软土地区基坑变形的实测研究

软土地区基坑变形的实测研究

基坑工程变形特性分析的必要性随着建设项目的发展，高层和高层建筑的开发和使用日益增多。基块项目不仅数量增加，而且进入了更大、更深层次的方向。由于基坑工程常常在闹市区施工,不仅要保证基坑自身的稳定安全,而且要保证周围建筑物的安全和正常使用,在东南沿海的软土地区,其工程地质和水文地质条件较差,土体具有高含水量、高灵敏度、高压缩性、低密度、低渗透性和流塑等特点,更增加了基坑工程的难度。随着变形控制设计理论在工程中的应用,开展基坑工程变形性状研究分析具有重要意义。基坑工程的变形主要由围护结构位移、周围地表沉降及基坑底部隆起三部分组成。这三者之间存在耦合关系,采用常规分析方法难以反映众多因素的影响,有限单元法也存在很大的局限性。实测统计分析方法根据大量的基坑实测数据统计出一般的变形规律,可以为基坑支护的设计者提供参考。1基本实测数据随着基坑深度的加大,灌注桩和地下连续墙成为软土地区深基坑的主要围护形式,表1列出了杭州和上海软土地区46个深基坑工程的基本实测数据,包括灌注桩,地下连续墙两种围护结构,均为建筑基坑,不包含地铁车站基坑,全部为顺作法,深度从几米深的普通基坑到深度接近30m的超深基坑,文中也列出了润扬长江大桥北锚碇的测试结果作为对比,其深度接近50m。2围护体变形控制的关键因素围护体的最大侧向变形及位置与基坑开挖深度、围护体刚度、支撑系统刚度、土质情况等因素有关,围护墙体厚度的选取和支撑的布置及两者的合理组合是控制围护体变形的关键,这综合反映在支撑系统的相对刚度中,抗隆起稳定不仅是强度控制设计中的主要方面,也是控制和估算墙体变形和地面沉降的关键因素,本节在表1工程实例统计结果的基础上就以上各方面间的关系进行分析。2.1软土开挖深度的影响根据国外的工程实测结果统计表明,板桩支护结构的侧移δh=1%,在有支撑的情况下δh=0.2%~0.5%H(H为基坑最终开挖深度,δh是围护体最大相对侧移),对于位于硬粘土、粉砂土中的基坑,δh=0.2%H,软土中开挖的基坑的侧向位移一般要比硬粘土和粉砂土中的要大。图1给出了最大相对侧移与开挖深度的关系,可以看到数据的离散性较大,最大相对侧移的范围为0.065%~1%。在5~12米的开挖深度范围内,围护结构以灌注桩为多,只有少数采用地下连续墙围护结构,其中灌注桩的变形比较明显的大于地下连续墙的变形。在深度大于12米之后,围护结构以地下连续墙为主,随着深度的增大,围护墙体的最大相对侧移的数据离散性降低,其数值逐步趋于中间值,大约在0.5%左右,这说明在深度增大之后,变形控制措施有所提高。同时在表1中有较多的基坑的最大侧移有很多超出了当前基坑设计规程的规定,所以关于基坑变形的控制标准仍有待进一步的探讨。2.2埋深与开挖深度围护体的最大侧移位置与支撑系统的刚度及分布、被动区土体的性质等有很大关系。基坑开挖各阶段围护体最大侧移位置的深度普遍发生在开挖面附近。图2给出了围护体最大侧移位置(最大侧移埋深)与开挖深度的关系,可以看出围护体的最大侧向变形大都位于基坑底附近,即满足H1=H,H1为最大侧移位置的深度,同时可以看到当基坑的开挖深度较小时(即H<15m),大部分测点的最大侧向变形位于基坑底面以下,随着开挖深度的加大(当H>15m),最大侧向变形发生在坑底以上的测点的数目增加。这主要是因为在杭州和上海地区当开挖深度较小时,坑底往往位于淤泥质粘土层中,被动区土体性质很差,坑底以上支撑刚度较大,变形容易向下发展,而开挖深度增大后,被动区的土体性质趋于良好,故围护体的最大侧向变形发生在坑底以上的可能性增大。2.3支撑系统刚度与土压力Clough等定义支撑刚度参数(EI)/(γwh4avg)为相对刚度,是综合反映支护结构系统刚度的参数(havg为平均支撑间距),已经有学者就最大相对侧移和支撑相对刚度的相关关系做过研究,研究结果表明最大侧移和支撑系统相对刚度之间存在密切关系,但是在当支撑系统具备足够的刚度后,墙体最大侧移由坑底隆起决定,所以必须在考虑抗隆起安全性的情况下分析其相关关系。为分析当前基坑深度加大后支撑系统的刚度变化,将支撑相对刚度与开挖深度关系绘出如图3所示,可以看出在当前的基坑工程的设计中,支撑的相对刚度随深度增大成比例增长,增长非常迅速,这可归为两方面的原因,一是由于土压力随深度增大的需要,二是随着基坑深度的增加,设计者为了控制基坑变形而人为加大围护体和支撑系统的刚度造成的。在前面最大侧移与开挖深度的关系中可以看到,在深度较大时,随着深度的加大,基坑围护体产生较大侧移的并不多,其最大相对侧移趋于中间数值,这很大成分上是由于支撑系统的相对刚度随深度过度增加造成的,不可避免地造成投资的增加。2.4ks和围护墙体的最大相对侧移h/h关系抗隆起稳定安全系数不仅是强度控制设计中的主要指标,也可用于变形的估算。工程实践和研究表明深基坑围护墙体的最大水平位移与基底的抗隆起稳定安全系数密切相关,根据它们之间的关系曲线及计算得到的抗隆起稳定安全系数可以得到围护体的最大侧移。图4是抗隆起稳定安全系数Ks和围护墙体的最大相对侧移δh/H关系曲线,Ks为Prandtl方法计算所得,δh/H为实测值,可以看到δh/H—Ks的关系呈带状,随着Ks的增加,δh/H在减小,可见提高抗隆起稳定安全系数对于减小围护体的侧移有很大的作用,应该重视抗隆起稳定在控制基坑侧移中发挥的作用,同时也能看到当Ks增加到一定程度时,δh/H减小的程度在减弱,也就是说当到Ks提高到一定程度后,进一步提高Ks对降低δh/H的作用就有限了。相关拟合曲线的方程为:工程实践中也可以根据实测的坑外地面沉陷来推算基坑稳定程度,虽然从力学上来说,这两者是脱节的,利用基坑抗隆起稳定计算的Prandt方法计算安全系数,根据实测的地面沉降建立相互关系。图5为抗隆起稳定安全系数Ks与墙后最大地表沉降δv/H的关系曲线(δv为地面最大沉降量),由此可以根据地面沉降量推算基坑的抗隆起稳定安全,其拟合曲线方程为:3不同规范之间的控制标准在建筑密集区开挖基坑时,除了满足基坑本身稳定性的要求外,还必须保证围护结构及地基土的变形不会对周边环境造成危害,由于环境条件的复杂性和保护要求多样性,基坑工程中须按具体环境条件与保护对象的容许变形值来确定基坑支护结构的变形控制等级,不同安全等级的基坑工程对围护结构变形的控制标准不同,不同规范的规定也有差别。具体见下面表2、3、4。可见对于基坑开挖提出的变形控制指标有用位移的绝对值来表示的,也有按位移与围护结构高度的相对比值来表示的。其实这两种不同的控制方法表示了不同的控制侧重点,前者用于将围护结构对相邻建筑物的影响控制在许可的范围内。后者从支护本身的工作性能出发,用于控制围护结构本身处于安全的工作状态,与安全系数相配合以保持围护结构的安全。当前基坑的深度在不断的加大,工程实践和有限元分析都表明,随着深度的加大,围护体的侧移随深度成非线性增长,这导致了即使基坑处于正常工作状态,其发生的相对侧移仍将超过现行规范的控制标准。另外在多数情况下,对房屋或管线构成危害的是不均匀沉降(地表角变位)和地表水平应变等,在较深基坑工程中,一般为施加预应力的多道支撑或锚拉式支护结构,最大位移一般发生在下部,围护体顶部的位移往往很小,所以对深度较大的基坑应该也允许有较大的总沉降和水平位移。4深度对于基坑侧移的影响通过对杭州和上海软土地区46个深基坑实测结果的分析,对当前的基坑工程可有以下总结:(1)对于深度小于12米的基坑,灌注桩围护体的侧移要大于连续墙,深度大于12米的基坑围护体以连续墙为主,随着深度的增加产生较大相对侧移的基坑在减少,最大相对侧移的数值趋于中间值,其主要原因是由于当前围护墙体和支撑系统的相对刚度随深度增大迅速增长造成的。(2)最大侧移位置的埋