基坑开挖卸荷引起坑底土体原有应力状态发生改变

1、基坑开挖实际是一个荷载卸载过程，随着开挖的进行坑底土体的应力状态逐渐发生变化，坑底上覆压力逐渐减小，引起基坑底部土体回弹，这种现象称为坑底隆起现象。随着开挖的进行，坑底隆起是一个从弹性变形到塑形变形转变的过程。当开挖的深度较小时，坑底中部隆起较大，往两边逐渐减小（图3-1（a），但总体隆起量不大，这时的隆起为弹性隆起，随着开挖深度及宽度的增加，坑底隆起转变为塑形变形，呈现两边大中间小的形式（图3-1（b）。对于狭窄形或长条形基坑，坑底隆起一般符合弹性变形的特征。弹性隆起a)塑性隆起b)图3-1基底隆起变形2.1.2基坑支护结构变形在基坑工程建设中，支护结构的变形将直接影响到工程质量和进度，这是

2、基坑工程变形监测、控制的重点之一。支护结构的变形一般以水平位移为主，支护结构的设计型式以及工程的施工进度是影响其变形性状的主要因素。基坑开挖之初或开挖深度不大或未架设支撑时，变形呈现类三角形，墙顶变形较大（图2-2（a）。基坑开挖深度继续增加时，刚性支护结构的位移主要有两种，水平向基坑内的类三角形位移或平行刚体位移。对于已经架设支撑的柔性支护结构，其顶部位移以不变或像坑外为主，中下部则向坑内隆起（图2-2（b）。图2-2支护结构水平变形2.1.3支护结构周围地表变形基坑开挖会造成基坑周围地表沉降，特别是支护结构后侧土体的沉降位移尤为明显。施工工艺、施工进度、支护类型、地质状况都是密切影响支护结

3、构后侧土体位移的因素。分析施工经验，一般处于软土地质的基坑，且支护结构底部埋深较浅时，支护结构底部水平位移及紧邻支护结构的后侧土体沉降位移较大（图2-3（a）。相反，当基坑处于地质良好的较硬土层，且支护结构入土较深时，后侧土体最大沉降的发生离支护结构存在一定距离（图2-3（b）。图2-3地表沉降曲线形式基坑施工造成的周围地表沉降和土体移动会对附近建筑物造成较大的危害，因此在施工前必须进行精确的计算，并建立合理的监测预警系统，以确保施工及周围建筑物的安全。2.2深基坑变形机理分析基坑变形是随着开挖的进行不断发展的，基坑坑底的隆起、支护结构的变形、基坑周围地表的沉降都与开挖的深度、面积、工艺及时间

4、密不可分。并且三者的形变会相互影响，使得基坑变形趋于复杂。2.2.1深基坑底部隆起机理分析基坑底部隆起主要有两个原因：一是，土体开挖是一个卸载过程，使得基坑底部应力状态发生变化，导致覆土压力减小，令基坑底部产生垂直向上的变形，即弹性隆起；二是，在不平衡力的作用下会导致支护结构向基坑内产生位移，令基坑底部土体受到挤压，进而发生隆起，此为塑性隆起。同时，坑底土回弹后受土体松弛与蠕变的影响加大了隆起变形；粘性土基坑底部积水后还会因粘性土吸水而引起坑底进一步的隆起42。随着基坑理论的不断发展，时空效应越来越受到重视，也就是说基坑底部的隆起会随着开挖过程中基底暴露时间的增加而发展。刘国彬43-46等通过

5、理论与实际相结合研究了关于基坑回弹的计算方法，通过基坑施工模拟分析了时间对基坑卸载回弹量的影响。研究发现弹性变形在卸载的瞬间尤为明显，在之后的恒载作用下不断发展。不同荷载作用下回弹变形随时间的发展也不尽相同，卸载不大时，回弹变形到一定程度后会向压缩蠕变发展。在基坑开挖的过程中，随之发生变化的还有孔隙水压力。根据Skempton公式：Au=BAo+A(Ao-Ao)(2T)313其中A、B为孔隙压力系数，通常情况下可由实验得出。式(2-1)可以简化为：Au=BAAo+Ao(1-A)(2-2)13随着土体的开挖，应力与孔隙水压力的增量都为负值；但从整个土体开挖过程而言，孔隙水压力是增大的，总应力不变

6、而土体有效应力变小的情况下，也会引起基坑坑底回弹。2.2.2支护结构后侧土体变形机理分析对支护结构后侧土体变形而言，其影响因素主要有两个：一是，基坑在开挖过程中，不平衡土压力的作用会导致支护结构的变形，从而导致基坑支护结构后侧土体沉降变形；二是，在高水位地区为保证基坑工程的安全顺利进行，需要进行基坑降水，降水工程会导致周围土体的移动变形。1）支护结构变形引起的周围土层移动支护结构由于受到不平衡的水平力而引起变形，并作用到基坑外围土体，导致其原始应力状态发生变化。支护结构受力可分为两部分：一是主动土压力，来自基坑外侧土层；二是，被动土压力，来自基坑内测底部土体。在主动土压力区土体的移动方向是向基

7、坑内，这使基坑后侧土体的应力在水平方向上变小，竖直方向上不变，导致剪应力增大。剪应力的增大致使应力摩尔圆向抗剪强度线靠近（图2-4），如果土体不断延伸，将使达到极限平衡的区域增加，并使其处于塑性流动状态。所以，支护结构的变形，使其后土体处于“活跃状态”，加之土压力的作用，致使地层移动，土体发生变形。图2-4支护结构后土体应力状态2）降水引起土层变形分析当基坑工程处于高水位地区时，为确保施工安全顺利，需要采取就爱你跟谁措施。而降水会导致基坑外土体产生变形，所以，这也成为基坑工程的主要研究内容。基坑降水主要引起土体固结，包括以渗透固结为主的主固结，以及以蠕变为主的次固结。土体中孔隙水压力的减小、消

8、散及其动水压力的作用是基坑降水导致土体变形47的主要因素，另外井点真空情况会影响到井点降水。土体孔隙水压力会随着基坑降水深度的增加而逐渐转移消散，但是土体的总应力是保持不变的，所以土体的有效应力是变大的，这可以通过太沙基有效应力原理得到印证。其结果是增大的有效应力作用于土体骨架，导致土体因孔隙比的减小而引起的土体固结发生沉降变形。止水帷幕是基坑工程主要的止水结构，但其并不能完全阻止水的渗流。基坑降水过程中，水力坡度会随地下水位的降低而增大，地下水的渗透压力也随着变大，由式（2-3）可知。J=yi（23）式中J渗透压力i水力坡度；水的密度。w渗透压力过大可能会导致两种现象出现：一是，由于土体受到

9、较大的渗透压会发生挤密现象；另外，渗透水流会携带土颗粒流动，发生“流土”现象。两种现象都会引起支护后侧及基坑周围土体的沉降变形。当基坑采用井点降水时，会在其中形成一定真空区域，导致土颗粒向此区移动，从而引起基坑土体沉降。2.3深基坑支护类型各种建筑物与地下管线施工时都要进行基坑开挖，一些深度和面积较小的基坑可直接开挖或放坡开挖。但当基坑深度较大，周围场地较狭窄时，一般都采用基坑支护。深基坑支护结构的主要作用是挡土，使基坑在开挖和基础施工的全过程中能安全顺利地进行，并保证对临近建筑和周边环境不产生危害。过去支护比较简单，采用钢板桩加井点降水一般能满足基坑安全施工，但对于深基坑已不能满足要求。近几年来，随着基坑开挖深度和面积的不断增大，支护技术也有了较大进展。基坑工程经常出现在经济发达、人口密集的地区，因此对其施工需要严格控制，尤其是对其变形的控制。这不仅是基坑工程自身安全的需要，也是其周边建筑物安全的需要。