不同開挖工況下軟土基坑陽角壁變形及坑角效應(yīng)

趙乃志，陳桂鳳，高文韜，胡福苑

(揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

1 土拱理論

土拱效應(yīng)存在的第一個條件為介質(zhì)發(fā)生不均勻位移，只有在土體發(fā)生不均勻位移時才能發(fā)生，使得土體小主應(yīng)力跡線發(fā)生改變，到當(dāng)δ/φ=1 時，土體內(nèi)摩擦角越小形成的土拱應(yīng)力跡線越明顯；土拱效應(yīng)存在的第二個條件為有支撐土體的拱角存在，使作用于土拱及土拱上的壓力得到支撐。

2 工程概況

沈陽北站綜合交通樞紐改擴(kuò)建工程北廣場地下停車場位于沈陽北站北站房北側(cè)，黑龍江街西側(cè)，樂天世界商業(yè)地塊東南側(cè)，以下稱為IV區(qū)。IV區(qū)工程為地下兩層結(jié)構(gòu)，呈L型，地下1層為辦公及出租車蓄車場，地下2層為社會車停車場。IV區(qū)基坑中間部位東西向長約242 m，南北向?qū)捈s87 m，主體結(jié)構(gòu)埋深為13.05 m，覆土為1.5 m。基坑北側(cè)和西側(cè)緊鄰樂天世界基坑圍護(hù)樁，本工程結(jié)構(gòu)側(cè)墻距樂天基坑圍護(hù)樁最近距離為6.7 m；南側(cè)緊鄰國鐵北站房，其中本工程圍護(hù)樁距離北站房側(cè)墻最近的距離約為5.2 m；東側(cè)緊鄰黑龍江街。基坑總平面圖見圖1。

圖1 基坑總平面圖

3 水文地質(zhì)

本建筑場地I、II區(qū)穩(wěn)定水位深度為15.4～17.1 m，高程為28.80～30.39 m；IV區(qū)水位埋深為19.8～21.7 m，高程為23.49～26.03 m。地下水類型屬第四系孔隙潛水，標(biāo)準(zhǔn)凍深：沈陽地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)凍深為1.20 m。

由地質(zhì)報(bào)告提供的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)見表。

表1 各土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

4 施工步驟

本項(xiàng)研究選取了基坑的幾個典型位置布置了監(jiān)測元件，對土壓力的變化、水平位移、護(hù)坡樁測斜和錨桿應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，具體埋設(shè)布置見圖2。

圖2 基坑支護(hù)監(jiān)測布置示意圖

基坑北側(cè)(AB段)利用樂天圍護(hù)樁，西北側(cè)靠近樂天世界側(cè)(AIH段)和南側(cè)靠近國鐵北站房側(cè)(AB段)采用鉆孔灌注樁+一道鋼支撐(預(yù)留反壓土)作為支護(hù)方案；西南側(cè)(DEFGH段)采用鉆孔灌注樁+一道混凝土支撐方案；東側(cè)靠近黑龍江街處(BCD段)采用鉆孔灌注樁+三道錨索。

5 有支撐基坑的坑角效應(yīng)分析

1)土壓力檢測曲線。根據(jù)不同的基坑開挖階段繪制成圖3的土壓力變化曲線，從圖3曲線變化走勢能看出各土壓力盒所監(jiān)測到的土壓力總體隨時間變化幅度不大，施工進(jìn)行到后期土壓力曲線趨于平穩(wěn)，測定值在63.0 kPa左右，波動變化最大幅度不超過20%。在基坑開挖后期土壓力盒監(jiān)測到的土壓力數(shù)值基本沒產(chǎn)生變化。

圖3 土壓力檢測曲線

2)位移監(jiān)測曲線。圖5是有支撐陽角D壁頂部的水平位移變形曲線，由圖4可知，有支撐基坑的開挖也具有明顯的坑角效應(yīng)。該類型的基坑壁頂部水平位移變形規(guī)律為陽角處比陰角處大，沿基坑邊長的水平位移最大值位于陽角位置處，這和無支撐基坑的最大值位置不同，隨著墻之間相對位移的不斷增加以及基坑開挖臨空面原因，這是因?yàn)閮?nèi)支撐在改變基坑側(cè)向變形的同時，也在影響著基坑沿邊壁方向的位移，即導(dǎo)致了基坑坑角效應(yīng)的影響范圍及大小的重分布。

圖4 支護(hù)結(jié)構(gòu)深度方向變形曲線

由圖4可知，在陽角處比在陰角處大，小于基坑中部附近變形。頂部和底部位移小于中部，但相對于陰角處的位移還是很大。隨著基坑的開挖，樁土相互作用力的增大，土拱形成于兩樁之間，拱高約為樁間距的0.5倍，考慮土拱效應(yīng)的土壓力計(jì)算值與實(shí)測值較為相符，從微觀機(jī)理分析來看：由于土顆粒間存在摩擦力且有圍護(hù)樁的局部阻擋作用，使得土顆粒在一定范圍內(nèi)相互咬合，形成土拱，繼而使得土間應(yīng)力發(fā)生重分布。

3)坑角效應(yīng)影響系數(shù)變化規(guī)律。為了更準(zhǔn)確地表述坑角效應(yīng)的影響，本文定義了一個新的參數(shù)，基坑坑角效應(yīng)影響系數(shù)，即某一固定深度圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位置圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形與該深度處中部的變形的任意比值：

式中，δj為深度j位置圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形；δij為水平位置i深度j處維護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形；K為基坑坑角效應(yīng)影響系數(shù)。

當(dāng)在K≥1～∞時，表示該區(qū)域?yàn)榭咏切?yīng)的主要影響區(qū)域，當(dāng)1>K≥0.8時，表示該區(qū)域?yàn)榭咏切?yīng)的次要影響區(qū)，在K<0.8時，表示坑角效應(yīng)的影響很小可以忽略不計(jì)。

圖5為坑角效應(yīng)系數(shù)變化曲線圖 。

圖5 坑角效應(yīng)系數(shù)變化曲線

以EG半邊為研究對象，在距E處陽角48 m的距離內(nèi)陰角坑角效應(yīng)從0增加到0.88，即此時陰角坑角效應(yīng)的影響距離為3.4倍的基坑開挖深度，故可知FG和EG上陽角坑角效應(yīng)的主要影響距離為不同，而EG和FG半邊壁與對邊壁的距離不同，其余條件基本相同，可以得出結(jié)論：陽角坑角效應(yīng)的主要影響范圍還和與對邊的距離有關(guān)。

6 結(jié) 論

1)深基坑施工的過程中，土體發(fā)生不均勻位移，造成土體擠壓引起圍護(hù)樁變形形成土拱。圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)變形的分布具有明顯的坑角效應(yīng)，基坑坑角處圍護(hù)樁的變形較小，而在基坑中部達(dá)到最大值。

2)內(nèi)支撐可有效地抑制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，改變圍護(hù)墻體的變形規(guī)律。在同一深度處，基坑在陰角處變形很小，在陽角處比在陰角處大，小于基坑中部附近變形。

3)沿基坑邊長的水平位移最大值位于陽角位置處，陽角坑角效應(yīng)的主要影響范圍還和與對邊的距離有關(guān)。

[ID:009412]