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）

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；時空效應(yīng)；預(yù)測

當(dāng)前國內(nèi)外在深基坑周圍土體移動研究中，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)驗公式預(yù)測法[1]。物理模擬法是利用相似原理對基坑的穩(wěn)定性和變形進行室內(nèi)模型試驗研究，由于介質(zhì)模擬及模型土體位移量測需要很精密和復(fù)雜的技術(shù)，室內(nèi)模型試驗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)用于實際工程。實際工程中,常用經(jīng)驗公式預(yù)測法、半理論解析法和數(shù)值模擬法進行坑周地層移動的預(yù)測。經(jīng)驗公式預(yù)測法和半理論解析法可對橫向的墻后地表變形和墻體水平位移進行預(yù)測分析，而有限元分析法則可對坑周內(nèi)外地表以下各個土體位移的水平和垂直進行預(yù)測分析。

1 經(jīng)驗公式預(yù)測法

國內(nèi)外有關(guān)專家對經(jīng)驗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分為“I”、“II”兩種基本形式，如圖1。當(dāng)圍護結(jié)構(gòu)入土深度較小或墻底入土在軟弱地層內(nèi)，此時墻底處出現(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)生在緊靠支護墻頂處，為第“I”種型式。當(dāng)圍護結(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相關(guān)的原理，求出地面沉降。由于桿系有限元法在計算時不考慮時間的影響，但在具有流變性的軟土地區(qū)，時間對墻體的位移影響非常明顯，因此實際計算時，應(yīng)對墻體位移進行修正。

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)了臺北10個深基坑開挖的監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)第“II”種型式得到地表沉降的經(jīng)驗公式。

2 時空效應(yīng)法

劉建航院士根據(jù)上海大量軟土基坑實踐提出了時空效應(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)測問題。他和侯學(xué)淵教授結(jié)合上海軟土深基坑工程實踐,認(rèn)為在深基坑施工中,每個開挖步驟、開挖空間尺寸、圍護墻無支撐暴露面積和時間等施工參數(shù)，對基坑變形和穩(wěn)定性具有明顯的相關(guān)性。時空效應(yīng)法一般應(yīng)用在地層自穩(wěn)性差,需要支護(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Peck法進行了修正和完善,提出如下經(jīng)驗公式:

地面沉降:δv=10K1·α·H,其中K1為修正系數(shù),對于壁式圍護墻取0.3，柱列式圍護墻取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

有限單元法可以對深基坑開挖中影響坑周地層移動的因素，如地層特性、支護結(jié)構(gòu)、分步開挖工況及基坑幾何形狀等進行模擬。從理論上講,有限元法可以精確地預(yù)測圍護墻變形、墻后地表沉降、坑底隆起、周圍地層移動，但實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，因而有限元計算結(jié)果和實際情況還存在一定的差異。目前，各地區(qū)仍以半經(jīng)驗的實用公式為主，但要估算地層變形以及深入了解坑周土層位移場的性狀，還是首推有限元法。

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

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

[3]潘洪科,饒運章.深基坑開挖坑外地表沉降分析與計算[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)向變形分析與計算[J].巖土工程學(xué)報,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.