基坑工程變形控制的關(guān)鍵

基坑工程變形控制的關(guān)鍵

1基坑變形控制隨著上海發(fā)改委的快速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模和挖掘深度變得越來越大。此外，城市建筑密集，管道數(shù)量眾多，地鐵站密集，隧道區(qū)的環(huán)境條件越來越復(fù)雜。在這種情況下,基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)除滿足自身強(qiáng)度要求外,還須滿足變形要求,將基坑周邊土體的變形控制在允許范圍之內(nèi),保證基坑周圍的建(構(gòu))筑物的正常使用要求,是基坑工程設(shè)計(jì)和施工需重點(diǎn)關(guān)注的問題。復(fù)雜條件下的基坑工程設(shè)計(jì)已由傳統(tǒng)的強(qiáng)度控制轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃慰刂?變形控制的關(guān)鍵是確定合理的基坑變形控制指標(biāo)。上海地區(qū)的《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(DGJ08—11—1999)和《上海地鐵基坑工程施工規(guī)程》(SZ—08—2000)分別就其定義的安全等級(jí)和基坑等級(jí)提出了不同的變形控制指標(biāo),但上海地區(qū)大量的基坑工程實(shí)踐表明這兩個(gè)規(guī)范提出的部分變形控制指標(biāo)偏嚴(yán),且缺乏足夠的依據(jù),因此有必要就深基坑的變形控制指標(biāo)作更深入的研究。本文提出了根據(jù)基坑周圍環(huán)境對(duì)附加變形的承受能力和根據(jù)大量基坑工程的統(tǒng)計(jì)資料確定上海地區(qū)深基坑變形控制指標(biāo)的兩種方法。2地下管線關(guān)于附加變形受基坑周圍環(huán)境一般包括建筑物、構(gòu)筑物(如地鐵隧道等)及地下管線,關(guān)于構(gòu)筑物(如地鐵隧道等)及地下管線對(duì)附加變形的承受能力的研究很少,因此這里僅對(duì)基坑周圍建筑物對(duì)附件變形的承受能力進(jìn)行分析,然后據(jù)之提出確定基坑變形控制指標(biāo)的方法。2.1建筑物的額外變形能力2.1.1結(jié)構(gòu)上抬值的計(jì)算Burland和Wroth給出了建筑物各種變形變量的定義,并得到了相關(guān)研究的廣泛認(rèn)可。圖1給出了這些變形參數(shù)的示意圖,其定義如下:(1)沉降,圖1(a)中的ρi為第i點(diǎn)向下的位移,即沉降值,而ρhi為第i點(diǎn)向上的位移,即上抬值;(2)差異沉降,圖1(a)中的δij為第i點(diǎn)和第j點(diǎn)之間的差異沉降;(3)轉(zhuǎn)角,圖1(a)中轉(zhuǎn)角θ為第i點(diǎn)和第j點(diǎn)之間的差異沉降δij與這兩點(diǎn)之間的距離Lij的比值,用來描述沉降曲線的坡度;(4)剛體轉(zhuǎn)動(dòng)量,圖1(b)中整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛體轉(zhuǎn)動(dòng)量用ω表示,建筑物發(fā)生剛體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)并不會(huì)引起建筑物構(gòu)件的扭曲變形,因此建筑物的梁、柱、墻及基礎(chǔ)等不會(huì)發(fā)生開裂破壞;(5)角變量,圖1(b)所示角變量β為圖1(a)所示的轉(zhuǎn)角θ與剛體轉(zhuǎn)動(dòng)量ω的差值,它用來衡量由剪切引起的變形;(5)水平位移,圖1(c)所示的ρli為第i點(diǎn)的水平位移;(6)水平應(yīng)變,水平應(yīng)變?chǔ)舕為第i點(diǎn)和第j點(diǎn)之間的水平位移之差與這兩點(diǎn)之間距離的比值,它是第i點(diǎn)和第j點(diǎn)之間的一個(gè)平均應(yīng)變。2.1.2沉降與角變量的關(guān)系分析建筑物對(duì)附加變形的承受能力有必要先了解建筑物在自重作用下的容許變形量。由于影響因素繁多,使得建筑物因沉降而受損的機(jī)理非常復(fù)雜,也就難以采用理論分析的方法來求得建筑物的容許沉降量。因此,目前關(guān)于建筑物容許沉降量的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)都是建立在已有建筑物現(xiàn)場(chǎng)沉降及損壞現(xiàn)象觀測(cè)的基礎(chǔ)上。建筑物在自重作用下主要產(chǎn)生沉降,其水平向位移很小而可以忽略,因此這種情況下建筑物的破壞主要與角變量相關(guān)聯(lián)。Bjerrum在前人研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合自己的有關(guān)觀測(cè)資料,總結(jié)了建筑物損壞與角變量之間的關(guān)系如表1所示。后來的一些學(xué)者如Burland和Wroth、Boscardin和Cording等也陸續(xù)進(jìn)行了建筑物容許沉降量的研究,但所得到的結(jié)果基本與表1所建議的值相差不大。表1適用于坐落于任何土層的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)和磚混結(jié)構(gòu),也適合于獨(dú)立基礎(chǔ)或筏板基礎(chǔ)的建筑物。除了用角變量外,還可以用差異沉降量和總沉降量來表示建筑物的容許沉降量,且差異沉降量和總沉降量更加直觀,更易為工程師接受。表2為歐章煜等根據(jù)前人的有關(guān)研究及臺(tái)灣地區(qū)和日本的有關(guān)規(guī)范給出的建筑物的容許總沉降量和差異沉降量的建議值。需指出的是,表中的數(shù)值主要是根據(jù)鋼筋混凝土建筑不發(fā)生非結(jié)構(gòu)性破壞(根據(jù)表1,角變量小于1/300)且跨距為6m左右時(shí)的容許沉降量,當(dāng)跨距與6m相差較大時(shí)不適合采用表中的數(shù)值來評(píng)估建筑物的容許沉降量。2.1.3從基坑開挖的總沉降量的確定由于基坑開挖前建筑物在自量的作用下已經(jīng)發(fā)生了變形,因此基坑開挖后建筑物還能承受多少附加變形是一個(gè)非常復(fù)雜的問題。理論上,建筑物的容許沉降量為一定量,開挖前建筑物在自重的作用下既然已經(jīng)發(fā)生沉降,則在基坑開挖階段建筑物所能容許的沉降量應(yīng)該更小。部分專家和學(xué)者認(rèn)為,建筑物在建造后雖然會(huì)在自重作用下發(fā)生沉降,但沉降之后建筑物的構(gòu)件在長(zhǎng)期的應(yīng)力作用下,會(huì)逐漸調(diào)整其受力能力,以致其容許沉降量不會(huì)太小,其容許的附加沉降量可能仍然接近于在自重作用下的容許沉降量。歐章煜指出,雖然開挖引起的建筑物沉降所造成的損害與建筑物本身自重對(duì)建筑物所造成的損害機(jī)理不同,但仍可以采用表1規(guī)定的數(shù)值作為基坑開挖引起的容許附加沉降量;并認(rèn)為對(duì)于坐落于任何土層中的獨(dú)立基礎(chǔ)或筏板基礎(chǔ)的鋼筋混凝土建筑物,由基坑開挖引致的容許附加總沉降量和差異沉降量可直接參考表2中日本建筑學(xué)會(huì)關(guān)于砂土層的規(guī)定。臺(tái)北捷運(yùn)局根據(jù)有關(guān)學(xué)者的研究成果并結(jié)合臺(tái)北捷運(yùn)工程施工的大量經(jīng)驗(yàn)建議開挖引起的容許沉降量如表3所示。收集了上海地區(qū)13棟鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)受基坑開挖影響的資料,結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)建筑物總沉降量為60mm以上時(shí),建筑物出現(xiàn)了不同程度的損壞;收集了上海地區(qū)27棟磚混結(jié)構(gòu)受基坑開挖影響的資料,結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)建筑物總沉降量為40mm以上時(shí),絕大部分建筑物出現(xiàn)了不同程度的損壞,這也可以作為軟土地區(qū)由開挖引起的建筑物容許附加沉降量的一個(gè)參考。Boscardin和Cording的研究表明,開挖引起的側(cè)向變形會(huì)減小建筑物豎直向的容許沉降量,并給出了如圖2所示的建筑物安全評(píng)估圖。圖中水平坐標(biāo)為角變量,縱坐標(biāo)為水平應(yīng)變,并給出了根據(jù)這兩個(gè)變量確定的建筑物損壞程度的分區(qū)。從圖中可以看出,可忽略的損壞區(qū)的拉應(yīng)變上限為0.05%;極輕微損壞區(qū)的拉應(yīng)變上限為0.075%;輕微損壞區(qū)的拉應(yīng)變上限為0.15%。從圖中還可以看出,當(dāng)建筑物的角變量較大,但水平應(yīng)變不大,建筑物損壞情況并不如想象的那樣嚴(yán)重;相對(duì)而言,當(dāng)角變量較小而水平應(yīng)變較大時(shí),仍可對(duì)建筑物造成較大的損壞。由于圖2在應(yīng)用時(shí)需要得到額外的參數(shù)如側(cè)向應(yīng)變等,而這些參數(shù)并不容易獲得,因此在一定程度上限制了其在工程中應(yīng)用。2.2采用數(shù)值分析方法確定變形控制的流程在確定了基坑周圍環(huán)境對(duì)附加變形的承受能力后,基坑本身的變形如圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)移、墻后地表沉降應(yīng)控制在什么范圍內(nèi)才能保證基坑周圍環(huán)境的安全?這就需要確定基坑開挖對(duì)周圍環(huán)境的影響程度,即需考慮基坑開挖與基坑周圍環(huán)境的相互作用,根據(jù)基坑周圍環(huán)境對(duì)附加變形的承受能力反過來控制基坑本身的變形量。從目前的分析手段來看,數(shù)值方法是唯一能考慮基坑開挖與基坑周圍環(huán)境相互作用的分析方法。采用數(shù)值分析方法時(shí),一般首先需考慮是采用平面分析方法還是三維分析方法,然后根據(jù)初步的基坑設(shè)計(jì)方案建立包括基坑本身及基坑周圍環(huán)境在內(nèi)的整體有限元模型,采用合適的本構(gòu)模型及計(jì)算參數(shù),采用符合實(shí)際情況的邊界條件,在模擬基坑周圍環(huán)境存在條件下的初始地應(yīng)力場(chǎng)后,對(duì)基坑開挖進(jìn)行全過程的模擬,得到基坑周圍環(huán)境的有關(guān)變形量。然后將這個(gè)變形量與基坑周圍環(huán)境對(duì)附加變形的承受能力進(jìn)行比較,如果計(jì)算得到的變形量小于基坑周圍環(huán)境對(duì)附加變形的承受能力則基坑的設(shè)計(jì)方案能滿足環(huán)境保護(hù)要求,否則需調(diào)整設(shè)計(jì)方案(例如采用剛度更大的圍護(hù)結(jié)構(gòu)、增加支撐數(shù)量或剛度等),直到所得到的基坑周圍環(huán)境的有關(guān)變形量小于基坑周圍環(huán)境對(duì)附加變形的承受能力。這樣也同時(shí)得到了基坑本身的變形如圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)移、墻后地表沉降等,即可作為基坑變形的控制指標(biāo)。變形控制指標(biāo)的這種確定方法的流程如圖3所示。需指出的是,這種方法確定的基坑變形控制指標(biāo)僅針對(duì)特定的基坑工程,并不具普遍性,即一個(gè)工程的變形控制指標(biāo)并不一定適合于另一工程。此外,采用數(shù)值分析也較為復(fù)雜,尤其是確定合理的計(jì)算參數(shù)仍存在一定難度。若有多個(gè)工程的反分析經(jīng)驗(yàn),則可在一定程度上提高分析結(jié)果的可靠性。3對(duì)基本工程中的變形控制指標(biāo)的確定由于問題的復(fù)雜性,在很多情況下,確定基坑周圍環(huán)境對(duì)附加變形的承受能力是一件非常困難的事情,而要較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境的影響程度也往往存在很大的難度,因此也就難以針對(duì)某個(gè)具體工程提出非常合理的變形控制指標(biāo)。目前上海地區(qū)已有大量的基坑工程得以成功實(shí)施,這些基坑包括了各種復(fù)雜的環(huán)境條件,這些工程的成功實(shí)施說明其變形控制基本能保證基坑周邊環(huán)境條件的安全。因此根據(jù)這些大量已成功實(shí)施的基坑工程的統(tǒng)計(jì)資料來確定基坑的變形控制指標(biāo)不失為一種有效的方法?；拥淖冃慰刂婆c基坑周邊環(huán)境條件密切相關(guān),因此這里首先定義基坑的環(huán)境保護(hù)等級(jí),然后根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料來確定變形控制指標(biāo)。很顯然,基坑的變形控制指標(biāo)與基坑環(huán)境保護(hù)等級(jí)密切相關(guān),環(huán)境保護(hù)等級(jí)越高變形控制也越嚴(yán)格。3.1基坑地表沉降的主要影響因素基坑工程環(huán)境保護(hù)等級(jí)的劃分需要考慮的要素是環(huán)境保護(hù)對(duì)象的重要性程度和環(huán)境保護(hù)對(duì)象與基坑之間的距離。環(huán)境保護(hù)對(duì)象的重要性程度主要考慮兩類,一類是重要性程度非常高,如歷代優(yōu)秀建筑、有精密儀器與設(shè)備的廠房、其它采用天然地基或短樁基礎(chǔ)的重要建筑物、軌道交通設(shè)施、隧道、防汛墻、原水管、自來水總管、煤氣總管、共同溝等重要建(構(gòu))筑物或設(shè)施,其損壞往往會(huì)對(duì)社會(huì)生活產(chǎn)生巨大的影響和經(jīng)濟(jì)損失;另一類是重要性程度較高,如較重要的自來水管、煤氣管、污水管等市政管線、采用天然地基或短樁基礎(chǔ)的建筑物等,其損壞往往會(huì)對(duì)人們的生活產(chǎn)生一定程度的影響和經(jīng)濟(jì)損失。環(huán)境保護(hù)對(duì)象的變形量和它與基坑之間的距離以及坑外地表沉降的性狀密切相關(guān)。Clough根據(jù)大量基坑統(tǒng)計(jì)資料得到的軟到中等硬黏土基坑地表沉降包絡(luò)線表明,在(0～0.75)H(H為基坑開挖深度)的范圍內(nèi),地表沉降最大,在(0.75～2.0)H的范圍內(nèi)地表沉降逐漸衰減。Hsieh和Ou根據(jù)若干基坑的實(shí)測(cè)資料建議的基坑墻后地表沉降曲線表明,最大地表沉降發(fā)生于墻后0.5H處;在(0～1.0)H的范圍內(nèi),地表沉降較大;在(1.0～2.0)H的范圍內(nèi)地表沉降逐漸減小;而在(2.0～4.0)H的范圍內(nèi)地表沉降由較小值衰減到可忽略的程度。圖4為上海地區(qū)若干基坑的地表沉降統(tǒng)計(jì)情況,其近似的地表沉降分布曲線與Hsieh和Ou建議的地表沉降曲線相似,即最大地表沉降發(fā)生于(0～1.0)H的區(qū)域;在(1.0～2.0)H的范圍內(nèi)地表沉降逐漸減小;而在(2.0～4.0)H的范圍內(nèi)地表沉降由較小值衰減到可忽略的程度。綜合上述有關(guān)研究,將1.0H、2.0H和4.0H作為劃分基坑環(huán)境保護(hù)等級(jí)時(shí)建(構(gòu))筑物所處位置的分界點(diǎn)。3.2基坑環(huán)境保護(hù)等級(jí)收集了上海地區(qū)若干個(gè)已成功實(shí)施的基坑工程的數(shù)據(jù),根據(jù)表4的分類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)所收集的基坑進(jìn)行分級(jí),其中環(huán)境保護(hù)等級(jí)為一級(jí)的基坑有37個(gè),環(huán)境保護(hù)等級(jí)為二級(jí)的基坑有46個(gè)。根據(jù)周邊環(huán)境的上述重要性程度分類和周邊環(huán)境與基坑距離的分界點(diǎn)的不同組合,給出了如表4所示的三種環(huán)境保護(hù)等級(jí)的定義。該定義已被新編制的《上海基坑工程技術(shù)規(guī)范》所采用。3.2.1結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)最大側(cè)移圖5和圖6分別為環(huán)境保護(hù)等級(jí)為一級(jí)和二級(jí)的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)最大側(cè)移與基坑開挖深度之間的關(guān)系。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)最大側(cè)移隨著開挖深度的增大而呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì),環(huán)境保護(hù)等級(jí)為一級(jí)的基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)最大側(cè)移一般小于0.5%H,平均值為0.22%H;環(huán)境保護(hù)等級(jí)為二級(jí)的基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)最大側(cè)移一般小于0.9%H,平均值為0.44%H;考慮將圍護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)最大側(cè)移的平均值作為實(shí)測(cè)變形控制指標(biāo)。3.2.2基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移的實(shí)測(cè)值和設(shè)計(jì)值的統(tǒng)計(jì)關(guān)系上海地區(qū)的基坑工程經(jīng)驗(yàn)表明,基坑變形的實(shí)測(cè)值往往大于基坑變形的設(shè)計(jì)值,因此基坑的設(shè)計(jì)變形控制指標(biāo)應(yīng)小于實(shí)測(cè)變形控制指標(biāo)。圖7和圖8分別給出了環(huán)境保護(hù)等級(jí)為一級(jí)和二級(jí)基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值之間的關(guān)系。環(huán)境保護(hù)等級(jí)為一級(jí)和二級(jí)的基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移實(shí)測(cè)值平均分別約為設(shè)計(jì)值的1.2倍和1.5倍。根據(jù)設(shè)計(jì)值和實(shí)測(cè)值的這個(gè)統(tǒng)計(jì)關(guān)系,將環(huán)境保護(hù)等級(jí)為一級(jí)和二級(jí)基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)變形控制指標(biāo)分別除以1.2和1.5,得到環(huán)境保護(hù)等級(jí)為一級(jí)和二級(jí)基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移的設(shè)計(jì)控制指標(biāo)分別約為0.18%H和0.30%H。所收集的環(huán)境保護(hù)等級(jí)為三級(jí)的基坑的數(shù)據(jù)較少,難以反映大量基坑的變形情況。因此,參考其他有關(guān)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn),并結(jié)合這里統(tǒng)計(jì)的環(huán)境保護(hù)等級(jí)為一級(jí)和二級(jí)的基坑的控制指標(biāo),將環(huán)境保護(hù)等級(jí)為三級(jí)基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移的設(shè)計(jì)控制指標(biāo)取為0.7%H。3.2.3墻后地表最大側(cè)移與墻后地表最大沉降的關(guān)系地表沉降的控制指標(biāo)根據(jù)地表最大沉降與圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系來確定。收集了上海地區(qū)40個(gè)具有墻后地表最大沉降數(shù)據(jù)的基坑案例,建立基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移實(shí)測(cè)值與墻后地表最大沉降實(shí)測(cè)值之間的關(guān)系如圖9所示。地表沉降基本介于0.4～2.0倍的圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移之間,平均地表最大沉降為0.81倍的圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移。取平均地表最大沉降為0.8倍的圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移,則對(duì)應(yīng)于環(huán)境保護(hù)等級(jí)為一、二和三級(jí)基坑的墻后地表最大沉降設(shè)計(jì)值分別為0.144%H、0.24%H和0.56%H。適當(dāng)調(diào)整后取環(huán)境保護(hù)等級(jí)為一、二和三級(jí)基坑的墻后地表沉降設(shè)計(jì)控制指標(biāo)分別為0.15%H、0.25%H和0.55%H。3.2.4基坑環(huán)境對(duì)附加變形的影響根據(jù)上述研究,得到了各級(jí)環(huán)境保護(hù)等級(jí)基坑的設(shè)計(jì)變形控制指標(biāo)如表5所示,并為新編制的《上?；庸こ碳夹g(shù)規(guī)范》所采用。表5的變形控制指標(biāo)不需像第一種方法那樣要確定基坑周圍環(huán)境對(duì)附加變形的承受能力及及基坑開挖對(duì)周圍環(huán)境的影響程度,且具有較廣泛的適用性。由于統(tǒng)計(jì)的這些基坑都已成功實(shí)施,結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn),采用表5的變形控制指標(biāo)大