軟土地區(qū)深基坑考慮時空效應(yīng)的變形特征分析

劉亞文　王　飛　彭更生　郭志明　梁進軍

(1.解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院　南京　210007；　2.南京重大路橋建設(shè)指揮部　南京　210000)

軟土地區(qū)深基坑考慮時空效應(yīng)的變形特征分析

劉亞文1王飛1彭更生2郭志明2梁進軍1

(1.解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院南京210007；2.南京重大路橋建設(shè)指揮部南京210000)

摘要軟土地區(qū)基坑開挖是一項復(fù)雜的工程，針對軟土流變性導(dǎo)致的“時空效應(yīng)”的特點，以南京青奧軸線地下交通系統(tǒng)J2區(qū)明挖區(qū)間基坑工程為實例，對現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行分析探討，采用等效水平抗力系數(shù)計算方法，并與實測數(shù)值進行對比分析，證實了在軟土地區(qū)基坑設(shè)計和施工中考慮時空效應(yīng)的必要性。

關(guān)鍵詞軟土深基坑時空效應(yīng)彈性桿系有限元法

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展,大量的深基坑工程出現(xiàn)在城市建設(shè)中。由于基坑開挖支護問題比較復(fù)雜，目前我國在基坑設(shè)計中大多考慮土體彈性變形，很少考慮塑性變形。至于“時空效應(yīng)”產(chǎn)生的影響，在實際工程中也從未考慮[1]，致使設(shè)計計算值同現(xiàn)場實測值之間相差較大，可信度大大降低。特別對于處于軟土地區(qū)的基坑，土體的流變性致使基坑開挖的“時空效應(yīng)”更加明顯。

本文根據(jù)劉建航[2]針對上海軟土流變特性提出的“時空效應(yīng)”理論，以南京青奧軸線地下交通系統(tǒng)J2區(qū)明挖區(qū)間基坑工程為實例，研究了基坑的變形特征和變化規(guī)律。并與現(xiàn)場實測數(shù)值進行對比分析，證實了在軟土地區(qū)基坑設(shè)計和施工中

考慮時空效應(yīng)的必要性。

1工程概述

南京青奧軸線地下交通系統(tǒng)J2區(qū)YK10+615~YK10+710里程段基坑長約95 m，施工方法為明挖順作法，采用直徑800 mm地連墻作為開挖時的支護結(jié)構(gòu)。基坑跨度約45 m，開挖深度為14.0～15.3 m，地連墻深27.5 m。本里程段位于長江夾江東南岸，屬長江古河道漫灘地貌區(qū)，地層以灰褐色粉質(zhì)黏土、粉土及淤泥質(zhì)土為主。基坑等級為一級，沿基坑深度方向設(shè)4道支撐，第一道為鋼筋混凝土支撐，其余均為直徑609 mm鋼管支撐。各土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1　各土層物理參數(shù)表

本基坑周圍環(huán)境復(fù)雜，維護結(jié)構(gòu)要確保施工期安全可靠，控制其沉降和變形，防止對周圍環(huán)境產(chǎn)生不利影響。基坑變形要求：地下墻最大變形≤0.28%H，周邊地面最大沉降≤0.18%H(H為基坑深度)。

2圍護結(jié)構(gòu)變形實測數(shù)據(jù)分析

為研究土體水平位移場，現(xiàn)以J2區(qū)CX14的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)來作為研究軟土地區(qū)基坑考慮“時空效應(yīng)”影響的變形特征依據(jù)。本文監(jiān)測范圍內(nèi)實際施工工況時間跨度為10月26日至12月1日。CX14與地連墻的距離較近，因此可以用該點的測斜數(shù)據(jù)作為地連墻的水平變形值。

圖1為CX14測點在不同工況下的測斜變形曲線。與常見多道支撐圍護結(jié)構(gòu)的整體變形呈“兩頭小，中間大”狀的變形規(guī)律吻合[3]；且圍護結(jié)構(gòu)變形與基坑開挖深度呈正相關(guān)；此外，基坑變形與開挖的暴露時間也有關(guān)系,暴露時間越長，變形增長量越大。圖2為CX14最大水平位移與時間的關(guān)系圖。從圖可知由于土體開挖緊接著混凝土支撐澆筑完成后進行，因此首道鋼支撐架設(shè)至混凝土支撐之間時間間隔僅有1周，無支撐暴露時間不長，因此變形較小，從10月26日的0.54 mm變化到11月3日的7.96 mm。而至第二道支撐相隔時間將近2周，變形最為明顯。變形由7.96 mm增長到29.32 mm。最后一道鋼支撐的架設(shè)以及底板墊層施工與第二道鋼支撐之間的時間間隔短，變形相對穩(wěn)定，其變形速率小于1 mm/d。因此，基坑開挖時間跨度大和架設(shè)支撐不及時、軟土的流變特性以及開挖土對被動區(qū)土體擾動等均會對地連墻變形產(chǎn)生重要影響。這充分論證了軟土地區(qū)基坑開挖時考慮時空效應(yīng)的必要性。

圖1不同工況下的測斜變形曲線

圖2　最大水平位移與時間的關(guān)系圖

3應(yīng)用時空效應(yīng)原理的工程實踐

3.1　時空效應(yīng)原理

對于長條形基坑支護結(jié)構(gòu)和內(nèi)力計算的計算模型及相關(guān)參數(shù)的選取，目前我國仍采用圖3所示的彈性桿系有限元計算模型，也未考慮“時空效應(yīng)”的影響，致使設(shè)計計算值同實測值之間誤差較大，可信度大大降低。劉建航等人[4]基于對不同地質(zhì)、支護和施工條件下的大量有關(guān)基坑變形觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、論證后，推導(dǎo)得出可以反映與各施工參數(shù)和土體參數(shù)的相關(guān)性的數(shù)學(xué)表達式。將等效基床系數(shù)應(yīng)用到實際工程中，在實質(zhì)上考慮了軟土流變性和基坑開挖及支撐施工中“時空效應(yīng)”對實際工程的影響。

圖3彈性桿系有限元計算模型

土體的水平基床系數(shù)影響因素有：基坑的開挖空間、時間、深度、加固條件、地質(zhì)條件、支護條件等。因此可將其視為影響因素的函數(shù)。現(xiàn)采用等效水平基床系數(shù)，以綜合反映土體抵抗變形的能力。文獻[5]根據(jù)對大量的試驗數(shù)據(jù)的研究和總結(jié)，提出了能綜合考慮土體的各種應(yīng)力狀態(tài)，以及時空效應(yīng)等各種復(fù)雜因素影響的半理論、半經(jīng)驗的等效水平基床系數(shù)Khi計算公式。不同土層、工況條件下Khi的計算公式如下。

式中：Tj為每步基坑開挖無支撐暴露時間；Bj為每步基坑開挖土體沿擋墻方向的尺寸；γi為第i層土的天然容重；φi為第i層土的內(nèi)摩擦角；ci為第i層土的粘聚力；φcq為要計算點hi處的強度指標；hi為要計算點所處深度；hj為當前開挖面所處的深度；γ′為第i層土的浮容重。

3.2　墻后土壓力的變化規(guī)律

由土壓力變化與墻體位移關(guān)系(見圖4)可知：在軟土地區(qū)，受到流變的影響，主動土壓力隨著支護結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)位移不斷增大而下降。實測資料表明[5]：墻后主動土壓力分布接近梯形,因此按面積相等的原則將其等價成梯形。在實際計算中，可令施工工況對土壓力不產(chǎn)生影響，而將時空效應(yīng)對其影響統(tǒng)一考慮到Khi中去。

圖4　土壓力與墻體位移關(guān)系曲線

3.3　工程實例計算分析

計算采用彈性桿系有限元法，允許圍護結(jié)構(gòu)有一定的初始位移產(chǎn)生，開挖過程中遵循“先撐后挖、分層開挖”的原則。第一工況為開挖至第1道鋼支撐下0.5 m且完成第1道鋼支撐，即開挖至-5 m處(前期已完成混凝土支撐澆筑)；第二工況為開挖至第2道鋼支撐下0.5 m且完成第2道鋼支撐，即開挖至-8.5 m處；第三工況為開挖至第三3道鋼支撐下0.5 m且完成第3道鋼支撐，即開挖至-12 m處。第四工況為開挖至坑底，即開挖至-14.2 m處。各工況水平位移計算結(jié)果和工程監(jiān)測數(shù)值見圖5。

圖5　理論計算值與監(jiān)測值的對比

第一工況，開挖至-5 m時，監(jiān)測和計算的最大位移分別為7.96 mm和7.80 mm，產(chǎn)生的位置分別為-6 m和-11 m。計算值總體大于現(xiàn)場監(jiān)測值，根據(jù)施工工況報告，開挖前對開挖段坑內(nèi)土體進行地基加固處理。根據(jù)文獻[6]，地基加固對水平基床系數(shù)有顯著影響；當其他因素相同時，等效水平基床系數(shù)隨著地基加固的強度的增加而呈線性增加。

第二到第四工況，監(jiān)測值與實測值基本吻合。表明在軟土地區(qū)運用考慮時空效應(yīng)的計算模型和參數(shù)項目的合理性和可行性，其可以較好地反映基坑開挖過程中圍護結(jié)構(gòu)變形的基本規(guī)律，同時說明了在設(shè)計和施工中合理地考慮時空效應(yīng)的影響，就能選取科學(xué)而又符合實際的施工工序和施工參數(shù)。科學(xué)的規(guī)劃施工，可以得到坑周土體應(yīng)力路徑和應(yīng)力狀態(tài)的變化規(guī)律。從而使設(shè)計計算值同實測值之間更加接近。

4結(jié)論

(1) 本文基于南京地區(qū)基坑施工現(xiàn)場監(jiān)測的數(shù)據(jù)，采用彈性桿系有限元計算模型并考慮了時空效應(yīng)的影響，對基坑變形進行了計算，計算值和實測值吻合較好，希望對類似軟土地區(qū)的基坑工程提供有益的借鑒。

(2) 在軟土地區(qū)進行基坑的設(shè)計和施工時，除了依據(jù)地基參數(shù)、支護結(jié)構(gòu)參數(shù)以外，基坑開挖的時空效應(yīng)必須納入分析的范疇。

(3) 開挖至-5 m時，由于地基加固的影響，導(dǎo)致計算值總體大于現(xiàn)場監(jiān)測值。地基加固對等效水平基床系數(shù)影響有待進一步研究。

參考文獻

[1]姜彥彥,姜建平,紀宏.隧道開挖面空間效應(yīng)特征研究及應(yīng)用[J].交通科技,2014 (1):44-47.

[2]劉建航.軟土基坑工程中時空效應(yīng)理論與實踐[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,1998 (18):763-770.

[3]劉燕,劉濤,胡承軍,等.上海地鐵M8線某車站基坑開挖變形特征分析[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2005,33(5):547-550.

[4]劉建航,劉國彬,范益群.軟土基坑工程中時空效應(yīng)理論與實踐[J].地下工程與隧道,1999(3):7-12；1999(4)：10-14.

[5]范益群,孫巍,劉國彬,等.軟土深基坑考慮時空效應(yīng)的空間計算分析[J].地下工程與隧道,1999(2):2-8.

[6]劉國彬,黃院雄,侯學(xué)淵,等.考慮時空效應(yīng)的等效土體水平抗力系數(shù)的取值研究[J].巖土工程學(xué)報,2001(3):97-102.

收稿日期：2015-05-22

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.05.022