軟土地區(qū)基坑工程變形的時(shí)間效應(yīng)

軟土地區(qū)基坑工程變形的時(shí)間效應(yīng)

1基坑開(kāi)挖變形的測(cè)量在軟土領(lǐng)域進(jìn)行基本挖掘和變形已被越來(lái)越多地關(guān)注。軟土通常都具有強(qiáng)度低、壓縮性高、含水量大的特性,軟土地基中基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)不當(dāng),易造成過(guò)大的圍護(hù)體側(cè)向位移、周圍地表沉陷及坑底隆起,進(jìn)而影響基坑的穩(wěn)定及其鄰近設(shè)施的安全和正常使用。目前用于基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算的方法很多,由于基坑問(wèn)題本身的復(fù)雜性,要準(zhǔn)確地計(jì)算各類變形存在不少困難。國(guó)內(nèi)外已有不少學(xué)者基于已完成工程的實(shí)測(cè)資料對(duì)基坑開(kāi)挖的變形性狀進(jìn)行研究,由于研究所基于的地質(zhì)條件和圍護(hù)形式不同,故得出的結(jié)論存在著一些差異。本文結(jié)合杭州、上海軟土地區(qū)15個(gè)成功基坑工程的監(jiān)測(cè)資料對(duì)基坑開(kāi)挖所產(chǎn)生的圍護(hù)體最大側(cè)向變形、最大側(cè)向變形位置、鄰近建筑物的沉降以及變形的時(shí)間效應(yīng)等進(jìn)行了分析研究。文中所引用的各個(gè)工程實(shí)例均滿足以下條件:a)采用鉆孔灌注樁(或地下連續(xù)墻)結(jié)合一道(或多道)鋼筋混凝土(或鋼管)內(nèi)支撐擋土。b)基坑開(kāi)挖過(guò)程中相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(如測(cè)斜管、沉降基準(zhǔn)點(diǎn))附近一定范圍內(nèi)無(wú)滲漏、管涌現(xiàn)象。c)整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程中基坑坑外不降水。大量基坑工程監(jiān)測(cè)資料表明,實(shí)測(cè)的基坑鄰近建筑物沉降遠(yuǎn)大于一般經(jīng)驗(yàn)公式的估算值。基于鄰近建筑物的沉降機(jī)理,本文提出了一種考慮鄰近建筑物存在的地表沉陷估算方法。2不同項(xiàng)目的示例表1給出了文中所引用的各實(shí)例的工程編號(hào)、基坑開(kāi)挖深度、圍護(hù)形式、圍護(hù)樁(墻)深度、支撐分布等信息。3關(guān)于軟土基坑工程中最大側(cè)向變形的初步識(shí)別圍護(hù)體的側(cè)向變形大小及分布與基坑開(kāi)挖深度、圍護(hù)樁剛度、支撐系統(tǒng)剛度、地質(zhì)狀況、地面超載等等因素均有關(guān),側(cè)向變形控制值能否滿足圍護(hù)體系的穩(wěn)定及基坑鄰近設(shè)施的變形要求是基坑工程成敗的關(guān)鍵因素之一。圖1給出了表1所列各工程圍護(hù)體最大側(cè)向變形Sh與基坑開(kāi)挖深度H之間的關(guān)系。該圖表明,圍護(hù)體的最大側(cè)向變形基本上都落在0.002H～0.009H區(qū)間范圍內(nèi)。該范圍的下限值與文獻(xiàn)對(duì)臺(tái)北基坑工程的統(tǒng)計(jì)結(jié)果一致,而上限值明顯大于文獻(xiàn)所提供的0.005H;文獻(xiàn)對(duì)硬粘土、粉砂土中基坑工程的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明Sh約為0.002H,而文獻(xiàn)針對(duì)板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的研究表明Sh約為0.01H。杭州及上海軟土地區(qū)存在著深厚的淤泥質(zhì)粘土層,大部分基坑坑底都處于這一土層。該層土的抗剪力學(xué)指標(biāo)c(內(nèi)聚力),φ(內(nèi)摩擦角)很低,所能提供的被動(dòng)土壓力較小,故相應(yīng)圍護(hù)體的變形可能較大。以上統(tǒng)計(jì)結(jié)果與文獻(xiàn)的比較也正說(shuō)明了這一點(diǎn)。文中所列實(shí)例均采用抗彎剛度較大的鉆孔灌注樁或地下連續(xù)墻作為擋土結(jié)構(gòu),故由此統(tǒng)計(jì)出的最大側(cè)向變形值Sh較文獻(xiàn)中一般板樁支護(hù)體系的Sh(0.01H)為小。圖2給出了最大側(cè)向變形位置H1與基坑開(kāi)挖深度H的關(guān)系。該圖表明圍護(hù)體的最大側(cè)向變形一般都位于基坑坑底附近,即滿足H1≈H。這個(gè)結(jié)論與文獻(xiàn)的研究結(jié)果比較一致。對(duì)圖2進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)基坑開(kāi)挖深度較小時(shí)(圖中H<12m),大部分測(cè)點(diǎn)的最大側(cè)向變形位于基坑坑底以下,隨著開(kāi)挖深度H的加大,H1漸漸趨向于H,當(dāng)H較大時(shí),最大側(cè)向變形發(fā)生在坑底以上的可能性加大。對(duì)文獻(xiàn)的圖3進(jìn)行分析可得到類似的結(jié)論。筆者用有限元進(jìn)行分析表明,圍護(hù)樁的最大側(cè)向變形位置與支撐系統(tǒng)的剛度、位置以及被動(dòng)區(qū)土體性質(zhì)等很有關(guān)系。從杭州及上海軟土地區(qū)的地質(zhì)情況來(lái)看,當(dāng)基坑開(kāi)挖深度較小時(shí),基坑坑底往往位于淤泥質(zhì)粘土層中,被動(dòng)區(qū)土體性質(zhì)很差,當(dāng)圍護(hù)體坑底以上有較強(qiáng)支撐時(shí),變形很容易向下發(fā)展,這樣最大側(cè)向變形很可能發(fā)生在坑底以下。當(dāng)基坑開(kāi)挖深度較大時(shí),被動(dòng)區(qū)土體性質(zhì)趨于良好,變形向下發(fā)展的難度加大,故圍護(hù)體的最大側(cè)向變形發(fā)生在坑底以上的可能性較大。4最佳時(shí)空流變學(xué)在軟土地基上建造房屋、油罐和高速公路等等的工程實(shí)踐表明,軟土具有著顯著的流變性狀。對(duì)軟土地基中的基坑開(kāi)挖工程而言,這個(gè)問(wèn)題同樣存在。圖3給出了實(shí)例3(上海市東方醫(yī)院)基坑周邊建筑物Q2測(cè)點(diǎn)的沉降Sv、相應(yīng)位置處圍護(hù)體的最大側(cè)向變形Sh以及圍護(hù)體平均側(cè)向變形Sw隨時(shí)間對(duì)數(shù)的變化曲線,Sw=∫l0δ(h)?dhlSw=∫l0δ(h)?dhl,其中δ(h)為h深度處圍護(hù)體的側(cè)向變形,l為圍護(hù)體深度。時(shí)間區(qū)間是從全部土方開(kāi)挖結(jié)束時(shí)開(kāi)始,到結(jié)構(gòu)±0.000樓板施工完成后一個(gè)月。圖中t2指基礎(chǔ)底板施工結(jié)束后拆除支撐的時(shí)刻。該圖表明Sh與Sw的變化規(guī)律基本一致,在土方開(kāi)挖完成的最初四天內(nèi),圍護(hù)體的側(cè)向變形有一定的回彈,之后又緩緩發(fā)展,總體上來(lái)看,在拆除支撐之前,即t<t2時(shí),側(cè)向變形的上下波動(dòng)不大。當(dāng)支撐拆除后,側(cè)向變形發(fā)展加快,隨著時(shí)間的推移,又漸漸趨于穩(wěn)定。從圖3的沉降曲線可以發(fā)現(xiàn),自挖土結(jié)束t1(t1=8d)起,至拆除支撐時(shí)為止,沉降隨時(shí)間對(duì)數(shù)近似直線發(fā)展,直線的最小二乘擬合表達(dá)式可寫(xiě)成如下形式:y=a+b?ln(tt1)(1)y=a+b?ln(tt1)(1)其中t1指直線段開(kāi)始的時(shí)刻(本例t1=8d);a表示t1以前已完成的沉降量,a=42.81mm;b指直線斜率,b=3.381mm,該斜率越大表示軟土的流變性狀越為顯著。公式(1)與Buisman于1936年提出的考慮次固結(jié)的沉降計(jì)算公式類似?；A(chǔ)底板施工結(jié)束后拆除支撐時(shí),即t=t2,由于拆除支撐后圍護(hù)體側(cè)向變形有所發(fā)展,故建筑沉降速率加快,沉降曲線開(kāi)始偏離直線。當(dāng)圍護(hù)體的側(cè)向變形趨于穩(wěn)定后,沉降又隨時(shí)間對(duì)數(shù)近似直線發(fā)展,且直線斜率變化不大。對(duì)本工程其它測(cè)點(diǎn)以及其它工程的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行研究,都有類似的結(jié)果。表2給出了上海市東方醫(yī)院(實(shí)例3)、上海徐匯體育活動(dòng)中心(實(shí)例5)及杭州金城?工聯(lián)大廈(實(shí)例9)基坑工程土方開(kāi)挖結(jié)束后建筑物沉降隨時(shí)間對(duì)數(shù)發(fā)展的最小二乘擬合結(jié)果,因?yàn)閷?shí)例5、實(shí)例9拆除支撐時(shí)圍護(hù)體的側(cè)向變形發(fā)展較小,故二者擬合所選取的時(shí)間區(qū)間是自挖土結(jié)束至±0.000樓板施工結(jié)束。從該表所給出的最小二乘擬合誤差及最大偏差來(lái)看,用式(1)來(lái)描述挖土結(jié)束后的建筑物沉降發(fā)展比較接近實(shí)際。從該表還可發(fā)現(xiàn),對(duì)同一工程而言,建筑物沉降越大,斜率b越大,流變性狀越顯著。不同的工程由于其地質(zhì)條件、圍護(hù)形式等均不相同,故得出的斜率b相差較大。5基礎(chǔ)沉降的估計(jì)不少學(xué)者對(duì)基坑開(kāi)挖引起地表沉陷的研究表明,地表沉陷值與圍護(hù)體的側(cè)向變形大小及分布有關(guān),一般而言,沉陷最大值小于圍護(hù)體側(cè)向變形最大值,并提出了一些地表沉陷分布經(jīng)驗(yàn)算法。越來(lái)越多的工程實(shí)踐表明,實(shí)測(cè)的建筑物沉降遠(yuǎn)大于經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果,筆者分析這種差異可能是基于以下原因:a)實(shí)際工程中采取了基坑坑外降水措施,從而引起建筑物固結(jié)沉降;b)基坑止水帷幕效果不好,土方開(kāi)挖有滲水、流砂現(xiàn)象;c)基坑止水帷幕深度不夠,坑底產(chǎn)生管涌;d)圍護(hù)樁樁端變形過(guò)大,樁端土產(chǎn)生塑性流動(dòng);e)圍護(hù)體背后土體的應(yīng)力狀態(tài),因鄰近建筑物的荷重、基礎(chǔ)形式及埋深、與圍護(hù)體的距離等等不同而異,現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)此沒(méi)有考慮?，F(xiàn)不考慮前4種情況,僅考慮土方開(kāi)挖后,由圍護(hù)體的側(cè)向變形而產(chǎn)生的地表沉降。假設(shè)基坑及其鄰近建筑物足夠長(zhǎng),平面應(yīng)變條件成立,首先考慮建筑物基礎(chǔ)為條基的情況,圖4(a)為分析簡(jiǎn)圖,條基寬度為bw,埋深h,條基邊緣距離圍護(hù)體s,假設(shè)圍護(hù)體上段hw長(zhǎng)度范圍內(nèi)的側(cè)向變形面積Sw2的影響區(qū)域?yàn)锳ED,則由之引起的建筑物沉降可忽略不計(jì),hw=h+stan(45°-φ2)hw=h+stan(45°?φ2);基礎(chǔ)沉降主要由下段圍護(hù)體側(cè)向變形面積Sw1所引起。Sw2=∫hw0δ(h)·dh,Sw1=∫lhlhwδ(h)·dh,δ(h),l意義同上。假設(shè)Sw1的影響區(qū)域?yàn)锳BC,由Sw1所產(chǎn)生的基底沉降值大小與基礎(chǔ)荷載作用下地基內(nèi)各點(diǎn)的附加應(yīng)力大小及分布有關(guān)。當(dāng)基底荷載較大時(shí)(據(jù)經(jīng)驗(yàn),一般當(dāng)建筑物超過(guò)3層時(shí)),由Sw1所產(chǎn)生的地表沉降分布可假設(shè)如下:Sv(x)={Δδ?(xs)20＜x＜sΔδs＜x＜s+bwΔδ?(l1-xl1-s-bw)2s+bw＜x＜l1(2)其中l(wèi)1=ltan(45°-φ2)?Δδ為基礎(chǔ)沉降。以上表達(dá)式假設(shè)基礎(chǔ)寬度范圍內(nèi)沉降均勻分布,基礎(chǔ)兩側(cè)的地面沉降呈拋物線分布,圍護(hù)體邊緣及影響區(qū)分界處,即A,C兩點(diǎn),沉降為零。由∫l10Sv(x)·dx=Sw1,可得Δδ=3Sw1l1+2bw(3)當(dāng)建筑物基礎(chǔ)為筏基時(shí),其計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖4(b),由Sw1所引起的沉降值分布如下式示:Sv(x)={Δδ?(xs)0＜x＜sΔδ?(l1-xl1-s)s＜x＜l1(4)則同理可得Δδ=6Sw13l1-s(5)據(jù)此對(duì)幾個(gè)工程實(shí)例進(jìn)行計(jì)算,其結(jié)果列于表3。由于金城-工聯(lián)大廈基坑鄰近建筑物下打設(shè)了一些木樁,而用本文方法估算時(shí)沒(méi)有考慮這一因素,這可能是估算值超過(guò)實(shí)測(cè)值較大的原因。從大部分算例結(jié)果來(lái)看,本文方法的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較接近。將Sw1,Sw2分別引起的沉降量進(jìn)行疊加可得地表任意一點(diǎn)的總沉降量,其中由Sw2引起的沉降量可視圍護(hù)體的側(cè)向變形曲線形狀據(jù)文獻(xiàn)求得。6基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)(1)杭州及上海軟土地區(qū)圍護(hù)體的最大側(cè)向變形一般值在