基坑工程變形控制的關鍵

1基坑變形控制隨著上海發改委的快速發展，基礎設施規模和挖掘深度變得越來越大。此外，城市建筑密集，管道數量眾多，地鐵站密集，隧道區的環境條件越來越復雜。在這種情況下,基坑支護結構除滿足自身強度要求外,還須滿足變形要求,將基坑周邊土體的變形控制在允許范圍之內,保證基坑周圍的建(構)筑物的正常使用要求,是基坑工程設計和施工需重點關注的問題。復雜條件下的基坑工程設計已由傳統的強度控制轉變為變形控制,變形控制的關鍵是確定合理的基坑變形控制指標。上海地區的《地基基礎設計規范》(DGJ08—11—1999)和《上海地鐵基坑工程施工規程》(SZ—08—2000)分別就其定義的安全等級和基坑等級提出了不同的變形控制指標,但上海地區大量的基坑工程實踐表明這兩個規范提出的部分變形控制指標偏嚴,且缺乏足夠的依據,因此有必要就深基坑的變形控制指標作更深入的研究。本文提出了根據基坑周圍環境對附加變形的承受能力和根據大量基坑工程的統計資料確定上海地區深基坑變形控制指標的兩種方法。2地下管線關于附加變形受基坑周圍環境一般包括建筑物、構筑物(如地鐵隧道等)及地下管線,關于構筑物(如地鐵隧道等)及地下管線對附加變形的承受能力的研究很少,因此這里僅對基坑周圍建筑物對附件變形的承受能力進行分析,然后據之提出確定基坑變形控制指標的方法。2.1建筑物的額外變形能力2.1.1結構上抬值的計算Burland和Wroth給出了建筑物各種變形變量的定義,并得到了相關研究的廣泛認可。圖1給出了這些變形參數的示意圖,其定義如下:(1)沉降,圖1(a)中的ρi為第i點向下的位移,即沉降值,而ρhi為第i點向上的位移,即上抬值;(2)差異沉降,圖1(a)中的δij為第i點和第j點之間的差異沉降;(3)轉角,圖1(a)中轉角θ為第i點和第j點之間的差異沉降δij與這兩點之間的距離Lij的比值,用來描述沉降曲線的坡度;(4)剛體轉動量,圖1(b)中整個結構的剛體轉動量用ω表示,建筑物發生剛體轉動時并不會引起建筑物構件的扭曲變形,因此建筑物的梁、柱、墻及基礎等不會發生開裂破壞;(5)角變量,圖1(b)所示角變量β為圖1(a)所示的轉角θ與剛體轉動量ω的差值,它用來衡量由剪切引起的變形;(5)水平位移,圖1(c)所示的ρli為第i點的水平位移;(6)水平應變,水平應變εl為第i點和第j點之間的水平位移之差與這兩點之間距離的比值,它是第i點和第j點之間的一個平均應變。2.1.2沉降與角變量的關系分析建筑物對附加變形的承受能力有必要先了解建筑物在自重作用下的容許變形量。由于影響因素繁多,使得建筑物因沉降而受損的機理非常復雜,也就難以采用理論分析的方法來求得建筑物的容許沉降量。因此,目前關于建筑物容許沉降量的有關標準都是建立在已有建筑物現場沉降及損壞現象觀測的基礎上。建筑物在自重作用下主要產生沉降,其水平向位移很小而可以忽略,因此這種情況下建筑物的破壞主要與角變量相關聯。Bjerrum在前人研究的基礎上,結合自己的有關觀測資料,總結了建筑物損壞與角變量之間的關系如表1所示。后來的一些學者如Burland和Wroth、Boscardin和Cording等也陸續進行了建筑物容許沉降量的研究,但所得到的結果基本與表1所建議的值相差不大。表1適用于坐落于任何土層的鋼筋混凝土框架結構和磚混結構,也適合于獨立基礎或筏板基礎的建筑物。除了用角變量外,還可以用差異沉降量和總沉降量來表示建筑物的容許沉降量,且差異沉降量和總沉降量更加直觀,更易為工程師接受。表2為歐章煜等根據前人的有關研究及臺灣地區和日本的有關規范給出的建筑物的容許總沉降量和差異沉降量的建議值。需指出的是,表中的數值主要是根據鋼筋混凝土建筑不發生非結構性破壞(根據表1,角變量小于1/300)且跨距為6m左右時的容許沉降量,當跨距與6m相差較大時不適合采用表中的數值來評估建筑物的容許沉降量。2.1.3從基坑開挖的總沉降量的確定由于基坑開挖前建筑物在自量的作用下已經發生了變形,因此基坑開挖后建筑物還能承受多少附加變形是一個非常復雜的問題。理論上,建筑物的容許沉降量為一定量,開挖前建筑物在自重的作用下既然已經發生沉降,則在基坑開挖階段建筑物所能容許的沉降量應該更小。部分專家和學者認為,建筑物在建造后雖然會在自重作用下發生沉降,但沉降之后建筑物的構件在長期的應力作用下,會逐漸調整其受力能力,以致其容許沉降量不會太小,其容許的附加沉降量可能仍然接近于在自重作用下的容許沉降量。歐章煜指出,雖然開挖引起的建筑物沉降所造成的損害與建筑物本身自重對建筑物所造成的損害機理不同,但仍可以采用表1規定的數值作為基坑開挖引起的容許附加沉降量;并認為對于坐落于任何土層中的獨立基礎或筏板基礎的鋼筋混凝土建筑物,由基坑開挖引致的容許附加總沉降量和差異沉降量可直接參考表2中日本建筑學會關于砂土層的規定。臺北捷運局根據有關學者的研究成果并結合臺北捷運工程施工的大量經驗建議開挖引起的容許沉降量如表3所示。收集了上海地區13棟鋼筋混凝土框架結構受基坑開挖影響的資料,結果發現當建筑物總沉降量為60mm以上時,建筑物出現了不同程度的損壞;收集了上海地區27棟磚混結構受基坑開挖影響的資料,結果發現當建筑物總沉降量為40mm以上時,絕大部分建筑物出現了不同程度的損壞,這也可以作為軟土地區由開挖引起的建筑物容許附加沉降量的一個參考。Boscardin和Cording的研究表明,開挖引起的側向變形會減小建筑物豎直向的容許沉降量,并給出了如圖2所示的建筑物安全評估圖。圖中水平坐標為角變量,縱坐標為水平應變,并給出了根據這兩個變量確定的建筑物損壞程度的分區。從圖中可以看出,可忽略的損壞區的拉應變上限為0.05%;極輕微損壞區的拉應變上限為0.075%;輕微損壞區的拉應變上限為0.15%。從圖中還可以看出,當建筑物的角變量較大,但水平應變不大,建筑物損壞情況并不如想象的那樣嚴重;相對而言,當角變量較小而水平應變較大時,仍可對建筑物造成較大的損壞。由于圖2在應用時需要得到額外的參數如側向應變等,而這些參數并不容易獲得,因此在一定程度上限制了其在工程中應用。2.2采用數值分析方法確定變形控制的流程在確定了基坑周圍環境對附加變形的承受能力后,基坑本身的變形如圍護結構的側移、墻后地表沉降應控制在什么范圍內才能保證基坑周圍環境的安全?這就需要確定基坑開挖對周圍環境的影響程度,即需考慮基坑開挖與基坑周圍環境的相互作用,根據基坑周圍環境對附加變形的承受能力反過來控制基坑本身的變形量。從目前的分析手段來看,數值方法是唯一能考慮基坑開挖與基坑周圍環境相互作用的分析方法。采用數值分析方法時,一般首先需考慮是采用平面分析方法還是三維分析方法,然后根據初步的基坑設計方案建立包括基坑本身及基坑周圍環境在內的整體有限元模型,采用合適的本構模型及計算參數,采用符合實際情況的邊界條件,在模擬基坑周圍環境存在條件下的初始地應力場后,對基坑開挖進行全過程的模擬,得到基坑周圍環境的有關變形量。然后將這個變形量與基坑周圍環境對附加變形的承受能力進行比較,如果計算得到的變形量小于基坑周圍環境對附加變形的承受能力則基坑的設計方案能滿足環境保護要求,否則需調整設計方案(例如采用剛度更大的圍護結構、增加支撐數量或剛度等),直到所得到的基坑周圍環境的有關變形量小于基坑周圍環境對附加變形的承受能力。這樣也同時得到了基坑本身的變形如圍護結構的側移、墻后地表沉降等,即可作為基坑變形的控制指標。變形控制指標的這種確定方法的流程如圖3所示。需指出的是,這種方法確定的基坑變形控制指標僅針對特定的基坑工程,并不具普遍性,即一個工程的變形控制指標并不一定適合于另一工程。此外,采用數值分析也較為復雜,尤其是確定合理的計算參數仍存在一定難度。若有多個工程的反分析經驗,則可在一定程度上提高分析結果的可靠性。3對基本工程中的變形控制指標的確定由于問題的復雜性,在很多情況下,確定基坑周圍環境對附加變形的承受能力是一件非常困難的事情,而要較準確地預測基坑開挖對周邊環境的影響程度也往往存在很大的難度,因此也就難以針對某個具體工程提出非常合理的變形控制指標。目前上海地區已有大量的基坑工程得以成功實施,這些基坑包括了各種復雜的環境條件,這些工程的成功實施說明其變形控制基本能保證基坑周邊環境條件的安全。因此根據這些大量已成功實施的基坑工程的統計資料來確定基坑的變形控制指標不失為一種有效的方法。基坑的變形控制與基坑周邊環境條件密切相關,因此這里首先定義基坑的環境保護等級,然后根據統計資料來確定變形控制指標。很顯然,基坑的變形控制指標與基坑環境保護等級密切相關,環境保護等級越高變形控制也越嚴格。3.1基坑地表沉降的主要影響因素基坑工程環境保護等級的劃分需要考慮的要素是環境保護對象的重要性程度和環境保護對象與基坑之間的距離。環境保護對象的重要性程度主要考慮兩類,一類是重要性程度非常高,如歷代優秀建筑、有精密儀器與設備的廠房、其它采用天然地基或短樁基礎的重要建筑物、軌道交通設施、隧道、防汛墻、原水管、自來水總管、煤氣總管、共同溝等重要建(構)筑物或設施,其損壞往往會對社會生活產生巨大的影響和經濟損失;另一類是重要性程度較高,如較重要的自來水管、煤氣管、污水管等市政管線、采用天然地基或短樁基礎的建筑物等,其損壞往往會對人們的生活產生一定程度的影響和經濟損失。環境保護對象的變形量和它與基坑之間的距離以及坑外地表沉降的性狀密切相關。Clough根據大量基坑統計資料得到的軟到中等硬黏土基坑地表沉降包絡線表明,在(0～0.75)H(H為基坑開挖深度)的范圍內,地表沉降最大,在(0.75～2.0)H的范圍內地表沉降逐漸衰減。Hsieh和Ou根據若干基坑的實測資料建議的基坑墻后地表沉降曲線表明,最大地表沉降發生于墻后0.5H處;在(0～1.0)H的范圍內,地表沉降較大;在(1.0～2.0)H的范圍內地表沉降逐漸減小;而在(2.0～4.0)H的范圍內地表沉降由較小值衰減到可忽略的程度。圖4為上海地區若干基坑的地表沉降統計情況,其近似的地表沉降分布曲線與Hsieh和Ou建議的地表沉降曲線相似,即最大地表沉降發生于(0～1.0)H的區域;在(1.0～2.0)H的范圍內地表沉降逐漸減小;而在(2.0～4.0)H的范圍內地表沉降由較小值衰減到可忽略的程度。綜合上述有關研究,將1.0H、2.0H和4.0H作為劃分基坑環境保護等級時建(構)筑物所處位置的分界點。3.2基坑環境保護等級收集了上海地區若干個已成功實施的基坑工程的數據,根據表4的分類標準對所收集的基坑進行分級,其中環境保護等級為一級的基坑有37個,環境保護等級為二級的基坑有46個。根據周邊環境的上述重要性程度分類和周邊環境與基坑距離的分界點的不同組合,給出了如表4所示的三種環境保護等級的定義。該定義已被新編制的《上海基坑工程技術規范》所采用。3.2.1結構的實測最大側移圖5和圖6分別為環境保護等級為一級和二級的基坑圍護結構實測最大側移與基坑開挖深度之間的關系。圍護結構的實測最大側移隨著開挖深度的增大而呈現出增加的趨勢,環境保護等級為一級的基坑的圍護結構實測最大側移一般小于0.5%H,平均值為0.22%H;環境保護等級為二級的基坑的圍護結構實測最大側移一般小于0.9%H,平均值為0.44%H;考慮將圍護結構實測最大側移的平均值作為實測變形控制指標。3.2.2基坑的圍護結構側移的實測值和設計值的統計關系上海地區的基坑工程經驗表明,基坑變形的實測值往往大于基坑變形的設計值,因此基坑的設計變形控制指標應小于實測變形控制指標。圖7和圖8分別給出了環境保護等級為一級和二級基坑的圍護結構最大側移實測值與設計值之間的關系。環境保護等級為一級和二級的基坑的圍護結構最大側移實測值平均分別約為設計值的1.2倍和1.5倍。根據設計值和實測值的這個統計關系,將環境保護等級為一級和二級基坑的圍護結構實測變形控制指標分別除以1.2和1.5,得到環境保護等級為一級和二級基坑的圍護結構側移的設計控制指標分別約為0.18%H和0.30%H。所收集的環境保護等級為三級的基坑的數據較少,難以反映大量基坑的變形情況。因此,參考其他有關規范的標準,并結合這里統計的環境保護等級為一級和二級的基坑的控制指標,將環境保護等級為三級基坑的圍護結構最大側移的設計控制指標取為0.7%H。3.2.3墻后地表最大側移與墻后地表最大沉降的關系地表沉降的控制指標根據地表最大沉降與圍護結構最大側移之間的統計關系來確定。收集了上海地區40個具有墻后地表最大沉降數據的基坑案例,建立基坑圍護結構最大側移實測值與墻后地表最大沉降實測值之間的關系如圖9所示。地表沉降基本介于0.4～2.0倍的圍護結構最大側移之間,平均地表最大沉降為0.81倍的圍護結構最大側移。取平均地表最大沉降為0.8倍的圍護結構最大側移,則對應于環境保護等級為一、二和三級基坑的墻后地表最大沉降設計值分別為0.144%H、0.24%H和0.56%H。適當調整后取環境保護等級為一、二和三級基坑的墻后地表沉降設計控制指標分別為0.15%H、0.25%H和0.55%H。3.2.4基坑環境對附加變形的影響根據上述研究,得到了各級環境保護等級基坑的設計變形控制指標如表5所示,并為新編制的《上海基坑工程技術規范》所采用。表5的變形控制指標不需像第一種方法那樣要確定基坑周圍環境對附加變形的承受能力及及基坑開挖對周圍環境的影響程度,且具有較廣泛的適用性。由于統計的這些基坑都已成功實施,結合工程經驗,采用表5的變形控制指標大