放坡开挖的设计和施工工艺-基础工程学

按朗肯土压力理论计算主动土压力为0的深度z0一般可作为自立开挖的最大理论深度，当大于上述深度时，可以通过放坡来提高边坡的稳定性。在工程实践中，对于地下水位低于基坑底面、土质均匀、施工期较短而采用竖向无支撑开挖的基坑，其最大开挖深度一般参考表5-4取用，以保证安全。

表5-4　基坑坑壁竖向直立开挖深度值

在天然土体含水率大于10%的地区可以利用土体冻结后稳定性提高的有利条件进行自立开挖，但是当砂土含水量低、难以冻结时，只能采用其他方法进行支护、开挖。在难以保证自立开挖安全的情况下，当基坑周围或部分地段环境条件允许，具有足够的开挖空间和不重要的建（构）筑物时，通过控制基坑开挖边坡坡度，利用土体自身强度来保证基坑在施工期间的稳定性，这类基坑开挖方法为放坡开挖（图5-16）。放坡开挖施工工艺单一，施工工期较短，但是放坡开挖深度一般有限，特别是软土地区，所以放坡开挖对深基坑不适用。另外，放坡开挖导致地表变形较大，对周边环境影响较大。在城市内施工时，土方开挖、运输及堆放要求严格，对造价影响也非常明显。

放坡开挖的设计主要包括：通过稳定性分析得到允许的坡度，如采用多级放坡时，应保证各级边坡及整体的稳定性；坡面保护设计；基坑排水设计。这里主要介绍前两者。

1.坡率法确定坡度

基坑工程边坡稳定性主要通过坡率法及稳定性计算确定。作为临时性边坡，坡率法主要在地区经验基础上确定一个合理的坡率，然后开挖。坡率法实际上属于工程地质类比法，是建立在工程与实践经验上的一种方法，各行业各地区差别比较明显。这里仅罗列出部分供参考。

图5-16　放坡工程类型

（a）完整的放坡；（b）下部支撑（下部为基岩）；（c）单侧放坡

表5-5　临时性挖方边坡坡度值

《土方与爆破工程施工及验收规范》（GB 50201）规定，一般边坡坡度需要按设计确定，而在坡体整体稳定的情况下，如地质条件良好、土（岩）质地均匀、高度在3m以内的临时性挖方边坡坡度宜符合表5-5的规定。该表比较适合于临时性的建筑边坡坡率的控制。

在《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013）中，对于土质边坡的坡率允许值，可根据工程经验确定。无工程经验，但土质均匀良好、地下水缺乏、无不良地质作用和地质环境条件简单时，边坡的坡率按表5-6确定。

表5-6　土质边坡坡率允许值

注：1.碎石土的充填物为坚硬或硬塑状态的黏性土；
2.对于砂土或充填物为砂土的碎石土，其边坡坡率允许值应按砂土或碎石土的自然休止角确定。

对于无控制性的外倾结构面岩质边坡，放坡坡率可按表5-7确定。

表5-7　岩质边坡不同坡高坡率允许值

注：1.H为边坡高度；
2.Ⅳ类强风化包括各类风化程度的极软岩；
3.全风化岩体可按土质边坡坡率取值；
4.表中岩体分类按国家规范进行判定。

另外各地区根据地区经验，也建立起相关的更有针对性的边坡坡率表，可供设计时参考。总的来说，坡率法建立于经验基础上，一般不适用于存在地下水的环境条件，计算简单，一般偏于安全，但对具体基坑的特殊性考虑不足。可能出现对情况预估不足而出现工程事故，也可能使设计过于保守而造价过高。一般边坡的坡率设计还是通过计算确定，岩体边坡稳定性以结构面强度计算确定。以下主要对土坡的稳定性进行简单介绍。

2.砂性土边坡稳定性分析

对于砂土边坡，边坡的稳定性只与坡角及内摩擦角有关，由下式计算：

式中：K——安全系数，取K=1.1～1.5；

φ——土的内摩擦角（°）；

α——坡角（°）。

3.黏性土边坡稳定性分析

对于黏性土边坡，边坡稳定性计算方法同土力学中常用方法。这里仅列出常用的瑞典条分法（图5-17）。

图5-17　瑞典条分法计算简图

瑞典条分法是条分法中最简单、最古老的一种。该法假定滑动面是一个圆弧面，并认为条块间的作用力对边坡的整体稳定性影响不大，即假定每一土条两侧的作用力合力方向均和该土条底面相平行，而且大小相等、方向相反并作用在同一直线上，作用可以相互抵消。

将i土条的重力沿滑动面分解成切向力Ti=Wisinθi和法向力Ni=Wicosθi。切向力对圆心产生滑动力矩Msi=TiR，法向力引起摩擦力，与滑动面上的黏聚力一起组成抗滑力，产生抗滑力矩Msi=（Nitanφi+cili）R。定义安全系数K为抗滑力矩与滑动力矩的比值，可以得到：

式中：li——第i土条滑弧长度（m）；

Wi——第i土条重力（kN）；(www.xing528.com)

θi——第i土条中线处法线与铅直线的夹角（°）。

条分法中圆弧以及半径需要搜索确定，一般可假设圆弧通过坡脚，这样只需要确定圆心即可，一个圆心可以得到一个稳定性系数，取最小的值作为边坡稳定性系数。

当滑动面处于地下水中，则需考虑地下水对滑弧面上法向力的影响，此时稳定性系数会相应降低，边坡稳定性变差。

该方法理论清晰，计算简单，且能较好地处理多层土、土钉墙、重力式挡土墙等多种工况，在工程中使用非常广泛。需要注意的是，瑞典条分法是忽略土条间作用力影响的一种简化方法，它只满足土体整体力矩平衡条件而不满足土条的静力平衡条件。此法应用的时间很长，积累了丰富的工程经验，一般得到的稳定性系数偏低（即偏于安全）。

4.Taylor图解法

前述方法需要对最危险滑动面进行搜索，计算过程比较繁琐。工程中常利用查图表等方法来确定开挖关键参数：坡高、坡角或者稳定性系数等。这里主要介绍Taylor图解法。

假定土体黏聚力c不随深度变化，以土体的自重应力γH与黏聚力c的比值定义为稳定性系数Ns

式中：Ns——稳定性计算系数；

H——基坑开挖深度（m）；

γ——土体重度（kN/m3）；

c——土体黏聚力（kPa）。

由于不同土体不同坡角的系数Ns各不相同，经计算统计绘制成Ns-β关系曲线图（图5-18），当已知土体抗剪强度指标c、φ值及坡度β值，则可由该曲线图查出相应的系数Ns值。

工程中常遇到如下情况：

（1）已知开挖深度，确定开挖放坡的角度。此时利用已知的土体黏聚力、重度及开挖深度，利用式（5-40）得到Ns。这样得到图中纵坐标数值，然后查内摩擦角对应的曲线，得到一交点，交点横坐标即为放坡最大坡角。

图5-18　Taylor图解法

（2）已知放坡角度，确定开挖深度。此时图中横坐标已知（坡角），查询摩擦角所在曲线同样得到一交点，交点的纵坐标为Ns，利用式（5-40）可以得到极限坡高Hc为

边坡的稳定性系数K取1.1～1.5，则边坡的稳定高度H为：

即可以定义稳定性系数为极限坡高与实际坡高之比，当然这种方法计算得到的稳定性系数与采用圆弧法得到的稳定性系数有差别。

5.坡面保护设计

虽然放坡开挖的稳定性通过土体自身的强度来保证，但如果不对边坡予以保护，边坡在卸荷、曝晒及降水入渗与冲刷作用下，土体的含水量、结构等发生改变，将导致边坡土体强度降低而迅速破坏，因此对放坡开挖边坡坡面、顶面及坡脚的保护极其重要。

坡面保护常采用以下方法：

（1）采用抗拉及防水的土工布护面。此方法施工快速灵活，可较好地实现防水、防坡面土体流失及减缓风化，在土工布上可以进一步覆盖素土或水泥砂浆抹面对土工布予以保护。

（2）水泥砂浆抹面。对于临时性的基坑边坡，也可以直接在坡面上喷射水泥砂浆，砂浆厚度控制在3～5cm，为提高浆体的整体性和稳定性，也可以先在坡面上挂网，再喷射水泥砂浆形成保护面。这种方法主要用于强度较高但易风化的软质岩石、老黏土及破碎岩石边坡。

（3）浆砌片石、砖体护面。对于各种放坡开挖基坑，均可以采用本方法对坡面进行保护，同时砌体可以与坡顶、坡脚排水沟形成一个整体。

对于抢险工程，也可以采用砂土包护面和压脚，提高其稳定性同时保护坡面。

边坡坡顶和坡脚设置排水沟，截断上部水体向下冲刷和减少坡脚浸泡。

对于地下水埋深高于坑底标高的工程，必须进行降水。