劉亞文　王　飛　彭更生　郭志明　梁進軍

(1.解放軍理工大學野戰(zhàn)工程學院　南京　210007；　2.南京重大路橋建設指揮部　南京　210000)

軟土地區(qū)深基坑考慮時空效應的變形特征分析

劉亞文1王飛1彭更生2郭志明2梁進軍1

(1.解放軍理工大學野戰(zhàn)工程學院南京210007；2.南京重大路橋建設指揮部南京210000)

摘要軟土地區(qū)基坑開挖是一項復雜的工程，針對軟土流變性導致的“時空效應”的特點，以南京青奧軸線地下交通系統(tǒng)J2區(qū)明挖區(qū)間基坑工程為實例，對現場實測數據進行分析探討，采用等效水平抗力系數計算方法，并與實測數值進行對比分析，證實了在軟土地區(qū)基坑設計和施工中考慮時空效應的必要性。

關鍵詞軟土深基坑時空效應彈性桿系有限元法

隨著城市建設的快速發(fā)展,大量的深基坑工程出現在城市建設中。由于基坑開挖支護問題比較復雜，目前我國在基坑設計中大多考慮土體彈性變形，很少考慮塑性變形。至于“時空效應”產生的影響，在實際工程中也從未考慮[1]，致使設計計算值同現場實測值之間相差較大，可信度大大降低。特別對于處于軟土地區(qū)的基坑，土體的流變性致使基坑開挖的“時空效應”更加明顯。

本文根據劉建航[2]針對上海軟土流變特性提出的“時空效應”理論，以南京青奧軸線地下交通系統(tǒng)J2區(qū)明挖區(qū)間基坑工程為實例，研究了基坑的變形特征和變化規(guī)律。并與現場實測數值進行對比分析，證實了在軟土地區(qū)基坑設計和施工中

考慮時空效應的必要性。

1工程概述

南京青奧軸線地下交通系統(tǒng)J2區(qū)YK10+615~YK10+710里程段基坑長約95 m，施工方法為明挖順作法，采用直徑800 mm地連墻作為開挖時的支護結構?；涌缍燃s45 m，開挖深度為14.0～15.3 m，地連墻深27.5 m。本里程段位于長江夾江東南岸，屬長江古河道漫灘地貌區(qū)，地層以灰褐色粉質黏土、粉土及淤泥質土為主。基坑等級為一級，沿基坑深度方向設4道支撐，第一道為鋼筋混凝土支撐，其余均為直徑609 mm鋼管支撐。各土層物理力學參數見表1。

表1　各土層物理參數表

本基坑周圍環(huán)境復雜，維護結構要確保施工期安全可靠，控制其沉降和變形，防止對周圍環(huán)境產生不利影響?；幼冃我螅旱叵聣ψ畲笞冃巍?.28%H，周邊地面最大沉降≤0.18%H(H為基坑深度)。

2圍護結構變形實測數據分析

為研究土體水平位移場，現以J2區(qū)CX14的現場實測數據來作為研究軟土地區(qū)基坑考慮“時空效應”影響的變形特征依據。本文監(jiān)測范圍內實際施工工況時間跨度為10月26日至12月1日。CX14與地連墻的距離較近，因此可以用該點的測斜數據作為地連墻的水平變形值。

圖1為CX14測點在不同工況下的測斜變形曲線。與常見多道支撐圍護結構的整體變形呈“兩頭小，中間大”狀的變形規(guī)律吻合[3]；且圍護結構變形與基坑開挖深度呈正相關；此外，基坑變形與開挖的暴露時間也有關系,暴露時間越長，變形增長量越大。圖2為CX14最大水平位移與時間的關系圖。從圖可知由于土體開挖緊接著混凝土支撐澆筑完成后進行，因此首道鋼支撐架設至混凝土支撐之間時間間隔僅有1周，無支撐暴露時間不長，因此變形較小，從10月26日的0.54 mm變化到11月3日的7.96 mm。而至第二道支撐相隔時間將近2周，變形最為明顯。變形由7.96 mm增長到29.32 mm。最后一道鋼支撐的架設以及底板墊層施工與第二道鋼支撐之間的時間間隔短，變形相對穩(wěn)定，其變形速率小于1 mm/d。因此，基坑開挖時間跨度大和架設支撐不及時、軟土的流變特性以及開挖土對被動區(qū)土體擾動等均會對地連墻變形產生重要影響。這充分論證了軟土地區(qū)基坑開挖時考慮時空效應的必要性。

圖1不同工況下的測斜變形曲線

圖2　最大水平位移與時間的關系圖

3應用時空效應原理的工程實踐

3.1　時空效應原理

對于長條形基坑支護結構和內力計算的計算模型及相關參數的選取，目前我國仍采用圖3所示的彈性桿系有限元計算模型，也未考慮“時空效應”的影響，致使設計計算值同實測值之間誤差較大，可信度大大降低。劉建航等人[4]基于對不同地質、支護和施工條件下的大量有關基坑變形觀測數據的統(tǒng)計、論證后，推導得出可以反映與各施工參數和土體參數的相關性的數學表達式。將等效基床系數應用到實際工程中，在實質上考慮了軟土流變性和基坑開挖及支撐施工中“時空效應”對實際工程的影響。

圖3彈性桿系有限元計算模型

土體的水平基床系數影響因素有：基坑的開挖空間、時間、深度、加固條件、地質條件、支護條件等。因此可將其視為影響因素的函數?，F采用等效水平基床系數，以綜合反映土體抵抗變形的能力。文獻[5]根據對大量的試驗數據的研究和總結，提出了能綜合考慮土體的各種應力狀態(tài)，以及時空效應等各種復雜因素影響的半理論、半經驗的等效水平基床系數Khi計算公式。不同土層、工況條件下Khi的計算公式如下。

式中：Tj為每步基坑開挖無支撐暴露時間；Bj為每步基坑開挖土體沿擋墻方向的尺寸；γi為第i層土的天然容重；φi為第i層土的內摩擦角；ci為第i層土的粘聚力；φcq為要計算點hi處的強度指標；hi為要計算點所處深度；hj為當前開挖面所處的深度；γ′為第i層土的浮容重。

3.2　墻后土壓力的變化規(guī)律

由土壓力變化與墻體位移關系(見圖4)可知：在軟土地區(qū)，受到流變的影響，主動土壓力隨著支護結構向坑內位移不斷增大而下降。實測資料表明[5]：墻后主動土壓力分布接近梯形,因此按面積相等的原則將其等價成梯形。在實際計算中，可令施工工況對土壓力不產生影響，而將時空效應對其影響統(tǒng)一考慮到Khi中去。

圖4　土壓力與墻體位移關系曲線

3.3　工程實例計算分析

計算采用彈性桿系有限元法，允許圍護結構有一定的初始位移產生，開挖過程中遵循“先撐后挖、分層開挖”的原則。第一工況為開挖至第1道鋼支撐下0.5 m且完成第1道鋼支撐，即開挖至-5 m處(前期已完成混凝土支撐澆筑)；第二工況為開挖至第2道鋼支撐下0.5 m且完成第2道鋼支撐，即開挖至-8.5 m處；第三工況為開挖至第三3道鋼支撐下0.5 m且完成第3道鋼支撐，即開挖至-12 m處。第四工況為開挖至坑底，即開挖至-14.2 m處。各工況水平位移計算結果和工程監(jiān)測數值見圖5。

圖5　理論計算值與監(jiān)測值的對比

第一工況，開挖至-5 m時，監(jiān)測和計算的最大位移分別為7.96 mm和7.80 mm，產生的位置分別為-6 m和-11 m。計算值總體大于現場監(jiān)測值，根據施工工況報告，開挖前對開挖段坑內土體進行地基加固處理。根據文獻[6]，地基加固對水平基床系數有顯著影響；當其他因素相同時，等效水平基床系數隨著地基加固的強度的增加而呈線性增加。

第二到第四工況，監(jiān)測值與實測值基本吻合。表明在軟土地區(qū)運用考慮時空效應的計算模型和參數項目的合理性和可行性，其可以較好地反映基坑開挖過程中圍護結構變形的基本規(guī)律，同時說明了在設計和施工中合理地考慮時空效應的影響，就能選取科學而又符合實際的施工工序和施工參數?？茖W的規(guī)劃施工，可以得到坑周土體應力路徑和應力狀態(tài)的變化規(guī)律。從而使設計計算值同實測值之間更加接近。

4結論

(1) 本文基于南京地區(qū)基坑施工現場監(jiān)測的數據，采用彈性桿系有限元計算模型并考慮了時空效應的影響，對基坑變形進行了計算，計算值和實測值吻合較好，希望對類似軟土地區(qū)的基坑工程提供有益的借鑒。

(2) 在軟土地區(qū)進行基坑的設計和施工時，除了依據地基參數、支護結構參數以外，基坑開挖的時空效應必須納入分析的范疇。

(3) 開挖至-5 m時，由于地基加固的影響，導致計算值總體大于現場監(jiān)測值。地基加固對等效水平基床系數影響有待進一步研究。

參考文獻

[1]姜彥彥,姜建平,紀宏.隧道開挖面空間效應特征研究及應用[J].交通科技,2014 (1):44-47.

[2]劉建航.軟土基坑工程中時空效應理論與實踐[J].巖石力學與工程學報,1998 (18):763-770.

[3]劉燕,劉濤,胡承軍,等.上海地鐵M8線某車站基坑開挖變形特征分析[J].浙江工業(yè)大學學報,2005,33(5):547-550.

[4]劉建航,劉國彬,范益群.軟土基坑工程中時空效應理論與實踐[J].地下工程與隧道,1999(3):7-12；1999(4)：10-14.

[5]范益群,孫巍,劉國彬,等.軟土深基坑考慮時空效應的空間計算分析[J].地下工程與隧道,1999(2):2-8.

[6]劉國彬,黃院雄,侯學淵,等.考慮時空效應的等效土體水平抗力系數的取值研究[J].巖土工程學報,2001(3):97-102.

收稿日期：2015-05-22

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.05.022