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

1、時(shí)空效應(yīng)規(guī)律在軟土深基坑工程中的運(yùn)用作者：劉建航時(shí)間：2007-11-24 14:39:00 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(wèn)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(chǎng)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(cè)準(zhǔn)，而支護(hù)墻體的內(nèi)力和位移也就難以預(yù)測(cè)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)此問(wèn)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

2、帶有風(fēng)險(xiǎn)性。為求得工程安全和環(huán)境安全，在國(guó)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(guó)內(nèi)軟土地區(qū)，特別是上海地區(qū)近十年來(lái)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(kāi)挖及支撐過(guò)程中，每個(gè)分步開(kāi)挖的空間幾何尺寸和支護(hù)墻體開(kāi)挖部分的無(wú)支撐暴露時(shí)間，與周?chē)鷫w和土體位移有一定的相關(guān)性。這里反映出基坑開(kāi)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(kāi)挖過(guò)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(lái)完工的五個(gè)深基坑工程實(shí)踐所驗(yàn)證。 二、考

3、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(kāi)挖及支撐的施工工序和施工參數(shù)。 基坑開(kāi)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(kāi)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(cè)值，合理選定基坑開(kāi)挖及支撐的施工工序和施工參數(shù)是決定性因素。開(kāi)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(kāi)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(kāi)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)

4、中， 預(yù)測(cè)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(cè)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(kāi)挖后暴露時(shí)間的延長(zhǎng)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?chē)ㄖO(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(cè)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(kāi)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()，則考慮時(shí)空效應(yīng)的墻體位移值(

5、Shm)為:Shm=Se 方法二:粘彈性兩維有限元法:通過(guò)三軸剪切蠕變?cè)囼?yàn)和單剪蠕變?cè)囼?yàn)，建立土壤流變本構(gòu)模型,再按試驗(yàn)曲線、通過(guò)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(kāi)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(kāi)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(cè)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(guò)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

6、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(jiǎn)易，但無(wú)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(chē)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(jiàn): 三維分析可以得出基坑外側(cè)空間位移場(chǎng)，因而可全面了解和處理基坑開(kāi)挖引起的環(huán)境問(wèn)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(kāi)挖施工中，每步開(kāi)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(kāi)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(guó)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(shì)。但鋼支

7、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(kāi)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46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(zhǎng)30米)開(kāi)挖施工法，則預(yù)測(cè)地面沉降較大，難保坑側(cè)建筑安全，經(jīng)研究分析，采用了分小段(2米長(zhǎng))分層開(kāi)挖，加支撐予應(yīng)力的施工方法，嚴(yán)格控制每步開(kāi)挖和支撐的暴露空間和時(shí)間，取得顯著成效，地表沉降只12厘米，坑側(cè)建筑無(wú)開(kāi)裂。 總結(jié)了86年婁山關(guān)路工

8、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(chē)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(lái)，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38米,(如新世界商場(chǎng)、上海廣場(chǎng)、香港廣場(chǎng)(南坑、北坑)、遠(yuǎn)東廣場(chǎng)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(cè)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(wàn)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(mén)正積極編制各城市及全國(guó)的深基坑工程技術(shù)規(guī)程。在編制過(guò)程中,不少專家認(rèn)為:要接受過(guò)去幾年深基坑周?chē)貙右苿?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(wèn)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(wèn)題,一些專家認(rèn)為:在軟土地區(qū)解決此問(wèn)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