軟土深基坑的空間變形特性分析及危險(xiǎn)性評(píng)估*

李常茂，祝和意

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000)

0 引言

受地質(zhì)條件、基坑開(kāi)挖及施工機(jī)械擾動(dòng)等因素影響，基坑施工具有空間立體擾動(dòng)特征，會(huì)對(duì)安全施工造成潛在威脅，因此，準(zhǔn)確掌握基坑施工過(guò)程的空間變形特性及危險(xiǎn)性狀態(tài)具有重要的工程指導(dǎo)意義[1-6]。目前，已有學(xué)者開(kāi)展基坑空間變形特性研究：張壯等[7]、于富才等[8]利用數(shù)值模擬演化基坑開(kāi)挖過(guò)程，掌握基坑變形的時(shí)空效應(yīng)，為基坑后期施工提供一定的信息數(shù)據(jù)；奚家米等[9]在基坑變形監(jiān)測(cè)成果基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，得出基坑變形的主要影響因素，達(dá)到安全控制的目的。上述研究雖揭示基坑開(kāi)挖過(guò)程的部分空間效應(yīng)特征，但也存在一定不足，如數(shù)值模擬難以表達(dá)基坑所處環(huán)境的不均一性，且未在基坑空間變形特性分析基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)展基坑危險(xiǎn)性評(píng)估，加之基坑所處區(qū)域地質(zhì)條件的差異性，使得仍需針對(duì)具體地區(qū)開(kāi)展相應(yīng)的基坑空間變形特性分析。

在前述研究的基礎(chǔ)上，也有學(xué)者進(jìn)行基坑危險(xiǎn)性評(píng)估研究，如徐耀德等[10]利用權(quán)重矩陣分析法實(shí)現(xiàn)基坑多項(xiàng)預(yù)警因素的風(fēng)險(xiǎn)量化評(píng)估，提高基坑施工過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)管控水平；夏元友等[11]利用層次分析法構(gòu)建基坑施工過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)模型，實(shí)時(shí)掌握基坑施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)變化，有效保障安全施工；王飛等[12]則在基坑風(fēng)險(xiǎn)因素分析基礎(chǔ)上，構(gòu)建基坑風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系，實(shí)現(xiàn)基坑施工風(fēng)險(xiǎn)的定量評(píng)價(jià)，合理指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。上述研究在基坑風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面取得一定成果，但也存在一些不足：采用單一監(jiān)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)難以全面管控基坑施工的安全風(fēng)險(xiǎn)；基于變形限值進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估多依賴于人為確定，缺乏理論基礎(chǔ)，且未涉及基坑變形極值在基坑風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用研究。

因此，本文以安元西路站基坑為工程背景，基于其變形監(jiān)測(cè)結(jié)果，先開(kāi)展基坑施工的空間變形特性分析，再通過(guò)特征指標(biāo)計(jì)算進(jìn)行基坑危險(xiǎn)性評(píng)估，以期為類似工程提供參考和借鑒。

1 基本原理

1.1 基坑空間變形指標(biāo)的確立

因基坑施工具有空間立體擾動(dòng)特征，故其空間變形特性分析應(yīng)在三維空間變形監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上進(jìn)行；同時(shí)，在基坑施工過(guò)程中，其空間變形的研究對(duì)象主要為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)自身和周邊土體，進(jìn)而將二者的空間監(jiān)測(cè)指標(biāo)設(shè)定如下：

1)第1類指標(biāo)，即基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測(cè)指標(biāo)。基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)是其安全施工的重要保證，其變形能直接體現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)狀況，結(jié)合其空間變形特征，將其監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)定為墻頂水平位移監(jiān)測(cè)和沉降監(jiān)測(cè)。

2)第2類指標(biāo)，即周邊土體的變形監(jiān)測(cè)指標(biāo)。基坑施工會(huì)對(duì)周圍土體造成不同程度的擾動(dòng)，其空間變形監(jiān)測(cè)也尤為重要，類比前述空間變形指標(biāo)的布設(shè)，將周邊土體空間變形指標(biāo)設(shè)定為地表沉降監(jiān)測(cè)和深部側(cè)位移監(jiān)測(cè)。

1.2 基坑危險(xiǎn)性評(píng)估模型的確立

基坑危險(xiǎn)性評(píng)估模型構(gòu)建過(guò)程如下：

1)在評(píng)估判據(jù)的構(gòu)建過(guò)程中，累計(jì)變形是基坑穩(wěn)定性的直觀體現(xiàn)，但限于支護(hù)強(qiáng)度及環(huán)境差異，不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)可能達(dá)到的極限變形值Sc也不相同，進(jìn)而不宜利用累計(jì)變形量的絕對(duì)值進(jìn)行基坑的危險(xiǎn)性評(píng)估；一般情況下，若某監(jiān)測(cè)點(diǎn)的現(xiàn)有變形值St與其極限變形值Sc的比值越大，說(shuō)明其變形的預(yù)留空間越小，危險(xiǎn)性也相對(duì)越高，故將其作為基坑危險(xiǎn)性評(píng)估的判別指標(biāo)，稱為變形分級(jí)指標(biāo)Fr，求解公式如式(1)所示：

Fr=St/Sc

(1)

2)基坑變形發(fā)展趨勢(shì)也是其危險(xiǎn)性的重要判據(jù)，當(dāng)變形分級(jí)指標(biāo)Fr相對(duì)較小時(shí)，若其變形發(fā)展趨勢(shì)較強(qiáng)，極易達(dá)到極限變形值，應(yīng)具有較高的危險(xiǎn)性；反之，若變形發(fā)展趨勢(shì)較弱時(shí)，其危險(xiǎn)性也相對(duì)較弱。

3)將基坑危險(xiǎn)性評(píng)估判據(jù)設(shè)定為變形分級(jí)判據(jù)和發(fā)展趨勢(shì)判據(jù)，對(duì)應(yīng)具體判別指標(biāo)即為變形分級(jí)指標(biāo)和發(fā)展趨勢(shì)等級(jí)指標(biāo)。

4)結(jié)合工程實(shí)際，將基坑危險(xiǎn)性評(píng)估等級(jí)劃分為4級(jí)，具體劃分標(biāo)準(zhǔn)及建議措施見(jiàn)表1。

表1 基坑危險(xiǎn)性評(píng)估等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Classification standards for risk assessment of foundation pit

2類判據(jù)及指標(biāo)的具體求解過(guò)程如下：

1)變形分級(jí)指標(biāo)的求解

由式(1)可知，變形分級(jí)指標(biāo)的求解僅需確定現(xiàn)有變形值St和極限變形值Sc即可，前者可通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)果直接確定，而后者則需進(jìn)行針對(duì)性求解。同時(shí)，Sc值的求解過(guò)程應(yīng)充分利用既有監(jiān)測(cè)成果，將其求解方法設(shè)定為指數(shù)回歸擬合，擬合公式如式(2)所示：

y=Ae-B/t

(2)

式中：y為基坑變形值，mm；A為待擬合參數(shù)，mm，B亦為待擬合參數(shù)，d；t為時(shí)間變量，d。

根據(jù)式( 2 )，得出時(shí)間變量t趨于無(wú)窮大時(shí)，基坑變形值y趨近于定值A(chǔ)，且該值為最大值，進(jìn)而確定其為待求解的極限變形值。

2)變形發(fā)展趨勢(shì)等級(jí)指標(biāo)的求解

由于R/S分析已被廣泛應(yīng)用于基坑變形趨勢(shì)判斷中，具有較強(qiáng)的適用性，因此，本文利用其實(shí)現(xiàn)發(fā)展趨勢(shì)等級(jí)指標(biāo)的求解。根據(jù)R/S分析的求解過(guò)程[13-15]，可得Hurst指數(shù)(H值)，其可作為基坑變形發(fā)展趨勢(shì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其判據(jù)為：當(dāng)H=0.5時(shí)，說(shuō)明分析過(guò)程無(wú)效，無(wú)法判斷基坑發(fā)展趨勢(shì)；當(dāng)0.5

H值與0.5的差值p可作為基坑變形發(fā)展趨勢(shì)強(qiáng)弱的判斷指標(biāo)，進(jìn)而利用其實(shí)現(xiàn)基坑變形發(fā)展趨勢(shì)等級(jí)劃分，劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 基坑變形發(fā)展趨勢(shì)等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Classification standards for deformation development trend of foundation pit

2 實(shí)例分析

2.1 工程概況

安元西路站隸屬蘇州4號(hào)線，位于安元路和文靈路交叉口，近似呈南北展布，設(shè)計(jì)起始里程為DK2+266.1 m～DK2+532.7 m，結(jié)構(gòu)外包全長(zhǎng)為266.6 m，寬度為19.7 m，標(biāo)準(zhǔn)段開(kāi)挖深度16.5 m，屬深基坑；車站基坑采用地連墻作支護(hù)結(jié)構(gòu)，共設(shè)置3道橫撐，開(kāi)挖土方約8.6萬(wàn)m3。

為保證基坑施工安全，按前述基坑空間變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)，如圖1所示。由圖1可知，墻頂變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)共計(jì)28組(編號(hào)：ZQ)，每組2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別進(jìn)行水平位移監(jiān)測(cè)(編號(hào)：ZQS)和沉降監(jiān)測(cè)(編號(hào)：ZQC)；土體側(cè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)共計(jì)32組，每組1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)深度范圍為28 m，測(cè)點(diǎn)豎向間距為0.5 m，用于深層側(cè)位移監(jiān)測(cè)(編號(hào)：CX)；地表沉降監(jiān)測(cè)共計(jì)32組，每組3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，呈垂直支護(hù)結(jié)構(gòu)分布，與支護(hù)結(jié)構(gòu)凈距分別為2，5，30 m，編號(hào)分別為1#，2#，3#(編號(hào)：DB)。

2.2 空間變形特性分析

1)支護(hù)結(jié)構(gòu)的空間變形特征

28組墻頂水平位移和沉降的變形監(jiān)測(cè)值統(tǒng)計(jì)圖如圖2所示。由圖2可知，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形值存在明顯波動(dòng)，近似呈“駝峰”特征，結(jié)合圖1中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)情況，得出在基坑兩端頭的變形值相對(duì)較小，而在基坑中部的變形值相對(duì)較大，分析其原因，應(yīng)是支護(hù)結(jié)構(gòu)在端部處結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)較大所致。

圖2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形值統(tǒng)計(jì)Fig.2 Statistics on deformation values of support structure in foundation pit

圖1 基坑空間變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置Fig.1 Layout of monitoring points for spatial deformation of foundation pit

2)周邊土體的空間變形特征

①地表沉降變形特征。一般情況下，土體距離基坑越近，其受施工擾動(dòng)程度相對(duì)越大。對(duì)1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖3所示。由圖3可知，其周邊土體的地表沉降也具明顯的波動(dòng)特征，且結(jié)合其監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置，得出基坑兩端的沉降值也相對(duì)較小，而中部的沉降值相對(duì)較大，其中，東側(cè)最大地表沉降值為6.7 mm，而西側(cè)最大地表沉降值為7.2 mm，二者相差不大，且均較小。

圖3 基坑周邊土體沉降變形Fig.3 Settlement and deformation of soil around foundation pit

②土體深層側(cè)位移變形特征。 32個(gè)土體深部側(cè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大值統(tǒng)計(jì)圖如圖4所示。由圖4可知，不同位置處的側(cè)位移最大值存在明顯差異，變形特征也與前述各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目相似；東側(cè)的最大深部側(cè)位移值為17.8 mm(CX-09監(jiān)測(cè)點(diǎn))，而西側(cè)的最大深部側(cè)位移值為16.2 mm(CX-24監(jiān)測(cè)點(diǎn))，并對(duì)比圖3與圖4，得出基坑施工對(duì)周邊土體的側(cè)位移影響要明顯大于其對(duì)地表沉降的影響。

圖4 不同位置處的最大深部側(cè)位移對(duì)比Fig.4 Comparison of maximum deep lateral displacement at different positions

通過(guò)上述分析，得出在安元西路站基坑施工過(guò)程中，其周邊土體的側(cè)位移變形量相對(duì)最大，其支護(hù)結(jié)構(gòu)及地表沉降變形均相對(duì)較小，且受基坑結(jié)構(gòu)限制及剛度差異影響，變形多集中于基坑中部，端部的變形量相對(duì)較小，可為類似工程的空間變形監(jiān)測(cè)提供參考。

2.3 基坑危險(xiǎn)性評(píng)估

1)變形分級(jí)判據(jù)的危險(xiǎn)性評(píng)估

一般情況下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)變形值越大，其對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)性也應(yīng)越高，故分別于基坑長(zhǎng)邊(東、西兩側(cè))選取變形值較大的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估研究；結(jié)合前述基坑空間變形特性分析結(jié)果，在墻頂變形分析方面，以ZQS-08，19和ZQC-11，19監(jiān)測(cè)點(diǎn)為例進(jìn)行分析，而在周邊土體變形分析方面，以DB-08，09，24，25和CX-09，24監(jiān)測(cè)點(diǎn)為例進(jìn)行分析。

先對(duì)墻頂變形進(jìn)行變形分級(jí)判據(jù)的危險(xiǎn)性評(píng)估，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，在極限變形值求解的擬合過(guò)程中，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的擬合度均較趨近于1，說(shuō)明擬合效果較優(yōu)；結(jié)合現(xiàn)有變形值，得出4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形分級(jí)指標(biāo)為0.56～0.67，即危險(xiǎn)性等級(jí)間于Ⅰ～Ⅱ級(jí)，危險(xiǎn)性等級(jí)均偏低，即說(shuō)明支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較好，且二者包含的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)相等，均為2個(gè)；對(duì)比墻頂水平位移及沉降的變形分級(jí)指標(biāo)均值，得前者的均值為0.62，而后者的均值為0.59，以前者變形分級(jí)指標(biāo)相對(duì)更大，但對(duì)危險(xiǎn)性等級(jí)劃分的影響較小。

表3 墻頂變形的變形分級(jí)判據(jù)評(píng)估結(jié)果Table 3 Evaluation results of deformation classification criteria for wall top deformation

對(duì)基坑周邊土體的各類代表性監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行變形分級(jí)判據(jù)的危險(xiǎn)性評(píng)估，所得結(jié)果見(jiàn)表4。在地表沉降變形的評(píng)估結(jié)果中，得出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形分級(jí)指標(biāo)均小于0.6，即其危險(xiǎn)性等級(jí)均為Ⅰ級(jí)；而在側(cè)位移的評(píng)估結(jié)果中，得出東側(cè)CX-09監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形分級(jí)指標(biāo)為0.72，危險(xiǎn)性等級(jí)為Ⅲ級(jí)，而西側(cè)CX-24監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形分級(jí)指標(biāo)為0.64，較前者略低，危險(xiǎn)性等級(jí)為Ⅱ級(jí)。

表4 周邊土體變形的變形分級(jí)判據(jù)評(píng)估結(jié)果Table 4 Evaluation results of deformation classification criteria for surrounding soil deformation

對(duì)比上述各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形分級(jí)判據(jù)評(píng)估結(jié)果，得出地表沉降變形的危險(xiǎn)性等級(jí)相對(duì)最低，其次是墻頂變形，而深層側(cè)位移的危險(xiǎn)性等級(jí)相對(duì)最高；根據(jù)不利條件原則，在變形分級(jí)判據(jù)條件下，安元西路站基坑的危險(xiǎn)性等級(jí)為Ⅲ級(jí)。

2)發(fā)展趨勢(shì)判據(jù)的危險(xiǎn)性評(píng)估

根據(jù)前述評(píng)估結(jié)果，得出危險(xiǎn)性等級(jí)為Ⅱ～Ⅲ級(jí)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)共計(jì)有4個(gè)，其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)均為Ⅰ級(jí)，因此，再利用發(fā)展趨勢(shì)判據(jù)對(duì)該4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行發(fā)展趨勢(shì)評(píng)價(jià)，以進(jìn)一步校核其危險(xiǎn)性等級(jí)。

通過(guò)計(jì)算，得各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在發(fā)展趨勢(shì)判據(jù)條件下的評(píng)估結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知，4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的Hurst指數(shù)均大于0.5，說(shuō)明其變形具正向持續(xù)性，即其變形仍將持續(xù)增加；同時(shí)，結(jié)合差值p的大小進(jìn)行趨勢(shì)等級(jí)劃分，得出ZQS-19監(jiān)測(cè)點(diǎn)和CX-24監(jiān)測(cè)點(diǎn)的趨勢(shì)程度較低，趨勢(shì)等級(jí)為1級(jí)，而ZQC-11監(jiān)測(cè)點(diǎn)和CX-09監(jiān)測(cè)點(diǎn)的趨勢(shì)程度一般，趨勢(shì)等級(jí)為2級(jí)。綜上所述，根據(jù)不利條件原則，在發(fā)展趨勢(shì)判據(jù)條件下，安元西路站基坑的趨勢(shì)等級(jí)為2級(jí)。

表5 在發(fā)展趨勢(shì)判據(jù)條件下的評(píng)估結(jié)果Table 5 Evaluation results under development trend criteria

基于2類判據(jù)的評(píng)估結(jié)果，結(jié)合表1的危險(xiǎn)性評(píng)估原則，綜合確定安元西路站基坑的危險(xiǎn)性評(píng)估等級(jí)為Ⅲ級(jí)，即危險(xiǎn)性等級(jí)中等，屬預(yù)警狀態(tài)，應(yīng)加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)事故防范，并制定處理措施準(zhǔn)備。

3 結(jié)論

1)基坑施工過(guò)程造成的空間變形顯著，其中，在支護(hù)結(jié)構(gòu)空間變形特征方面，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形值存在明顯波動(dòng)，近似呈“駝峰”特征，分析其原因，應(yīng)是支護(hù)結(jié)構(gòu)在端部處的結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)較大所致。

2)基坑周邊土體沉降相對(duì)較小，隨著與基坑距離的增加，地表沉降呈下降趨勢(shì)；同時(shí)，隨基坑持續(xù)施工，不同深度處的土體側(cè)位移也隨之增加。

3)在變形分級(jí)判據(jù)的評(píng)估結(jié)果中，得出深層側(cè)位移的危險(xiǎn)性等級(jí)相對(duì)最高，其次是墻頂變形和地表沉降，基坑危險(xiǎn)性等級(jí)為Ⅲ級(jí)；在發(fā)展趨勢(shì)判據(jù)的評(píng)估結(jié)果中，基坑的趨勢(shì)等級(jí)相對(duì)較低，僅為2級(jí)。

4)該基坑危險(xiǎn)性評(píng)估方法具有操作簡(jiǎn)單，系統(tǒng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能準(zhǔn)確判斷基坑危險(xiǎn)性等級(jí)，具有良好的評(píng)價(jià)效果，可為類似工程提供參考和借鑒。