時(shí)空效應(yīng)規(guī)律在軟土深基坑工程中的運(yùn)用

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摘要：對(duì)軟土地層中的深基坑工程，要可靠地解決基坑穩(wěn)定和控制坑周土體位移問題，需要研究的不明確因素較多，其中一個(gè)難題是如何評(píng)估和處理軟土的流變性對(duì)支護(hù)墻體內(nèi)力和位移的影響。

關(guān)鍵詞：基坑 基礎(chǔ) 現(xiàn)場施工

　一、引言:

　　由于土體的各向異性、土工試驗(yàn)的技術(shù)局限性和施工因素的復(fù)雜性，在基坑施工中各工況下的不斷變化的流變參數(shù)難以測準(zhǔn)，而支護(hù)墻體的內(nèi)力和位移也就難以預(yù)測。目前國內(nèi)外對(duì)此問題尚缺少解決的理論和方法。因此在軟土地區(qū)的建筑物和市政公用設(shè)施密集的地區(qū)，要按控制土體位移保護(hù)環(huán)境的要求，進(jìn)行深基坑設(shè)計(jì)和施工，就帶有風(fēng)險(xiǎn)性。為求得工程安全和環(huán)境安全，在國內(nèi)外一些靠近重要建筑設(shè)施的軟土深基坑中，于基坑內(nèi)部進(jìn)行大量的地基加固以改善土壤性質(zhì)(如新加坡、臺(tái)北等工程實(shí)例)。從國內(nèi)軟土地區(qū)，特別是上海地區(qū)近十年來在深基坑的施工實(shí)踐和試驗(yàn)研究成果中，可以認(rèn)識(shí)到:在深基坑開挖及支撐過程中，每個(gè)分步開挖的空間幾何尺寸和支護(hù)墻體開挖部分的無支撐暴露時(shí)間，與周圍墻體和土體位移有一定的相關(guān)性。這里反映出基坑開挖中時(shí)空效應(yīng)的規(guī)律性。實(shí)踐證明:運(yùn)用時(shí)空效應(yīng)規(guī)律，能可靠而合理地利用土體自身在基坑開挖過程中控制土體位移的潛力而達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的，這是一條安全而經(jīng)濟(jì)的技術(shù)途徑，這已為上海近兩年來完工的五個(gè)深基坑工程實(shí)踐所驗(yàn)證。

　　二、考慮時(shí)空效應(yīng)的基坑工程設(shè)計(jì)及施工的技術(shù)要點(diǎn):

　　1、首先合理選定基坑開挖及支撐的施工工序和施工參數(shù)。

　　基坑開挖和支撐施工是決定基坑工程成敗優(yōu)劣的關(guān)鍵工序。為在基坑開挖中減少土體擾動(dòng)范圍，保持基坑穩(wěn)定，并使地層位移和差異位移符合預(yù)測值，合理選定基坑開挖及支撐的施工工序和施工參數(shù)是決定性因素。開挖和支撐的施工工序基本是按分層、分部、對(duì)稱、平衡的原則而制定的，最主要的施工參數(shù)是每層開挖中擋墻被動(dòng)區(qū)土體挖除后，擋墻未支撐前的自由暴露時(shí)間和暴露的寬度和深度。在大面積不規(guī)則形狀的高層建筑深基坑中，擋墻被動(dòng)區(qū)土體往往在開挖中被保留成為土堤狀，此土堤斷面尺寸亦按其能抵住擋墻的要求而定，亦為主要參數(shù)。

　　2、基坑設(shè)計(jì)中， 預(yù)測考慮土體流變性的圍護(hù)墻體位移和相應(yīng)的地層位移，并采取措施使之符合保護(hù)環(huán)境的要求。

　　從實(shí)測資料和理論分析中可知:

　　土體流變性時(shí)軟土深基坑變形的影響是明顯的，在同一工況下基坑的圍護(hù)墻體隨其在開挖后暴露時(shí)間的延長而增加，目前一般基坑圍護(hù)墻體變形計(jì)算均未計(jì)及流變因素，在基坑周圍建筑設(shè)施對(duì)地基位移很敏感時(shí)，特別在流變性較大的土層時(shí)，就必須準(zhǔn)確地采用如下計(jì)及土體流變性的計(jì)算法，并采取相應(yīng)的處理對(duì)策。

　　方法一，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法:

　　將工程實(shí)測的圍護(hù)墻體位移量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，取得在一定地質(zhì)條件和一定開挖支撐施工參數(shù)條件下，墻體位移與按彈性或彈塑性理論所計(jì)算的位移(Se)的比值(α)，則考慮時(shí)空效應(yīng)的墻體位移值(Shm)為:Shm=αSe

　　方法二:粘彈性兩維有限元法:通過三軸剪切蠕變試驗(yàn)和單剪蠕變試驗(yàn)，建立土壤流變本構(gòu)模型,再按試驗(yàn)曲線、通過非線性函性分析及其擬合程序的編制，確定本構(gòu)模型的參數(shù)，以用于粘彈性有限元計(jì)算方法。因土質(zhì)和施工因素的復(fù)雜性，土壤流變本構(gòu)模型參數(shù)，很難與實(shí)際相符。這就需要在基坑開挖的初始段，用信息反饋法調(diào)正土體流變參數(shù)，再用以推算下步開挖引起的坑周土層位移，并據(jù)此酌定下步控制變形的施工參數(shù)。由于基坑施工的監(jiān)測反饋信息是在一定時(shí)空效應(yīng)的施工條件下取得的，則按此推算的墻體位移實(shí)際上已考慮了三維效應(yīng)。

　　方法三，三維有限元法:

　　通過大量分析，二維分析由于未考慮空間約束作用，算得的位移一般比三維分析所得結(jié)果較大，計(jì)算結(jié)果偏于安全，計(jì)算工作簡易，但無法考慮平行于基坑擋墻的地下管道及隧道的縱向變形特征。

故結(jié)合上海地鐵1號(hào)線地下車站深基坑工程實(shí)踐，研究了深基坑三維有限元分析，從研究成果可見:

三維分析可以得出基坑外側(cè)空間位移場，因而可全面了解和處理基坑開挖引起的環(huán)境問題。

　　3、采取分步快挖、快撐和支撐予加軸力的施工工藝。

　　在軟土深基坑開挖施工中，每步開挖中圍護(hù)墻體的暴露空間和時(shí)間越小，則控制基坑變形的效果越大。因此加快開挖和支撐速度的施工工藝，是提高軟土深基坑工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果的重要環(huán)節(jié)。國內(nèi)外實(shí)踐已證明: 科學(xué)地采用予加軸力的鋼支撐，對(duì)保護(hù)環(huán)境、節(jié)約造價(jià)和縮短工期具有明顯優(yōu)勢。但鋼支撐的采用，要具備鋼支撐加工和安裝的技術(shù)條件，并需要一定經(jīng)驗(yàn)的施工隊(duì)伍。

　三、工程實(shí)踐的效果
　　

　　考慮時(shí)空效應(yīng)的深基坑開挖施工， 最早在1986年8月上海市婁山關(guān)路下水道深溝槽中試行，該條形深基坑寬3米，深7.5米，坑邊有6層居民樓距坑邊僅4～6米， 因坑邊有高壓電線等限制，很難進(jìn)行地基加固，由于所處的地層為流塑性淤泥質(zhì)粘土，有較大流變性，如采用一般分段分層(每段長30米)開挖施工法，則預(yù)測地面沉降較大，難?？觽?cè)建筑安全，經(jīng)研究分析，采用了分小段(2米長)分層開挖，加支撐予應(yīng)力的施工方法，嚴(yán)格控制每步開挖和支撐的暴露空間和時(shí)間，取得顯著成效，地表沉降只1—2厘米，坑側(cè)建筑無開裂。

　　總結(jié)了86年婁山關(guān)路工程經(jīng)驗(yàn)，至延安東路隧道浦西段的地下墻深大基坑工程及上海地鐵1號(hào)線的地鐵車站的條形深大基坑中，又步步提高，完善了考慮時(shí)空效應(yīng)的設(shè)計(jì)及施工方法，取得了更大的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。

　　近三年來，在上海地鐵1號(hào)線運(yùn)行后，數(shù)處高層建筑的大面積、不規(guī)則形的深大基坑，處在正運(yùn)行的地鐵隧道近側(cè)，相距僅3—8米,(如新世界商場、上海廣場、香港廣場(南坑、北坑)、遠(yuǎn)東廣場等五處深基坑)，由于運(yùn)用了考慮時(shí)空效應(yīng)的設(shè)計(jì)和施工方法，將坑周地層位移均限制在予測的15毫米以內(nèi)，保證了地鐵隧道安全，且節(jié)約了數(shù)百萬以上的工程造價(jià)。

　　四、進(jìn)一步研究的課題

　　鑒于當(dāng)前北京、上海、武漢、廣州、深圳、南京等大城市以及建設(shè)部有關(guān)部門正積極編制各城市及全國的深基坑工程技術(shù)規(guī)程。在編制過程中,不少專家認(rèn)為:要接受過去幾年深基坑周圍地層移動(dòng)引起鄰近建筑和設(shè)施破壞的教訓(xùn),在技術(shù)規(guī)程中要重視控制基坑變形問題。但控制基坑變形確是一個(gè)尚少經(jīng)驗(yàn)的工程技術(shù)問題,一些專家認(rèn)為:在軟土地區(qū)解決此問題中,運(yùn)用時(shí)空效應(yīng)規(guī)律,是一條安全、經(jīng)濟(jì)的技術(shù)途徑,為了將現(xiàn)有的初步經(jīng)驗(yàn),總結(jié)提高,形成能較大范圍應(yīng)用的工程技術(shù),上海地鐵總公司與同濟(jì)大學(xué)合作,結(jié)合上海及其它地區(qū)的工程實(shí)踐,研究如下課題:①、軟土地層中時(shí)空效應(yīng)理論的應(yīng)用研究,②、軟土深基坑被動(dòng)區(qū)地基加固的設(shè)計(jì)方法的研究,③、對(duì)影響軟土深基坑周圍地層移動(dòng)的主要施工因素的理論分析與改進(jìn)方法。