软土地区基坑工程时空效应分析

软土地区基坑工程时空效应分析

0地铁与地铁基坑支护问题近年来，上海轨道交通建设快速发展。根据上海市总体规划，轨道交通线路总长约1780公里，共有17条线路。自2006年起，每年建设数十个新站，同时建设100多个工点。地铁由于其特殊的功能及特点，必然位于城市的中心区域，尤其越在建筑密集交通繁忙的区段越要建地铁，这就必然会出现大量相邻建筑保护的岩土工程问题。地铁车站基坑的安全稳定问题也越来越受到人们的关注，基坑变形大小和变化规律不仅关系到基坑本身的安全，也关系到周围建筑物及地下管线的安全。由于基坑支护开挖问题比较复杂，所以现有的基坑工程设计理论大多采用弹性计算法，即使个别情况下考虑塑性变形，也不考虑时间的影响，从而使设计计算值同实测值之间误差极大，可信度很小。本文结合上海地铁M6线某明挖区间基坑工程，在对实测数据分析的基础上，结合“时空效应”理论进行了数值计算，研究了该基坑的变形特征和变化规律，希望对软土地区地铁车站基坑工程提供有益的借鉴。1项目总结1.1区间基坑方案上海市轨道交通M6线某明挖区间位于浦东新区该区间总长1056.334m，采用明挖顺作法施工。区间基本为地下一层，但区间弯道处存在分叉段通向停车场，两条线路在此段由平行变为上下交错后分叉，本区间岔道口段为一级基坑，地下墙最大允许变形≤1.4‰H(H为基坑深度）。此外区间基坑等级为三级基坑，即围护墙最大水平位移≤0.7%H。本区间基坑工程各土层的分布情况见表1。1.2厚度：表面粗糙度地下墙根据不同基坑保护级别设置不同深度和厚度，深度为25～33m，厚度为600mm、800mm两种。沿基坑深度方向一般设四道支撑（局部段5道支撑），该计算分岔段第1、3道为混凝土支撑，其余3道为钢支撑，坑底下3m采用搅拌桩加固。1.3测点布置和远程监测系统的应用本区间对测斜、水平沉降、水位、支撑轴力等进行严密的监测控制（测点布置图见图1），并利用远程监控管理系统，实现监测数据的实时采集、传输和分析，结合工况指导施工，确保施工区邻近已有建筑物、地下管线的安全和围护体系自身的稳定，为设计、施工提供依据。2基站防护结构的变形特征分析本次研究以测斜点不同工况下变形情况、不同时段的变化速率以及不同测点最大变形分布等监测数据为依据，对标准段和分岔段进行分析探讨。2.1无支撑暴露时间对地墙变形的影响(1)墙体变形整体呈“大肚”状，既“两头小，中间大”，符合常见采用多道支撑围护结构的变形规律；(2)随着开挖不断加深，地下墙变形也不断增大，出现踢脚，根据标准段最后一天（10月5日）监测数据，最大累计变形为71.22mm，踢脚变形37.32mm；(3)有支撑处，变形小，水平位移值稳定增加或不变，图2上表现为7月29日的曲线在第三道支撑（9.3m）以上的曲线变化较小或者重合；(4)开挖持续时间越长，既基坑暴露时间越长，变形增长越快，5月31日完成第三道钢支撑到9月3日架设完第四道钢支撑，在3个月的时间内，累计变形迅速发展，由5月31日的9.77mm，增大到64.39mm，主要是由于长时间的开挖和分段不严格，架设支撑不及时，挖土对被动区土体扰动和主动区软土的流变特性，对地墙变形有较大影响。由此可见无支撑暴露时间对地墙变形有着非常重要的影响，这充分验证了软土地区考虑时间和空间因素的必要性。(2）分岔段最大累计侧向变形43.27mm，远超过报警值（1.4‰×16=22.4mm），经调查，该处施工因某些原因使得挖土时间过长，开挖第三层土从8月25日开始，直到29日才开挖到第三道支撑下0.5m的位置，而且此后支撑未能及时架设，使得基坑在无支撑状态下暴露时间过长。从图3中可以看出基坑侧向变形最大变化速率发生在第四道支撑安装完成——垫层浇注完成期间，最大日变化量6.87mm，发生在10月10日开挖到底时，此时由于开挖较深，挖土时间较长，基坑处于无支撑状态下，且正处于淤泥质粘土层的不利土层中，使得变形速率迅速增大，开挖到底后，采取措施抢浇垫层，速率才慢慢放缓。3采用时间效应计算原理和例3.1采用弹性杆系有限元法基坑工程中时空效应原理的施工方法有别于常规的施工技术，它强调支撑架设的及时性和挖土工艺（分层、分段、对称、平衡等）。因此，在围护结构计算模型中必须引入时间和空间的概念，本文中，采用考虑土体流变性的分析计算方法—弹粘性有限元计算法。用此模型计算基坑支护结构可以考虑基坑变形随时间的变化，较弹性方法更合理。在基坑支护结构的设计计算中常规采用的杆系有限元法，只要给定土压力和被动抗力系数，就可以求解出挡土结构的内力与变形。图4为弹性杆系有限元法计算简图。计算中发现，将传统杆系有限元计算中的土压力和被动抗力系数分别修正到接近实测值，计算结果比较接近于实际情况。3.2土体水平基床系数基坑开挖过程中，由于软土的流变性及被动区土压力和开挖方式差异性，被动区土压力及水平抗力系数Kh都是变化的。为了获得在一定地质和一定施工条件下的等效土体水平抗力系数，可收集挡墙位移、内力、土压力等实测数据，并通过大量反分析获得反映Kh与开挖工况、时间、分块尺寸、位置等一系列因素的相关性的计算方法，按此计算方法得到的称为等效土体水平基床系数（详见刘国彬专题论文）。文献通过理论研究分析，建立了不同土层，工况条件下的Kh值计算模型：式中γi是第i层土体的重度；Ci是第i层土体的粘聚力；ϕi是第i层土体的内摩擦角；hi,hi-1为第i层，第i-1层土体的层底埋深；Bj为第j道工序的开挖宽度；Tj为第j道工序的开挖时间，Hj为第j道工序的开挖深度；A1,A2，…，A7是待定系数；具体函数f由具体条件而定。3.3土体流变分析由于流变的影响，地下墙向坑内位移增大，导致主动区的主动土压力下降。实测资料表明：主动区深层的土压力下降的幅度较大，而浅层的土压力无明显变化，主动区的流变主要发生在深层，这是因为土层土体单元处在较高的应力水平下，土体所受的剪应力值较大，从实测资料来看，墙后主动土压力与采用梯形分布相当接近，故而按面积相等的原则等价成梯形分布。设ϕ为按实测值所设定的等效梯形面积与按弹性计算的主动土压力面积的比值，文献通过对实测资料的分析整理，得出ϕ约为0.7～1.0。ϕ是综合考虑时间、土体流变性质等的综合参数。在实际计算中，可令土压力不随施工工况而变化，而将时空效应对土压力的影响统一考虑到等效土体水平基床系数中去。3.4支撑完成和计算工况该区间分岔段计算参数见表2，取6m的小段开挖，24h内支撑完成（规范要求）和实际工况下支撑完成两种情况下进行计算。分岔段开挖深度16m。4计算结果分析图5为围护墙体分岔段实测值与计算值的比较，分岔段实测43.27mm。实际工况下计算的最大累计侧向变形为42.92mm，与实测值43.27mm较接近。24h内加撑完毕的计算位移为33.92mm。表明采用本文的计算模型能够较好地反映基坑开挖过程中变形的基本性状，用于计算软土地区基坑变形是可行的。计算曲线形状与实测曲线形状存在一定的差别，是因为实际施工过程中，钢支撑存在一定的应力损失，支撑轴力也存在时空效应过程，计算中没有考虑这一因素，有待进一步完善。5基坑