对与基坑工程有关的规范的几点讨论.doc

8对与基坑工程有关的一些规范的讨论(5)李广信(清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084)摘要：本文是对与基坑有关的规范系列讨论的最后部分,主要是讨论基坑中渗透变形问题与土钉墙中的共同作用问题。论文指出：基坑坑底的突涌不一定属于渗透变形范畴；一般建筑基坑也很少发生管涌问题；黏性土与砂土的抗流土失稳的表达式与安全系数是不同的。复合土钉墙中发生整体滑动失稳时，土钉与锚杆是否能同时发挥作用是值得怀疑的，它们各乘以一定的折减系数是可以接收的。最后，在此系列讨论的基础上，提出了几条结论性的意见关键词：流土；管涌；突涌；复合土钉墙；共同作用中图分类号：TU 47 The discussion on some codes concerned with building foundation pit (5)LI Guangxin(State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China)Abstract: This is the last part of a series discussion papers. The seepage deformation in foundation pit and action in concert of retaining and protection structures in composite soil nailing wall are discussed. It is pointed that heaving is not always the same as soil flow, piping of soil happens very little in pit engineering., the seepage deformation of shad and clay is different in expression and factor of safety. In composite nailing wall, it is suspected that nailing and anchor rod will work in concert. Finally, several suggestions are proposed based on the series discussions. Key words：soil flow; piping; heaving; composite soil nailing wall; action in concert 0引言 本文为对与基坑有关的规范系列讨论文章的最后一部分，重点讨论与渗透变形有关的一些问题，以及复合土钉墙中各部件共同作用的问题。基坑工程事故频发，如果认真的分析这些事故，绝大多数都与土中水有关。例如关于水土压力的计算有误，对降雨和埋设的管线漏水形成上层滞水处理不当，承压水处理不到位等。渗透变形亦称为渗透稳定，或渗透破坏。渗透变形只有两种基本的形式，即流土和管涌。所谓流土是在向上的渗透水流作用下，表层一定范围的土体或颗粒同时悬浮、移动的现象。所谓管涌是指在渗透水流作用下，粗粒土中细颗粒在粗颗粒形成的孔隙通道中移动、流失的现象。关于流土，我国土力学界的叙述比较统一。各种大专院校的土力学教材中所述基本一致12。这里应当明确的是：（1）流土发生在向上的相对稳定渗流中；（2）流土一般发生在地表，也可能发生在两层土之间，被称为接触流土；（3）不管黏性土还是粗粒土都可能发生流土。关于管涌国内外的定义也都较为一致：（1）它是沿着渗流方向发生的（不一定向上）；（2）是在渗透力作用下，单层土中的粗细颗粒间的相对运动，在粗细两层间的渗流，可能细粒层中的土从粗粒层土中带走，这就需要设置反滤层。（3）就一层土来讲，黏性土不会发生管涌现象。（4）管涌发生后有两种后果：一种是继细粒土被带走后，粗粒土的骨架也发生收稿日期：2013034；修回日期：基金项目：重点基础研究发展计划(973)项目(2010CB732103)作者简介：李广信(1941)，男(汉族)，黑龙江省宾县人，教授.塌落与失稳，导致土体的渐进破坏；另一种是细粒土被带走，粗粒土形成的骨架尚能支持，渗漏量加大但不一定随即发生破坏。流土这一名词在英文中似乎没有一种准确的译法。我国岩土工程基本术语标准（GB/T50279-98）3中译为“soil flow”。英文文献中对应的名词很多，如：砂沸（boiling），流砂（flowing sand、quick-sand4），管涌（piping56）等。这些说法应当说都是针对砂土的，其中“砂沸”最为形象。笔者早年曾在松花江滩进行沉井施工，一次突然停电，井点失效，井底水挟砂汹涌而起，突泉无数，状如沸水，用6米长的竹竿一捅到底，竟无阻力。十分凶险。对于这种现象，流砂（quick sand, flowing sand）的提法不够准确；而管涌（piping）则显然是与流土不同的另一种渗透变形现象。我国的工程地质界78经常将砂土的流土叫流砂，而将黏土的流土叫突涌。其中流砂的内涵较广，包括砂土坡的失稳流动等现象；将指黏性土的流土称为“突涌”，突涌是否与流土完全等同也是值得商榷的。1 突涌地基规范9的9.4.7指出：“地下水渗透稳定验算，当基坑底土为不透水层，下部具有承压水头时，坑内土体应按本规范附录W进行抗突涌稳定验算。”如图1所示。其中土层为含承压水透水层，土层为黏性土层。这里将突涌完全归入了渗透稳定问题。按式(1)验算：htPwt图1基坑底抗渗流稳定验算示意图 (1)式中 透水层以上土的饱和重度；透水层顶面距基坑底面的深度; pw含水层水压力。从式(1)可以看出，它就是单位面积上的向下的黏性土总自重应力gm(t+Dt)与向上的承压水压力pw之间的静力平衡，不一定与渗流有直接关系。地基规范的这一叙述从语法及逻辑上也是不通的：既然是“不透水层”，哪里会有渗流？又怎么会发生渗透稳定问题？所以可以说突涌是坑底隆起的一种(heaving )。(a) 黏性土的突涌 (b) 砂土的流土（砂沸） (c) 粗粒土的管涌图2室内渗流模拟试验图2(a)是在室内模拟的突涌试验，由于下部含水层（砾石）内的水压力升高很快，上部黏性土中尚未形成稳定渗流，甚至部分土还是干的，但上部黏性土层却被隆起，发生了所谓“突涌”。基坑的开挖速度很快，而黏性土的渗透系数很小，也存在这种黏性土中形不成稳定渗流的情况，因而将突涌等同于流土，而归入渗透稳定问题就不够严密了。实际上在基坑中发生的突涌常由于上部黏性土层厚度不均，可能是被局部突起，或者是将土层拱起，形成裂缝，下部泥沙涌出，见图3所示。但基本是一种受力破坏的现象，不一定是渗透变形。图3 基坑中的突涌现象2 黏性土与粗粒土的渗透变形如上所述，突涌是一种黏性土的坑底隆起现象。但是如果在黏性土中形成了稳定的渗流，它也是流土的一种形式，也可用式(2)、(3)判断。lDh饱和土样图4 流土的示意图在图4中，以土骨架为隔离体： (2)以土及土中水整体为隔离体，由于i=Dh/l, 则： (3)式(3)与式(1)是一样的，式(3)与式(4)其本质上都考虑隔离体的竖向静力平衡，前者是考虑土骨架，后者是考虑土整体，但在同样的条件下，Fs1与Fs2是不等的，式(3)是在式(2)的分子与分母中同时加上gw。如果g=gw=10kN/m3, i=0.625，则Fs1=1.6；Fs2=1.23。所以在基坑规程10中，Fs1是相对于碎石、砂土、粉土的流土，要求不小于1.6；Fs2是相对于黏性土的突涌，Fs2则要求不小于1.1。二者数值的不同，除了计算公式的差别外，也与土的性质及其破坏形式不同有关，砂土的流土各个砂颗粒分别被渗透力推起，一旦i=icr，渗透破坏立即会发生，如图2(b)所示。而黏性土的突涌（或者流土），由于存在土的黏聚力及边界上的阻力，土层将会整体或者整块被推起，要同时克服边界的阻力，iicr才会破坏。砂土的管涌破坏，实际上发生在级配不均匀的粗粒土中。细颗粒被水流从粗颗粒的孔隙中带走，这种情况多发生在山区的河滩，所以水利工程多有发生。而建筑基坑主要位于江河中下游平原及三角洲，很少存在这种地质情况。所以一些规范、手册所讲的“管涌”其实不是真正意义上的管涌。3 复合土钉墙中的共同作用问题 针对图5所示的对于复合土钉墙，基坑规程105.1.1给出的整体稳定验算公式为：图5 土钉墙整体稳定性验算1滑动面；2土钉或锚杆；3喷射混凝土面层；4水泥土桩或微型桩 (4)式中： Ks，i第i个滑动圆弧整体稳定安全系数；cj、jj第j土条滑弧面处土的黏聚力、内摩擦角， bj第j土条的宽度(m)；qj作用在第j土条上的附加分布荷载标准值；Gj第j土条的自重，按天然重度计算；j第j土条滑弧面中点处的法线与垂直面的夹角；Rk,k第k层土钉或锚杆对圆弧滑动体的极限拉力值；应取土钉或锚杆在滑动面以外的锚固体极限抗拔承载力标准值与杆体受拉承载力标准值；k第k层土钉或锚杆的倾角；k滑弧面在第k层土钉或锚杆处的法线与垂直面的夹角；sx，k第k层土钉或锚杆的水平间距；v计算系数；可取v0.5sin（kk）tanj。可见在这种整体稳定分析中，锚杆与土钉一起无区别地起抗滑作用，并且规定：“微型桩、水泥土桩复合土钉墙，滑弧穿过其嵌固段的土条可适当考虑桩的抗滑作用”。与此相同的还有深圳规范11。在国际上，土钉被当成加筋材料，它与土一起形成复合材料体，而锚杆则是一种外部加固措施；土钉只有土体变形才被动受力，而锚杆则是施加预应力以后主动施力；二者达到极限状态所需要土的变形是不同的，在复合土钉墙达到整体破坏过程中会出现“渐进破坏”的现象。在北京的万亨大厦基坑失事的审查会上，一些专家都对于这种土钉锚杆的稳定分析提出质疑，见图5。图6为作者在某宾馆见到的门前两个“保安”，似乎一个是兔子，另一个是狮子。这样两种截然不同的伙伴，难以想象一旦有风吹草动，二者能否同心协力。记得小时候听过一个“拔萝卜”的故事，最后似乎是老公公、老太太、小姑娘、小狗、小猫和老鼠一起将萝卜拔起来了。也就是大家都同时发挥了“极限承载力”，可是聪明的小孩就会问：“小猫会让老鼠咬着尾巴一起拔萝卜吗？”复合土钉墙基坑支护技术规范12(GB50739-2011)就将土钉、锚杆、微型桩以及水泥土桩在整体稳定分析中，按不同的发挥系数处理，这至少是合乎道理的。图5万亨大厦基坑复合土钉墙的倒塌 图6 宜昌某宾馆门前的两位保安4 基坑工程的特点中及有利与不利因素通过以上的系列讨论，可能会产生一个误解：按照所提的问题似乎有关规范中的不安全因素很多，那么几十年来遵照规范设计施工的基坑应当是败多成少，而实际上事故毕竟是少数。这就涉及到基坑规程的特殊性。与传统的挡土墙、土石坝以及路堤、河堤等土工问题相比，基坑工程中的土体有明显的特点。首先是它所支挡的是原状土，原状土存在着结构强度；在非饱和状态下有很强的吸力，因而由吸力产生的抗剪强度不容忽视。由于取样的扰动与回弹，室内试验测得到的强度显著偏低。目前的土力学教材可以说是“（饱和）重塑土力学”，与现实中的土有很大区别。在实践中我们经常可以看到，在粉细砂层和孔隙比e1.0的饱和软黏土层中竖直开挖3-5m而无需支护，这会使刚学完土力学的学生们大惑不解。基坑支挡结构的施工和设置程序也不同于一般挡土墙。通常是先在地面钻孔或掏槽后灌注混凝土支护桩或者连续墙，随后逐段向下开挖，逐段支撑（或锚固）；或者先开挖，随后逐段支护，如土钉墙施工。这就使地基土的应力路径完全不同于一般的地基和土工建筑物。其中代表性土单元的应力路径经常是主应力减少的，这会使不排水时产生负的超静孔隙水压力，在排水时，发生超固结现象，这些都有利于提高土的强度，高于常规的室内试验确定的强度及强度指标。鉴于基坑工程的复杂性，基坑原状土在实际应力路径下的强度指标的确定，基坑土体的应力变形数值模拟，其难度与精度都不同于其他土工问题。上述的基坑问题的这些特殊性涉及到土力学中一些尚待解决的前沿课题，如非饱和土的吸力与强度问题；原状土的结构性问题；土水压力的流固耦合问题；不同应力路径下土的强度和土压力计算问题；结构变形与土压力荷载间的相互作用问题；不同工况下土的强度指标选用和试验方法问题等。因而目前的基坑规程设计有很大的经验性，有很多的不确定性在设计中没有考虑。这些不确定性有有利的，有不利的。表1列举了水土压力计算中一些被忽略的因素，表2列举了一些抗坑底隆起验算的因素。基坑水土压力计算忽略的影响因素表1编号有利因素不利因素1原状地基土的结构性及结构强度对于欠固结土使用固结不排水或固结快剪强度指标2非饱和土的基质吸力对于地面超载q，使用固结不排水或固结快剪强度指标3平面应变情况下土的较高的内摩擦角对于承压水的上下黏土层采用水土合算计算主动土压力4基坑平面尺寸的三维拱效应对于有向上渗流的墙前坑底土采用水土合算计算被动土压力5墙后土体的小主应力s3减小的应力路径，可能产生的负孔压对于振动反复荷载下，敏感性土可能的损伤，渐进破坏6墙前坑底以下土的超固结性：黏聚强度与负孔压在降雨、管道漏水条件下排水不畅情况下，使地基土强度降低7坑外人工降低地下水及竖直向下渗流的地下水坚硬地基土可能发生的渐进破坏8坑底加固措施基坑平面上的凸凹、阳角和两侧地质、地形、荷载的不平衡等三维效应的影响9朗肯土压力理论计算主动土压力偏大，被动土压力偏小验算坑底隆起的各因素分析表2编号有利方面不利方面1忽略墙外（H+t）两侧摩阻力对荷载的减少（见图6）采用固结不排水强度指标，未考虑欠固结土情况2不计基础宽度对承载力的增加室内试验强度指标的不确定性3忽略了墙内t两侧摩阻力对承载力的增加没有考虑渗流渗透力影响4没考虑坑内土由于开挖的超固结性强度及内外土体的应力路径用固结不排水强度和饱和重度计算承载力5未计坑底加固与降水的作用采用固结不排水强度：超载q部分，很难使地基土“固结”6未计坑底以下可能的硬土层影响7基坑的三维效应图6 坑底隆起验算示意图5 结论(1) 基坑工程的复杂性造成了基坑工程设计的经验性，这些经验性有时就会反映在有关的规范与规程中。经验是十分可贵的，但是它缺少普适性，因而经验主义是会害人的。如上所述，用水土合算计算墙后土压力有其可用性，但是如将水土合算推广到饱和土体的稳定分析就是有害的经验主义了。不应以局部的经验代替普适的理论，对于土力学基本概念、基本原理的轻视与漠视不会不受到惩罚。写到规范中的一些类似的条文会误导学生和工程技术人员，使他们不去尊重与敬畏基础理论，在今后的实践中会犯错误。对照国外的有关岩土工程标准、指南、手册，他们很少去挑战土力学基本原理，这是值得我们深思的。(2) 由我国工程管理体制所决定，技术人员完全按照规范去设计，工程不一定就安全，但设计者肯定是安全的：在发生事故后，只要一一指明设计依据的规范条文，即可全身而退。而施工的失误往往显而易见，自然难逃其咎了。有的基坑设计采用了三本规范，但都是采用其中最“冒进”的条文。实际上，有些事故与设计及规范是有关系的：珠海广场事故与逆作拱墙的推广；杭州地铁湘湖站基坑事故与水土合算的稳定分析；北京万亨大厦基坑事故与土钉锚杆一起承担抗滑力。经验主义泛滥，轻视基本理论对我国岩土工程的发展是极为不利的。参考文献