軟土地區(qū)深基坑墻后地表沉降變形性狀研究

0地表沉降變化近年來，隨著上海發(fā)改委的快速發(fā)展，越來越多的基礎(chǔ)設(shè)施項目靠近建筑物、地鐵隧道、地鐵站和地下管道。基坑開挖必然會引致周邊地層不同程度的移動,從而對基坑周邊的建(構(gòu))筑物產(chǎn)生不同程度的影響,這使得基坑工程的環(huán)境保護問題日顯突出。在這種情況下,預(yù)測基坑開挖引起的地表沉降成為工程師必須面臨的工作。預(yù)測墻后的地表沉降主要有兩種方法,即有限元方法和經(jīng)驗方法。目前有限元方法已經(jīng)廣泛地在基坑工程中得到應(yīng)用,其在預(yù)測圍護墻的側(cè)移方面一般能達到較好的精度,但在預(yù)測墻后地表沉降方面則往往效果較差。部分原因是難以較好地模擬土體的變形行為、墻體與土體之間的接觸面以及選擇合適的計算參數(shù)。近年來,Simpson等、Whittle等、Hight等、Finno等的研究表明考慮土體在小應(yīng)變時的變形行為能顯著地提高預(yù)測墻后地表沉降的精度,但小應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系往往需要高質(zhì)量的實驗設(shè)備確定計算參數(shù),從目前來看,直接應(yīng)用于工程設(shè)計尚有距離。經(jīng)驗方法基于多個基坑工程案例的實測資料,采用統(tǒng)計分析的方法,探討地表沉降形態(tài)及沉降量與基坑有關(guān)物理力學參數(shù)之間的關(guān)系。許多學者如Peck、Mana等、Clough等、Ou、Hsieh等、Long、Moormann、Leung等等均采用經(jīng)驗方法對基坑開挖引起的地表沉降進行了研究,相關(guān)的研究成果對于理解墻后地表的變形性狀、預(yù)測墻后地表沉降及用于數(shù)值分析結(jié)果的校驗等發(fā)揮了積極的作用。由于基坑工程具有很強的區(qū)域特性,各個地區(qū)的地層條件、支護方式、設(shè)計與施工技術(shù)水平等存在差異,因此基于其它地區(qū)基坑工程墻后地表沉降數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到的規(guī)律是否適用于上海地區(qū)的沉降變形預(yù)測尚有待進一步研究。雖然自20世紀90年代以來上海地區(qū)已經(jīng)完成了大量基坑工程的施工,但是關(guān)于墻后地表沉降實測的資料并不多見,因而相關(guān)的文獻一般只是側(cè)重于單個工程案例數(shù)據(jù)的分析,尚缺乏較多基坑工程案例實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。本文在收集上海地區(qū)已經(jīng)成功實踐的35個具有地表沉降實測資料的基坑工程案例的基礎(chǔ)上,對上海軟土地區(qū)基坑的墻后地表沉降特性進行統(tǒng)計分析,并研究相關(guān)因素對地表沉降的影響規(guī)律,以期為基坑工程的設(shè)計提供參考。1關(guān)于軟土層厚度收集了上海地區(qū)35個具有墻后地表實測數(shù)據(jù)的深基坑工程案例,如表1所示。數(shù)據(jù)包括基坑開挖的深度(H)、軟土層頂面埋深(hst)、軟土層厚度(hs)、圍護結(jié)構(gòu)的形式、圍護墻的深度(Hw)與抗彎剛度(EI)、水平支撐情況與平均支撐間距(h)、坑底抗隆起穩(wěn)定系數(shù)(FS)、圍護墻的最大側(cè)移(δhm)及墻后地表最大沉降(δvm)。其中軟土層的厚度是指上海地區(qū)軟弱的第(3)層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土土層和第(4)層淤泥質(zhì)黏土層的厚度之和。有關(guān)符號的定義如圖1所示。所收集的工程案例的支護形式全部為板式支護,其中采用地下連續(xù)墻圍護的基坑26個,采用鉆孔灌注樁圍護的基坑7個,采用SMW工法的基坑2個,基本包含了上海地區(qū)常用的板式支護形式。2最大地表沉降分析2.1大量基坑的地表沉降圖2為墻后最大地表沉降與開挖深度之間的關(guān)系。從圖2中可以看出,最大地表沉降隨著開挖深度的增大而呈現(xiàn)出增大的趨勢,其大小基本介于0.1%H與0.8%H之間,平均值為0.38%H;這遠小于Moormann統(tǒng)計的軟黏土地層中大量基坑的最大地表沉降(基本介于0.5%H～2.0%H,平均值約為1.0%H),也小于Long統(tǒng)計的墻后軟土層厚度大于0.6H且開挖面為軟土的地層中基坑的最大地表沉降(平均值約為0.8%H),表明上海地區(qū)的基坑能較好地控制墻后的地表沉降;但大于Clough等統(tǒng)計的硬黏土、殘積土及砂土地層中基坑的最大地表沉降(基本介于0～0.5%H,平均值約為0.15%H),更大于Leung等統(tǒng)計的香港地區(qū)混合地層(包括填土、海相沉積土及風化巖)中基坑的最大地表沉降(基本小于0.2%H)。這也說明地層條件是影響地表沉降的重要因素。2.2墻底至墻底軟土厚度hs上海地區(qū)的第(3)層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層和第(4)層淤泥質(zhì)黏土層三軸不排水剪(UU)的抗剪強度僅為18～44kPa,其強度低、變形大、靈敏度高,且具有流變特性,因而對基坑的變形影響較大。定義圍護墻底以上軟土厚度為hsw,則hsw可通過軟土層頂面埋深hst、墻體的深度Hw及軟土層厚度hs由下式算出:將墻底以上軟土厚度與墻體深度的比值hsw/Hw作為橫坐標,最大地表沉降與開挖深度的比值δvm/H(無量綱化最大地表沉降)作為縱坐標,繪出墻底以上軟土厚度與最大沉降的關(guān)系如圖3所示。雖然數(shù)據(jù)離散性較大,但大致可以看出,隨著墻底以上軟土厚度的增大,最大沉降有增大的趨勢。2.3圍護墻深度對地表沉降的影響定義圍護墻的插入比為坑底以下的圍護墻深度與與基坑開挖深度的比值,即為(Hw-H)/H。一般認為增大插入比能起到控制基坑變形的作用。圖4給出了無量綱化最大地表沉降與圍護墻的插入比之間的關(guān)系。大部分基坑的插入比介于0.7～1.1之間,平均值為0.9。從圖4中可以看出,數(shù)據(jù)點的離散性很大,至少在插入比大于0.7后,最大地表沉降與圍護墻插入比并無顯著的關(guān)系,說明插入比對地表沉降的影響很小。Hashash等基于MIT-E3模型采用有限元分析研究了圍護墻的深度對地表沉降的影響如圖5所示。從圖5中可以看出,當開挖深度為15m時,圍護墻深度為20m的基坑(對應(yīng)的插入比為0.33)和圍護墻深度為40m的基坑(對應(yīng)的插入比為1.67)的最大地表沉降分別為47.8,40.8mm;當開挖深度為10m時,圍護墻深度為20m的基坑(對應(yīng)的插入比為1.0)和圍護墻深度為40m的基坑(對應(yīng)的插入比為3.0)的最大地表沉降分別為19.9,22.6mm,這表明圍護墻的深度對地表沉降的影響并不大。Hashash的理論分析與上海地區(qū)的實測地表沉降所反映的規(guī)律基本一致,表明提高插入比并不能有效地起到減少地表沉降的作用。2.4地表沉降與支撐系統(tǒng)剛度Clough等、Goldberg等、Addenbrooke等的研究表明,支撐系統(tǒng)的剛度是影響基坑變形的重要因素。支撐系統(tǒng)的剛度與圍護墻的抗彎剛度、水平支撐的抗壓剛度、支撐的位置及支撐的間距密切相關(guān)。圖6給出了無量綱化最大地表沉降與平均支撐間距的關(guān)系,其中平均支撐間距的定義如圖1所示。所收集案例的平均支撐間距基本介于3～5m,其平均值為3.87m。從圖6中可以看出,最大地表沉降與平均支撐間距并無顯著的關(guān)系。圖7給出了無量綱化最大側(cè)移與Clough等定義的支撐系統(tǒng)剛度EI/γwh4(其中γw為水的重度)之間的關(guān)系。從圖7中可以看出,支撐系統(tǒng)剛度大于100以后,墻后地表沉降與支撐系統(tǒng)剛度的關(guān)系不大,這與Leung等統(tǒng)計的香港地區(qū)混合地層中基坑地表沉降的規(guī)律一致。支撐系統(tǒng)剛度與實測地表沉降的這種統(tǒng)計關(guān)系對于基坑工程設(shè)計的經(jīng)濟性有重要的意義。它表明,支撐系統(tǒng)剛度與地表沉降無直接(至少無線性)關(guān)系,即顯著地增大支撐系統(tǒng)的剛度并不能相應(yīng)地減少地表沉降。這個統(tǒng)計結(jié)果與工程實踐中經(jīng)常采用的通過采用剛度很大的圍護結(jié)構(gòu)來控制地表沉降的經(jīng)驗作法并不一致。這或許也說明目前的支撐剛度可能已經(jīng)達到了一個較高的水平,再增加剛度已難以對本身就不算很大的地表沉降產(chǎn)生顯著的影響。軟土地層中支撐間距與支撐系統(tǒng)剛度對地表沉降影響不大的原因尚難以辨別。但至少可以說明,除了支撐系統(tǒng)的剛度外,還有其它更復(fù)雜的因素對基坑的變形產(chǎn)生影響。實際的基坑工程中,基坑的幾何形狀、地層條件、施工方法與工藝水平、開挖順序、基坑降水、持續(xù)時間及不可預(yù)見因素等均會對地表沉降產(chǎn)生不同程度的影響。2.5fs對地表沉降的影響Mana等認為坑底抗隆起穩(wěn)定系數(shù)FS不僅與圍護結(jié)構(gòu)的最大側(cè)移有關(guān),而且也與墻后最大地表沉降有關(guān),并通過有限元計算給出了根據(jù)FS來預(yù)測墻后最大地表沉降的曲線。Mana采用了Terzaghi給出的FS計算方法。由于上海地區(qū)的基坑工程均按上海市基坑工程設(shè)計規(guī)程推薦的方法計算FS,因此本文討論FS對地表沉降的影響時,FS均按上海市基坑工程設(shè)計規(guī)程推薦的方法計算。表1給出了部分基坑工程案例的FS。圖8為本文統(tǒng)計的墻后最大地表沉降與FS之間的關(guān)系,Mana等的理論預(yù)測曲線亦在圖中繪出。總體而言,墻后最大地表沉降隨著FS的增大而呈現(xiàn)出減小的趨勢,并且大多數(shù)數(shù)據(jù)點落于Mana等的理論預(yù)測曲線的上部,說明采用Mana等的理論曲線來預(yù)測上海地區(qū)基坑的最大地表沉降時結(jié)果會偏小。圖8通過將Mana等的理論預(yù)測曲線適當平移,給出了根據(jù)FS預(yù)測上海地區(qū)最大地表沉降的上、下限。2.6最大側(cè)移的關(guān)系影響基坑變形的因素很多,這些因素不僅影響墻后地表的沉降,也影響圍護結(jié)構(gòu)的側(cè)移,因而墻后地表沉降與圍護結(jié)構(gòu)的變形密切相關(guān)。建立墻后地表沉降與圍護結(jié)構(gòu)側(cè)移之間的關(guān)系后,就可以通過圍護結(jié)構(gòu)的側(cè)移來預(yù)測墻后地表的沉降。在地表最大沉降與圍護結(jié)構(gòu)最大側(cè)移的關(guān)系方面,Goldberg的統(tǒng)計結(jié)果表明,不管是砂土、硬黏土還是軟黏土,最大地表沉降大部分等于0.5～1.5倍的最大墻體側(cè)移,但也有超過2倍的情況。Mana等的統(tǒng)計表明黏土地層中的基坑最大沉降δvm等于0.5～1.0倍的最大墻體側(cè)移δhm。Ou統(tǒng)計的臺北盆地10個基坑的數(shù)據(jù)表明最大地表沉降大多落在0.5δhm和0.7δhm之間,其上限為δhm。Moormann統(tǒng)計的結(jié)果表明軟黏土中δvm一般為0.5δhm～2.0δhm,平均約為1.0。圖9為上海地區(qū)基坑的無量綱化最大地表沉降與無量綱化的最大墻體側(cè)移之間的關(guān)系。從圖9中可以看出,數(shù)據(jù)的離散性較大,δvm基本介于0.4δhm和2.0δhm之間,平均值為0.84δhm,這與Moormann針對軟黏土的統(tǒng)計規(guī)律很接近。3地表沉降分布模式和地表傾斜量3.1peck分區(qū)沉降表1所收集的工程案例中有21個工程具有墻后地表的沉降曲線,圖10給出了這些案例的墻后地表沉降的分布情況。其中橫軸為墻后某點距基坑的距離d與基坑開挖深度H之間的比值,而縱軸為無量綱化地表沉降(某點的沉降δv與基坑開挖深度H的比值)。從圖中可以看出,除了兩個工程的地表沉降呈現(xiàn)出三角形分布外,其余工程的地表沉降均為凹槽形分布。圖中還給出了根據(jù)這些數(shù)據(jù)點的分布情況確定的地表沉降包絡(luò)線,可由三折線表示,表達式為其中δv/H為百分數(shù)。該包絡(luò)線可用來預(yù)測上海地區(qū)基坑開挖可能引起的最大的地表沉降。Peck繪制了類似的墻后沉降分布圖,根據(jù)土層和支撐條件將墻后地表沉降數(shù)據(jù)分成3類,分別給出了I、II、III區(qū)的沉降范圍。圖10中同時畫出了Peck的分區(qū)沉降范圍。從圖10中可以看出,上海地區(qū)地表沉降的數(shù)據(jù)點絕大部分落于Peck所分的I區(qū)范圍內(nèi),只有很少部分數(shù)據(jù)點落在II區(qū)范圍內(nèi)。本文統(tǒng)計的基坑為上海軟土地層條件,而Peck的I區(qū)對應(yīng)的土層條件為砂土及軟到硬黏土,II、III區(qū)對應(yīng)的地層條件才與上海地區(qū)的地層條件相似。這表明在相似的地層條件下上海地區(qū)的地表沉降要較Peck統(tǒng)計的沉降小得多,這可能是由于Peck所統(tǒng)計的基坑的主要圍護形式為鋼板樁等柔性支護體系,而這里統(tǒng)計的上海地區(qū)的基坑是采用地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁和SMW工法等剛度較大的圍護結(jié)構(gòu)的緣故,此外Peck的數(shù)據(jù)是根據(jù)40多年前的基坑工程案例,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,現(xiàn)在的基坑工程施工技術(shù)與工藝水平也要較原來提高很多,從而在變形控制方面更加有效。將墻后地表沉降(δv)與最大地表沉降(δvm)的比值作為縱軸,而橫軸仍為墻后某點距基坑的距離d與基坑開挖深度H之間的比值,將圖10中的數(shù)據(jù)重新繪出如圖11所示。對于兩個三角形地表沉降分布的基坑,最大地表沉降發(fā)生于緊貼圍護墻處。對于凹槽形地表沉降分布的基坑,緊貼于圍護墻處的地表沉降一般介于0～0.5%H,最大地表沉降一般發(fā)生于距離圍護墻0.3H～1.0H之間的位置,而在1.0H～4.0H的范圍內(nèi)沉降逐漸衰減至可以忽略的大小。從墻后地表沉降的影響范圍來看,不超過4.0H。圖中還給出了沉降包絡(luò)線,該沉降包絡(luò)線圍成了一個梯形區(qū)域,其中在距離圍護墻0～1.0H的范圍內(nèi)為沉降最大區(qū)域,而在1.0H～4.0H的范圍為沉降過渡區(qū)域。為了對比,圖11亦給出了Clough等及Hsieh等建議的沉降分布曲線。從圖11中可以看出,上海地區(qū)工程案例的墻后沉降包絡(luò)區(qū)域與Clough和O’Rourke統(tǒng)計的規(guī)律相似,但前者的梯形包絡(luò)區(qū)域較后者的統(tǒng)計范圍要大。Hsieh等建議的沉降分布曲線可以大致看作是上海地區(qū)工程案例地表沉降的“中值線”,因此采用Hsieh和Ou建議的沉降分布曲線來預(yù)測上海地區(qū)的地表沉降時具有一定的可靠度。3.2最大地表傾斜量對基坑周邊建筑物或地下管線影響最大的是墻后地表的差異沉降,衡量墻后地表差異沉降的一個有效指標是地表傾斜量,地表的傾斜量定義為地表兩點的差異沉降與這兩點距離的比值,如圖12所示,它們中的最大值稱為最大地表傾斜量。Burland等曾將最大地表傾斜量用作衡量基坑開挖對建筑物的潛在破壞的重要指標。根據(jù)圖10的數(shù)據(jù)計算出各個基坑工程的最大地表傾斜量,并將其與最大地表沉降的關(guān)系繪出如圖13所示。最大地表傾斜量介于0.001～0.017之間,圖中給