無加固軟土深基坑有支撐暴露變形分析
【 摘 要】 給出了深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)有支撐暴露變形的定義，分析了有支撐暴露變形的影響因素。通過對實(shí)測數(shù)據(jù)的分析得出了無加固深基坑有支撐暴露變形與時(shí)間的相關(guān)關(guān)系。結(jié)合工程實(shí)踐，給出了有支撐暴露變形的控制方法。
【關(guān)鍵詞】深基坑 有支撐暴露 變形控制
1引言
上海地區(qū)土質(zhì)軟弱，地下30m深度以內(nèi)的地層多屬流塑和軟塑粘土。土質(zhì)具有高含水量、高靈敏度高壓縮性、低密度、低強(qiáng)度、低滲透性等特性，其流變性顯著。在這種土層中進(jìn)行深基坑施工具有很大的風(fēng)險(xiǎn)性。其風(fēng)險(xiǎn)主要表現(xiàn)在：深基坑自身的風(fēng)險(xiǎn)、深基坑施工對周圍環(huán)境的影響。
在保證深基坑整體穩(wěn)定的前提下，深基坑施工的風(fēng)險(xiǎn)主要與深基坑施工工程中的變形控制有關(guān)。變形控制已成為深基坑設(shè)計(jì)和施工過程中最主要的考慮因素之一。
深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形按時(shí)間順序可分為：前期變形(基坑開挖前的變形)、開挖期間的變型(基坑開挖至底板施工完畢期間的變形)、后期變形(底板澆搗后的變形)。其中開挖階段被動(dòng)區(qū)土體應(yīng)力、圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力以及支撐軸力等參數(shù)均很高，因此此階段是基坑施工中安全問題最突出、變形最大的階段。開挖階段變形控制是深基坑變形控制的重點(diǎn)。
深基坑采用分層開挖。對于每小塊土體，根據(jù)其相應(yīng)支撐軸力的施加狀態(tài)，可將其施工時(shí)間分為無支撐暴露時(shí)間和有支撐暴露時(shí)間。相應(yīng)地，其變形亦可分為無支撐暴露變形和有支撐暴露變形。
2 開挖階段變形
基坑開挖是一個(gè)土體應(yīng)力釋放過程，此過程打破了原有地層的應(yīng)力平衡體系，擾動(dòng)后的土體進(jìn)步流變和固結(jié)。基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)在坑內(nèi)外土體的不平衡壓力作用下向坑內(nèi)移動(dòng)。
基坑的開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形除決定于圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身力學(xué)特性和土層參數(shù)外，還與施工參數(shù)(開挖時(shí)間及空間尺寸、形狀)密切相關(guān)。①開挖后因卸載而引起的土體應(yīng)力隨時(shí)間變化而變化，圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)亦隨之變化，圍護(hù)結(jié)構(gòu)向基坑內(nèi)變形逐漸增大；基坑的安全性隨著時(shí)間的發(fā)展而逐漸降低；②土體的變形隨時(shí)間的發(fā)展而增大，土體及圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形發(fā)展貫穿于基坑施工的全過程；③土體的位移與開挖的空間形狀、尺寸密切相關(guān)。時(shí)間效應(yīng)和空間效應(yīng)是耦合的，兩者的共同作用影響著支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。
根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)及變形發(fā)生的時(shí)間的不同，可將開挖階段變形分為兩類：無支撐暴露變形和有支撐暴露變形。
2．1 無支撐暴露變形
圍護(hù)結(jié)構(gòu)無支撐暴露時(shí)間是指分塊土體開挖至被動(dòng)區(qū)土體不足以阻止圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形時(shí)起，到對應(yīng)位的支撐施加預(yù)應(yīng)力完畢止的一段時(shí)間。其中包括兩部分：墻后土體開挖時(shí)間和對應(yīng)支撐架設(shè)及施加預(yù)應(yīng)力時(shí)間。所以為控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)無支撐暴露時(shí)間，應(yīng)分別控制此二部分的施工時(shí)間。
為控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)無支撐暴露時(shí)間，需根據(jù)設(shè)計(jì)要求和實(shí)際施工條件確定施工工藝：考慮施工機(jī)械及施工技術(shù)條件、土體加固情況等，確定每步開挖的空間尺寸及圍護(hù)結(jié)構(gòu)無支撐暴露時(shí)間。
時(shí)空效應(yīng)理論中對各種基坑的開挖方式和參數(shù)均做了詳盡的規(guī)定并且提供了計(jì)算方法。具體參數(shù)可參見“上海地鐵基坑工程施工規(guī)程(SZ-08-2000）”
2．2有支撐暴露變形
圍護(hù)結(jié)構(gòu)有支撐暴露時(shí)間指維護(hù)結(jié)構(gòu)在一層土體開挖、支撐完畢至下一層土體開挖之間的一段時(shí)間。有支撐暴露變形即基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)有支撐暴露期間的變形。
基坑施工工藝決定了同一斷面兩次開挖必須間隔一定時(shí)間，即有支撐暴露時(shí)間。有支撐暴露期間用于溫度變化、主被動(dòng)xE~體流變、施工擾動(dòng)等因素作用，基坑擋墻必將產(chǎn)生變形。有支撐暴露變形主要與下列因素有關(guān)：暴露時(shí)間、開挖深度、支撐軸力及加固情況。以下將以上海地鐵一號(hào)線北延伸段延長路站為例，著重分析有支撐暴露變形與開挖時(shí)間的關(guān)系。
3 有支撐暴露變形分析
3．1 工程概況
延長路車站，位于共和新路延長中路的交叉口西側(cè)地下，沿共和新路呈南北向布置，為地下二層島式車站。
本車站基坑工程等級(jí)為二級(jí)。車站凈長226．6m，標(biāo)準(zhǔn)段寬17．6m。車站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連
續(xù)墻，地下連續(xù)墻厚度二側(cè)端頭為800mm厚，深度29m；中間部分為地下連續(xù)墻800mm厚，深度27m。基坑開挖深度，端頭井為16．84m，車站標(biāo)準(zhǔn)段為15．24m。標(biāo)準(zhǔn)段降水開挖，端頭井基坑底部注漿加固，加固范圍為坑底以下4m。
延長路車站主要涉及地層：①人工填土②褐色—灰黃色粉質(zhì)粘土③1灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土③2灰色粘質(zhì)粉土③3灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土④灰色淤泥質(zhì)粘土⑤l-1灰色粘土⑤1-2灰色粉質(zhì)粘土⑥1暗綠色粘土⑦1-1草黃色砂質(zhì)粉土。整個(gè)車站土層分布較均勻，分層界限明顯。車站標(biāo)準(zhǔn)段基底位于灰色淤泥質(zhì)泥土層中；端頭井亦位于該層中。標(biāo)準(zhǔn)段地下連續(xù)墻底為位于暗綠色粘土層中，端頭井地下墻進(jìn)入⑦1—1。延長路車站墻體的斜點(diǎn)布置圖如圖1。
3．2 有支撐暴霹變形估算
延長路車站墻體測斜點(diǎn)布置圖
3．2．1 有支撐暴露變形與總變形的關(guān)系
有支撐暴露變形與時(shí)間密切相關(guān)，一下按開挖總時(shí)間將各個(gè)測斜斷面進(jìn)行分類：
(1)約15d。圖2為10號(hào)測斜孔開挖期間變形曲線，開挖總歷時(shí)13d。由于開挖施工總時(shí)間較短因此有支撐暴露變形亦較小。有支撐暴露變形約占開挖期間總變形的1／3。
(2)約30d。圖3、圖4分別為3號(hào)、18號(hào)測斜孔開挖期間變形曲線，其中3號(hào)孔開挖總歷時(shí)36天，18號(hào)孔開挖歷時(shí)30天。此處施工速度比較常見，基本保持一周一層土。有支撐暴露變形約占開挖期間總變形的1／2。
圖3 3號(hào)測斜孔變形曲線
圖4 18號(hào)測斜孔變形曲線
(3)大于45d。圖5、圖6分別為4號(hào)、20號(hào)壩蝌孔開挖期間變形曲線，其中4號(hào)孔及20號(hào)孔的開挖總歷時(shí)均為55天。此斷面處開挖施工不連續(xù)，有支撐暴露時(shí)間較長。有支撐暴露變形約占開挖期間總變形的3／4。
圖5 4號(hào)測斜孔變形曲線
圖6 20號(hào)測斜孔變形曲線
由上述分析可知：開挖時(shí)間對有支撐暴露變形的影響可以近似以30~35d為界，一般若開挖時(shí)間很短(如<15d)，則有支撐暴露變形較小，為開挖變形的1／3；若開挖時(shí)間為30~40d，則有支撐暴露變形與開挖變形基本相當(dāng)；而當(dāng)開挖時(shí)間很長(如大于45d)，則有支撐暴露變形將顯著增加，明顯大于開挖變形。
3．2．2 有支撐暴露變形與時(shí)間的相關(guān)關(guān)系
對上述圖2～圖6進(jìn)行整理，可得出有支撐暴露的最大變形與基坑施工(至底板)時(shí)間的相關(guān)關(guān)系，如圖7。
圖7 有支撐暴露變形與時(shí)間的相關(guān)關(guān)系
由圖7可知，有支撐暴露的最大變形與基坑施工時(shí)間近似成線性關(guān)系：
y=O．79x-2．63
式中，y為有支撐暴露變形；x為基坑施工(至底板)時(shí)間。
4 有支撐暴露變形控制
深基坑變形控制貫穿于施工的全過程。根據(jù)以上分析，可將深基坑變形控制分為兩部分，即：無支撐暴露變形控制和有支撐暴露變形控制。其中無支撐暴露變形控制主要通過控制其施工參數(shù)，如開挖寬度、開挖時(shí)間、支撐時(shí)間、支撐軸力等等。
由上述分析可知，有支撐暴露變形與時(shí)間直接相關(guān)，因此為控制有支撐暴露變形應(yīng)盡量縮短有支撐暴露時(shí)間。另外，有支撐暴露期間由于溫度變化、施工擾動(dòng)、主被動(dòng)區(qū)土壓力變化、支撐應(yīng)力功松弛等原因，導(dǎo)致支撐軸力損失。因此控制有支撐暴露變形還應(yīng)在基坑有支撐暴露期間按要求復(fù)加支撐軸力。復(fù)加支撐軸力控制標(biāo)準(zhǔn)有應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)和變形控制標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)力控制即當(dāng)支撐軸向應(yīng)力損失達(dá)到某一閥值時(shí)，進(jìn)行軸力復(fù)加。位移控制即當(dāng)支撐端點(diǎn)位移(目附應(yīng)的維護(hù)結(jié)構(gòu)位移)變化達(dá)到某一閥值時(shí)，進(jìn)行軸力復(fù)加。實(shí)踐中可根據(jù)基坑變形控制的要求制訂應(yīng)力和位移閥值，必要時(shí)采用復(fù)合控制標(biāo)準(zhǔn)。
5 結(jié) 論
(1)有支撐暴露變形是深基坑開挖階段變形的重要組成部分，在深基坑變形控制過程中應(yīng)給予足夠的重視；
(2)有支撐暴露變形主要與暴露時(shí)間、開挖深度、支撐軸力及加固情況等因素有關(guān)；
(3)有支撐暴露的最大變形與基坑施工時(shí)間近似成線性關(guān)系：y：0．785x-2．63；
(4)控制有支撐暴露變形應(yīng)盡量縮短有支撐暴露時(shí)間，減少有支撐暴露期間的施工擾動(dòng)并及時(shí)按
要求復(fù)加支撐軸力。
