基于軟土地區(qū)深基坑施工變形安全性狀的時間特性研究

顏玉兵

（江蘇省地質工程勘察院，南京211102）

1 引言

城市化進程的發(fā)展讓城市人口數(shù)量得到了持續(xù)增加。城市用地也愈發(fā)緊張。為了優(yōu)化城市用地，需要加強對地下空間的開發(fā)，深基坑工程也由此得到了人們的關注。深基坑施工需要面對土體變形帶來的影響，采取措施降低甚至避免對周圍建筑以及管線的影響。因此，有必要對深基坑施工變形安全性狀的時間特性進行分析。

2 深基坑施工變形分析

深基坑開挖期間，既需要確?；幼陨淼陌踩耘c穩(wěn)定性，還應保證變形控制效果，使周圍環(huán)境不受影響。在土層力學性能相對較好的區(qū)域，基坑開挖導致的土體變形非常小，通過對基坑施工進行合理控制，不會對基坑周圍環(huán)境造成嚴重影響。而在軟土地區(qū)進行施工時，會因為土層軟弱且復雜使基坑開挖變形更加嚴重，基坑附近的建筑物、管線、交通設施都會受到基坑變形的影響，因此，深基坑施工變形是城市軟土地區(qū)施工期間必須考慮的一個重點問題。

3 軟土地區(qū)深基坑安全性的時間特性分析

當深基坑中存在具有流變性的土層時，會對基坑施工的安全性帶來較為嚴重的影響[1]，當基坑附近存在需要保護的建筑與管線時，就有可能因施工而導致建筑、管線遭受破壞。而且因為工期的影響，很多深基坑工程還會在施工中出現(xiàn)超挖、超載的情況，所以，當支撐結構無法滿足施工條件時，會導致圍護結構的變形程度加劇，進而影響基坑施工質量。只有通過嚴格控制安全性狀，從安全、經(jīng)濟的角度合理制訂施工方案，才能實現(xiàn)對基坑變形的控制，降低基坑變形帶來的影響。

3.1 軟土蠕變特性

基坑施工中出現(xiàn)的變形問題通常是土體隨著時間的推移在蠕變作用下形成的，蠕變速率通常取決于剪應力的大小，根據(jù)剪應力的不同，蠕變速率大致可以分為以下幾種情況：（1）當土體剪應力相對較小時（r≤0.025 MPa），此時，蠕變變形非常小，當內摩擦力能夠抵抗剪應力時，蠕變發(fā)展將會停止，此時土體并不會受到蠕變帶來的影響。（2）土體剪應力達到一定程度時（r=0.15 MPa），土體的蠕變將會持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，當土體蠕變急劇增大之后，便會出現(xiàn)蠕變破壞的情況。通常情況下，當變形問題出現(xiàn)之后，若對其施加荷載，會產(chǎn)生瞬時彈性應變，若此時荷載能夠維持不變，則應變時間就會在時間的影響下而不斷增加，這時會出現(xiàn)應變速率逐漸下降的短暫蠕變區(qū)間，這時蠕變?yōu)榈谝浑A段，應變按照恒定速率增長的區(qū)間為第二階段蠕變，這部分蠕變時間通常會很長。第三階段蠕變會進行加速蠕變，直至蠕變達到極限后便會發(fā)生破壞。（3）當剪應力達到極限時（r=0.2 MPa），其從蠕變開始直到最終破壞只需要經(jīng)歷較短的時間，這便意味著當土體應力水平足夠高時，土體就會在一定時間內從不被察覺的持續(xù)蠕變發(fā)展至破壞。根據(jù)應力的不同，蠕變形態(tài)將會出現(xiàn)非常大的轉變，所以，在深基坑施工期間，當開挖至一定程度后，便會促使應力、蠕變逐漸增加，另外，支撐不及時、暴露時間過長都會導致明顯的變形問題發(fā)生[2]。

3.2 時空效應原理

在深基坑開挖、支撐期間，開挖速度、順序等因素都將對土體變形帶來影響。劉建航院士結合各類影響因素提出了時空效應理念，通過該理念能夠加強對變形問題的合理控制，進而保證基坑施工質量。時空效應原理能夠令土體抵抗變形的能力得到有效發(fā)揮，降低開挖變形帶來的影響。根據(jù)項目規(guī)模、開挖深度等要素提出施工工藝，有效保證技術要點滿足施工要求。例如，在開展長條形基坑施工時，由于其基坑縱向交纏，因此，橫斷面不會出現(xiàn)較大的變化。在開挖時，可以按照分段開挖、澆筑底板的方式來保證施工效果，而且在每段的開挖過程中，還可以分層、分段來加強支撐，可控制開挖層厚為3～4 m、段寬為3～6 m。開挖作業(yè)時還可以結合監(jiān)測數(shù)據(jù)來實現(xiàn)實時調整，進而保證開挖效果。在失控效應理論下，通過結合需求以及實際情況能夠實現(xiàn)對項目工程的優(yōu)化，并保證基坑開挖質量始終滿足項目工程的質量要求。

4 有無支撐變形分析

某地鐵站項目周圍具有較多的建筑物，居民住宅、學校等較近的建筑必須在施工中對其進行重點保護，避免地鐵工程給其他建筑帶來影響。施工地鐵站為地下2層的框架結構，全長為364.7 m，彼岸準段寬21.5 m。工程項目特征為場地狹小、基坑長且深。由于周圍存在較多的建筑物，因此，對環(huán)境保護的要求極高。

4.1 擋墻墻體變形分類

每間隔一段區(qū)域進行基坑開挖和支撐能夠在短時間內完成，但是在未添加支撐時，施工將會導致?lián)鯄w變形值大幅增加，當開挖層數(shù)增加之后，變形量也會有所提升。在土層加撐之后，墻體變形值將會逐漸趨于穩(wěn)定，因此，開挖、支撐之后的曲線特征各不相同，所以，可以分為無撐變形與有撐變形兩種類型。

4.2 有撐變形

工程項目地表以下的地層大多屬于軟弱黏土，含水量高、強度較低、流變性高，深基坑以下的流變性會進一步增加。當支撐結束之后，坑底土體應力會有所減小。通過選擇測點對擋墻的有撐變形進行統(tǒng)計，能夠掌握不同支撐結構在各個階段的變形規(guī)律。表1~表4為第1道~第4道撐的墻體有撐變形參數(shù)。

表1 第1道撐的墻體有撐變形參數(shù)

表4 第4道撐的墻體有撐變形參數(shù)

不同工況下的有撐變形速率均值各不相同，流變性并未在開挖深度增加后出現(xiàn)明顯變化，出現(xiàn)這種情況的主要原因是加撐后延續(xù)時間長短各不相同，支撐增加之后會令墻體變形值變得更加穩(wěn)定，若加撐之后延續(xù)時間過長，則其整體均值便會下降。而且當坑底利用旋噴加固時，還會降低土體的蠕變效果[3]。

表2 第2道撐的墻體有撐變形參數(shù)

表3 第3道撐的墻體有撐變形參數(shù)

4.3 無撐變形

沒有支撐時，支撐暴露影響擋墻變形的因素有很多，例如，卸載施工變形、蠕變變形等。而且因為基坑支撐的架設并不完善，所以，還會導致坑底土體的應力會隨之一同提高。處于高應力作用下的土體將經(jīng)歷蠕變發(fā)展階段，所以，無支撐暴露的時間會給擋墻變形帶來影響。為了保證分析結構，無支撐變形取值要保證與有撐變形的一致性。

無支撐時，影響變形的因素有很多，因為支撐沒有完全架設完成，所以，底部土體應力較高。處于不同工況下的變形速率平均值將會隨著土層開挖而不斷提高。

5 正常施工變形安全性狀的時間特性

在深基坑施工期間，土體開挖不會一次性完成，分步完成更加容易保證施工質量。在數(shù)值模擬期間，可以結合工程需求利用增量法實現(xiàn)對工況的模擬，這種方式既能反映施工階段的應力、應變作用，又能反映時間對土體的影響。每層土體開挖、支撐完成后，因為土體蠕變效應，會導致?lián)鯄ψ冃坞S時間而持續(xù)增長。因此，基坑與周圍環(huán)境有可能受到影響，這時可以按照時間變化來計算變形值，然后結合安全性狀指標了解基坑安全情況[4]。

土體開挖時，擋墻墻體變形會隨之增加，在應力水平較高時，變形幅度會有所提高。而在支撐完成后，墻體變形則會隨之降低，直至支撐一段時間后趨于穩(wěn)定。即在各種應力水平的影響下，土體將會隨著時間先后經(jīng)歷高速發(fā)展期與穩(wěn)定發(fā)展期，應力會導致發(fā)展速率發(fā)生改變。通過工程計算可知，開挖第一層土24 h后，墻體變形將達到0.9 mm，加撐24 h后，將會令墻體變形提高至2.37 mm。直至第64 h，墻體變形便會逐漸發(fā)展至穩(wěn)定。只要將墻體變形控制在安全指標范圍內，在開挖時及時進行支撐，便可以令基坑始終處于安全的情況。

6 超挖時間特性分析

在基坑施工時，土體達到應力標準后，部分區(qū)域會成為塑性區(qū)，由于軟土的流變性，暴露時間的延長將會帶來一定影響，尤其是剪應力大的部分區(qū)域，如坑底被動區(qū)、滑動面，會因為暴露而出現(xiàn)變形，嚴重時還會引起擋墻變形與土體變形增加。若基坑出現(xiàn)超挖的情況，會導致墻體變形與地面沉降變得更加嚴重，深基坑的安全性狀會在時間的影響下發(fā)生改變。只有確定安全超挖深度與放置時間，才能令軟土地區(qū)的深基坑施工更加安全，進而避免深基坑施工安全事故的發(fā)生。

7 結語

軟土地區(qū)的深基坑施工難度非常高，高含水量的軟土地質將會導致基坑周圍的建筑、環(huán)境隨之受到影響，因此，必須關注深基坑施工時的變形安全性狀，以此保證深基坑施工時的安全性。相信隨著更多從業(yè)人員了解到軟土地區(qū)深基坑施工的重要性，軟土地區(qū)的深基坑施工安全性一定會越來越高。