王華俊，蔣建良，楊仙，曹運(yùn)江,5，歐陽(yáng)濤堅(jiān)，楊超

(1.浙江省工程勘察院，浙江 寧波 315012；2.湘潭大學(xué)，巖土力學(xué)與工程安全湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411105；3.湖南科技大學(xué)，頁(yè)巖氣資源利用湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201；4.湖南科技大學(xué)，巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測(cè)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201；5.湖南科技大學(xué)，煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201)

臨近開(kāi)挖對(duì)既有擋土墻穩(wěn)定性的影響

王華俊1，蔣建良1，楊仙2,3,4，曹運(yùn)江2,3,4,5，歐陽(yáng)濤堅(jiān)1，楊超2,3,4

(1.浙江省工程勘察院，浙江 寧波 315012；2.湘潭大學(xué)，巖土力學(xué)與工程安全湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411105；3.湖南科技大學(xué)，頁(yè)巖氣資源利用湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201；4.湖南科技大學(xué)，巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測(cè)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201；5.湖南科技大學(xué)，煤炭資源清潔利用與礦山環(huán)境保護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201)

基于Melan解得出了臨近開(kāi)挖對(duì)既有擋土墻整體穩(wěn)定性影響的計(jì)算公式，并分析了開(kāi)挖距離和開(kāi)挖深度對(duì)抗滑移和抗傾覆安全系數(shù)的影響，分析計(jì)算結(jié)果與實(shí)際案例中的結(jié)果吻合.

開(kāi)挖； 應(yīng)力松弛； 抗滑移安全系數(shù)； 抗傾覆安全系數(shù)

隨著城市建筑密度越來(lái)越大，常需要在既有支護(hù)結(jié)構(gòu)附近進(jìn)行施工開(kāi)挖，以便進(jìn)行新的工程建設(shè).近年來(lái)，臨近開(kāi)挖造成既有支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞的案例越來(lái)越多[1-2].對(duì)于較大型的基坑開(kāi)挖，傳統(tǒng)的做法是將既有擋土墻及其背后的土體等效成相應(yīng)的荷載，作用于新開(kāi)挖基坑的頂部，再運(yùn)用極限平衡理論進(jìn)行新建基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算[3].這種做法能保證新建基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，但是不能反映施工開(kāi)挖對(duì)于既有支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響.而對(duì)于一些小型的開(kāi)挖施工，如在管線敷設(shè)溝槽等開(kāi)挖時(shí)，甚至不會(huì)進(jìn)行開(kāi)挖支護(hù)設(shè)計(jì).實(shí)際上，不管是大型基坑還是小型溝槽開(kāi)挖，施工開(kāi)挖過(guò)程均會(huì)引起應(yīng)力松弛，導(dǎo)致土體提供給既有支護(hù)結(jié)構(gòu)的支撐力減小，從而使其抗滑移和抗傾覆安全系數(shù)減小，引起既有支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性失效.為此，本文基于Melan解[4]分析了臨近開(kāi)挖對(duì)既有擋土墻整體穩(wěn)定性的影響，旨在提出合理的施工開(kāi)挖支護(hù)設(shè)計(jì)方案，以便為維護(hù)既有擋土墻的安全穩(wěn)定提供理論基礎(chǔ).

1 工程背景

某重力式水泥土擋墻附近擬進(jìn)行一條寬2.3 m、深5 m的溝槽施工，以便敷設(shè)污水管道.既有擋墻高度為9.2 m，寬度為2.8 m，埋深為2.4 m，墻體重度為20 kN·m-3.新開(kāi)挖溝槽與既有擋墻的最近距離為5.6 m，該截面的位置關(guān)系如圖1所示，擬建場(chǎng)地的土層情況如表1所示，地下水埋深為7.1 m，對(duì)于新開(kāi)挖的溝槽土層只作了簡(jiǎn)單的對(duì)撐支護(hù)，開(kāi)挖至4.6 m深度時(shí)，臨近的既有擋土墻出現(xiàn)了滑移失穩(wěn)的趨勢(shì)，在對(duì)開(kāi)挖溝槽緊急進(jìn)行回填后，既有擋土墻恢復(fù)穩(wěn)定.

表1 土層參數(shù)

2 理論分析

溝槽開(kāi)挖前，AB處土體處于靜止?fàn)顟B(tài)，可提供指向墻體的側(cè)向土壓力，如圖2a所示；溝槽開(kāi)挖后，AB處臨空，該處應(yīng)力松弛，導(dǎo)致AB處不再提供指向墻體的側(cè)向支撐力，如圖2b所示.

根據(jù)彈性力學(xué)Melan解來(lái)討論溝槽開(kāi)挖坑壁應(yīng)力松弛對(duì)墻體穩(wěn)定性的影響.假定土體是各向同性的半無(wú)限體，在地面以下深度為W的M處作用一個(gè)水平線荷載，如圖3所示.

首先分析開(kāi)挖前的情況.土壓力的計(jì)算非常復(fù)雜，其與支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移關(guān)系密切[5-6].為簡(jiǎn)化計(jì)算，根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ120—2012)[7]，假設(shè)擋土墻墻背受到主動(dòng)土壓力，靠墻前土體提供被動(dòng)土壓力來(lái)支撐墻體.如圖2a所示，根據(jù)該規(guī)范的假設(shè)，CD段土體位移達(dá)到被動(dòng)極限狀態(tài).CD段后的土體同時(shí)產(chǎn)生了水平位移，且距離CD段越遠(yuǎn)，位移量越小.若AB離墻前CD點(diǎn)足夠遠(yuǎn)，則AB處土體的水平位移為零，此時(shí)可假設(shè)AB處為靜止土壓力，則AB處任一點(diǎn)的土壓力大小為：

P=γwk0，

(1)

將公式(1)代入Melan解，然后對(duì)Melan解進(jìn)行積分，則可得到AB處的靜止土壓力在擋土墻墻底CD段任一點(diǎn)(x0，z0)處產(chǎn)生的應(yīng)力：

(2)

(3)

其中：

Z1=z0-ω，

(4)

Z2=z0+ω，

(5)

(6)

(7)

開(kāi)挖前假設(shè)CD段為被動(dòng)土壓力，則開(kāi)挖前CD段任一點(diǎn)的側(cè)向土壓力為：

(8)

開(kāi)挖后，AB段卸荷，不再提供靜止土壓力，如圖2b所示，AB段側(cè)壓力為0.因此CD段任一點(diǎn)(x0，z0)處的應(yīng)力也減小.

開(kāi)挖后，CD段任一點(diǎn)的垂直土壓力：

(9)

CD段任一點(diǎn)的側(cè)向土壓力為：

(10)

通過(guò)Matlab編程計(jì)算可知，AB段卸荷時(shí)，對(duì)CD段任一點(diǎn)的垂直土壓力的影響很小.因此公式(10)也可簡(jiǎn)化為 ：

(11)

開(kāi)挖后CD段的土壓力為：

(12)

不計(jì)地下水，按照?qǐng)D2b所示，則開(kāi)挖后擋土墻抗滑移安全系數(shù)的計(jì)算公式如下：

(13)

開(kāi)挖后擋土墻抗傾覆安全系數(shù)的計(jì)算公式如下：

(14)

各公式中字母的含義如下：

3 實(shí)例分析

對(duì)工程背景中的實(shí)例進(jìn)行計(jì)算分析.理論分析中假設(shè)土體為均一彈性材料，根據(jù)勘察報(bào)告提供的土層參數(shù)，得出土層的平均參數(shù)如下：土體黏聚力C為15.2kPa，內(nèi)摩擦角φ為14.4°，土體重度γ為18.4kN·m-3.土體泊松比按0.35計(jì)算，同時(shí)根據(jù)推導(dǎo)得出的公式編制Matlab程序并進(jìn)行計(jì)算，得到新建溝槽與既有擋墻之間的距離以及開(kāi)挖深度對(duì)抗滑移系數(shù)和抗傾覆系數(shù)的影響(如圖4、圖5所示).

該案例中，若墻底無(wú)開(kāi)挖，計(jì)算得到抗滑移安全系數(shù)為1.29，抗傾覆安全系數(shù)為1.36，擋土墻處于穩(wěn)定狀態(tài).對(duì)圖4、圖5進(jìn)行分析，可得到臨近開(kāi)挖對(duì)擋土墻穩(wěn)定性的影響：

(1)隨著開(kāi)挖距離減小，抗滑移和抗傾覆安全系數(shù)都減小.當(dāng)開(kāi)挖距離大于20m時(shí)，開(kāi)挖距離對(duì)抗滑移和抗傾覆安全系數(shù)的影響較小，當(dāng)開(kāi)挖距離小于20m時(shí)，隨著開(kāi)挖距離減小，抗滑移和抗傾覆安全系數(shù)降低較嚴(yán)重.特別是當(dāng)開(kāi)挖距離小于12m時(shí)，對(duì)穩(wěn)定性的影響顯著.

(2)隨著開(kāi)挖深度增加，抗滑移和抗傾覆安全系數(shù)都減小.當(dāng)開(kāi)挖深度小于4m時(shí)，開(kāi)挖距離對(duì)抗滑移和抗傾覆安全系數(shù)的影響較小，當(dāng)開(kāi)挖深度大于4m時(shí)，隨著開(kāi)挖深度增加，抗滑移和抗傾覆安全系數(shù)降低較嚴(yán)重.

由此可見(jiàn)，即使坑壁土體保持較好的穩(wěn)定性，也不能忽略開(kāi)挖對(duì)臨近擋土墻的影響.開(kāi)挖應(yīng)力松弛會(huì)導(dǎo)致臨近擋土墻失穩(wěn).開(kāi)挖距離大于20m，開(kāi)挖深度小于4m時(shí)，影響較小，開(kāi)挖過(guò)程相對(duì)安全；開(kāi)挖距離小于12m，開(kāi)挖深度大于4m時(shí)，開(kāi)挖對(duì)穩(wěn)定性的影響顯著，需要密切關(guān)注開(kāi)挖對(duì)臨近擋土墻的影響.本案例中新開(kāi)挖溝槽距既有擋土墻最近處為5.6m，最大開(kāi)挖深度為5m，按照本文計(jì)算方法可知，開(kāi)挖導(dǎo)致的抗滑移安全系數(shù)為1.15，抗傾覆安全系數(shù)為1.20.根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》，重力式擋土墻抗滑移安全系數(shù)應(yīng)大于1.2.本案例在實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程中，開(kāi)挖到4.6m深度即出現(xiàn)了滑移失穩(wěn)趨勢(shì)，實(shí)際結(jié)果與計(jì)算結(jié)果較一致.

4 結(jié)論與建議

臨近開(kāi)挖過(guò)程會(huì)引起應(yīng)力松弛，導(dǎo)致墻后土體提供給墻體的支撐力減小，從而使得墻體抗滑移和抗傾覆安全系數(shù)減小，引起既有擋土墻的整體穩(wěn)定性失效.基于彈性力學(xué)的Melan解可以建立臨近開(kāi)挖坑壁應(yīng)力松弛對(duì)既有擋土墻穩(wěn)定性影響的理論計(jì)算公式，并且可以通過(guò)Matlab編程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算.由計(jì)算結(jié)果可知：即使坑壁土體保持較好的穩(wěn)定性，基坑開(kāi)挖應(yīng)力松弛也會(huì)對(duì)擋土墻的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響，且當(dāng)開(kāi)挖距離小于某一值和開(kāi)挖深度大于某一值時(shí)，這種影響會(huì)非常顯著.可以通過(guò)計(jì)算得出開(kāi)挖距離和開(kāi)挖深度的顯著影響值，在工程實(shí)際中，一旦開(kāi)挖距離小于該顯著影響值和開(kāi)挖深度大于該顯著影響值時(shí)，就必須加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，并設(shè)置適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)措施.

該計(jì)算方法簡(jiǎn)單便捷，可以快速得出顯著影響值，可為實(shí)際工程提供指導(dǎo).然而該方法也有其需要改進(jìn)的地方：

(1)Melan解是基于彈性均質(zhì)材料假設(shè)的彈性力學(xué)解，但由于土體是非均質(zhì)的非連續(xù)材料，因此，在應(yīng)用該方法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，難免會(huì)出現(xiàn)誤差.后續(xù)研究應(yīng)基于大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬，應(yīng)針對(duì)各類不同的土體及土體分層情況，引入相應(yīng)的修正系數(shù)，使基于Melan解得出的應(yīng)力解更加符合實(shí)際情況.

(2)本文主要基于開(kāi)挖前開(kāi)挖面提供靜止土壓力和開(kāi)挖之后開(kāi)挖面應(yīng)力為0的假設(shè)來(lái)進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算的.而在實(shí)際工程中，土中應(yīng)力的情況非常復(fù)雜，且現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)困難.相對(duì)而言，位移測(cè)量簡(jiǎn)單易行，且數(shù)據(jù)可靠.后續(xù)的研究可以考慮建立土體應(yīng)力與位移的關(guān)系，然后通過(guò)對(duì)開(kāi)挖面附近位移的量測(cè)來(lái)得到應(yīng)力情況，再通過(guò)論文所建立的理論模型進(jìn)行計(jì)算，擴(kuò)大該計(jì)算方法的應(yīng)用范圍.

[1] 劉興遠(yuǎn),陳偉,周珉.建筑基坑引起的擋土墻開(kāi)裂事故分析[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào), 2000, 20(4):294-298.

[2] 李志堂,彭振斌,楊鵬.深基坑施工對(duì)其臨近重力式擋土墻影響的數(shù)值分析[J]. 廣東建材, 2011, 27(6):93-96.

[3] 李志堂,彭振斌,彭文祥,等. 既有重力式擋土墻與臨近基坑開(kāi)挖相互影響的研究[J]. 湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2011, 26(3):45-50.

[4] 張永興,丁敏,王輝.基于Melan解的地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)分析方法[J]. 巖土力學(xué), 2012, 33(10):2890-2896.

[5] 姚國(guó)圣.考慮位移的土壓力計(jì)算方法在基坑工程中的應(yīng)用[J]. 巖土工程學(xué)報(bào),2013,S2:693-696.

[6] 宋飛,張建民.考慮擋墻位移效應(yīng)的被動(dòng)側(cè)土壓力計(jì)算方法[J]. 巖土力學(xué),2011,1:151-157.

[7]JGJ120—2012,建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

Effects of Excavation at the Bottom of the Wall on the Existing Retaining Wall Stability

Wang Huajun1, Jiang Jianliang1,Yang Xian2,3,4, Cao Yunjiang2,3,4,5, Ouyang Taojian1, Yang Chao2,3,4

(1. Zhejiang Engineering Prospecting Institute, Ningbo 315012, China; 2. Xiangtan University, Hunan Key Laboratory of Geomechanics and Engineering Safety，Xiangtan 411105, China; 3. Hunan University of Science and Technology, Hunan Provincial Key Laboratory of Shale Gas Resource Utilization, Xiangtan 411201, China; 4. Hunan University of Science and Technology, Hunan Provincial Key Laboratory of Geotechnical Engineering for Stability Control and Health Monitoring, Xiangtan 411201, China; 5. Hunan University of Science and Technology, Hunan Province Key Laboratory of Coal Resources Clean-utilization and Mine Environment Protection, Xiangtan 411201, China)

Based on Melan solution, the calculation formula for the effects of excavation at the bottom of the wall on the existing retaining wall stability was obtained. And the effects of the excavation distance and excavation depth on the anti-sliding safety factor and anti-overturning safety factor were analyzed. The calculated data were in agreement with the results of the actual cases.

excavation; stress relaxation; anti-sliding safety factor; anti-overturning safety factor

2016-09-23

巖土力學(xué)與工程安全湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(16GES05)；湖南省教育廳一般資助項(xiàng)目(15C0530)；湖南科技大學(xué)博士啟動(dòng)基金(E51497)

王華俊(1979-)，男，浙江寧波人，高級(jí)工程師，注冊(cè)巖土工程師，研究方向：巖土工程、地質(zhì)工程等領(lǐng)域的施工和科研工作，E-mail：24220133@qq.com

曹運(yùn)江(1967-)，男，湖南新化人，博士，教授，研究方向：地質(zhì)工程等方面的教學(xué)與科研工作，E-mail：1020002@hnust.edu.cn

1004-1729(2017)01-0059-05

P 642.3

A DOl：10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2017.0011