地下连续墙变形性状的统计研究

地下连续墙变形性状的统计研究

地下连续墙支护实践地下连续墙技术主要应用于意大利ntaramaia水库的防渗墙。20世纪60年代，日本开发了许多连续墙施工机械，地下墙技术在世界上得到了广泛应用。1971年在中国台北市某银行大楼中采用了地下连续墙,是国内也是东南亚地区首先应用在高层建筑中的地下连续墙工程。1977年在上海研制成功了导板抓斗和多头钻成槽机之后,首次用这种机械施工了某船厂升船机港地岸壁,为我国加速开发这一技术起到了积极推动作用。近20多年来,随着城市建筑向高层化和地下室多层化方向发展,地下连续墙被用作围护结构甚至是“两墙合一”在深基础施工中所占比例越来越大。在上海软土地区,当基坑开挖深度较大、周边环境保护要求较高及施工环境复杂时,地下连续墙由于具有刚度大、强度高和防渗性能好等特点,往往成为基坑围护结构的首选类型。在基坑的变形由强度控制向变形控制转变的今天,一般希望在制订基坑支护方案时能较准确地预测基坑的变形及其对周边环境的影响程度,进而采取合理的支护方案和有关技术措施。一些学者如Peck、Clough、Long等基于大量工程实践对基坑的变形作了研究,但一方面由于基坑工程具有很强的区域特性,其他地区的有关研究成果能否直接应用于上海地区的基坑工程变形预测尚有待探讨;另一方面,支护结构类型很多,针对地下连续墙变形特性的研究尚少见报道;此外,到目前为止上海地区已有大量采用连续墙作为围护结构的深基坑工程实践,但对连续墙的变形性状尚缺乏系统的研究和总结。因此,基于上海地区基坑工程实践,对连续墙的变形性状进行系统的研究具有重要的工程意义,同时也可为其他软土地区的连续墙设计和施工提供参考。本文在收集上海软土地区93个采用地下连续墙作为围护结构并采用常规顺作法施工的基坑实测资料的基础上,对连续墙的变形性状进行统计分析,并研究软土层厚度、插入比、支撑系统刚度、坑底抗隆起稳定系数及首道支撑的位置等对变形影响的规律。1支护结构的稳定性收集了上海地区93个采用地下连续墙围护并采用常规顺作法施工的深基坑工程案例,具体数据可参考文献。数据包括基坑围护的基本信息和基坑开挖的变形数据。基坑围护的基本信息包括基坑开挖深度(H)、软土层顶面埋深(hst)、软土层厚度(hs)、连续墙的厚度与深度(Hw)及抗弯刚度(EI)、水平支撑的类型与道数、首道支撑的深度位置(h1)、平均支撑间距(h)及坑底抗隆起稳定系数(FS)。其中软土层厚度是指上海地区软弱的第③层淤泥质粉质黏土层和第④层淤泥质黏土层的厚度之和。变形数据包括最大的墙体侧移(δhm)、最大侧移的深度位置(Hδhm)及墙顶侧移(δtop)。有关变量的物理意义如图1所示。在93个工程案例中,水平支撑系统为钢筋混凝土支撑的有52个,水平支撑系统为钢支撑的有40个,不设内支撑采用格型地下连续墙的基坑一个。图2为这些基坑的开挖深度分布情况,可以看出采用连续墙作为围护结构在10~20m的开挖范围内应用最广泛,最大开挖深度达到30.4m。定义连续墙在坑底以下的深度与基坑开挖深度的比值为插入比((Hw-H)/H),它是衡量基坑围护经济性和影响坑底抗隆起稳定系数的一个重要指标。所收集基坑的连续墙最大插入比为1.52,最小插入比为0.45,而平均插入比为0.88。Masuda曾收集了日本地区52个基坑的有关数据,其中位于砂土地层中的13个基坑的连续墙平均插入比为0.47,而位于黏土地层中的24个基坑的连续墙平均插入比为0.44。Ou收集的中国台北地区7个采用连续墙的基坑的平均插入比为0.65。从这里可以看出上海地区连续墙的平均插入比较日本地区要大得多,亦大于中国台北地区的插入比,这意味着上海地区连续墙插入比的设计可能比较保守。2单墙变形特性分析2.1钢筋混凝土支撑的支护效果根据水平支撑的材料类型将基坑分成两类,即采用钢支撑的基坑和采用钢筋混凝土支撑的基坑。图3为连续墙的最大侧移与开挖深度之间的关系,图中的数据还包括了基坑尚未开挖至坑底的中间工况。最大侧移随着开挖深度的增加而增大,所有基坑的最大侧移基本介于0.1%H和1.0%H之间,平均值约为0.42%H。其中采用钢支撑的基坑平均最大侧移为0.419%H,而采用钢筋混凝土支撑的基坑平均最大侧移为0.415%H。从这里看出,钢筋混凝土支撑和钢支撑在控制墙体的变形上没有明显差别,其原因可能是虽然钢筋混凝土支撑的刚度和整体性比钢支撑大,但钢筋混凝土支撑的干缩和徐变也较大,而钢支撑则可以施加预应力并且施工速度一般更快,从而弥补了其不足之处。表1为上海地区连续墙变形与其他有关统计分析(均为连续墙围护)的对比情况。可以看出,连续墙的变形受地层条件的影响很大。本文统计的上海软土地区连续墙变形与Ou收集的中国台北软土地区及Long收集的软土层厚度大于0.6H且开挖面为软土层情况下的变形很接近;而较Clough收集的硬黏土、残积土和砂土地层及Long收集的软土层厚度h<0.6H或软土层厚度h>0.6H且开挖面为硬土层的情况下的侧移大;并远大于Yoo收集的首尔和釜山地区表层为填土与残积土、下卧岩石层地层中的连续墙的变形。2.2墙顶最大侧移的范围图4为连续墙最大侧移的深度位置与开挖深度之间的关系。除了上海耀华皮尔金顿浮法玻璃熔窑(采用格型连续墙)和海仑宾馆两个基坑的最大侧移位于墙顶外,其余基坑连续墙最大侧移的深度位置大致位于开挖面的附近,且基本介于H-5~H+5的范围内。从图中还可以看出,钢支撑与钢筋混凝土支撑基坑最大侧移深度位置的分布规律基本一样。Ou曾统计了中国台北地区10个深基坑最大侧移的深度位置的分布规律,与本文得到的规律一致。2.3侧壁结构的横向转移影响因素分析2.3.1墙底以上软土厚度的影响上海地区的第③、④层土强度低、变形大、灵敏度高、侧压力系数大,且具有流变特性,因而对基坑的变形影响较大。本文在讨论软土厚度对基坑变形的影响时,考虑连续墙底以上第③、④层软土的厚度。定义连续墙底以上软土层厚度为hsw,则hsw可通过软土层顶面埋深hst、墙体的深度Hw及软土层厚度hs由下式算出:图5给出了墙底以上软土厚度对最大侧移的影响情况,其中横坐标为墙底以上软土厚度与开挖深度的比值,纵坐标为无量纲化的最大侧移。可以看出,无量纲化最大侧移随着墙底以上软土厚度与墙体深度比值的增大而大致呈现出线性增长的趋势。图6为墙底以上软土厚度对最大侧移深度位置的影响情况,其中横坐标仍为墙底以上软土厚度与开挖深度的比值,纵坐标为最大侧移的深度位置与开挖深度的比值。从图中可以看出,随着墙底以上软土厚度的增加,最大侧移的深度位置略有下降的趋势,但这个趋势不够显著。2.3.2最小接入比文献认为在保证墙体有足够强度和刚度的条件下,适当增加插入深度,可以提高抗隆起稳定系数,也就可以减少墙体位移;并指出对于有支撑的围护墙,按部分地区工程经验,当插入比大于0.9时,对于减小墙体位移的效果不明显。Hashash通过有限元分析表明,只有当基坑的开挖深度达到极限开挖深度(由于土体变形过大导致数值计算不收敛时对应的开挖深度)时,围护结构的插入深度才会对墙体的侧移产生较小的影响,否则围护结构的插入深度对围护结构的侧移的影响就可以忽略。图7给出了连续墙的插入比对最大侧移的影响情况。可大致看出,无量纲化的最大侧移随着插入比的增大而增大,这与文献的结论相反,且与Hashash的结论也不一致,导致这一规律的原因尚不清楚。2.3.3支撑系统刚度变化图8为连续墙无量纲化的最大侧移与Clough定义的支撑系统刚度(EI/γwh4)之间的关系,图中的数据不包括中间工况。可以看出,采用钢筋混凝土支撑的基坑的支撑系统刚度基本分布于200~1000之间,而采用钢支撑的基坑的支撑系统刚度则基本分布于200~5000之间。钢支撑可以达到更大的支撑系统刚度是由于钢支撑在竖直方向上的道数可以更多,因而平均支撑间距可以更小。对采用钢筋混凝土支撑的基坑而言,无量纲化最大侧移与支撑系统刚度的关系不大;对采用钢支撑的基坑而言,最大侧移随着支撑系统刚度的增大有减小的趋势。所有基坑的无量纲化最大侧移基本分布于Clough所给出的FS=1.0的曲线和FS=3.0的曲线之间的范围内,并大致以FS=1.4的曲线作为平均值。Addenbrooke在一系列有限元分析的基础上指出,位移柔度(h5/EI)能更好地反映出支撑体系对位移的影响。同时认为两个具有相同位移柔度的支撑系统,在开挖至最终深度时,将具有相同的墙体侧移、墙后土体沉降、墙后土体侧移及支撑内力。图9为无量纲化最大侧移与Addenbrooke定义的位移柔度之间的关系,图中的数据亦不包括中间工况。可以看出最大侧移随着位移柔度的增大而增大,钢筋混凝土支撑的基坑和钢支撑的基坑的规律无显著差异。对比图8和图9可以看出,在反映支撑体系对墙体最大侧移的影响规律上,Addenbrooke的位移柔度(h5/EI)并不比Clough的支撑系统刚度(EI/γwh4)更优越。2.3.4fs对墙体侧移的影响Mana的研究表明坑底抗隆起稳定系数(FS)是影响墙体变形的一个重要参数,并根据奥斯陆、旧金山、芝加哥及波士顿等地的基坑工程案例统计出了墙体变形与FS之间的关系,给出了墙体变形的上下限,从而给出了可以通过FS来预测墙体变形的方法。Mana采用了Terzaghi给出的FS计算方法。由于上海地区的基坑均按上海市基坑工程设计规程推荐的方法计算FS,因此本文讨论FS对墙体侧移的影响时,FS均按上海市基坑工程设计规程的方法计算。图10为无量纲化最大侧移与坑底抗隆起稳定系数FS之间的关系,图中还给出了Mana建议的上、下限。可以看出,最大侧移随着FS的增大而减小,但在FS大于2.0以后这一规律不再明显。数据点均落在Mana建议的上下限的范围内,由于Mana建议的上下限的后段很平缓,且FS最大只到2.5,因而在用Mana的曲线来预测变形时可能存在较大误差。为此,在图11中给出了根据FS来预测最大侧移的更合理的方法。将图中数据点采用衰减的指数函数来拟合,将拟合得到曲线分别上移和下移0.2个单位,得到上限线和下限线,则所得到的上、下限线基本上将所有的数据点包括在内。这样,在确定了FS后,就可根据拟合曲线、上限线和下限线来预测连续墙的变形范围。2.3.5首道支撑的深度首道支撑的深度位置h1实际上决定了基坑悬臂开挖的深度,悬臂开挖深度会显著地影响基坑初期的变形尤其是墙顶的变形。图12为首道支撑的深度位置对墙顶侧移的影响。从图中可以看出,墙顶的侧向位移随着首道支撑的位置深度的增加而呈现出指数增长的趋势。当h1较小时(如小于2.0),墙顶的侧移变化不大;当h1较大时(如大于2.5),墙顶的侧移随着h1的增大而迅速增长。图13的规律表明,要控制墙顶的侧移,应将首道支撑设置在合理的深度范围内。图13为墙体最大侧移与首道支撑深度位置的关系,横坐标为首道支撑的深度位置与开挖深度的比值,而纵坐标为墙体无量纲化的最大侧移。从图中可以看出,墙体的最大侧移与首道支撑的深度位置的关系不大,说明首道支撑的深度位置主要是影响墙顶的侧移。Hashash的研究表明,在开挖深度超过一定深度后,悬臂开挖对墙体的最大变形的影响就会消失,这里的实测统计结果亦支持了这个规律。3墙体最大侧移的预测根据上海地区93个采用地下连续墙作为围护结构且采用顺作施工方法深基坑的详细资料,从统计角度系统地研究了地下连续墙的变形性状,结论如下:(1)地下连续墙的最大侧移随着开挖深度的增加而增大,所有基坑的最大侧移基本介于0.1%H和1.0%H之间,平均值为0.42%H。钢筋混凝土支撑和钢支撑在控制墙体的变形上没有明显差别。最大侧移的深度位置大致位于开挖面的附近,且基本介于H-5~H+5的范围之内。(2)围护结构的最大侧移随着墙底以上软土厚度的增加而增大;无量纲化最大侧移随着插入比的增大呈现出增加的趋势。(3)连续墙无量纲化的最大