及深度系數(shù)n_d（堅硬土面層至土坡頂?shù)木嚯x與土坡高度的比值）。當(dāng)軟土層厚度較大（n_d＞4）時，可取n_d=∞，由表2知[N_s]=5.52，此時土坡的臨界高度：

H_c=5.52c_u/r

c_u—為土的不排水（快剪）強度

（三）土坡土質(zhì)分層情形

土坡土質(zhì)分層是土體形成過程中的自然現(xiàn)象。當(dāng)基坑深度小于土層厚度時，一般不予考慮分層帶來的影響（飽和軟粘土除外）。當(dāng)土坡高度范圍內(nèi)由不同類型的土分層構(gòu)成時，土坡的安全穩(wěn)定驗算必須按各層所處的深度及該層土的力學(xué)性能指標(biāo)進行。

（四）土坡上部受荷載作用情形

基坑邊緣受荷載作用在實際工程中是普遍現(xiàn)象，如在坡頂安置塔機、堆放建筑材料、開通物料運輸?shù)缆返?。此類情形?yīng)按照實際荷載的作用將其換算成當(dāng)量的土重，即用假想的土重代替均布荷載，當(dāng)量土層的厚度為h=q/r（q為均布荷載集度，r為構(gòu)成土坡土層的容重）。

二、工程實例

（一）工程概況

山東省平陰縣人民醫(yī)院綜合門診樓，主樓為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土筏板式基礎(chǔ)；地下一層地上十一層，建筑規(guī)模15214.9m²，高度為43.2m。該門診樓基坑自然深度為6.8m，自然坪以下4.5m為水位高度。擬建場區(qū)巖土可分為四層（局部包括亞層），各層概況如下：①（Q^ml₄）雜填土；雜色，稍濕，松散~稍密，多為粉質(zhì)土，灰渣、碎磚不等，分布不均勻，厚度0.2~1.5m。②（Q₄^al+pl）黃土狀粉質(zhì)粘土；灰褐色、黃褐色，可硬塑，混少量姜石、礫石及植物根，見少量孔隙，局部姜石含量可達10%~15%，粒徑0.5~3cm。該層分布穩(wěn)定，厚度1.05~3.6m。③（Q₃^al+pl）粘土：棕紅色，硬塑，局部可塑，含少量鐵錳結(jié)核，局部含白云質(zhì)灰?guī)r碎石，含量10%~40%不等，個別含量超過50%，粒徑0.5~3cm。該層土分布穩(wěn)定，厚度0.1~4.5m。④（O_lz）白云質(zhì)灰?guī)r：灰白色、灰黃色，結(jié)晶結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，本層巖溶現(xiàn)象較嚴重，局部溶洞、裂隙發(fā)育。各層與土坡穩(wěn)定相關(guān)的力學(xué)性能指標(biāo)見表3。

基坑土層力學(xué)性能指標(biāo) 表3

見表

（二）問題提出

在基坑邊緣安置一臺由山東××集團公司生產(chǎn)的QTZ63型塔式起重機，該起重機自身重量為30548kg、最大起重量6000kg、配重12000kg、其下部為鋼筋混凝土基礎(chǔ)（重量5m×5m×1.3m×2500kg/m=81250kg）。試驗算基坑的安全穩(wěn)定性。

（三）安全驗算

安裝塔機時第①層土已被塔機基礎(chǔ)占去，第④層土為巖石無需驗算，只對第②、③層土進行穩(wěn)定驗算即可，如圖3所示。

坡角β=arctan（5.5/0.6）=83.78

塔機包括所有附著物在內(nèi)總質(zhì)量：

W=30548kg+6000kg+12000kg+81250kg=129798kg

當(dāng)量土層厚度：

h=129798kg/[（5m×5m）×2710Kg/m³]=1.93m

1．第②層土穩(wěn)定性驗算

土坡等效告誡H=h+h₁=1.92m+1.90m=3.82m

N_s=rH/c=(2.71×1000×9.8N/m³×3.82m)÷25000N/m²=4.06

由泰勒穩(wěn)定數(shù)表查得：[N_s]=6.5

K=[N_s]/N₂=6.5/4.06=1.60

所以，第②層土滿足安全穩(wěn)定要求。

2．第③層土穩(wěn)定性驗算

第③層土下部的1.3m厚度在水位線以下，此層土應(yīng)按飽和軟粘土考慮，采用表2中數(shù)據(jù)。

土坡等效高度H=h+h₂=1.92m+1.9m+2.3m=6.12m

β=83.78＞53

由泰勒穩(wěn)定數(shù)表2查得：[N_s]=4.3

N_s=rH/c=[2.74×1000×9.8N/m³×（2.3+1.9+1.92）m]÷45000N/m²=3.65

K=[N_s]/N_s=4.3/3.65=1.18

所以，第③層土也滿足安全穩(wěn)定性要求。

3．結(jié)論：塔機安設(shè)處基坑滿足安全穩(wěn)定要求；進而，在基坑頂部無塔吊處或附加荷載q＜129798kg÷（5m×5m）=5191.92kg/m²時，亦滿足土坡安全穩(wěn)定要求。

三、保持土坡安全穩(wěn)定應(yīng)注意的幾點

（1）構(gòu)成土坡土體的抗剪強度降低。如土體中含水量增加、超靜水壓力的增加，會使土體向排水固結(jié)反方向發(fā)展，則土體的抗剪性能下降，從而降低土坡的穩(wěn)定性。在實際工程中，坡頂一定范圍內(nèi)注意不要受水侵蝕，尤其注意坡頂土的縫、洞、坑等導(dǎo)水條件的形成。另外，還要注意基坑附近地下消防、生活、采暖管線的滲漏。因此，為了防止地表水侵蝕土坡，有必要對坡面、坡頂進行必要的防護，如表面噴射或澆注一定厚度的細石混凝土，作為土坡的封閉保護層。

（2）土坡承受外部作用。①靜力作用。如坡頂堆放磚、砂、石、鋼筋等建筑材料或建造建（構(gòu)）筑物（水泥庫等臨時設(shè)施），使坡頂承受或增加荷載作用，或坡頂為車輛通行的道路，均等效于加大了當(dāng)量土層的厚度，使[N_s]/