考慮支護位移和水壓力的基坑底部隆起量估算改進方法

曾 晉

(成都理工大學 工程技術學院，四川 樂山 614000)

1 概 述

基坑開挖過程中,坑內土體卸載使得坑底土體發生回彈變形。基坑隆起量的多少更是判斷基坑變形和穩定性的重要依據，也是施工和設計的主要控制指標。

宰金珉[1]以帶有半圓形開挖邊界的彈性半平面的應力解為基礎，推導了基礎開挖回彈量的簡化估算公式。侯學淵等[2]對基底隆起進行了系統的模型試驗研究，提出計算坑底隆起經驗公式。丁勇春[3]等采用FLAC3D計算坑底土體的隆起值，經筆者擬合，公式為s=7H+52.4。趙錫宏[4]基于實測資料提出一個估算方法。張元翼[5]提到一種基于離心模型試驗的模型試驗資料法。劉國彬[6]結合大量的實測資料的分析、整理,提出了諸多修正公式的基坑回彈的實用計算法。日本《建筑基礎構造設計基準》給出了較為復雜的分層總和法，認為所挖去的那部分土重使坑底各層土應力變化，與實際不符，誤差較大。潘林有[7]提出了回彈區和強回彈區的范圍,進而給出了一種卸荷回彈量的估算方法。李德寧[8]基于樓曉明[9]的修正卸荷應力提出自重應力抵消法。

以上方法中，最后幾種方法可看做分層總和法的改進方法。但這些方法僅僅考慮隆起的部分原因，而劉漢龍[10]等認為基坑隆起破壞的原因為：卸荷、支護結構位移、軟弱層產生塑性流變、水的滲流和浮力、周邊建筑累積應力的二次釋放。而平揚[11]直接指出，隆起包括三大部分：卸荷回彈、支護樁墻側向位移對基坑坑底土體的擠壓、向上作用的滲透力。因此，本文在分層總和法的基礎上，研究一種考慮支護結構位移、水壓力和自重應力抵消的改進方法。

2 坑底隆起估算方法

隆起的計算方法很多，主要有規范法、經驗公式法、理論公式法和數值模擬法，常用的計算公式見表1。

表1 隆起量計算公式

由表1可得，分層總和法及其改進方法是隆起量估算的經典和重要方法，在這些方法中，卸荷模量和坑底隆起影響范圍的計算起著重要作用。劉國彬等[12]建議的卸荷模量考慮了破壞比和殘余應力的影響，但公式較為復雜。楊建民等[13]建議的Duncan-Chang 模型卸荷模量Eur。其表達式為：

Eur=KurPa(σ3/Pa)n

(1)

式中：Kur為卸載模量數，與土有關的參數，可以通過試驗測得；Pa為大氣壓力值；n為與土有關的參數，對正常固結黏土一般取1.0。

注意到σ3=K0σ1=(1-sinφ)σ1和n=1.0，代入分層總和法公式中的Euri可取：

Euri=Kur(1-sinφi)∑γihi

(2)

式中:φi、γi、hi分別為坑底計算范圍內第i層土的內摩擦角、平均重度和分層厚度。

鄧指軍[14]指出基坑隆起影響深度范圍為1.94H～2.33H(H為基坑開挖深度，開挖基坑強回彈影響深度范圍(強回彈區)為0.23H～0.45H。劉國彬[15]認為計算深度可從下面經驗關系式計算得到,即為：

hr=H/(0.0612H+0.19)

(3)

式中：hr為計算深度；H為基坑的開挖深度。

3 基底隆起估算改進方法

傳統規范方法中，僅考慮開挖的作用，沒有考慮壓水的水壓力和基坑內外水壓力差、支護結構向著坑內的位移和自重應力抵消作用。

3.1 支護結構水平位移引起的隆起

劉國彬[16]指出支護結構向基坑內的側向變形也會進一步擠推坑內土體,造成坑底土體的回彈。Ou[17]指出圍護墻最大水平位移為開挖深度的0.2%～0.5%。劉興旺[18]分析了杭州和上海等地區的15個基坑的資料,結果表明圍護結構的最大側移基本落于0.2%H～0.9%H的范圍內。其上限較Ou統計的變形要大,這是由于杭州和上海地區存在較深厚淤泥質黏土且抗剪強度低的緣故。假設支護結構插入土體部分的水平位移均為0.3%，并加上均勻隆起，根據體積相等，疊加在坑底隆起中，其公式為：

s1=δhs/B

(4)

式中:δ為支護結構水平位移；hs為支護結構入土深度；B為基坑寬度。

3.2 水壓力引起的隆起

由于通常情況下，開挖前降水已經完成并且基坑周圍有支護結構，所以計算的坑內外水壓力差往往偏大。但將承壓水的水壓力和坑內外水壓力綜合起來考慮，簡化為坑內外壓力差使用，既方便又不至于產生過大偏差。即下式：

Pwi=ΔLi×γw

(5)

式中:ΔLi為第i層土坑內外水壓力差；γw為水的重度。

3.3 自重應力抵消作用

在計算每一層的隆起量時，應去掉本層土體的自重。

綜上，本文改進方法的公式為：

s=∑(σH+Pw)hi/Euri-σihi/Euri+δh/B

(6)

4 算 例

某基坑的平面尺寸為39 m×61 m，基坑開挖深為7.6 m，采用鋼板樁支護，鋼板樁入土深度為6.4 m。利用本文公式其計算參數為：Kur=876 kN/m2，n=1.0，γ=24 kN/m2，φ=21°。

基坑隆起計算深度，根據鄧指軍公式，取14～18 m；根據劉國彬公式，取11.6 m，這里取14 m，坑內外水壓力差ΔL取5 m。

不同公式之間的比較見表2，其中基坑隆起的實測值為4.06 cm。規范法與本文改進方法的分層累計隆起值比較見圖2。

表2 不同方法最終隆起量比較

圖2 規范法和改進方法分層計算比較

由表2和圖2可得：①規范法偏小11%，并且偏于不安全。本文改進方法偏大9%，偏于安全，明顯優于原有方法；②大部分公式的計算結果偏于不安全；③各個公式偏差各異，與實際值相比，偏大和偏小百分比均較大，其中模型試驗法計算值偏小85%，丁勇春方法偏大160%。

5 結 論

通過對比分析，可以得到以下結論：

1) 包括規范法在內的大部分公式的計算結果偏于不安全；本文的改進方法，使得計算結果更加符合實際工程，并且偏于安全。

2) 各個公式偏差各異，與實際值相偏差較大。其中，模型試驗法計算值偏小85%，丁勇春方法偏大160%，宰金珉方法偏小78%，對于本算例不太適用。