考慮支護(hù)位移和水壓力的基坑底部隆起量估算改進(jìn)方法

曾 晉

(成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂(lè)山 614000)

1 概 述

基坑開(kāi)挖過(guò)程中,坑內(nèi)土體卸載使得坑底土體發(fā)生回彈變形?；勇∑鹆康亩嗌俑桥袛嗷幼冃魏头€(wěn)定性的重要依據(jù)，也是施工和設(shè)計(jì)的主要控制指標(biāo)。

宰金珉[1]以帶有半圓形開(kāi)挖邊界的彈性半平面的應(yīng)力解為基礎(chǔ)，推導(dǎo)了基礎(chǔ)開(kāi)挖回彈量的簡(jiǎn)化估算公式。侯學(xué)淵等[2]對(duì)基底隆起進(jìn)行了系統(tǒng)的模型試驗(yàn)研究，提出計(jì)算坑底隆起經(jīng)驗(yàn)公式。丁勇春[3]等采用FLAC3D計(jì)算坑底土體的隆起值，經(jīng)筆者擬合，公式為s=7H+52.4。趙錫宏[4]基于實(shí)測(cè)資料提出一個(gè)估算方法。張?jiān)韀5]提到一種基于離心模型試驗(yàn)的模型試驗(yàn)資料法。劉國(guó)彬[6]結(jié)合大量的實(shí)測(cè)資料的分析、整理,提出了諸多修正公式的基坑回彈的實(shí)用計(jì)算法。日本《建筑基礎(chǔ)構(gòu)造設(shè)計(jì)基準(zhǔn)》給出了較為復(fù)雜的分層總和法，認(rèn)為所挖去的那部分土重使坑底各層土應(yīng)力變化，與實(shí)際不符，誤差較大。潘林有[7]提出了回彈區(qū)和強(qiáng)回彈區(qū)的范圍,進(jìn)而給出了一種卸荷回彈量的估算方法。李德寧[8]基于樓曉明[9]的修正卸荷應(yīng)力提出自重應(yīng)力抵消法。

以上方法中，最后幾種方法可看做分層總和法的改進(jìn)方法。但這些方法僅僅考慮隆起的部分原因，而劉漢龍[10]等認(rèn)為基坑隆起破壞的原因?yàn)椋盒逗?、支護(hù)結(jié)構(gòu)位移、軟弱層產(chǎn)生塑性流變、水的滲流和浮力、周邊建筑累積應(yīng)力的二次釋放。而平揚(yáng)[11]直接指出，隆起包括三大部分：卸荷回彈、支護(hù)樁墻側(cè)向位移對(duì)基坑坑底土體的擠壓、向上作用的滲透力。因此，本文在分層總和法的基礎(chǔ)上，研究一種考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)位移、水壓力和自重應(yīng)力抵消的改進(jìn)方法。

2 坑底隆起估算方法

隆起的計(jì)算方法很多，主要有規(guī)范法、經(jīng)驗(yàn)公式法、理論公式法和數(shù)值模擬法，常用的計(jì)算公式見(jiàn)表1。

表1 隆起量計(jì)算公式

由表1可得，分層總和法及其改進(jìn)方法是隆起量估算的經(jīng)典和重要方法，在這些方法中，卸荷模量和坑底隆起影響范圍的計(jì)算起著重要作用。劉國(guó)彬等[12]建議的卸荷模量考慮了破壞比和殘余應(yīng)力的影響，但公式較為復(fù)雜。楊建民等[13]建議的Duncan-Chang 模型卸荷模量Eur。其表達(dá)式為：

Eur=KurPa(σ3/Pa)n

(1)

式中：Kur為卸載模量數(shù)，與土有關(guān)的參數(shù)，可以通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得；Pa為大氣壓力值；n為與土有關(guān)的參數(shù)，對(duì)正常固結(jié)黏土一般取1.0。

注意到σ3=K0σ1=(1-sinφ)σ1和n=1.0，代入分層總和法公式中的Euri可?。?/p>

Euri=Kur(1-sinφi)∑γihi

(2)

式中:φi、γi、hi分別為坑底計(jì)算范圍內(nèi)第i層土的內(nèi)摩擦角、平均重度和分層厚度。

鄧指軍[14]指出基坑隆起影響深度范圍為1.94H～2.33H(H為基坑開(kāi)挖深度，開(kāi)挖基坑強(qiáng)回彈影響深度范圍(強(qiáng)回彈區(qū))為0.23H～0.45H。劉國(guó)彬[15]認(rèn)為計(jì)算深度可從下面經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式計(jì)算得到,即為：

hr=H/(0.0612H+0.19)

(3)

式中：hr為計(jì)算深度；H為基坑的開(kāi)挖深度。

3 基底隆起估算改進(jìn)方法

傳統(tǒng)規(guī)范方法中，僅考慮開(kāi)挖的作用，沒(méi)有考慮壓水的水壓力和基坑內(nèi)外水壓力差、支護(hù)結(jié)構(gòu)向著坑內(nèi)的位移和自重應(yīng)力抵消作用。

3.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移引起的隆起

劉國(guó)彬[16]指出支護(hù)結(jié)構(gòu)向基坑內(nèi)的側(cè)向變形也會(huì)進(jìn)一步擠推坑內(nèi)土體,造成坑底土體的回彈。Ou[17]指出圍護(hù)墻最大水平位移為開(kāi)挖深度的0.2%～0.5%。劉興旺[18]分析了杭州和上海等地區(qū)的15個(gè)基坑的資料,結(jié)果表明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大側(cè)移基本落于0.2%H～0.9%H的范圍內(nèi)。其上限較Ou統(tǒng)計(jì)的變形要大,這是由于杭州和上海地區(qū)存在較深厚淤泥質(zhì)黏土且抗剪強(qiáng)度低的緣故。假設(shè)支護(hù)結(jié)構(gòu)插入土體部分的水平位移均為0.3%，并加上均勻隆起，根據(jù)體積相等，疊加在坑底隆起中，其公式為：

s1=δhs/B

(4)

式中:δ為支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移；hs為支護(hù)結(jié)構(gòu)入土深度；B為基坑寬度。

3.2 水壓力引起的隆起

由于通常情況下，開(kāi)挖前降水已經(jīng)完成并且基坑周?chē)兄ёo(hù)結(jié)構(gòu)，所以計(jì)算的坑內(nèi)外水壓力差往往偏大。但將承壓水的水壓力和坑內(nèi)外水壓力綜合起來(lái)考慮，簡(jiǎn)化為坑內(nèi)外壓力差使用，既方便又不至于產(chǎn)生過(guò)大偏差。即下式：

Pwi=ΔLi×γw

(5)

式中:ΔLi為第i層土坑內(nèi)外水壓力差；γw為水的重度。

3.3 自重應(yīng)力抵消作用

在計(jì)算每一層的隆起量時(shí)，應(yīng)去掉本層土體的自重。

綜上，本文改進(jìn)方法的公式為：

s=∑(σH+Pw)hi/Euri-σihi/Euri+δh/B

(6)

4 算 例

某基坑的平面尺寸為39 m×61 m，基坑開(kāi)挖深為7.6 m，采用鋼板樁支護(hù)，鋼板樁入土深度為6.4 m。利用本文公式其計(jì)算參數(shù)為：Kur=876 kN/m2，n=1.0，γ=24 kN/m2，φ=21°。

基坑隆起計(jì)算深度，根據(jù)鄧指軍公式，取14～18 m；根據(jù)劉國(guó)彬公式，取11.6 m，這里取14 m，坑內(nèi)外水壓力差ΔL取5 m。

不同公式之間的比較見(jiàn)表2，其中基坑隆起的實(shí)測(cè)值為4.06 cm。規(guī)范法與本文改進(jìn)方法的分層累計(jì)隆起值比較見(jiàn)圖2。

表2 不同方法最終隆起量比較

圖2 規(guī)范法和改進(jìn)方法分層計(jì)算比較

由表2和圖2可得：①規(guī)范法偏小11%，并且偏于不安全。本文改進(jìn)方法偏大9%，偏于安全，明顯優(yōu)于原有方法；②大部分公式的計(jì)算結(jié)果偏于不安全；③各個(gè)公式偏差各異，與實(shí)際值相比，偏大和偏小百分比均較大，其中模型試驗(yàn)法計(jì)算值偏小85%，丁勇春方法偏大160%。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)比分析，可以得到以下結(jié)論：

1) 包括規(guī)范法在內(nèi)的大部分公式的計(jì)算結(jié)果偏于不安全；本文的改進(jìn)方法，使得計(jì)算結(jié)果更加符合實(shí)際工程，并且偏于安全。

2) 各個(gè)公式偏差各異，與實(shí)際值相偏差較大。其中，模型試驗(yàn)法計(jì)算值偏小85%，丁勇春方法偏大160%，宰金珉方法偏小78%，對(duì)于本算例不太適用。