關于地基開挖擋土的研究

李焱 姚姍姍

【摘 要】本研究的重點為針對影響深開挖基礎穩定及變形的三個因素，擋土壁體側向變形、地表最大沉陷量及支撐荷重，再配合工地現場監測數據與RIDO程序進行回饋分析。同時透過平地深開挖基礎的案例進行分析，比較其異同。期能找出山坡地基地開挖擋土分析時的土壤參數；或其他因子的修正方式。

本研究所得結果，就壁體變形型態而言；坡地開挖變形曲線趨向懸臂型。依RIDO程序回饋分析結果，影響程序計算的三項重要設計參數：擋土壁體勁度EI折減宜介于0.6～0.7、土壤與壁體間的摩擦角與監測值較為接近。

【關鍵詞】地基 開挖 擋土 研究

深開挖擋土結構，時常利用RIDO程序作分析。運用坡地深開挖基礎設計上，則較為特殊。本研究藉由坡地與平地開挖的實際案例，來評定土壤側向土壓力與地下擋土結構物的變形量，與RIDO程序推估的差異。探討RIDO程序運用坡地深開挖基礎設計上的實用性。期能作為相關深開挖基礎工程設計上的參考。

1深開挖的分析模式

1.1基本理論

在深開挖工程進行之前，壁體兩側的土壤，其側向土壓力應為靜止土壓力；然隨著開挖的進行，壁體漸往開挖面內變形，而作用于壁體的側向土壓力便逐漸減低而趨于塑性狀態的主動土壓力；反之，開挖面下在開挖側內的土壤卻因壁體而壓縮土體，其側向土壓力自靜止土壓力逐漸增加而趨于塑性狀態的被動土壓力。

擋土壁施筑完成后于地下開挖前，擋土壁的側向變位為零，然隨著開挖的進行，其承受的側向土壓力因開挖深度逐漸加深而變化，相隨而發生變形。在開挖過程中擋土壁本身視為彈性體，而壁體周圍的土壤則可以當作彈塑性材料來考慮。其作用于壁體的荷重壓力及開挖面下隨壁體變形而產生的抵抗土壓與壁體位移量的大小有密切關系。因此；擋土壁的分析過程中，必須將壁體變形量加以考慮。在壁體變形量較小時，土壤的側向抵抗力的變化系屬彈性行為，而變位較大處，則屬塑性行為。

1.2彈塑性模式

彈塑性模式分析法，系將擋土壁兩端的束制條件代入基本算式中，可得兩端的應力與變形，而后壁體各深度位置的應力與變形皆可求得。基于彈塑性法的假設條件、開挖面下的抵抗土壓力不得超過土壤的被動土壓力，故須將開挖面下土壤所可能發生的阻力值加以限制。因此；在分析過程中，可先在開挖面下的土層中定出一彈塑性交界位置，該深度以上的土層其側向抵抗土壓力系屬塑性行為，所謂彈塑性分析模式即可依此原則不斷的假設彈塑性交界的位置作反復求解而得，微分方程即為彈塑性分析模式的基本算式[1]。

（1）開挖區外在開挖面以下采收斂的主動土壓力，即開挖面以下的主動土壓力隨深度的增加而逐漸收斂至壓力收斂點時的主動土壓力為零。（2）開挖區內土壤反力亦限制在被動土壓力扣除主動土壓力減值。（3）壓力收斂點深度一般皆于開挖深度再往下一個開挖區寬度之深度處，但如遇堅硬地層時則取軟弱地層之界面處。此種情形有如考慮全面性破壞的穩定分析，而將此壓力收斂點界定在影響邊緣，因而對影響區內的土層皆有土壓力之差額作用力。（4）考慮支撐的預壓效果及變形，即該處支撐勁度與該處擋土壁在支撐架設時的累積變形量。

2深開挖設計流程

無論是結構物基礎開挖或建筑物地下室開挖，小規模的淺開挖或大規模的深開挖及擋土內撐開挖或擋土背拉開挖，皆依此步驟分析其安全性并檢討是否符合設計要求。

首先按照工程目的訂定設計準則，在調查地質情況及鄰近結構物狀況后，決定開挖方式及擋土支撐型式，而后選擇適當的分析方法，進行深開挖設計。最后則是開挖施工安全監測系統的設計，借著觀測結果來掌握每階段施工的不確定性，以維護施工中構造物的穩定性。

3深開挖變形行為相關研究

3.1壁體側向變形

擋土壁體變形可分三種型式：（1）懸臂式位移；（2）深層向內位移；和（3）前述二種混合型。因為開挖過程中必須經過初期懸臂式位移以及后期深層向內位移的過程，所以一般開挖至最后階段時，擋土壁體變形型式多屬于第三種位移型態。利用監測數據分析后，將連續壁變形曲線形狀歸納成四種型式：標準型、旋轉型、多折型及懸臂型，其中標準型為一般孔底固定于不動層或傾度管埋設較深，開挖影響范圍未達孔底，致觀測結果底部未有明顯位移現象，且有兩個近似反曲點者；旋轉型為傾度管埋設較淺，受開挖影響自孔底即有位移現象，或孔底雖達不動層，但觀測結果顯示，自底部開始即有明顯旋轉位移情形，下方的反曲現象不一定明顯；多折型則受地層變化影響（如土層分區界面處或地盤改良區域），產生異于常態的形狀者；而懸臂型則常見于淺層開挖階段，其壁體變形形狀類似懸臂梁受力后的變形曲線，故以此定名。針對上述壁體變形種類，依坡地開挖基礎擋土壁體實際監測變形形式，來判定側向土壓受力情形。

3.2鄰近地表最大沉陷量

在擋土壁最大變形量與開挖深度H的關系方面，針對軟弱類黏土10個深開挖案例所做的研究顯示[2]，擋土壁體最大變形量介于0.2%H～0.5%H值之間。

依監測數據所做的研究分析中，捷運施工造成壁體最大側位移量，約為開挖深度的0.2%至0.07%。而以往施工造成的壁體最大側位移量則多半分布在0.00025H2與0.0005H2之間。顯示隨開挖深度的增加，壁體最大變形量呈平方倍數增加。

根據擋土壁最大變形量與開挖深度H的關系，來分析坡地開挖基礎中支撐預載及施工質量的良窳。

而鄰近地表最大沉陷量，根據開挖案例的觀測數據建立地表最大沉陷量和壁體最大側向位移量的關系，其結果如文獻[3]中資料顯示。針對最大變形量 ？hmax與開挖深度H的關系，可利用有限元素參數研究的方法，建立最大變形量與開挖深度的關系曲線，根據擋土壁最大變形量與開挖深度的關系，來分析坡地開挖基礎鄰近地表最大沉陷量。

4結語

在進行基礎深開挖工程，為兼顧其所涉及的擋土措施與地下水問題，以及鄰近結構物的沉陷及保護，普遍采用連續壁作地下開挖擋土結構，而國內工程界對連續壁的分析廣泛地采用RIDO程序。

RIDO程序采有效應力強度參數作數值分析，模擬開挖時連續壁的支撐荷重、壁體變形及彎矩。程序中重要參數的評估。

參考文獻：

[1]鄭穎人.巖土工程極限分析有限元法及其應用[J].土木工程學報，2005（01）.

[2]盧國勝.考慮位移的土壓力計算方法[J].巖土力學，2004（04）.