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[工程检测] 关于《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330-2013)的讨论

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    [LV.10]元古宙

    发表于 2015-5-20 07:25:01 | 显示全部楼层 |阅读模式
    关于《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330-2013)的讨论

    2015年的注册考试,将依据《建筑边坡工程技术规范 GB 50330-2013》。这本规范拖延较长时间才颁布,其间也有一些争论。它修订的内容较多,也存在一些值得之处。这里提出一些看法,供讨论和参考。

    0引言

    《建筑边坡工程技术规范 GB 50330-2013》[1](以下简称《边坡规范》)于2013年出版,2014年6月实施。与旧版比较,有一些进步。例如删去了原版中不合理的动水压力计算,采用了隐式的传递系数法,取消了工作条件系数等。但仍有一些不尽如人意之处,作为国家规范,它比较粗糙;附图中有一些未加说明的标注;一些公式也为交代清楚,给使用造成较大困难;还有一些概念上的错误,可能造成严重的后果。这里提出一些意见以供讨论。

    1.荷载与设计方法

    1.1作用与效应

    《工程可靠性设计统一标准(GB 50153-2008)》[2]指出,作用是“施加在结构上的集中力或分布力(直接作用,也称荷载)和引起结构外加变形或约束的原因(间接作用)”。可见,荷载是狭义的作用,广义的作用包括地震、冻胀、膨胀、湿陷、温度引起的胀缩等。至于效应是“由作用引起的结构或结构构件的反应”。这个反应可包括内力和变形。按着这一标准,在近年来出版的建筑领域的规范都称“作用组合的效应”。

    《建筑结构荷载规范(GB 50009-2012)》[3]由于是荷载规范,所以讲的是“荷载组合”,而非作用组合。称为“荷载组合的效应”。可见二者是统一的,即先是作用(荷载)的组合,然后才是效应。可理解为作用(荷载)先按规定组合,然后计算这种组合下的结构(构件)上的力,它通过结构传到岩土中。

    但颁布于2013年的新版《边坡规范》还是沿用“荷载效应的组合”,显然是不合时宜的。作为国家规范,这种滞后也是难以理解的。

    1.2安全系数法与分项系数法

    所谓安全系数法亦称“单一安全系数法”。它是将工程中包含的一切不确定性因素,都放入唯一的安全系数之中。安全系数的取值往往是根据以往的经验。这些不确定性包括作用(荷载)的参数、材料的性质、计算与施工的精确性与可靠性,也包括政治、经济、环境和社会的各种条件与要求。可以说,安全系数是个筐,一切不确定性都往里装。因而就无需再引入其他系数了,例如重要性系数、工作条件系数、折减系数等。所以说新版《边坡规范》取消了工条件系数,而规定临时工程的安全系数小一些是符合安全系数法的基本概念的。

    基于可靠度理论的分项系数法是将荷载与与抗力都当成随机变量,那么失效或破坏也就是随机事件。它是将荷载与抗力的不确定性分别考虑的。

    以图1为例,两组荷载(S)与抗力(R)都是正态分布,荷载与抗力的均值相同,但变异系数不同,第一组的分布较为集中,离散较小,因而发生失效(S>R)的概率就较小(见图中的阴影面积)。在可靠度设计中主要的参数是可靠度指标,如果=3,则表明失事的概率是万分之三(3/10000)。分项系数是根据变量的概率分布形态经统计分析而得到的,它与可靠度指标和变异系数的关系可写为

    式中 R和G分别为抗力与和荷载的分项系数[4]。

    图1.两组荷载与抗力的概率密度函数曲线

    《建筑工程可靠性设计统一标准(GB 50068-2001)》[5]指出:“制定建筑结构荷载规范及钢结构、薄壁钢结构、混凝土结构、砌体结构、木结构设计规范应遵守本标准的规定;制定地基基础和建筑抗震等设计规范,宜遵守本标准的原则。”所以在岩土工程的有关规范中,凡与岩与土有关的设计,一般均用安全系数法;而只涉及到钢材、混凝土与砂浆等材料时则采用分项系数法。例如《建筑地基基础设计规范(GB 5007-2011)》[6],《建筑基坑支护设计规范(JGJ 120-2012)》[7]等。具体地讲,对于锚杆设计,在钢筋(索)抗拉、筋材与砂浆间的抗拔是用分项系数法;而锚固体与岩土间的抗拔,则用安全系数法。

    新版的《边坡规范》把这三种承载力问题统一使用安全系数法。例如其中的8.2.2条的式8.2.2-1为

    式中:As——锚杆钢筋或预应力锚索截面面积(m2);

    fy——普通钢筋抗拉强度设计值(kPa);

    Kb——锚杆杆体抗拉安全系数。

    这里就是把钢筋的抗拉按安全系数法计算,这是不合理的。更不合理的是这里采用了钢筋抗拉强度的设计值。如上所述,由于安全系数是包含了所有不确定性的参数,因而抗力应取极限抗力的标准值,可是上式使用的是设计值,二者的关系为

    (3)

    以HRB400钢筋为例,其抗拉强度标准值为fk=400MPa,设计值为fy=360MPa,亦即其抗力分项系数为G=0.9。从而可见,式(2)即《边坡规范》的式8.2.2-1是把安全系数与分项系数混合使用,似乎安全系数Kb只负责荷载的不确定性。这在原理与概念上是不对的。应当用钢筋的标准值,在同样的安全度情况下,可以适当增大安全系数。

    2.挡土墙上的主动土压力计算

    《边坡规范》提出了一系列主动土压力半经验的计算公式,但存在不少问题。

    2.1墙背俯倾的情况

    该规范的6.2.10中,给出了图2的有俯倾式墙面的土压力计算公式。表示为为式6.2.10-2和式6.2.10-3,即本文中的式(3)和式(4)。

    问题是这里未交代计算的主动土压力的方向,如果假设墙背光滑,则主动土压力Ea如图2所示,那么验算墙的抗倾覆与抗滑移稳定时,其荷载要比Ea水平时增大,或者抗力减小。这是必须明确的

    图2 墙背俯倾的情况

    2.2墙顶填土倾斜的情况

    该规范的B.0.3中,给出了图3的有墙顶填土倾斜时的土压力计算公式。为式B.0.3-1,即本文的式(5)。


    图3 墙顶填土倾斜情况

    这个公式来源于无限斜坡的朗肯土压力计算[8],除了墙背竖直光滑、填土水平以外,这是一种很少见的可以得到朗肯主动土压力理论解的情况,见图4。其理论解就是

    但其必要条件是墙背与土间的摩擦角。即主动土压力的方向是平行于坡面的。


    图4无限斜坡的朗肯土压力

    可是在《边坡规范》中的附图中(见图3)表示,主动土压力似乎是水平的,亦即墙背是光滑的。这样式(5)与式(6)就不适用了。

    以图4所示的参数为例,用规范计算的主动土压力(水平向)系数为Ka=0.866,重力式挡土墙的抗倾覆稳定安全系数为Fs=1.0;用库伦理论计算的主动土压力(水平向,=0)系数为Ka=0.75,抗倾覆稳定安全系数为Fs=1.155;用朗肯理论计算的主动土压力平行于坡面,Ka=0.866,抗倾覆稳定安全系数为Fs=2.38。抗滑移稳定的情况也类似。

    从以上计算可见,这种朗肯理论的误用。是安全系数减少了一倍多。类似的情况也存在于B.0.3-2,B.0.3-3和B.0.4等附录中,所以主动土压力的方向非常重要。

    其实不管墙后的填土形式多么复杂,采用库伦土压力理论进行计算都没有问题。因为计算机已经完全普及,建立一个搜索具有最大土压力的滑动面的软件是轻而易举的,又何必罗列了这么多完全不适用、不合理、华而不实的“半经验公式”呢?

    3.边坡稳定分析中的孔隙水压力、重度与强度指标

    边坡稳定分析中的参数的选用甚至是比计算理论与方法更重要,可是《边坡规范》在这方面存在很多不足与错误。

    3.1孔隙水压力

    该规范建议使用简化比肖甫法进行圆弧滑动面的稳定分析是一个进步,尤其是在有较大孔隙水压力的情况。在其公式A.0.1中

    孔隙水压力Ui的计算式为

    式中——第i及第i-1计算条块滑面前端水头高度(m)。这一计算对于静水下的土坡是明确的,如图5(a)所示。这时水位以下的Gi按浮重度计算即可,不必引入孔隙水压力Ui。而在有渗流的情况下(如图5(b)),则应按此条底部中点的等势线的水头hwi计算孔隙水压力,亦即

    图5 有水边坡的稳定分析

    3.2边坡稳定分析中的“水土合算”

    在《边坡规范》的4.3.5条文中指出“土质边坡按水土合算原则计算时,地下水位以下宜采用土的饱和自重固结不排水抗剪强度指标”。

    “水土合算”本来是基坑支护上的土压力计算的一种经验算法,由于它不符合有效应力原理,历来争议不断。在基坑问题中,由于特殊的应力路径,属于一种误打误撞的经验算法[9]。其主要特点是在静水以下,采用土的饱和重度和固结不排水强度指标计算土的主动土压力。而在边坡稳定分析中用所谓“水土合算”就十分荒谬了[10]。

    图6 水下边坡的稳定分析

    对于这种圆弧稳定计算,采用固结不排水强度指标,“固结”是在原位的的有效应力作用下的固结,而不是在下的固结。以图6为例,如果正常固结的地基土层是在与地面齐平的地下水情况下沉积的,那么M点土体在自然的情况下的固结压力为。如果很快地开挖出图示的边坡,则其抗剪强度为。所以在这种情况下,抗滑力矩应当用土的浮重度计算,而不是用饱和重度计算。在杭州地铁一号线湘湖站基坑工程事故中,设计采用的 ④2,⑥1两层淤泥质土的饱和重度平均为, 平均固结快剪强度指标:=12.8,=14.8kPa。采用饱和重度计算抗滑力矩,这比用浮重度高2.4倍。这可能是事故的原因之一。

    4.结论

    本文对于新版的《边坡规范》提出了一些意见,他们包括:

    (1)规范中“荷载效应的组合”的提法是一种过时的提法,目前建筑行业的规范都已改为“作用组合的效应。

    (2)在锚杆设计中,抗拉和从砂浆中抗拔计算应使用分项系数法;即使使用安全系数法,其抗力也应使用极限抗力的标准值,而非设计值。

    (3)该规范中推荐的一些计算主动土压力的公式,没有明确土压力的作用方向,将无限斜坡的朗肯主动土压力计算公式用来计算几种墙后填土倾斜的公式是有前提的,即主动土压力方向与斜坡面平行。

    (4)该规范在稳定分析中提出的“水土合算”是错误的和有害的。

    参考文献:

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