基坑施工變形及控制技術(shù)研究進(jìn)展

劉 編

（安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232000）

1 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，房建、交通、市政等工程越來越重視對地下空間的開發(fā)利用，因而基坑施工占據(jù)了工程建設(shè)中的重要地位?？v觀全國各地的基坑工程，其具有開挖體量大，開挖形狀不規(guī)則，開挖深度深等特點，且當(dāng)其位于城市核心區(qū)域時，復(fù)雜的地下管線分布，密集的周圍環(huán)境環(huán)繞等都給基坑工程的開展增加很多難度[1]。面對這些挑戰(zhàn)，在基坑工程的設(shè)計階段，需要進(jìn)一步提高基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計水平，將土體和結(jié)構(gòu)的受力和變形嚴(yán)格控制在規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值內(nèi)。

超深基坑指開挖深度大于15m的基坑[2]。現(xiàn)階段，我國超深基坑工程施工的事故率高達(dá)30%，主要原因有：1）理論落后于實踐，2）數(shù)值軟件適應(yīng)性差，3）監(jiān)測手段不足，4）防控技術(shù)不成熟，等。因此，針對復(fù)雜性和不確定性的超深基坑工程，亟需在設(shè)計理論、數(shù)值分析、現(xiàn)場實測和控制技術(shù)上實現(xiàn)突破，形成集強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、防水性于一體的時空設(shè)計、施工和維護(hù)體系。

2 基坑工程理論分析研究進(jìn)展

傳統(tǒng)基坑工程的設(shè)計分別將圍護(hù)結(jié)構(gòu)、開挖方案和內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)等割裂開來單獨設(shè)計，并未將其作為一個整體進(jìn)行設(shè)計。20世紀(jì)40年代，Terzaghi和Pick[3]等提出了基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)土壓力的計算公式。

式中，K為土的側(cè)壓力系數(shù)。

20世紀(jì)50年代，Bjerrum和Eide[4]提出了基坑坑底隆起的計算公式。

式中，D為圍護(hù)結(jié)構(gòu)入土深度；H為基坑開挖深度；γ1、γ2分別為圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)及坑底土體的重度；q為地面超載；Nq、Nc分別為地基承載力系數(shù)。由此建立了基于強(qiáng)度和穩(wěn)定性的基坑工程設(shè)計理論，并沿用至今。

候?qū)W淵[5]等提出了基坑周邊土層沉降隨圍護(hù)結(jié)構(gòu)入土深度變化的計算公式。圍護(hù)結(jié)構(gòu)入土深度越大，基坑中墻體側(cè)移值越小。相同入土深度條件下，由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身剛度和周圍土壓力的不同，墻后地表沉降與墻體側(cè)移的比值為0.1%H～1%H。由此基坑工程的設(shè)計核心逐步轉(zhuǎn)化為以控制變形為目的的設(shè)計理論。

3 基坑工程數(shù)值模擬研究進(jìn)展

孫鈞等[6]采用“有限元+邊界元”的方法模擬了基坑開挖過程中不同圍巖介質(zhì)的變形規(guī)律?？紤]到圍巖介質(zhì)在變形過程中會經(jīng)歷彈性、塑性和粘彈性等不同的變形階段，因此將圍巖介質(zhì)的本構(gòu)模型程序化應(yīng)用到有限元模擬中，由此得到了基坑開挖過程中，周圍土層從線性到非線性的變化規(guī)律。

Yang等[7]將三維Boit固結(jié)理論開發(fā)到有限元軟件中，模擬了基坑開挖和支護(hù)的施工過程，通過提取基坑周圍土體的孔隙壓力歷時結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著基坑開挖深度的增加，孔隙壓力值不斷減小，但隨著基坑內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的施加，孔隙壓力又逐漸恢復(fù)。由于土層隨著孔隙壓力的變化發(fā)生了不同程度的排水固結(jié)沉降，因而其周圍土體的變形值介于不排水基坑施工變形值和完全排水基坑施工變形值之間，與實際情況相符。

綜上所述，采用有限元數(shù)值軟件對基坑施工的全過程進(jìn)行模擬，可以提前預(yù)知實際施工中基坑變形的最危險區(qū)域，進(jìn)而在設(shè)計過程中對該區(qū)域進(jìn)行加固設(shè)計。此外，通過理論設(shè)計方法得到的基坑開挖方案、基坑圍護(hù)方案以及基坑支護(hù)方案往往都偏安全，在材料用量和尺寸設(shè)計上都處于滿溢狀態(tài)，因而通過有限元軟件可以很好地對結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到“安全、經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)”的施工目的。

4 基坑施工變形控制技術(shù)研究進(jìn)展

基坑施工過程會發(fā)生涌水、土層坍塌、周圍建筑物偏斜等事故，因而在圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工、基坑開挖、內(nèi)支撐架設(shè)等施工階段特別需要嚴(yán)格把控土層及構(gòu)筑物的變形。

在基坑工程的設(shè)計階段，應(yīng)當(dāng)從強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的角度對支護(hù)結(jié)構(gòu)和開挖參數(shù)進(jìn)行精密驗算，留足安全系數(shù)。此外，還需通過成熟的有限元軟件對基坑施工全過程進(jìn)行模擬，最大程度地預(yù)測可能發(fā)生的事故，達(dá)到事先預(yù)測的目的。

在基坑工程的施工階段，應(yīng)當(dāng)備足安全防護(hù)措施，按照設(shè)計要求高質(zhì)量完成降水、分層分段放坡開挖和支護(hù)結(jié)構(gòu)澆筑的工序，安裝足量的監(jiān)測元件，實時動態(tài)進(jìn)行變形監(jiān)測。其次，施工現(xiàn)場要做好預(yù)警設(shè)置，一旦超出預(yù)警值，立即采取措施進(jìn)行必要的加固，達(dá)到事中控制的目的。

在基坑工程的維護(hù)階段，應(yīng)當(dāng)整理好現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，做好基坑施工方案的備案，豐富基坑工程的案例庫，推動理論設(shè)計和數(shù)值模擬的發(fā)展，達(dá)到事后提升的目的。

5 結(jié)語

現(xiàn)階段，基坑工程的設(shè)計原則逐漸從設(shè)計一個“安全”的基坑工程轉(zhuǎn)向一個“最優(yōu)”的基坑工程。針對基坑施工過程中的變形問題，形成一套集“理論設(shè)計，數(shù)值模擬優(yōu)化和現(xiàn)場實測驗證”于一體的施工體系將是未來基坑施工過程中控制變形的重要手段。不斷汲取已有案例的成功經(jīng)驗，從中升華出特有基坑工程的施工方案，將有利于大型基坑工程的創(chuàng)新發(fā)展。