顏玉兵

（江蘇省地質(zhì)工程勘察院，南京211102）

1 引言

城市化進(jìn)程的發(fā)展讓城市人口數(shù)量得到了持續(xù)增加。城市用地也愈發(fā)緊張。為了優(yōu)化城市用地，需要加強(qiáng)對(duì)地下空間的開發(fā)，深基坑工程也由此得到了人們的關(guān)注。深基坑施工需要面對(duì)土體變形帶來的影響，采取措施降低甚至避免對(duì)周圍建筑以及管線的影響。因此，有必要對(duì)深基坑施工變形安全性狀的時(shí)間特性進(jìn)行分析。

2 深基坑施工變形分析

深基坑開挖期間，既需要確保基坑自身的安全性與穩(wěn)定性，還應(yīng)保證變形控制效果，使周圍環(huán)境不受影響。在土層力學(xué)性能相對(duì)較好的區(qū)域，基坑開挖導(dǎo)致的土體變形非常小，通過對(duì)基坑施工進(jìn)行合理控制，不會(huì)對(duì)基坑周圍環(huán)境造成嚴(yán)重影響。而在軟土地區(qū)進(jìn)行施工時(shí)，會(huì)因?yàn)橥翆榆浫跚覐?fù)雜使基坑開挖變形更加嚴(yán)重，基坑附近的建筑物、管線、交通設(shè)施都會(huì)受到基坑變形的影響，因此，深基坑施工變形是城市軟土地區(qū)施工期間必須考慮的一個(gè)重點(diǎn)問題。

3 軟土地區(qū)深基坑安全性的時(shí)間特性分析

當(dāng)深基坑中存在具有流變性的土層時(shí)，會(huì)對(duì)基坑施工的安全性帶來較為嚴(yán)重的影響[1]，當(dāng)基坑附近存在需要保護(hù)的建筑與管線時(shí)，就有可能因施工而導(dǎo)致建筑、管線遭受破壞。而且因?yàn)楣て诘挠绊懀芏嗌罨庸こ踢€會(huì)在施工中出現(xiàn)超挖、超載的情況，所以，當(dāng)支撐結(jié)構(gòu)無法滿足施工條件時(shí)，會(huì)導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形程度加劇，進(jìn)而影響基坑施工質(zhì)量。只有通過嚴(yán)格控制安全性狀，從安全、經(jīng)濟(jì)的角度合理制訂施工方案，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)基坑變形的控制，降低基坑變形帶來的影響。

3.1 軟土蠕變特性

基坑施工中出現(xiàn)的變形問題通常是土體隨著時(shí)間的推移在蠕變作用下形成的，蠕變速率通常取決于剪應(yīng)力的大小，根據(jù)剪應(yīng)力的不同，蠕變速率大致可以分為以下幾種情況：（1）當(dāng)土體剪應(yīng)力相對(duì)較小時(shí)（r≤0.025 MPa），此時(shí)，蠕變變形非常小，當(dāng)內(nèi)摩擦力能夠抵抗剪應(yīng)力時(shí)，蠕變發(fā)展將會(huì)停止，此時(shí)土體并不會(huì)受到蠕變帶來的影響。（2）土體剪應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)（r=0.15 MPa），土體的蠕變將會(huì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，當(dāng)土體蠕變急劇增大之后，便會(huì)出現(xiàn)蠕變破壞的情況。通常情況下，當(dāng)變形問題出現(xiàn)之后，若對(duì)其施加荷載，會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)彈性應(yīng)變，若此時(shí)荷載能夠維持不變，則應(yīng)變時(shí)間就會(huì)在時(shí)間的影響下而不斷增加，這時(shí)會(huì)出現(xiàn)應(yīng)變速率逐漸下降的短暫蠕變區(qū)間，這時(shí)蠕變?yōu)榈谝浑A段，應(yīng)變按照恒定速率增長(zhǎng)的區(qū)間為第二階段蠕變，這部分蠕變時(shí)間通常會(huì)很長(zhǎng)。第三階段蠕變會(huì)進(jìn)行加速蠕變，直至蠕變達(dá)到極限后便會(huì)發(fā)生破壞。（3）當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到極限時(shí)（r=0.2 MPa），其從蠕變開始直到最終破壞只需要經(jīng)歷較短的時(shí)間，這便意味著當(dāng)土體應(yīng)力水平足夠高時(shí)，土體就會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)從不被察覺的持續(xù)蠕變發(fā)展至破壞。根據(jù)應(yīng)力的不同，蠕變形態(tài)將會(huì)出現(xiàn)非常大的轉(zhuǎn)變，所以，在深基坑施工期間，當(dāng)開挖至一定程度后，便會(huì)促使應(yīng)力、蠕變逐漸增加，另外，支撐不及時(shí)、暴露時(shí)間過長(zhǎng)都會(huì)導(dǎo)致明顯的變形問題發(fā)生[2]。

3.2 時(shí)空效應(yīng)原理

在深基坑開挖、支撐期間，開挖速度、順序等因素都將對(duì)土體變形帶來影響。劉建航院士結(jié)合各類影響因素提出了時(shí)空效應(yīng)理念，通過該理念能夠加強(qiáng)對(duì)變形問題的合理控制，進(jìn)而保證基坑施工質(zhì)量。時(shí)空效應(yīng)原理能夠令土體抵抗變形的能力得到有效發(fā)揮，降低開挖變形帶來的影響。根據(jù)項(xiàng)目規(guī)模、開挖深度等要素提出施工工藝，有效保證技術(shù)要點(diǎn)滿足施工要求。例如，在開展長(zhǎng)條形基坑施工時(shí)，由于其基坑縱向交纏，因此，橫斷面不會(huì)出現(xiàn)較大的變化。在開挖時(shí)，可以按照分段開挖、澆筑底板的方式來保證施工效果，而且在每段的開挖過程中，還可以分層、分段來加強(qiáng)支撐，可控制開挖層厚為3～4 m、段寬為3～6 m。開挖作業(yè)時(shí)還可以結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)整，進(jìn)而保證開挖效果。在失控效應(yīng)理論下，通過結(jié)合需求以及實(shí)際情況能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)項(xiàng)目工程的優(yōu)化，并保證基坑開挖質(zhì)量始終滿足項(xiàng)目工程的質(zhì)量要求。

4 有無支撐變形分析

某地鐵站項(xiàng)目周圍具有較多的建筑物，居民住宅、學(xué)校等較近的建筑必須在施工中對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)，避免地鐵工程給其他建筑帶來影響。施工地鐵站為地下2層的框架結(jié)構(gòu)，全長(zhǎng)為364.7 m，彼岸準(zhǔn)段寬21.5 m。工程項(xiàng)目特征為場(chǎng)地狹小、基坑長(zhǎng)且深。由于周圍存在較多的建筑物，因此，對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求極高。

4.1 擋墻墻體變形分類

每間隔一段區(qū)域進(jìn)行基坑開挖和支撐能夠在短時(shí)間內(nèi)完成，但是在未添加支撐時(shí)，施工將會(huì)導(dǎo)致?lián)鯄w變形值大幅增加，當(dāng)開挖層數(shù)增加之后，變形量也會(huì)有所提升。在土層加撐之后，墻體變形值將會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定，因此，開挖、支撐之后的曲線特征各不相同，所以，可以分為無撐變形與有撐變形兩種類型。

4.2 有撐變形

工程項(xiàng)目地表以下的地層大多屬于軟弱黏土，含水量高、強(qiáng)度較低、流變性高，深基坑以下的流變性會(huì)進(jìn)一步增加。當(dāng)支撐結(jié)束之后，坑底土體應(yīng)力會(huì)有所減小。通過選擇測(cè)點(diǎn)對(duì)擋墻的有撐變形進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，能夠掌握不同支撐結(jié)構(gòu)在各個(gè)階段的變形規(guī)律。表1~表4為第1道~第4道撐的墻體有撐變形參數(shù)。

表1 第1道撐的墻體有撐變形參數(shù)

表4 第4道撐的墻體有撐變形參數(shù)

不同工況下的有撐變形速率均值各不相同，流變性并未在開挖深度增加后出現(xiàn)明顯變化，出現(xiàn)這種情況的主要原因是加撐后延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短各不相同，支撐增加之后會(huì)令墻體變形值變得更加穩(wěn)定，若加撐之后延續(xù)時(shí)間過長(zhǎng)，則其整體均值便會(huì)下降。而且當(dāng)坑底利用旋噴加固時(shí)，還會(huì)降低土體的蠕變效果[3]。

表2 第2道撐的墻體有撐變形參數(shù)

表3 第3道撐的墻體有撐變形參數(shù)

4.3 無撐變形

沒有支撐時(shí)，支撐暴露影響擋墻變形的因素有很多，例如，卸載施工變形、蠕變變形等。而且因?yàn)榛又蔚募茉O(shè)并不完善，所以，還會(huì)導(dǎo)致坑底土體的應(yīng)力會(huì)隨之一同提高。處于高應(yīng)力作用下的土體將經(jīng)歷蠕變發(fā)展階段，所以，無支撐暴露的時(shí)間會(huì)給擋墻變形帶來影響。為了保證分析結(jié)構(gòu)，無支撐變形取值要保證與有撐變形的一致性。

無支撐時(shí)，影響變形的因素有很多，因?yàn)橹螞]有完全架設(shè)完成，所以，底部土體應(yīng)力較高。處于不同工況下的變形速率平均值將會(huì)隨著土層開挖而不斷提高。

5 正常施工變形安全性狀的時(shí)間特性

在深基坑施工期間，土體開挖不會(huì)一次性完成，分步完成更加容易保證施工質(zhì)量。在數(shù)值模擬期間，可以結(jié)合工程需求利用增量法實(shí)現(xiàn)對(duì)工況的模擬，這種方式既能反映施工階段的應(yīng)力、應(yīng)變作用，又能反映時(shí)間對(duì)土體的影響。每層土體開挖、支撐完成后，因?yàn)橥馏w蠕變效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致?lián)鯄ψ冃坞S時(shí)間而持續(xù)增長(zhǎng)。因此，基坑與周圍環(huán)境有可能受到影響，這時(shí)可以按照時(shí)間變化來計(jì)算變形值，然后結(jié)合安全性狀指標(biāo)了解基坑安全情況[4]。

土體開挖時(shí)，擋墻墻體變形會(huì)隨之增加，在應(yīng)力水平較高時(shí)，變形幅度會(huì)有所提高。而在支撐完成后，墻體變形則會(huì)隨之降低，直至支撐一段時(shí)間后趨于穩(wěn)定。即在各種應(yīng)力水平的影響下，土體將會(huì)隨著時(shí)間先后經(jīng)歷高速發(fā)展期與穩(wěn)定發(fā)展期，應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致發(fā)展速率發(fā)生改變。通過工程計(jì)算可知，開挖第一層土24 h后，墻體變形將達(dá)到0.9 mm，加撐24 h后，將會(huì)令墻體變形提高至2.37 mm。直至第64 h，墻體變形便會(huì)逐漸發(fā)展至穩(wěn)定。只要將墻體變形控制在安全指標(biāo)范圍內(nèi)，在開挖時(shí)及時(shí)進(jìn)行支撐，便可以令基坑始終處于安全的情況。

6 超挖時(shí)間特性分析

在基坑施工時(shí)，土體達(dá)到應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)后，部分區(qū)域會(huì)成為塑性區(qū)，由于軟土的流變性，暴露時(shí)間的延長(zhǎng)將會(huì)帶來一定影響，尤其是剪應(yīng)力大的部分區(qū)域，如坑底被動(dòng)區(qū)、滑動(dòng)面，會(huì)因?yàn)楸┞抖霈F(xiàn)變形，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起擋墻變形與土體變形增加。若基坑出現(xiàn)超挖的情況，會(huì)導(dǎo)致墻體變形與地面沉降變得更加嚴(yán)重，深基坑的安全性狀會(huì)在時(shí)間的影響下發(fā)生改變。只有確定安全超挖深度與放置時(shí)間，才能令軟土地區(qū)的深基坑施工更加安全，進(jìn)而避免深基坑施工安全事故的發(fā)生。

7 結(jié)語(yǔ)

軟土地區(qū)的深基坑施工難度非常高，高含水量的軟土地質(zhì)將會(huì)導(dǎo)致基坑周圍的建筑、環(huán)境隨之受到影響，因此，必須關(guān)注深基坑施工時(shí)的變形安全性狀，以此保證深基坑施工時(shí)的安全性。相信隨著更多從業(yè)人員了解到軟土地區(qū)深基坑施工的重要性，軟土地區(qū)的深基坑施工安全性一定會(huì)越來越高。