【摘 要】本文主要討論如何由基坑工程特點(diǎn)及土體參數(shù)、周邊環(huán)境等信息推導(dǎo)基坑周?chē)乇碜冃螐亩袛喙こ谭€(wěn)定性的方法，也即尋求能僅僅根據(jù)基坑開(kāi)挖各參數(shù)特點(diǎn)而對(duì)整個(gè)基坑周邊地表重要的點(diǎn)位處的沉降變形發(fā)展規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法，做到提前預(yù)測(cè)、判斷，及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)、施工方案，以確?；臃€(wěn)定。

【關(guān)鍵詞】基坑穩(wěn)定性；基坑隆起；地表沉降

引言

基坑失穩(wěn)是基坑支護(hù)失敗的最常見(jiàn)的原因，尤其在軟土地區(qū)。導(dǎo)致基坑失穩(wěn)的原因主要有兩類(lèi)：一類(lèi)是因結(jié)構(gòu)（包括墻體和支撐）強(qiáng)度、剛度或穩(wěn)定性不足；另一類(lèi)是因地基土抗剪強(qiáng)度不足或土體變形過(guò)大。前一類(lèi)失穩(wěn)屬于支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力范圍。本文側(cè)重討論后一類(lèi)原因即土體變形引起的失穩(wěn)。

1. 基坑的整體穩(wěn)定性分析

基坑失穩(wěn)不僅會(huì)嚴(yán)重破壞基坑，影響工程進(jìn)行，還會(huì)危及周?chē)h(huán)境，帶來(lái)巨大損失。因此保持基坑穩(wěn)定是基坑支護(hù)設(shè)計(jì)重要目標(biāo)之一。 在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，可以見(jiàn)到三種基坑工程變形的宏觀表現(xiàn)：基坑隆起、墻體側(cè)移、地表沉降。由于土的流變特性造成這三類(lèi)變形?；娱_(kāi)挖的直接結(jié)果產(chǎn)生土體隆起并造成坑內(nèi)外土體作用于擋墻的壓力趨向于被動(dòng)土壓力，而墻 外側(cè)土體作用于墻體的土壓力趨向于主動(dòng)土壓力，由于墻體側(cè)移并不均等，故土壓力的分布并不是線性關(guān)系分布的。同時(shí)因土拱效應(yīng)，墻外側(cè)土壓力會(huì)趨于均勻，墻體側(cè)移的結(jié)果是坑外土體也發(fā)生變形，并產(chǎn)生墻體側(cè)移位移協(xié)調(diào)（在接觸界面）變形，形成附加應(yīng)力，產(chǎn)生塑性區(qū)，變形的效果逐步傳至地面，形成地表沉降。 可見(jiàn)地表沉降與墻體側(cè)移和基坑隆起等變形緊密相關(guān)。如若圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形較大，引起周?chē)孛娉两岛退轿灰埔草^大，可能會(huì)造成影響相鄰建筑物或市政設(shè)施安全使用。除圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形過(guò)大外，地下水位下降，以及滲流帶走地基土體中細(xì)顆粒過(guò)多也可能會(huì)造成周?chē)孛娉两颠^(guò)大，施工過(guò)程中應(yīng)予以注意。

2. 基坑工程穩(wěn)定性驗(yàn)算

基坑工程有多種失穩(wěn)形式，總歸起來(lái)，基坑失穩(wěn)形式主要有：擋墻（及支撐）強(qiáng)度不夠、整體失穩(wěn)、隆起失穩(wěn)、管涌失穩(wěn)、底鼓失穩(wěn)等幾種。影響基坑工程穩(wěn)定性的因素也眾多，與土體性質(zhì)、擋墻及錨撐自身的強(qiáng)度和剛度、擋墻入土深度、施加之預(yù)應(yīng)力、基坑尺寸大小及周?chē)h(huán)境要求等等皆有關(guān)系。不同的基坑工程其穩(wěn)定性情況皆有不同，因此有必要進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。

對(duì)于支護(hù)體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法很多，并各有其較成熟的理論，均是建立在一定的假設(shè)條件基礎(chǔ)上、設(shè)定相應(yīng)的本構(gòu)模型，以探索和揭示擋墻、支撐、土體等結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形、彎矩、撓度等的變化機(jī)理，從而安全、合理、優(yōu)質(zhì)地進(jìn)行基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)?？傮w說(shuō)來(lái)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法可歸納為以下幾大類(lèi)：古典方法，支撐軸力、墻體彎矩、變位不隨開(kāi)挖過(guò)程而變化的方法、支撐軸力、墻體彎矩、變位隨開(kāi)挖過(guò)程而變化的方法、共同變形理論、有限單元法及邊界元法等數(shù)值方法和攝動(dòng)法理論。

2.1坑底土抗隆起驗(yàn)算

在深厚軟土層中，當(dāng)基坑開(kāi)挖深度較大時(shí)，則作用在坑外側(cè)的坑底水平面上的荷載相應(yīng)增大，此時(shí)需驗(yàn)算坑底土的承載力，如承載力不足將導(dǎo)致坑底土的隆起。

關(guān)于坑底土抗隆起穩(wěn)定的驗(yàn)算方法很多，這里略作概括。Terzaghi — Peck認(rèn)為，當(dāng)圍護(hù)墻在坑底以下有插入段時(shí)，只要經(jīng)驗(yàn)算作為懸臂梁的插入段抗彎能力滿(mǎn)足要求，坑底土就不會(huì)隆起。上海市標(biāo)準(zhǔn)《基坑工程設(shè)計(jì)規(guī)程》推薦了一種考慮墻體極限抵抗彎矩的抗隆起驗(yàn)算方法，該法認(rèn)為開(kāi)挖面以下的墻體能起到抵抗基底隆起的作用，并假定土體沿墻體底面滑動(dòng)，且滑動(dòng)面為圓弧，此法較適用于中等強(qiáng)度和較軟弱的粘性土層中的地下墻工程，在地質(zhì)條件較好時(shí)不宜采用。另外，還可參照Prandtl和Terzaghi地基承載力公式，并將擋墻底面的平面作為求極限承載力的基準(zhǔn)面，同時(shí)考慮土體的因素進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，此法可適用于各類(lèi)土質(zhì)條件。

2.2 抗傾覆分析

基坑發(fā)生傾覆失穩(wěn)主要是由于主被動(dòng)土壓力及水壓力相對(duì)于墻趾的作用力矩的失衡而引起的圍護(hù)墻的傾覆現(xiàn)象。

2.3 抗管涌分析

對(duì)于位于高水位地帶的深基坑，當(dāng)?shù)撞坑猩皩?，尤其是粉?xì)砂層時(shí)，應(yīng)注意防止出現(xiàn)抗管涌（流砂）。即使擋墻使用了地下墻，也往往會(huì)因?yàn)殄^桿和地下墻槽段接頭的質(zhì)量問(wèn)題而發(fā)生流砂或管涌事故，相關(guān)文獻(xiàn)總結(jié)了這方面的一些經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。 抗管涌計(jì)算比較簡(jiǎn)單，一般教科書(shū)和工程書(shū)上皆有涉及。

2.4 整體穩(wěn)定性分析

對(duì)于排樁（或地下墻）支護(hù)的基坑，其整體穩(wěn)定性分析可按簡(jiǎn)化圓弧條分法計(jì)算，具體步驟為：

首先在擋墻頂部作與水平面交角為36度的斜線，然后在該線上任取點(diǎn)O1 、O2 、O3 …… Om作為滑動(dòng)中心分別驗(yàn)算相應(yīng)滑動(dòng)面的整體穩(wěn)定性，由此可確定最危險(xiǎn)的圓弧滑動(dòng)面，當(dāng)最危險(xiǎn)的圓弧滑動(dòng)面亦滿(mǎn)足驗(yàn)算下面公式時(shí)，則基坑整體穩(wěn)定，否則屬于不穩(wěn)定。

對(duì)于給定的滑動(dòng)中心Oi，其驗(yàn)算過(guò)程為：以O(shè)i為圓心，通過(guò)擋土墻底端作圓弧滑動(dòng)面，從圓心作垂線將弧內(nèi)土體劃分為兩部分，分別求出其合力W1， W2，將W1， W2的作用線延長(zhǎng)與弧相交，并求出法向力N1， N2，再對(duì)圓心Oi求矩，最后按下式驗(yàn)算對(duì)應(yīng)于該滑動(dòng)面的基坑整體穩(wěn)定性：

1.2 （W1X1- W2X2-TX）≤（N1+N2）tanφR + cLR

式中：

T ——作用在擋墻上的支（錨）水平合力

W1， W2——分別為滑動(dòng)中心垂面兩側(cè)的滑動(dòng)土體自重重力

N1， N2 ——分別為在滑動(dòng)面上的法向分力

X1，X2 ——分別為滑動(dòng)土體重力作用線滑動(dòng)中心垂面的距離.

c、φ ——分別為土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角

L、R ——分別為滑動(dòng)面的弧長(zhǎng)和半徑

3. 地表沉降變形

在深基坑施工過(guò)程中，甚至施工完成后相當(dāng)一段時(shí)期內(nèi)，其周?chē)乇沓两底冃味际且粋€(gè)極其重要的參考指標(biāo)。因基坑土方開(kāi)挖，引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形，進(jìn)而造成地面沉降，基坑降水也會(huì)引起沉降變形。由于在城市高層建筑施工中，地面沉降（或局部隆起）尤其是不均勻沉降對(duì)周?chē)h(huán)境的影響是很大的，沉降過(guò)大將引起房屋傾斜、管線開(kāi)裂、道路塌陷，因此，作為技術(shù)與施工人員應(yīng)格外注意基坑施工過(guò)程中的各種變形量，及時(shí)觀測(cè)、分析、處理，尤其是預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)，以利用有限的反饋信息對(duì)整個(gè)工程及后期的穩(wěn)定性作出判斷，做到信息化施工。

前已述及，地表沉降與基坑隆起、擋墻側(cè)向變形以及土體水平位移等變形皆有緊密聯(lián)系，因此如果能建立他們之間的聯(lián)系并且求算出地表沉降估算式，則也就知道了整個(gè)基坑工程的變形情況，從而可由估算出的地表沉降值直接判斷出基坑工程的穩(wěn)定性。 基坑開(kāi)挖引起地面沉降估算方法大致有三種： （1）經(jīng)驗(yàn)方法；（2）試驗(yàn)及圖解分析法（公式估算法）；（3）外推預(yù)測(cè)法（數(shù)值分析法）；結(jié)合高數(shù)知識(shí)和試驗(yàn)及圖解分析法得到基坑地表最大沉降公式：

公式中之k、B、H、Nk 等參數(shù)依具體工程而定。

4. 工程驗(yàn)算

為了驗(yàn)證上述推導(dǎo)的基坑周邊地表沉降公式，筆者選取了調(diào)研期間收集的幾個(gè)工程實(shí)例，現(xiàn)對(duì)其作分析如下：

（1）廣東三水某大廈深基坑工程，地下室兩層，基坑開(kāi)挖深度H為9.5m，基坑寬度B為41m，采用鉆孔灌注樁結(jié)合深層攪拌樁進(jìn)行支護(hù)，并設(shè)置兩道水平角撐，土體重度γ為18KN/m3，不排水模量Es為15.1MPa，不排水剪切強(qiáng)度Cu=21.8KPa，地表沉降影響范