深基坑逆作法開挖位移變形及力學(xué)性狀驗算 方法的選擇與應(yīng)用

1、深基坑逆作法開挖位移變形及力學(xué)性狀驗算方法的選擇與應(yīng) 用摘要：本文通過著重介紹深基坑逆作法開挖的設(shè)計施工原理，詳細(xì)介紹其位移 變形及土壓力復(fù)核驗算方法的選擇與實施，結(jié)合工程案例復(fù)核驗算成果內(nèi)容介紹， 為今后同類工程提供借鑒和參考。關(guān)鍵詞：深基坑；逆作法；開挖；驗算；方法正文隨著我國城市現(xiàn)代化建設(shè)水平的不斷提高，大型建筑越來越多，建筑規(guī)模越來越大。深 基坑逐漸向大深度、大面積方向發(fā)展。近些年，由于基坑開挖深度逐漸加大，加上深基坑開 挖支護(hù)技術(shù)不成熟等原因，導(dǎo)致了我國深基坑工程出現(xiàn)過一些事故，由此造成的經(jīng)濟(jì)損失很 大。深基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞，分析其原因主要涉及兩方面的問題，一是深基坑支護(hù)體系 本

2、身失穩(wěn)，二是深基坑開挖引起周圍環(huán)境顯著變化，使周圍建筑設(shè)施產(chǎn)生開裂，甚至破壞 【1】。本文通過著重介紹深基坑逆作法開挖的設(shè)計施工原理，詳細(xì)介紹其位移變形及土壓 力復(fù)核驗算方法的選擇與實施，為今后同類工程設(shè)計與施工提供借鑒和參考。1深基坑逆作法開挖概述1.1順作法與逆作法的比較傳統(tǒng)的深基坑開挖方法是開敞式，即大開口放坡開挖，或先用支護(hù)結(jié)構(gòu)圍護(hù)后垂直開挖， 挖至設(shè)計標(biāo)高后澆筑鋼筋混凝土底板，再由下而上逐層施工，待地下結(jié)構(gòu)完成后再進(jìn)行地上 結(jié)構(gòu)施工，這種施工方法稱為順作法施工。順作法施工存在一些優(yōu)點，如設(shè)計和施工經(jīng)驗豐 富等。但是，隨著建筑設(shè)計和施工技術(shù)的發(fā)展，順作法開挖帶來的一些問題也越來越引起各

3、 方的重視。首先，在帶有多層地下室的深基坑開挖中，采用順作法開挖的地下結(jié)構(gòu)施工工期 長，許多高層建筑地下結(jié)構(gòu)施工工期占總工期的四分之一甚至三分之一，支護(hù)費用也比較高； 其次，圍護(hù)結(jié)構(gòu)在整個施工過程中只作為臨時結(jié)構(gòu)，為地下結(jié)構(gòu)施工提供安全保證，待地下 結(jié)構(gòu)施工完成，其作用隨之消失，而為此發(fā)生的圍護(hù)費用卻是相當(dāng)巨大的。另一方面，在繁 華商業(yè)街下面修建地鐵車站，或業(yè)主要求盡可能短的時間竣工的大廈，順作法開挖也難以滿 足地面交通與商業(yè)的要求3。逆作法開挖能夠很好地解決基坑周期長，對周圍環(huán)境影響大，支護(hù)費用高的現(xiàn)狀，為一 種十分有生命力的深基坑開挖方法。深基坑支護(hù)采用逆作法時，地面以下各層是自上而下施

4、工，借助于地下結(jié)構(gòu)自身的能力對基坑產(chǎn)生支護(hù)作用，來保證基坑土方開挖，利用地下各層 鋼筋混凝土樓板的水平剛度和抗壓強(qiáng)度，使各層樓板成為基坑圍護(hù)樁墻的水平支撐，并利用 基坑外不同方向的土壓力包括被動土壓力的自相平衡來抵消對坑壁圍護(hù)樁墻的不利影響。在 施工時采用由上而下的逆作法一般先施工層板，再開挖樓板下面的土方，水平層板開挖時作 為水平支撐，同時還作為地下結(jié)構(gòu)層板。1.2逆作法開挖工程復(fù)核驗算的必要性深基坑逆作法開挖本身也存在許多亟待解決的問題，如施工過程中的差異沉降，地下室 施工階段上部結(jié)構(gòu)能否施工或施工到幾層，相鄰立柱樁差異沉降值達(dá)多少比較危險，以及施 工開挖過程中土體的短期穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)

5、控制等問題。而針對逆作法深基坑開挖中如何 進(jìn)行準(zhǔn)確計算，如何分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移、結(jié)構(gòu)板水平應(yīng)力等問題是很重要的，只有對深基坑逆作開挖進(jìn)行很好的分析，才能夠有效保證基坑開挖和地下結(jié)構(gòu)施工能安全、順利進(jìn)行，并 在基坑和地下結(jié)構(gòu)施工期間不對鄰近的建筑物、市政設(shè)施等產(chǎn)生危害。圍護(hù)結(jié)構(gòu)必須在強(qiáng)度、 穩(wěn)定性和變形等方面都滿足要求，如沒有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，擋墻會破壞，支撐會壓曲， 坑底會產(chǎn)生坑底隆起或管涌，亦會危及周圍環(huán)境。因此，通過位移變形及土壓力計算分析， 進(jìn)行深基坑工程逆作法性狀分析具有十分重要的意義【2】。2復(fù)核驗算典型工程案例實施步驟基于某沿海城市交通樞紐工程，采用有限元數(shù)值分析軟件，針對該地區(qū)特

6、有的工程地質(zhì) 特點，對該深基坑工程逆作法開挖與支護(hù)進(jìn)行全過程的模擬分析，著重分析其不同開挖階段， 不同開挖深度對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，并將計算結(jié)果與工程實測資料進(jìn)行了對比。針對工程實 際的需要和目前對基坑逆作法的研究現(xiàn)狀，本文作了以下幾個方面的關(guān)鍵實施步驟總結(jié)：（1）對監(jiān)測資料的整理分析：盡可能多地收集交通樞紐深基坑工程的相關(guān)資料，包括地質(zhì)報告、設(shè)計和施工圖、施工 方案、監(jiān)測報告等，將資料進(jìn)行整理分析，繪制出不同工況下的各數(shù)值變化曲線，以便于和 模擬計算結(jié)果進(jìn)行對比分析。（2）深基坑開挖過程有限元模擬：采用有限元分析軟件，按照實際的基坑斷面結(jié)構(gòu)建立有限元深基坑模型，采用合理的為 土體材料笨狗模型，

7、根據(jù)實際工程中逆作法開挖步驟進(jìn)行有限元模型工況設(shè)置。其中對地下 連續(xù)墻側(cè)向變形，土壓力等重要數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。建模過程中，根據(jù)已知的基坑材料性質(zhì)，設(shè)定材料單元和參數(shù)，考慮基坑開挖過程中降 水引起的水位變化以及對支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，站臺荷載值增加等實際因素，重點分析基坑側(cè)向 變形的有限元值和監(jiān)測值，進(jìn)而分析地連墻隨基坑開挖的進(jìn)行而產(chǎn)生的影響。（3）土壓力計算分析：在大型深基坑開挖過程中，能準(zhǔn)確估計土壓力對于確保支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，工程的順利施 工具有十分重要的意義。基坑中的地下水對于土壓力有很大的影響，常用的計算方法有水土 分算和水土合算，分析中將對這兩種計算進(jìn)行比較。本文以交通樞紐基坑工程的設(shè)計施工資 料

8、為依托，對監(jiān)測資料，規(guī)范方法計算，有限元計算得出的土壓力結(jié)果進(jìn)行對比分析，總結(jié) 深基坑逆作開挖中土壓力的分布規(guī)律和特點。（4）計算結(jié)果對比分析通過監(jiān)測資料與數(shù)值模擬計算結(jié)果的對比，分析基坑開挖支護(hù)過程中內(nèi)力、變形等性狀， 得到有益于深基坑逆作法開挖施工的結(jié)論和規(guī)律，為工程實際施工提供數(shù)據(jù)支持以確?；?穩(wěn)定以及危險情況預(yù)警。3位移變形及土壓力計算的關(guān)鍵一本構(gòu)模型3.1本構(gòu)關(guān)系本構(gòu)關(guān)系是指材料的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系?；⒖硕墒亲罨疽彩亲詈唵蔚囊环N本構(gòu)關(guān)系， 土力學(xué)中常用的計算地基應(yīng)力和地面沉降的公式，都依據(jù)了這一假定，然而，土是散粒體， 其本構(gòu)關(guān)系比其它材料復(fù)雜得多。有許多儀器可以用來進(jìn)行土體的應(yīng)力

9、一應(yīng)變關(guān)系試驗，如 壓縮儀，普通三軸儀，平面應(yīng)變儀、扭剪儀、真三軸儀等，但試驗有一定的局限性，試驗總 是在某種簡化條件下進(jìn)行的，即使真三軸儀能考慮三維受力狀態(tài)，試驗也只能按某種應(yīng)力狀 態(tài)、某種加荷方式進(jìn)行，也存在選擇，固結(jié)方式和程序等差別很難達(dá)到一致。在深基坑開挖 的實際問題中，土體各點的應(yīng)力狀況、變形歷史，是千變?nèi)f化的，無法在試驗中模擬所有這 些變化，因此有必要在試驗的基礎(chǔ)上提出某種數(shù)學(xué)模型，這種數(shù)學(xué)模型稱為本構(gòu)模型。3.2本構(gòu)模型本構(gòu)模型是用數(shù)學(xué)手段來體現(xiàn)試驗中所發(fā)現(xiàn)的土體變形特性，土體的變形特性是建立本 構(gòu)模型的根據(jù)，也是檢驗本構(gòu)模型理論的客觀標(biāo)準(zhǔn)。因此，在討論土體本構(gòu)模型之前，討論 土

10、體變形特性是很有必要的。概括起來，土體變形主要有以下幾個特性：1、土體變形有十分明顯的非線性特性；2、土體不僅有顯著的塑性體積變形，而且剪應(yīng)力會引起塑性體積變形，即剪脹性；3、土體的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線有硬化和軟化兩種型式。所謂硬化就是變形隨應(yīng)力而不斷 增加；所謂軟化就是應(yīng)力一應(yīng)變曲線存在著峰值，過了峪值以后，應(yīng)力雖然減小，變形仍在 增加。例如松砂和正常固結(jié)粘土呈硬化型，而緊密砂土和超固結(jié)粘土則呈軟化型；4、應(yīng)力路徑、應(yīng)力歷史、主應(yīng)力和固結(jié)壓力等，對變形均有顯著影響；5、土體的變形是各向異性的，不僅存在原生的由土體結(jié)構(gòu)的各向異性所帶來的變形各 向異性，而且對于結(jié)構(gòu)上各向同性的重塑土，在各向受力不

11、同時，也會產(chǎn)生新的變形各向異 性。以上從五個方面概括了土體變形的基本特性，影響土體變形的因素還有很多，如土的種 類、結(jié)構(gòu)等。土體的變形規(guī)律十分復(fù)雜，要在本構(gòu)關(guān)系模型中全部反映這些特性是也是不必 要的，應(yīng)該抓住影響變形的主要特性去建立本構(gòu)模型。在基坑開挖的研究中，建立反映土體 變形特性的本構(gòu)關(guān)系是至關(guān)重要的。4復(fù)核驗算實施案例情況總結(jié)本文基于某沿海城市逆作法開挖工程實施案例，在逆作開挖有限元模型的基礎(chǔ)上，建立 順作法開挖基坑模型，進(jìn)行兩種基坑開挖方式的變形性狀對比，得到：1、同一深基坑，在開挖不是太深時，雖然逆作變形小于順作，但兩者之間差別不大， 但在基坑開挖較深以后，逆作開挖仍然能夠保證結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性，但順作基坑變形明顯增 加，穩(wěn)定性低于逆作。2、對于開挖不是很深的基坑而言，從項目工程造價、施工進(jìn)度和難度等各方面綜合考 慮，采用順作開挖比較好；對于開挖相對較深的大型基坑而言，綜合考慮各方面因素，采用 逆作施工可能更加合適。3、較深大型基坑如采用順作施工應(yīng)加