王江

廣東省惠州地質(zhì)工程勘察院（516008）

基坑開挖引起的地面沉降分析

王江

廣東省惠州地質(zhì)工程勘察院（516008）

影響深基坑開挖過程中地表沉降的因素是十分復(fù)雜的，地表沉降的多少取決于土層組成結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)性質(zhì)，地下水層數(shù)和孔隙水壓力，圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型、剛度和入土深度，開挖尺寸，開挖深度，開挖順序等諸多因素。這里通過總結(jié)國內(nèi)外學(xué)者研究，將實(shí)際工程中常用的分析深基坑開挖引起地表沉降的方法分別介紹。

基坑；沉降分析；時(shí)空效應(yīng)；預(yù)測(cè)

當(dāng)前國內(nèi)外在深基坑周圍土體移動(dòng)研究中，所采用的主要方法有物理模擬法、數(shù)值模擬法、半理論解析法和經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)法[1]。物理模擬法是利用相似原理對(duì)基坑的穩(wěn)定性和變形進(jìn)行室內(nèi)模型試驗(yàn)研究，由于介質(zhì)模擬及模型土體位移量測(cè)需要很精密和復(fù)雜的技術(shù)，室內(nèi)模型試驗(yàn)很難模擬深基坑開挖施工中的施工因素，因此,該方法多用于理論研究，較少應(yīng)用于實(shí)際工程。實(shí)際工程中,常用經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)法、半理論解析法和數(shù)值模擬法進(jìn)行坑周地層移動(dòng)的預(yù)測(cè)。經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)法和半理論解析法可對(duì)橫向的墻后地表變形和墻體水平位移進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，而有限元分析法則可對(duì)坑周內(nèi)外地表以下各個(gè)土體位移的水平和垂直進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

1 經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)法

國內(nèi)外有關(guān)專家對(duì)經(jīng)驗(yàn)估算深基坑開挖引起的地表沉降做過不少研究，取得了許多重要的研究成果。美國的G·Wayne Clough和Birger Schmidt將深基坑開挖釋放應(yīng)力而引起的墻體移動(dòng)分為“I”、“II”兩種基本形式，如圖1。當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)入土深度較小或墻底入土在軟弱地層內(nèi)，此時(shí)墻底處出現(xiàn)較大的水平位移，墻外地面沉降較大，且地面最大沉降量發(fā)生在緊靠支護(hù)墻頂處，為第“I”種型式。當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)有較大的入土深度或墻底入土在剛度較大的地層內(nèi)，此時(shí)墻外地面沉降較小，且最大沉降量發(fā)生在墻外一定距離之外，為第“II”種型式。

同濟(jì)大學(xué)侯學(xué)淵教授等研究了上海深基坑開挖中地面沉降規(guī)律，參考了盾構(gòu)法隧道地面沉降的Peck和Schmidt公式，借鑒三角形沉降公式的思路,提出了基坑地層損失的概念。地層損失法利用墻體水平位移和地面沉降相關(guān)的原理，采用桿系有限或彈性地基梁方法，然后依據(jù)墻體水平位移和地面沉降兩者的地層移動(dòng)相關(guān)的原理，求出地面沉降。由于桿系有限元法在計(jì)算時(shí)不考慮時(shí)間的影響，但在具有流變性的軟土地區(qū)，時(shí)間對(duì)墻體的位移影響非常明顯，因此實(shí)際計(jì)算時(shí)，應(yīng)對(duì)墻體位移進(jìn)行修正。

圖1 墻后土體位移形式

唐孟雄等[2]假設(shè)深基坑擋土墻墻頂水平位移和墻身沿鉛垂方向側(cè)向位移均可用拋物線擬合，地表沉降曲線可用正態(tài)分布曲線來表示，擋土結(jié)構(gòu)后地表沉降曲線所圍成的面積等于擋土結(jié)構(gòu)側(cè)向位移曲線所圍成的面積。

潘洪科等[3]在譚躍虎[4]研究的基礎(chǔ)上，假定基坑工程位于黏土類土質(zhì)上，基坑平面近似矩形，擋墻為帶撐式排樁或地下連續(xù)墻，假定基坑在開挖過程中土體體積不發(fā)生變化,基坑工程變形為理想狀態(tài)。

Chang·Yu Ou和Pio·go Heish[5]總結(jié)了臺(tái)北10個(gè)深基坑開挖的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)第“II”種型式得到地表沉降的經(jīng)驗(yàn)公式。

2 時(shí)空效應(yīng)法

劉建航院士根據(jù)上海大量軟土基坑實(shí)踐提出了時(shí)空效應(yīng)法,來解決深基坑整體穩(wěn)定和坑周地層位移的控制和預(yù)測(cè)問題。他和侯學(xué)淵教授結(jié)合上海軟土深基坑工程實(shí)踐,認(rèn)為在深基坑施工中,每個(gè)開挖步驟、開挖空間尺寸、圍護(hù)墻無支撐暴露面積和時(shí)間等施工參數(shù)，對(duì)基坑變形和穩(wěn)定性具有明顯的相關(guān)性。時(shí)空效應(yīng)法一般應(yīng)用在地層自穩(wěn)性差,需要支護(hù)(內(nèi)支撐和錨桿)的情況,特別適用于具有流變性的軟黏土地層中的基坑。

3 Peck法(1969)

Peck(1969年)提出了如圖2的無因次曲線,可以得到地表的沉降值。劉建航和侯學(xué)淵對(duì)Peck法進(jìn)行了修正和完善,提出如下經(jīng)驗(yàn)公式:

地面沉降:δv=10K1·α·H,其中K1為修正系數(shù),對(duì)于壁式圍護(hù)墻取0.3，柱列式圍護(hù)墻取0.7，板墻取1.0；H為開挖深度；α為地層沉降量與基坑開挖深度之比。

圖2 預(yù)估地面下沉曲線

4 有限單元法

有限單元法可以對(duì)深基坑開挖中影響坑周地層移動(dòng)的因素，如地層特性、支護(hù)結(jié)構(gòu)、分步開挖工況及基坑幾何形狀等進(jìn)行模擬。從理論上講,有限元法可以精確地預(yù)測(cè)圍護(hù)墻變形、墻后地表沉降、坑底隆起、周圍地層移動(dòng)，但實(shí)際工程中由于土體的本構(gòu)關(guān)系，土性參數(shù)、施工工藝、周邊超載等因素不能準(zhǔn)確確定，因而有限元計(jì)算結(jié)果和實(shí)際情況還存在一定的差異。目前，各地區(qū)仍以半經(jīng)驗(yàn)的實(shí)用公式為主，但要估算地層變形以及深入了解坑周土層位移場(chǎng)的性狀，還是首推有限元法。

[1]邊亦海.基于風(fēng)險(xiǎn)分析的軟土地區(qū)深基坑支護(hù)方案選擇[D].博士學(xué)位論文,上海:同濟(jì)大學(xué),2006.

[2]唐孟雄,趙錫宏.深基坑周圍地表任意點(diǎn)移動(dòng)變形計(jì)算及應(yīng)用[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),1996,Vol.24(3):238～244.

[3]潘洪科,饒運(yùn)章.深基坑開挖坑外地表沉降分析與計(jì)算[J].黃金,2002,Vol.23(4):25～27.

[4]譚躍虎,吉同筠.軟土深挖基坑中擋墻側(cè)向變形分析與計(jì)算[J].巖土工程學(xué)報(bào),1995,Vol.17(4):71～76.

[5]Qu,C.Y.Hsieh P.G.&Chiou.D.C.Characteristics of ground surface settlement during excavation.Journal of Canadian Geoteehnieal,1993,Vol.30:758～767.