軟土地區(qū)深基坑變形特性分析

李琳　楊敏  熊巨華

同濟(jì)大學(xué)　上海200092

引言

　　隨著工程建設(shè)的發(fā)展，高層、超高層建筑的發(fā)展和人們對(duì)地下空間的開(kāi)發(fā)和利用日益增多，基坑工程不僅數(shù)量增多，而且向著更大、更深的方向發(fā)展。由于基坑工程常常在鬧市區(qū)施工，不僅要保證基坑自身的穩(wěn)定安全，而且要保證周?chē)�建筑物的安全和正常使用，在東南沿海的軟土地區(qū)，其工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件較差，土體具有高含水量、高靈敏度、高壓縮性、低密度、低滲透性和流塑等特點(diǎn)，更增加了基坑工程的難度。隨著變形控制設(shè)計(jì)理論在工程中的應(yīng)用，開(kāi)展基坑工程變形性狀研究分析具有重要意義。

　　基坑工程的變形主要由圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移、周?chē)�地表沉降及基坑底部隆起三部分組成。這三者之間存在耦合關(guān)系，采用常規(guī)分析方法難以反映眾多因素的影響，有限單元法也存在很大的局限性。實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)分析方法根據(jù)大量的基坑實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)出一般的變形規(guī)律，可以為基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)者提供參考。

1、深基坑變形實(shí)測(cè)資料

    隨著基坑深度的加大，灌注樁和地下連續(xù)墻成為軟土地區(qū)深基坑的主要圍護(hù)形式，列出了杭州和上海軟土地區(qū)46個(gè)深基坑工程的基本實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，包括灌注樁，地下連續(xù)墻兩種圍護(hù)結(jié)構(gòu)，均為建筑基坑，不包含地鐵車(chē)站基坑，全部為順作法，深度從幾米深的普通基坑到深度接近30m的超深基坑，文中也列出了潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋北錨碇的測(cè)試結(jié)果作為對(duì)比，其深度接近50m。

2、深基坑變形特性分析

    圍護(hù)體的最大側(cè)向變形及位置與基坑開(kāi)挖深度、圍護(hù)體剛度、支撐系統(tǒng)剛度、土質(zhì)情況等因素有關(guān)，圍護(hù)墻體厚度的選取和支撐的布置及兩者的合理組合是控制圍護(hù)體變形的關(guān)鍵，這綜合反映在支撐系統(tǒng)的相對(duì)剛度中，抗隆起穩(wěn)定不僅是強(qiáng)度控制設(shè)計(jì)中的主要方面，也是控制和估算墻體變形和地面沉降的關(guān)鍵因素，本節(jié)在表1工程實(shí)例統(tǒng)計(jì)結(jié)果的基礎(chǔ)上就以上各方面間的關(guān)系進(jìn)行分析。

　　2.1最大側(cè)向位移與開(kāi)挖深度的關(guān)系

    根據(jù)國(guó)外的工程實(shí)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表明，板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)移δh=1％，在有支撐的情況下δh=0.2％～0.5％H(H為基坑最終開(kāi)挖深度，況是圍護(hù)體最大相對(duì)側(cè)移)，對(duì)于位于硬粘土、粉砂土中的基坑，δh=0.2％H，軟土中開(kāi)挖的基坑的側(cè)向位移一般要比硬粘土和粉砂土中的要大。   

　　2.2支撐系統(tǒng)相對(duì)剛度與開(kāi)挖深度的關(guān)系

　　為分析當(dāng)前基坑深度加大后支撐系統(tǒng)的剛度變化，將支撐相對(duì)剛度與開(kāi)挖深度關(guān)系繪出，可以看出在當(dāng)前的基坑工程的設(shè)計(jì)中，支撐的相對(duì)剛度隨深度增大成比例增長(zhǎng)，增長(zhǎng)非常迅速，這可歸為兩方面的原因，一是由于土壓力隨深度增大的需要，二是隨著基坑深度的增加，設(shè)計(jì)者為了控制基坑變形而人為加大圍護(hù)體和支撐系統(tǒng)的剛度造成的。

    在前面最大側(cè)移與開(kāi)挖深度的關(guān)系中可以看到，在深度較大時(shí)，隨著深度的加大，基坑圍護(hù)體產(chǎn)生較大側(cè)移的并不多，其最大相對(duì)側(cè)移趨于中間數(shù)值，這很大成分上是由于支撐系統(tǒng)的相對(duì)剛度隨深度過(guò)度增加造成的，不可避免地造成投資的增加。

　　2.4抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)與深基坑變形的關(guān)系

    抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)不僅是強(qiáng)度控制設(shè)計(jì)中的主要指標(biāo)，也可用于變形的估算。工程實(shí)踐和研究表明深基坑圍護(hù)墻體的最大水平位移與基底的抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)密切相關(guān)，根據(jù)它們之間的關(guān)系曲線及計(jì)算得到的抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)可以得到圍護(hù)體的最大側(cè)移。

    工程實(shí)踐中也可以根據(jù)實(shí)測(cè)的坑外地面沉陷來(lái)推算基坑穩(wěn)定程度，雖然從力學(xué)上來(lái)說(shuō)，這兩者是脫節(jié)的，利用基坑抗隆起穩(wěn)定計(jì)算的Prandt方法計(jì)算安全系數(shù)，根據(jù)實(shí)測(cè)的地面沉降建立相互關(guān)系。

3、變形控制標(biāo)準(zhǔn)分析

　　在建筑密集區(qū)開(kāi)挖基坑時(shí)，除了滿足基坑本身穩(wěn)定性的要求外，還必須保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)及地基土的變形不會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成危害，由于環(huán)境條件的復(fù)雜性和保護(hù)要求多樣性，基坑工程中須按具體環(huán)境條件與保護(hù)對(duì)象的容許變形值來(lái)確定基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形控制等級(jí)，不同安全等級(jí)的基坑工程對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的控制標(biāo)準(zhǔn)不同，不同規(guī)范的規(guī)定也有差別。

　　可見(jiàn)對(duì)于基坑開(kāi)挖提出的變形控制指標(biāo)有用位移的絕對(duì)值來(lái)表示的，也有按位移與圍護(hù)結(jié)構(gòu)高度的相對(duì)比值來(lái)表示的。其實(shí)這兩種不同的控制方法表示了不同的控制側(cè)重點(diǎn)，前者用于將圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)相鄰建筑物的影響控制在許可的范圍內(nèi)。后者從支護(hù)本身的工作性能出發(fā)，用于控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身處于安全的工作狀態(tài)，與安全系數(shù)相配合以保持圍護(hù)結(jié)構(gòu)的安全剛。

　　當(dāng)前基坑的深度在不斷的加大，工程實(shí)踐和有限元分析都表明，隨著深度的加大，圍護(hù)體的側(cè)移隨深度成非線性增長(zhǎng)，這導(dǎo)致了即使基坑處于正常工作狀態(tài)，其發(fā)生的相對(duì)側(cè)移仍將超過(guò)現(xiàn)行規(guī)范的控制標(biāo)準(zhǔn)。另外在多數(shù)情況下，對(duì)房屋或管線構(gòu)成危害的是不均勻沉降(地表角變位)和地表水平應(yīng)變等，在較深基坑工程中，一般為施加預(yù)應(yīng)力的多道支撐或錨拉式支護(hù)結(jié)構(gòu)，最大位移一般發(fā)生在下部，圍護(hù)體頂部的位移往往很小，所以對(duì)深度較大的基坑應(yīng)該也允許有較大的總沉降和水平位移。

4、結(jié)語(yǔ)

    通過(guò)對(duì)杭州和上海軟土地區(qū)46個(gè)深基坑實(shí)測(cè)結(jié)果的分析，對(duì)當(dāng)前的基坑工程可有以下總結(jié)：

    (1)對(duì)于深度小于l2米的基坑，灌注樁圍護(hù)體的側(cè)移要大于連續(xù)墻，深度大于l2米的基坑圍護(hù)體以連續(xù)墻為主，隨著深度的增加產(chǎn)生較大相對(duì)側(cè)移的基坑在減少，最大相對(duì)側(cè)移的數(shù)值趨于中間值，其主要原因是由于當(dāng)前圍護(hù)墻體和支撐系統(tǒng)的相對(duì)剛度隨深度增大迅速增長(zhǎng)造成的。

　　(2)最大側(cè)移位置的埋深基本在開(kāi)挖面附近，隨著深度的增加，基坑最大側(cè)移位置有向上移動(dòng)的趨勢(shì)。

　　(3)抗隆起穩(wěn)定安全度的提高對(duì)于減小基坑的變形具有重要作用，應(yīng)該充分發(fā)揮抗隆起穩(wěn)定對(duì)減小基坑圍護(hù)墻體側(cè)移的作用，同時(shí)根據(jù)抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)可以預(yù)測(cè)基坑的變形。

　　(4)當(dāng)前在基坑深度增大的情況下，基坑的變形在超出當(dāng)前規(guī)范的控制標(biāo)準(zhǔn)的情況下亦可以保證基坑自身和周?chē)�環(huán)境的安全。

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(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)