基坑工程变形控制的关键

基坑工程变形控制的关键

1基坑变形控制随着上海发改委的快速发展，基础设施规模和挖掘深度变得越来越大。此外，城市建筑密集，管道数量众多，地铁站密集，隧道区的环境条件越来越复杂。在这种情况下,基坑支护结构除满足自身强度要求外,还须满足变形要求,将基坑周边土体的变形控制在允许范围之内,保证基坑周围的建(构)筑物的正常使用要求,是基坑工程设计和施工需重点关注的问题。复杂条件下的基坑工程设计已由传统的强度控制转变为变形控制,变形控制的关键是确定合理的基坑变形控制指标。上海地区的《地基基础设计规范》(DGJ08—11—1999)和《上海地铁基坑工程施工规程》(SZ—08—2000)分别就其定义的安全等级和基坑等级提出了不同的变形控制指标,但上海地区大量的基坑工程实践表明这两个规范提出的部分变形控制指标偏严,且缺乏足够的依据,因此有必要就深基坑的变形控制指标作更深入的研究。本文提出了根据基坑周围环境对附加变形的承受能力和根据大量基坑工程的统计资料确定上海地区深基坑变形控制指标的两种方法。2地下管线关于附加变形受基坑周围环境一般包括建筑物、构筑物(如地铁隧道等)及地下管线,关于构筑物(如地铁隧道等)及地下管线对附加变形的承受能力的研究很少,因此这里仅对基坑周围建筑物对附件变形的承受能力进行分析,然后据之提出确定基坑变形控制指标的方法。2.1建筑物的额外变形能力2.1.1结构上抬值的计算Burland和Wroth给出了建筑物各种变形变量的定义,并得到了相关研究的广泛认可。图1给出了这些变形参数的示意图,其定义如下:(1)沉降,图1(a)中的ρi为第i点向下的位移,即沉降值,而ρhi为第i点向上的位移,即上抬值;(2)差异沉降,图1(a)中的δij为第i点和第j点之间的差异沉降;(3)转角,图1(a)中转角θ为第i点和第j点之间的差异沉降δij与这两点之间的距离Lij的比值,用来描述沉降曲线的坡度;(4)刚体转动量,图1(b)中整个结构的刚体转动量用ω表示,建筑物发生刚体转动时并不会引起建筑物构件的扭曲变形,因此建筑物的梁、柱、墙及基础等不会发生开裂破坏;(5)角变量,图1(b)所示角变量β为图1(a)所示的转角θ与刚体转动量ω的差值,它用来衡量由剪切引起的变形;(5)水平位移,图1(c)所示的ρli为第i点的水平位移;(6)水平应变,水平应变εl为第i点和第j点之间的水平位移之差与这两点之间距离的比值,它是第i点和第j点之间的一个平均应变。2.1.2沉降与角变量的关系分析建筑物对附加变形的承受能力有必要先了解建筑物在自重作用下的容许变形量。由于影响因素繁多,使得建筑物因沉降而受损的机理非常复杂,也就难以采用理论分析的方法来求得建筑物的容许沉降量。因此,目前关于建筑物容许沉降量的有关标准都是建立在已有建筑物现场沉降及损坏现象观测的基础上。建筑物在自重作用下主要产生沉降,其水平向位移很小而可以忽略,因此这种情况下建筑物的破坏主要与角变量相关联。Bjerrum在前人研究的基础上,结合自己的有关观测资料,总结了建筑物损坏与角变量之间的关系如表1所示。后来的一些学者如Burland和Wroth、Boscardin和Cording等也陆续进行了建筑物容许沉降量的研究,但所得到的结果基本与表1所建议的值相差不大。表1适用于坐落于任何土层的钢筋混凝土框架结构和砖混结构,也适合于独立基础或筏板基础的建筑物。除了用角变量外,还可以用差异沉降量和总沉降量来表示建筑物的容许沉降量,且差异沉降量和总沉降量更加直观,更易为工程师接受。表2为欧章煜等根据前人的有关研究及台湾地区和日本的有关规范给出的建筑物的容许总沉降量和差异沉降量的建议值。需指出的是,表中的数值主要是根据钢筋混凝土建筑不发生非结构性破坏(根据表1,角变量小于1/300)且跨距为6m左右时的容许沉降量,当跨距与6m相差较大时不适合采用表中的数值来评估建筑物的容许沉降量。2.1.3从基坑开挖的总沉降量的确定由于基坑开挖前建筑物在自量的作用下已经发生了变形,因此基坑开挖后建筑物还能承受多少附加变形是一个非常复杂的问题。理论上,建筑物的容许沉降量为一定量,开挖前建筑物在自重的作用下既然已经发生沉降,则在基坑开挖阶段建筑物所能容许的沉降量应该更小。部分专家和学者认为,建筑物在建造后虽然会在自重作用下发生沉降,但沉降之后建筑物的构件在长期的应力作用下,会逐渐调整其受力能力,以致其容许沉降量不会太小,其容许的附加沉降量可能仍然接近于在自重作用下的容许沉降量。欧章煜指出,虽然开挖引起的建筑物沉降所造成的损害与建筑物本身自重对建筑物所造成的损害机理不同,但仍可以采用表1规定的数值作为基坑开挖引起的容许附加沉降量;并认为对于坐落于任何土层中的独立基础或筏板基础的钢筋混凝土建筑物,由基坑开挖引致的容许附加总沉降量和差异沉降量可直接参考表2中日本建筑学会关于砂土层的规定。台北捷运局根据有关学者的研究成果并结合台北捷运工程施工的大量经验建议开挖引起的容许沉降量如表3所示。收集了上海地区13栋钢筋混凝土框架结构受基坑开挖影响的资料,结果发现当建筑物总沉降量为60mm以上时,建筑物出现了不同程度的损坏;收集了上海地区27栋砖混结构受基坑开挖影响的资料,结果发现当建筑物总沉降量为40mm以上时,绝大部分建筑物出现了不同程度的损坏,这也可以作为软土地区由开挖引起的建筑物容许附加沉降量的一个参考。Boscardin和Cording的研究表明,开挖引起的侧向变形会减小建筑物竖直向的容许沉降量,并给出了如图2所示的建筑物安全评估图。图中水平坐标为角变量,纵坐标为水平应变,并给出了根据这两个变量确定的建筑物损坏程度的分区。从图中可以看出,可忽略的损坏区的拉应变上限为0.05%;极轻微损坏区的拉应变上限为0.075%;轻微损坏区的拉应变上限为0.15%。从图中还可以看出,当建筑物的角变量较大,但水平应变不大,建筑物损坏情况并不如想象的那样严重;相对而言,当角变量较小而水平应变较大时,仍可对建筑物造成较大的损坏。由于图2在应用时需要得到额外的参数如侧向应变等,而这些参数并不容易获得,因此在一定程度上限制了其在工程中应用。2.2采用数值分析方法确定变形控制的流程在确定了基坑周围环境对附加变形的承受能力后,基坑本身的变形如围护结构的侧移、墙后地表沉降应控制在什么范围内才能保证基坑周围环境的安全?这就需要确定基坑开挖对周围环境的影响程度,即需考虑基坑开挖与基坑周围环境的相互作用,根据基坑周围环境对附加变形的承受能力反过来控制基坑本身的变形量。从目前的分析手段来看,数值方法是唯一能考虑基坑开挖与基坑周围环境相互作用的分析方法。采用数值分析方法时,一般首先需考虑是采用平面分析方法还是三维分析方法,然后根据初步的基坑设计方案建立包括基坑本身及基坑周围环境在内的整体有限元模型,采用合适的本构模型及计算参数,采用符合实际情况的边界条件,在模拟基坑周围环境存在条件下的初始地应力场后,对基坑开挖进行全过程的模拟,得到基坑周围环境的有关变形量。然后将这个变形量与基坑周围环境对附加变形的承受能力进行比较,如果计算得到的变形量小于基坑周围环境对附加变形的承受能力则基坑的设计方案能满足环境保护要求,否则需调整设计方案(例如采用刚度更大的围护结构、增加支撑数量或刚度等),直到所得到的基坑周围环境的有关变形量小于基坑周围环境对附加变形的承受能力。这样也同时得到了基坑本身的变形如围护结构的侧移、墙后地表沉降等,即可作为基坑变形的控制指标。变形控制指标的这种确定方法的流程如图3所示。需指出的是,这种方法确定的基坑变形控制指标仅针对特定的基坑工程,并不具普遍性,即一个工程的变形控制指标并不一定适合于另一工程。此外,采用数值分析也较为复杂,尤其是确定合理的计算参数仍存在一定难度。若有多个工程的反分析经验,则可在一定程度上提高分析结果的可靠性。3对基本工程中的变形控制指标的确定由于问题的复杂性,在很多情况下,确定基坑周围环境对附加变形的承受能力是一件非常困难的事情,而要较准确地预测基坑开挖对周边环境的影响程度也往往存在很大的难度,因此也就难以针对某个具体工程提出非常合理的变形控制指标。目前上海地区已有大量的基坑工程得以成功实施,这些基坑包括了各种复杂的环境条件,这些工程的成功实施说明其变形控制基本能保证基坑周边环境条件的安全。因此根据这些大量已成功实施的基坑工程的统计资料来确定基坑的变形控制指标不失为一种有效的方法。基坑的变形控制与基坑周边环境条件密切相关,因此这里首先定义基坑的环境保护等级,然后根据统计资料来确定变形控制指标。很显然,基坑的变形控制指标与基坑环境保护等级密切相关,环境保护等级越高变形控制也越严格。3.1基坑地表沉降的主要影响因素基坑工程环境保护等级的划分需要考虑的要素是环境保护对象的重要性程度和环境保护对象与基坑之间的距离。环境保护对象的重要性程度主要考虑两类,一类是重要性程度非常高,如历代优秀建筑、有精密仪器与设备的厂房、其它采用天然地基或短桩基础的重要建筑物、轨道交通设施、隧道、防汛墙、原水管、自来水总管、煤气总管、共同沟等重要建(构)筑物或设施,其损坏往往会对社会生活产生巨大的影响和经济损失;另一类是重要性程度较高,如较重要的自来水管、煤气管、污水管等市政管线、采用天然地基或短桩基础的建筑物等,其损坏往往会对人们的生活产生一定程度的影响和经济损失。环境保护对象的变形量和它与基坑之间的距离以及坑外地表沉降的性状密切相关。Clough根据大量基坑统计资料得到的软到中等硬黏土基坑地表沉降包络线表明,在(0～0.75)H(H为基坑开挖深度)的范围内,地表沉降最大,在(0.75～2.0)H的范围内地表沉降逐渐衰减。Hsieh和Ou根据若干基坑的实测资料建议的基坑墙后地表沉降曲线表明,最大地表沉降发生于墙后0.5H处;在(0～1.0)H的范围内,地表沉降较大;在(1.0～2.0)H的范围内地表沉降逐渐减小;而在(2.0～4.0)H的范围内地表沉降由较小值衰减到可忽略的程度。图4为上海地区若干基坑的地表沉降统计情况,其近似的地表沉降分布曲线与Hsieh和Ou建议的地表沉降曲线相似,即最大地表沉降发生于(0～1.0)H的区域;在(1.0～2.0)H的范围内地表沉降逐渐减小;而在(2.0～4.0)H的范围内地表沉降由较小值衰减到可忽略的程度。综合上述有关研究,将1.0H、2.0H和4.0H作为划分基坑环境保护等级时建(构)筑物所处位置的分界点。3.2基坑环境保护等级收集了上海地区若干个已成功实施的基坑工程的数据,根据表4的分类标准对所收集的基坑进行分级,其中环境保护等级为一级的基坑有37个,环境保护等级为二级的基坑有46个。根据周边环境的上述重要性程度分类和周边环境与基坑距离的分界点的不同组合,给出了如表4所示的三种环境保护等级的定义。该定义已被新编制的《上海基坑工程技术规范》所采用。3.2.1结构的实测最大侧移图5和图6分别为环境保护等级为一级和二级的基坑围护结构实测最大侧移与基坑开挖深度之间的关系。围护结构的实测最大侧移随着开挖深度的增大而呈现出增加的趋势,环境保护等级为一级的基坑的围护结构实测最大侧移一般小于0.5%H,平均值为0.22%H;环境保护等级为二级的基坑的围护结构实测最大侧移一般小于0.9%H,平均值为0.44%H;考虑将围护结构实测最大侧移的平均值作为实测变形控制指标。3.2.2基坑的围护结构侧移的实测值和设计值的统计关系上海地区的基坑工程经验表明,基坑变形的实测值往往大于基坑变形的设计值,因此基坑的设计变形控制指标应小于实测变形控制指标。图7和图8分别给出了环境保护等级为一级和二级基坑的围护结构最大侧移实测值与设计值之间的关系。环境保护等级为一级和二级的基坑的围护结构最大侧移实测值平均分别约为设计值的1.2倍和1.5倍。根据设计值和实测值的这个统计关系,将环境保护等级为一级和二级基坑的围护结构实测变形控制指标分别除以1.2和1.5,得到环境保护等级为一级和二级基坑的围护结构侧移的设计控制指标分别约为0.18%H和0.30%H。所收集的环境保护等级为三级的基坑的数据较少,难以反映大量基坑的变形情况。因此,参考其他有关规范的标准,并结合这里统计的环境保护等级为一级和二级的基坑的控制指标,将环境保护等级为三级基坑的围护结构最大侧移的设计控制指标取为0.7%H。3.2.3墙后地表最大侧移与墙后地表最大沉降的关系地表沉降的控制指标根据地表最大沉降与围护结构最大侧移之间的统计关系来确定。收集了上海地区40个具有墙后地表最大沉降数据的基坑案例,建立基坑围护结构最大侧移实测值与墙后地表最大沉降实测值之间的关系如图9所示。地表沉降基本介于0.4～2.0倍的围护结构最大侧移之间,平均地表最大沉降为0.81倍的围护结构最大侧移。取平均地表最大沉降为0.8倍的围护结构最大侧移,则对应于环境保护等级为一、二和三级基坑的墙后地表最大沉降设计值分别为0.144%H、0.24%H和0.56%H。适当调整后取环境保护等级为一、二和三级基坑的墙后地表沉降设计控制指标分别为0.15%H、0.25%H和0.55%H。3.2.4基坑环境对附加变形的影响根据上述研究,得到了各级环境保护等级基坑的设计变形控制指标如表5所示,并为新编制的《上海基坑工程技术规范》所采用。表5的变形控制指标不需像第一种方法那样要确定基坑周围环境对附加变形的承受能力及及基坑开挖对周围环境的影响程度,且具有较广泛的适用性。由于统计的这些基坑都已成功实施,结合工程经验,采用表5的变形控制指标大