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軟土地區(qū)基坑回彈變形預(yù)測方法研究

2016-09-15 05:49謝征兵茍堯泊劉念武
關(guān)鍵詞:坑底卸荷模量

謝征兵,俞 峰,茍堯泊,劉念武

(浙江理工大學(xué)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究所,杭州 310018)

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軟土地區(qū)基坑回彈變形預(yù)測方法研究

謝征兵,俞峰,茍堯泊,劉念武

(浙江理工大學(xué)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究所,杭州 310018)

基坑開挖卸荷過程伴隨著坑底土層的回彈,可能對基坑穩(wěn)定性和既有工程樁造成顯著影響?,F(xiàn)有的基坑回彈量預(yù)測方法有殘余應(yīng)力法和自重應(yīng)力抵消法等,在此基礎(chǔ)上提出了一種預(yù)測基坑回彈變形的新方法。該方法考慮開挖卸荷過程中超固結(jié)比與靜止側(cè)壓力系數(shù)的聯(lián)動變化關(guān)系,推出卸荷后各土層的初始?xì)堄鄳?yīng)力以修正偏大的卸荷應(yīng)力,并將土層的有效自重應(yīng)力作為殘余應(yīng)力,再結(jié)合殘余應(yīng)力法計算回彈模量。通過5個工程實例與現(xiàn)有計算方法進(jìn)行對比分析,表明該方法的計算結(jié)果與實測結(jié)果較匹配,用超固結(jié)比能夠反映卸荷應(yīng)力的變化。

基坑開挖;卸荷回彈;殘余應(yīng)力;超固結(jié)比

0 引 言

基坑開挖引起坑底土體的回彈并伴隨著坑周土體的變形,其中坑底土體回彈量的大小直接影響到基坑穩(wěn)定性和樁基的承載性狀[1]。在基坑開挖前及開挖過程中準(zhǔn)確地預(yù)測回彈量,對基坑的設(shè)計與施工起著一定的指導(dǎo)作用[2]。

目前基坑回彈變形估算方法很多,如殘余應(yīng)力法、自重應(yīng)力抵消法等,由于卸荷應(yīng)力及回彈模量的求解方法不同,導(dǎo)致各方法的求解結(jié)果差異較大[3]。其中,劉國彬等[4]提出殘余應(yīng)力的概念,根據(jù)上海工程地質(zhì)特性總結(jié)出殘余應(yīng)力和回彈模量的計算公式。該方法考慮的工程參數(shù)多,計算公式復(fù)雜,且計算結(jié)果較實測值偏大。李德寧等[5]的自重應(yīng)力抵消法將計算深度處的有效自重應(yīng)力視為殘余應(yīng)力,通過常規(guī)壓縮試驗獲取回彈模量,計算值較實測值偏小。該方法在確定回彈模量時沒有考慮到回彈模量隨土層應(yīng)力的變化而變化[6],致使回彈模量的取值與實際不符。此外,汪中衛(wèi)等[7]、袁靜等[8]研究均表明,基坑在開挖卸荷過程中靜止側(cè)壓力系數(shù)會隨超固結(jié)比OCR的變化而變化。土體受三向應(yīng)力的影響,殘余應(yīng)力不應(yīng)僅考慮豎向應(yīng)力的影響還應(yīng)綜合考慮側(cè)向應(yīng)力的影響。

本文根據(jù)卸荷前后靜止側(cè)壓力系數(shù)K0的變化推出土層的初始?xì)堄鄳?yīng)力,然后將土層的有效自重應(yīng)力作為該層的殘余應(yīng)力,再結(jié)合殘余應(yīng)力法中回彈模量的計算公式,提出一種計算基坑回彈量的新方法(超固結(jié)比法),然后通過5個工程實例對幾種方法進(jìn)行對比分析。

1 回彈量的計算流程

殘余應(yīng)力法、自重應(yīng)力抵消法和超固結(jié)比法均需計算基坑開挖過程中各土層的回彈應(yīng)力σzi和回彈模量Eti,然后按照下式進(jìn)行計算:

(1)

其中:Sr為總回彈量;hi為各土層的厚度;ψ為考慮基坑寬窄影響的修正系數(shù)(僅適用于自重應(yīng)力抵消法);其中回彈應(yīng)力σzi為卸荷應(yīng)力P0與殘余應(yīng)力ΔP的差值即σzi=P0-ΔP。

3種方法都認(rèn)為卸荷應(yīng)力偏大應(yīng)進(jìn)行修正,但是修正的方法均不一樣。殘余應(yīng)力法用經(jīng)驗公式進(jìn)行修正,自重應(yīng)力抵消法用有效自重應(yīng)力進(jìn)行修正,超固結(jié)比法用超固結(jié)比OCR進(jìn)行修正。為與殘余應(yīng)力ΔP進(jìn)行區(qū)分,暫將卸荷應(yīng)力修正值命名為初始?xì)堄鄳?yīng)力ΔP′。目前回彈模量的計算方法較少,以劉國彬等[4]的回彈模量計算公式考慮因素最多,結(jié)果最為精確。以下將結(jié)合圖1,從回彈應(yīng)力、回彈模量、回彈計算公式3個方面進(jìn)行對比分析。

圖1 基坑開挖及回彈示意

1.1回彈應(yīng)力

劉國彬等[4]認(rèn)為土體在卸荷后殘留在土層中的應(yīng)力稱之為殘余應(yīng)力,并結(jié)合上海地區(qū)大量實測數(shù)據(jù),提出殘余應(yīng)力的經(jīng)驗公式。該公式缺乏合理的理論推導(dǎo),且具有一定地域局限性。李德寧等[5]認(rèn)為殘余應(yīng)力即為坑底土層計算深度處有效自重應(yīng)力,殘余應(yīng)力公式具有合理的理論推導(dǎo),但是單一的使用土體的有效重度來衡量殘余應(yīng)力與孫玉永等[9]提出的殘余應(yīng)力是反映土體的應(yīng)力狀態(tài)、卸荷應(yīng)力路徑、土體特性等因素的綜合性參數(shù)相矛盾。

圖2 超固結(jié)比法殘余應(yīng)力示意

開挖過程中,考慮到土體的三向應(yīng)力狀態(tài),坑底中間位置豎向和水平向同時發(fā)生卸荷[8]。豎向卸荷引起固結(jié)比和水平向應(yīng)力狀態(tài)的改變,通過靜止側(cè)壓力系數(shù)K0與超固結(jié)比的關(guān)系可以反映開挖引起土體應(yīng)力的變化[10]。

(2)

式中:K0′為卸荷后靜止側(cè)壓力系數(shù);超固結(jié)比OCR=(p0+Σγihi)/Σγihi。

卸荷后不考慮超固結(jié)比影響的豎向應(yīng)力(土層的自重應(yīng)力)σ1為:

(3)

卸荷后考慮超固結(jié)比影響的水平向應(yīng)力σ3為:

(4)

卸荷后考慮超固結(jié)比影響的豎向應(yīng)力σ1′為:

(5)

卸荷后豎向應(yīng)力的變化值即為卸荷過程中殘留在土層中未被釋放出來的ΔP′,每層土體都會對應(yīng)一個初始?xì)堄鄳?yīng)力值,動態(tài)的修正偏大的卸荷應(yīng)力:

(6)

結(jié)合自重應(yīng)力抵消法中將土體的有效自重應(yīng)力γi′hi作為該層自身殘余應(yīng)力的思想,在豎直方向上土層只受初始?xì)堄鄳?yīng)力與有效自重應(yīng)力的作用,殘余應(yīng)力即為兩者之和:

(7)

1.2回彈模量

劉國彬等[11]通過試驗研究表明,軟土地區(qū)土體應(yīng)力路徑對回彈模量的影響很大,土體的回彈模量隨應(yīng)力路徑的變化而變化,并總結(jié)出回彈模量的計算方法,該方法計算結(jié)果與土體的實際情況最吻合。李德寧等[5]的自重應(yīng)力抵消法在計算回彈量時同一土層的回彈模量取值相同,這明顯與鄧指軍等[12]指出不同深度土體的回彈模量不同、同一深度的土體在不同開挖深度情況下回彈模量不同的觀點相矛盾,故土層較厚時應(yīng)當(dāng)分層計算各層的回彈模量。

超固結(jié)比法在計算回彈模量時直接利用劉國彬等提出的回彈模量計算公式:

(8)

賈堅等[13]提出基坑的寬窄直接影響基坑土體的應(yīng)力路徑,對回彈模量的計算影響較大??紤]到空間效應(yīng)和支護(hù)結(jié)構(gòu)影響,窄基坑的坑底回彈量大于相同條件下的寬基坑。根據(jù)經(jīng)驗定義基坑寬度B>2.5 H為寬基坑、B≤2.5 H為窄基坑。

a)窄基坑的土體應(yīng)力為:

(9)

(10)

(11)

其中:σVi、σHi、σmi分別為第i層土體的豎向應(yīng)力、水平向應(yīng)力和平均固結(jié)應(yīng)力;Σγihi為已開挖部分的土體重應(yīng)力總和;αi為第i層土體的殘余應(yīng)力系數(shù)(ΔP/P0);加卸荷比R=2.0~∞,其值取決于基坑的應(yīng)力路徑和寬窄程度;γi、hi分別為第i層土體的重度和厚度。

b)寬基坑的土體應(yīng)力為:

(12)

(13)

(14)

1.3回彈計算

求得基坑各土層回彈應(yīng)力值σrz和回彈模量Et后,按照回彈變形計算公式(1)分層總和求出總值。

2 工程實例分析

2.1上海環(huán)球金融中心裙房基坑工程

上海環(huán)球金融中心裙房基坑工程[5]地面以上為5層,地下3層?;娱L約216m,寬約125m,開挖深度達(dá)18m,坑內(nèi)土方總量約26×104m3,保護(hù)等級為一級。該工程地質(zhì)相關(guān)參數(shù)如下表1所示。

表1 案例1工程地質(zhì)相關(guān)參數(shù)

a)殘余應(yīng)力法

b)自重應(yīng)力低消法

自重應(yīng)力抵消法中回彈指數(shù)Cs根據(jù)文獻(xiàn)[14-16]的試驗結(jié)果取值,其中粉質(zhì)粘土為0.0313,砂質(zhì)粉土為0.02,初始孔隙比e2根據(jù)《上海巖土工程勘察規(guī)范》取1.0,修正系數(shù)ψ取1.0。(以下工程實例的回彈參數(shù)和初始孔隙比依照此案例的文獻(xiàn)取值)

c)超固結(jié)比法

計算中所需的土體重度和靜止側(cè)壓力系數(shù)如上表所示。

用殘余應(yīng)力法、自重應(yīng)力抵消法和超固結(jié)比法對此基坑回彈量進(jìn)行計算,計算結(jié)果如表2—表4所示。所得最終回彈量分別為66.97、32.89 mm和62.44 mm,實測最大回彈量為36~46 mm,計算所得影響深度分別為13.9、14.8 m和18.8 m。

表2 殘余應(yīng)力法回彈量計算表

表3 自重應(yīng)力抵消法回彈量計算表

表4 超固結(jié)比回彈量計算表

2.2上海地鐵一號線新客運站基坑

上海地鐵一號線新客運站基坑[17]長約202 m,寬約22.6 m,開挖深度達(dá)12.4 m,基坑支護(hù)方式為

20 m深地下連續(xù)墻,施工過程中設(shè)置兩道鋼支撐。工程地質(zhì)相關(guān)參數(shù)如表5所示。

表5 案例2工程地質(zhì)相關(guān)參數(shù)

用殘余應(yīng)力法、自重應(yīng)力抵消法和超固結(jié)比法計算此基坑回彈量值分別為124、59.79 mm和97.68 mm,實測最大回彈量103 mm,影響深度分別為13.1、11.5 m和16 m。

2.3上海虹橋樞紐西交廣場基坑工程

上海西交通廣場基坑工程[18]開挖長為699 m,寬為199 m,基坑不同區(qū)域開挖深度不同,主要開挖深度有10、21 m和29 m,本案例僅對H=10 m的基坑進(jìn)行分析,工程地質(zhì)相關(guān)參數(shù)如表6所示。

表6 案例3工程地質(zhì)相關(guān)參數(shù)

基坑開挖深度H=10 m,開挖寬度B>2.5H,此基坑為寬基坑。最大計算深度hr為12.5 m,殘余應(yīng)力系數(shù)α= 0.3 + 0.0038 h2(0≤h≤hr)。初始卸荷模量系數(shù)E(-)ui取125.5,破壞比Rf取0.89。淤泥質(zhì)粘土回彈指數(shù)Cs取0.42,粘土取0.0313,初始孔隙比e2為1.0,修正系數(shù)ψ取1.0。

用殘余應(yīng)力法、自重應(yīng)力抵消法和超固結(jié)比法計算此基坑回彈量分別為79.61、25.20 mm和53.67 mm,此案例無實測回彈數(shù)據(jù),僅供三種方法之間對比分析,計算影響深度分別為12.5、10 m和12 m。

2.4地鐵一號線徐家匯車站

徐家匯地鐵車站基坑[4]呈長條形布置,開挖長度為600 m,寬為22 m,深度達(dá)17 m,支護(hù)結(jié)構(gòu)采用80 cm厚地下連續(xù)墻,設(shè)5道支撐,該工程地質(zhì)相關(guān)參數(shù)如表7所示。

表7 案例4工程地質(zhì)相關(guān)參數(shù)

用殘余應(yīng)力法、自重應(yīng)力抵消法和超固結(jié)比法計算基坑回彈量分別為136.29、65.67 mm和133.86 mm,實測最大回彈量120~130 mm,影響深度分別為13.8、14 m和20 m。

2.5上海某高層建筑基坑

上海某高層建筑基坑工程[4]位于上海市東北區(qū),基坑開挖長度為38.70 m,寬度為61.45 m,深度為7.6 m,支護(hù)結(jié)構(gòu)采用6.4 m的鋼板樁支護(hù)。該工程地質(zhì)相關(guān)參數(shù)如表8所示。

表8 案例5工程地質(zhì)相關(guān)參數(shù)

用殘余應(yīng)力法、自重應(yīng)力抵消法和超固結(jié)比法計算此基坑的回彈量分別為36.02、16.41 mm和19.20 mm,而實測回彈量為20.2 mm,計算影響深度分別為11.6、9.9 m和10 m。

3 結(jié)果分析

3.1數(shù)據(jù)分析

將以上5個工程實例回彈量的計算結(jié)果和實測數(shù)據(jù)分別用如表9和圖3所示。

表9 工程實例回彈數(shù)據(jù)分析結(jié)果

圖3 工程實例計算結(jié)果與實測值的柱狀

從圖3可以看出,殘余應(yīng)力法計算結(jié)果較實測值偏大,自重應(yīng)力抵消法計算結(jié)果較實測值偏小,而超固結(jié)比法的計算結(jié)果介于殘余應(yīng)力法和自重應(yīng)力抵消法之間。在實例1中,殘余應(yīng)力法和超固結(jié)比法的計算結(jié)果都明顯偏大,結(jié)合工程實際情況可知此基坑開挖較深,保護(hù)等級高,在設(shè)計和施工過程中會對坑底進(jìn)行加固處理,且理論計算并未考慮降水,時空效應(yīng)等因素,因此導(dǎo)致計算結(jié)果偏大。

3.2理論分析

從計算結(jié)果來看,超固結(jié)比法在計算精度上優(yōu)于殘余應(yīng)力法和自重應(yīng)力抵消法,對此可從理論上分析:殘余應(yīng)力法在修正偏大的卸荷應(yīng)力時,利用經(jīng)驗公式,對于粘土α0=0.3,也就是坑底的初始?xì)堄鄳?yīng)力ΔP′≥0.3P0,隨著土層的加深,殘余應(yīng)力逐漸增大。自重應(yīng)力抵消法利用土體的有效自重來修正偏大的殘余應(yīng)力,盡管沒有給出具體的初始?xì)堄鄳?yīng)力系數(shù)值,但是根據(jù)卸荷應(yīng)力即為卸去土體的有效自重,可知坑底土層的初始?xì)堄鄳?yīng)力ΔP′≥0.5P0。超固結(jié)比法利用卸荷過程中靜止側(cè)壓力系數(shù)K0的變化來反映初始?xì)堄鄳?yīng)力,且對每層土體都會有一個不同的初始?xì)堄鄳?yīng)力值,通過以上圖表可知初始?xì)堄鄳?yīng)力介于0.3P0與0.5P0之間,因此回彈應(yīng)力值也會介于殘余應(yīng)力法和自重應(yīng)力法之間。從回彈模量上來看,超固結(jié)比法沿用殘余應(yīng)力法的回彈模量,公式雖然復(fù)雜,但考慮了應(yīng)力路徑對回彈模量的影響,使計算更加精確。由于同一土層在不同應(yīng)力作用下的回彈模量不同,自重應(yīng)力抵消法用同一值來確定回彈模量,有欠合理。

從影響深度上分析,它直接決定了計算深度,在實例分析中有效的預(yù)估影響深度可以對強(qiáng)回彈區(qū)進(jìn)行加固處理,確保基坑的穩(wěn)定。通過對以上5個實例的計算影響深度進(jìn)行分析整理,其與開挖深度的關(guān)系如圖4所示。文獻(xiàn)[19]通過試驗得出坑底影響區(qū)深度與開挖深度成1.33倍正比關(guān)系,而超固結(jié)比法計算結(jié)果與圖中的基準(zhǔn)線最接近。

圖4 開挖深度與影響深度關(guān)系

3.3綜合分析

殘余應(yīng)力法的殘余應(yīng)力公式缺乏合理的理論推導(dǎo),而回彈模量充分考慮了土體應(yīng)力路徑和三向應(yīng)力狀態(tài),能準(zhǔn)確反映土體在卸荷過程中的物理力學(xué)性質(zhì)。殘余應(yīng)力法應(yīng)力計算結(jié)果較實測值偏大,因此殘余應(yīng)力計算公式應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)修正,使其更加接近實測值。

對自重應(yīng)力抵消法,其殘余應(yīng)力計算僅涉及土體有效重度γ′一個參數(shù),而事實上殘余應(yīng)力與很多因素有關(guān)[15]。在計算寬基坑和窄基坑時,使用修正系數(shù)φ進(jìn)行修正,對于長條形基坑取2.0,修正值比較籠統(tǒng),考慮到基坑的寬窄不同應(yīng)力路徑也不同[10-13],土體應(yīng)力應(yīng)分別計算。且土體的回彈模量隨著卸荷的進(jìn)行而動態(tài)的變化,同一土層應(yīng)分層計算。因此自重應(yīng)力抵消法的回彈模量計算公式應(yīng)該進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,使得計算結(jié)果更精確。

對超固結(jié)比法,其殘余應(yīng)力的計算充分利用了開挖卸荷過程中超固結(jié)比與靜止側(cè)壓力系數(shù)聯(lián)動變化關(guān)系,并結(jié)合土層的有效自重應(yīng)力即為該層殘余應(yīng)力的思想,逐層求解??傮w上融合上述兩種方法的核心思想,從不同角度解析殘余應(yīng)力計算公式并與已有的回彈模量計算公式進(jìn)行組合,得出一種新的,精度更高的回彈變形預(yù)測方法。

4 結(jié) 論

論文在前人方法的基礎(chǔ)上,對基坑開挖卸荷應(yīng)力和殘余應(yīng)力計算進(jìn)行修正,提出了預(yù)測坑底回彈量的超固結(jié)比法,經(jīng)實測案例驗證,預(yù)測效果良好,主要結(jié)論如下:

a) 超固結(jié)比法從基坑卸荷過程中超固結(jié)比與靜止側(cè)壓力系數(shù)的聯(lián)動變化關(guān)系的角度解析殘余應(yīng)力計算公式,并與殘余應(yīng)力法的回彈模量計算公式進(jìn)行組合,該組合的計算精度更高。

b) 超固結(jié)比法修正的卸荷應(yīng)力值介于殘余應(yīng)力法和自重應(yīng)力抵消法之間,從計算結(jié)果來看,其修正卸荷應(yīng)力可更好反應(yīng)土體的應(yīng)力狀態(tài)。

c) 已有試驗研究表明,基坑卸荷影響深度值約等于1.33倍開挖深度,3種預(yù)測方法中,超固結(jié)比法確定的卸荷影響深度與試驗結(jié)果最接近。

考慮到基坑回彈量與降水、時間效應(yīng)、空間效應(yīng)、周圍環(huán)境、施工條件等諸多因素有關(guān),將來,本文方法尚需針對這些因素做更深入研究。

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(責(zé)任編輯: 唐志榮)

Methods for Predicting the Rebound Deformation of Foundation Pit in Soft Soil Area

XIEZhengbing,YUFeng,GOUYaobo,LIUNianwu

(Institute of Foundation and Structure Technologies, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

The unloading process of excavation of foundation pit results in the rebound of soil layer at the bottom of pit. It may impose significant impact on the stability of foundation pit as well as existing engineering piles. Current prediction methods for such rebound include the residual stress method, the self-weight-stress offset method and so on. Based on these methods, a new method for predicting rebound deformation of foundation pit was proposed in this study. This method considered the interactive effect between the over-consolidation ratio and the coefficient of lateral static pressure during excavation and unloading. The initial residual stress in each soil layer was derived so as to modify the over-predicted unloading stress. Then the effective gravity stress was used as residual stress. The resilient modulus of soil was calculated in accordance to the residual stress method. Comparative analyses involving five engineering cases show that the calculating result of the proposed method is consistent with the measured result and the over-consolidation ratio can reflect the variation of unloading stress.

excavation of foundation pit; unloading rebound; residual stress; over-consolidation ratio

10.3969/j.issn.1673-3851.2016.05.027

2015-10-09

國家自然科學(xué)基金項目(41472284);浙江省公益技術(shù)研究項目(2015C31006);浙江理工大學(xué)521人才培養(yǎng)計劃

謝征兵(1990-),男,湖北武漢人,碩士研究生,主要從事樁基工程方面的研究。

俞峰,E-mail: pokfulam@163.com

TU 473.1

A

1673- 3851 (2016) 03- 0479- 08 引用頁碼: 051103

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