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基坑隆起變形問題研究綜述
隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展,世界主要城市中的不同用途的地下空間得到了開發(fā)和利用,導致了大量的基礎(chǔ)工程,規(guī)模和深度不斷增加。尤其是作為現(xiàn)代化城市的重要標志,地鐵的安全和變形穩(wěn)定性直接關(guān)系到經(jīng)濟和人民生活。如果處理不當,就會造成重大災(zāi)害。例如,杭州地鐵地板斷裂和隧道開挖變形過大,導致大型明挖基底坍塌,深圳地鐵1號線坍塌等?;庸こ讨杏捎陂_挖卸荷,必然產(chǎn)生一定的隆起變形,其回彈量的大小是判斷基坑變形和穩(wěn)定的重要依據(jù),也是基坑工程設(shè)計與施工的主要控制指標.在基坑開挖之前及開挖過程中如何正確、有效地預測隆起變形并采取相應(yīng)的處理措施,在工程中已越來越受到重視.本文通過對基坑隆起變形產(chǎn)生的原因、抗隆起穩(wěn)定性、回彈量計算、基坑開挖的時空效應(yīng)及基坑工程穿越既有建筑物造成的隆起變形等進行分析,指出基坑隆起變形問題研究中存在的不足,并對今后有待于開展的工作進行探討.1土體上抬引起的變形基坑開挖基底土體的應(yīng)力將發(fā)生改變,其隆起變形一般認為主要是由以下幾個因素引起的:(a)土體開挖卸載產(chǎn)生的回彈變形;(b)基底以下部分支護墻體由于土壓力的作用向基坑方向變位擠推坑內(nèi)土體造成的隆起;(c)基坑底部由于軟弱層的存在,產(chǎn)生塑性流,形成不可逆的土體變形引起的位移;(d)地下水的浮力及滲流作用導致的土體上抬;(e)開挖過程中周邊既有建筑物累積應(yīng)力二次釋放引發(fā)的變形.此外,基坑回彈量的大小還與地質(zhì)條件、卸荷大小、基坑尺寸、暴露時間、挖土順序及機械設(shè)備等諸多因素有關(guān),對這些影響因素進行分析,將有助于對基坑隆起變形機理的進一步認識.2高海拔變形研究基坑開挖是一個綜合性的巖土工程難題,既涉及土力學中的典型強度與穩(wěn)定問題,又包含了變形問題.2.1抗起落架安全系數(shù)對基坑回彈的影響基坑工程的穩(wěn)定性研究通常包括整體穩(wěn)定性分析(圍護結(jié)構(gòu)抗傾穩(wěn)定性和踢腳穩(wěn)定性)和抗隆起穩(wěn)定性分析兩部分,后者對于保證基坑穩(wěn)定和控制基坑變形意義重大,一般用基坑抗隆起安全系數(shù)Fs來表示.國外很多學者基于圓弧滑動理論的極限分析法對Fs進行了研究.Bjerrum等曾對長條形、方形和長寬比為2的矩形基坑的隆起穩(wěn)定性展開分析,發(fā)現(xiàn)方形基坑的抗隆起安全系數(shù)Fs比H/B=1及B/L<0.1(H為基坑深度,B為基坑寬度,L為基坑長度)的條形基坑大21%,得到當抗隆起安全系數(shù)較大時,基坑回彈量較小,當抗隆起安全系數(shù)較小時,基坑回彈量較大的結(jié)論.Clough等則根據(jù)板樁墻圍護基坑的實測資料和有限元分析,研究了地面最大沉降、墻體最大水平位移與基坑抗隆起安全系數(shù)之間的相互關(guān)系.近年來,Cai等基于強度折減法,應(yīng)用有限元分析了圓形支護開挖基坑的抗隆起穩(wěn)定性,指出堅硬下臥層越靠近基底,以及支護結(jié)構(gòu)插入基底越深,圓形基坑穩(wěn)定性越好.隨后,Feheem等采用同樣的方法研究了矩形基坑開挖的基底穩(wěn)定狀態(tài),推導了幾種情況下基底抗隆起穩(wěn)定閉合解.國內(nèi)的研究則多是偏向于對大量工程實踐的總結(jié)分析,認為基坑抗隆起安全系數(shù)Fs的大小直接影響基坑的回彈量,而維護結(jié)構(gòu)的插入深度D和超載q的大小,是決定抗隆起安全系數(shù)Fs的2個主要方面.文獻通過模型試驗系統(tǒng),研究了插人深度D與基坑回彈量δ之間的關(guān)系:插人深度D越小,基坑的回彈量越大,且呈非線性關(guān)系;基坑周邊超載q越大,基坑的回彈量越大,同樣呈非線性關(guān)系.此外,王洪新等在文獻的基礎(chǔ)上,修正了圓弧滑動法的假設(shè),重新推導了圓弧滑動法的計算公式,研究了各公式對土層參數(shù)的敏感性,并通過數(shù)值模擬分析了Fs與基坑變形的關(guān)系,得到了一些對工程有指導意義的結(jié)論.2.2土的回彈模量基坑開挖過程中,必然引起坑內(nèi)一定范圍內(nèi)的土體回彈.Tergzaghi早在20世紀40年代就注意到小的開挖段產(chǎn)生的回彈量比大的開挖段要小的事實,50年代Bjerrum等給出了分析深基坑地板隆起的方法,60年代開始在奧斯陸和墨西哥城市軟黏土深基坑中使用儀器進行監(jiān)測,此后的大量實測資料提高了預測的準確性,并從70年代起產(chǎn)生了指導基坑開挖的法規(guī).我國20世紀70年代以前的基坑都比較淺,80年代后期廣東、北京、上海、天津、南京以及其他各大城市修建的深基坑工程陸續(xù)增加,在設(shè)計和施工中不斷積累經(jīng)驗,各種回彈量計算理論的研究也相繼得到了重視,出現(xiàn)了大量的計算公式[1,2,12,13,14,15,16,17,18].a.國家規(guī)范法:δ=ψcn∑i=1pcEci(ziˉai-zi-1ˉai-1)δ=ψc∑i=1npcEci(ziaˉi?zi?1aˉi?1)式中:δ——基底隆起量;ψc——回彈經(jīng)驗系數(shù),一般取1;pc——基底以上土的自重壓力,地下水位以下扣除水浮力;Eci——土的回彈模量.b.日本規(guī)范法:δ=∑ΗCr1+elg(ΡΝ+ΔΡΡΝ)δ=∑HCr1+elg(PN+ΔPPN)式中:Cr——回彈指數(shù);PN——原地層有效上覆荷重;ΔP——挖去的荷重;H——計算土層厚度;e——孔隙比.c.同濟經(jīng)驗法:δ=-29.17-0.167ρgΗ′+12.5(DΗ)-0.5+5.3ρgc-0.04(tanφ)-0.54δ=?29.17?0.167ρgH′+12.5(DH)?0.5+5.3ρgc?0.04(tanφ)?0.54式中:H——基坑開挖深度;P——地表超載;C,φ,ρ——土的黏聚力、內(nèi)摩擦角、密度;D——圍護結(jié)構(gòu)入土深度.d.殘余應(yīng)力法:δ=n∑i=1σ0(1-αi)Eihiδ=∑i=1nσ0(1?αi)Eihi式中:n——計算厚度的分層數(shù);σ0——總卸載應(yīng)力;Ei——第i層土的卸荷模量;hi——第i層土厚度;αi——第i層土殘余應(yīng)力系數(shù).e.簡易估算法:δ=∑(ΡmaxEr)iRiΗ0i式中:Pmax——初始上覆荷載;Er——回彈模量;R——卸荷比或卸荷水平;H0i——計算土層厚度.f.理論解析法:δ=1E[32ax2y2-8τ+ah3+4ph8hy2+qy+ν(a4y4+b2y2+cy)+12bx2+ν(a4x4-8τ+ah3+4ph8hx2)]-2(1+ν)E(a4x4-8τ+ah38hx2)+B式中:h——基坑寬度;τ——維護墻與接觸面土體的剪應(yīng)力;E——土體的壓縮模量;a,b,c,B——待定系數(shù);p——土體的殘余應(yīng)力集度;q——坑內(nèi)土體自重應(yīng)力;ν——泊松比.目前,GB50007—2002《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》認為,基坑的變形計算比較復雜,且不夠成熟,只是作為一般性的要求提出.工程實際中基坑回彈量計算應(yīng)用較多的是由劉國彬等提出的殘余應(yīng)力法,并有許多學者對其進行了驗證和改進.如劉國彬等在殘余應(yīng)力法的基礎(chǔ)上,考慮開挖面積、基坑暴露時間、圍護結(jié)構(gòu)插入深度、基坑開挖深度、超載等因素對回彈量的影響,提出了一種半經(jīng)驗、半理論的回彈量簡化計算方法;吉茂杰等從理論分析著手,研究了規(guī)則矩形基坑的開挖時間、空間對基底土體回彈的影響規(guī)律,對殘余應(yīng)力法中的卸荷模量進行了修正;徐方京等則在分析基坑隆起變形機理和大量現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,對公式中彈性參數(shù)E的選取進行了評估,指出E值的選取要考慮坑內(nèi)土體側(cè)向擠壓效應(yīng)及開挖后坑底土體超固結(jié)的影響,并給出了相應(yīng)的計算公式.2.3基坑變形時間效應(yīng)基坑開挖的時空效應(yīng)是指開挖過程中暴露部分的土體位移隨著自由暴露時間和空間的增大而增大的現(xiàn)象.時空效應(yīng)法是劉建航院士結(jié)合上海軟土深大基坑工程,參考新奧法隧道施工面時空效應(yīng)理論而提出的一種控制基坑變形的方法,其施工工藝已在實際工程中得到了成功的應(yīng)用并取得了顯著的經(jīng)濟效益.隨后,劉國彬等[15,21,22,23,24,25]對時空效應(yīng)法開展了進一步的研究,并在大量工程實踐的基礎(chǔ)上,指出以“分層、分塊、對稱、平衡、限時”為原則的時空效應(yīng)法施工,可明顯減小基坑沉降.在軟土基坑開挖中,適當減小每步開挖土方的空間尺寸,并減少每步開挖基坑的暴露時間,是考慮時空效應(yīng)、科學利用土體自身控制地層變形潛力、解決軟土深基坑穩(wěn)定和變形問題的基本對策.a.時間效應(yīng).基坑隆起變形時間效應(yīng)的研究多是通過彈性地基梁理論中的等效基床系數(shù)來反映.值得關(guān)注的是,已有學者應(yīng)用三維有限元計算方法,并通過對實測位移的反分析及所得數(shù)據(jù)曲線的回歸,給出了基床系數(shù)與時間的關(guān)系式:Κ=aΚ01(Ν+1)b式中:K——基床系數(shù);K0——初始基床系數(shù);N——暴露天數(shù);a,b——回歸系數(shù),分別為0.8425,0.5184.當然,還有許多其他創(chuàng)新性的研究成果,如賈付波等應(yīng)用三軸流變試驗儀,模擬基坑開挖時坑底土體的應(yīng)力路徑,對基坑隆起變形的時間效應(yīng)進行了卸載流變試驗,并提出用一個五元件模型對試驗結(jié)果進行模擬,取得了較為滿意的結(jié)果.b.空間效應(yīng).基坑空間效應(yīng)與開挖過程中坑內(nèi)土體的劃分形式及施工方式等密切相關(guān),它是利用土體結(jié)構(gòu)自身的抵抗力來限制土層變形、提高基坑穩(wěn)定性的一種有效方法.目前,已經(jīng)形成了分條開挖、分段開挖、分層開挖、盆式開挖、島式開挖等多種開挖方式.同時施工順序也得到了一定的優(yōu)化,如矩形基坑從兩邊到中間跳挖,角點部沿垂直于支撐方向向坑內(nèi)分步施工等.實際上,時間效應(yīng)和空間效應(yīng)是相互協(xié)同作用的,然而其協(xié)同作用原理目前尚不清楚,還有待于進一步的研究.工程應(yīng)用中一般按經(jīng)驗估算或以有限元法進行理論探討.3樁基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)開挖的技術(shù)隨著城市地下空間開發(fā)與利用的快速發(fā)展,基坑工程穿越既有建筑物的情況越來越多,且建設(shè)項目越來越向“深、大、近”方向發(fā)展,施工帶來的風險也越來越大.基坑施工時,既要保證既有建筑物的安全,又要確保工程本身的安全和進展順利,因此針對不同情況采取有效的措施顯得尤為重要.這一方面的技術(shù)主要有:樁基托換法、筏基托換法、樁梁托換法、樁板支護法、樁底注漿法、預先加固法、凍結(jié)法、綜合施工法等.需要強調(diào)的是,開挖過程中必須加強監(jiān)控量測和信息反饋,一旦出現(xiàn)異常情況,要及時調(diào)整設(shè)計參數(shù),并改進施工方法和施工工序.目前,對于該類問題的理論研究還遠遠落后于工程實踐,且計算分析仍多以彈性解和數(shù)值模擬為主.如由Mindlin經(jīng)典理論解出發(fā),推導出由基坑開挖引起的卸荷應(yīng)力,進而通過彈性地基梁理論給出既有建筑物回彈變形的定量計算方法;或通過對施工工況進行數(shù)值模擬,動態(tài)地分析施工過程中開挖卸荷對既有建筑物隆起變形的影響等.4關(guān)于基坑開挖的理論問題,主要有以下幾個由以上分析可見,對基坑工程中隆起變形的研究已經(jīng)取得了一定的進展,然而仍有許多問題尚沒有形成完善的理論,還需要進一步的探討.a.基坑回彈量的計算多是基于彈性理論的經(jīng)驗、半經(jīng)驗公式,且?guī)в幸欢ǖ膮^(qū)域局限性,如何建立起適應(yīng)不同區(qū)域土性變化的實用理論公式,是今后研究的重點.b.基坑維護結(jié)構(gòu)的插入深度、剛度等對基底回彈量的影響,目前只有少量的定性說明,尚沒有形成一套完整的理論公式來進行定量的計算.c.基坑開挖的時空效應(yīng)理論還不夠成熟,基坑開挖中所選擇的尺寸和層次,開挖后的無支撐暴露時間等均是根據(jù)經(jīng)驗取值,采取何種措施對考慮時空效應(yīng)的基坑開挖參數(shù)進行理論優(yōu)化,對于節(jié)約工程投資,增加基坑安全穩(wěn)定性意義重大.d.對基坑隆起變形的有限元計算和模擬尚不多見,且計算中大都應(yīng)用彈性或彈塑性模型,沒有考慮基坑土體的流變特性.e.基坑開挖對周邊環(huán)境的影響較為復雜,尤其是對基坑工程穿越既有建筑物隆起變形的研究理論還遠落后于工程實踐.如何通過理論分析、施工工藝和數(shù)值模擬相結(jié)合對既有建筑物的變形機理進行系統(tǒng)的分析,還有待于廣大巖土工作者的共同努力.5
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