中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 杭州 311122
摘要：基坑开挖在城市建设中扮演着举足轻重的作用，随着城市建筑物、构筑物的密度的提高，基坑开挖将会对其周边环境造成一定的影响。在基坑开挖过程中，由于地面沉降引起的工程事故层出不穷，影响形式为周边建筑物的不均匀沉降、房屋的开裂以及隧道管线的损坏等。因此本文通过模型试验的方式，揭示围护结构悬臂变形情况下，地表沉降规律及地表沉降斜率，为距离基坑不同距离的建筑物构筑物的保护以及顺利进行基坑建设提供参考依据。
关键词：基坑开挖；模型试验；地表沉降；悬臂变形
0引 言
城市建设发展过程中，随着城市建设规模和密度的不断变大，杭州作为重要的前沿城市之一，建筑密度也较一般城市大，而基坑工程在城市建设中又扮演着重要的角色，加之杭州地区土层特点，研究基坑开挖后对周边环境的影响具有重要意义[1-4]。
王卫东、徐中华、王建华等收集了上海软土地区35个具有墙后地表沉降实测资料的深基坑工程案例，从统计角度研究了深基坑的墙后地表变形性状。最大地表沉降随着开挖深度的增大而增大，其值介于0.1%H～0.8%H之间，平均值为0.38%H，其中H为基坑开挖深度。影响因素分析表明最大地表沉降随着墙后软土层厚度的增大而增大，随着坑底抗隆起稳定系数的增加而减小，而与围护墙的插入比及支撑系统刚度的关系不大。最大地表沉降与最大墙体侧移的比值基本介于0.4～2.0之间，其平均值约为0.84。统计了墙后地表沉降的分布模式，给出了墙后地表沉降的包络线，给出了根据最大地表沉降量来预测最大地表倾斜量的统计关系[5]。张文翔结合原上海船厂（浦东）区域基坑开挖过程中的地面沉降资料，采用灰色GM(1，l)模型和灰色残差模型两种模型对其沉降值进行拟合和预测，结果表明在基坑施工的开挖阶段，灰色模型能够较好地模拟地面沉降的趋势，而且通过两种预测手段的对比，可以发现灰色残差模型的精度高于GM(1,1)模型，具有较好的预测性[6]。
理论上通过数值模拟软件建模分析可以较为准确的计算并预测围护结构变形、周边地表沉降、基底隆起、周边建筑物变形等情况，同时还能提供基坑结构或周边建筑结构的应力信息，以探寻出基坑及周边建筑的土压力及变形规律但不可否认，数值模拟方法也有不足之处，如参数取值难度较大、数值建模与实际工程的差异性、计算过程复杂、计算量大时间长以及计算结果准确性值得商榷等[7-8]。本文通过缩尺模型试验的方式，模拟基坑开挖，根据测试数据及试验现状探究沉降机理，分析基坑开挖对地表环境的影响。
1试验概况及过程
1.1试验概况
为方便观察试验现象土工模型箱特采用全透明有机玻璃制成，顶部开口，其余面全部粘结在一起，制做完成以后，将模型置于钢底板上，底板一边的两角出焊接了90度角钢固定模型并使模型保持稳定。
接下来在模型箱中进行填土试验，待土填至一定高度后，土体自重应力过大导致模型箱体中间变形过大而产生“鼓肚”现象，因此在箱体中间区域放置两根竖向铝制梁，底部锁紧固定，顶部采用对拉杆固定。先用一定量的水将取来的土使用手持搅拌机进行搅拌，搅拌过程中将土中混杂的石块捡出，直至均匀即可。将搅拌好的土装入模型箱，达到设计标高以后，停止填土，将表面抹平后用塑料袋封口静置2天。然后将PVC管按照设计的间距垂直插入土体中，为消除边界影响，基坑中轴线与模型箱轴线重叠，围护结构采用PVC管，管径31mm，桩中心距为56mm。管长0.9m，插入深度从模型箱顶部向下0.84m。模型箱长为1.72m，宽0.17m，高1.01m。可装约0.3m3土，试验用土为杭州典型软粘土，土体参数见表1所示。
1.2 试验步骤
桩间土挤出试验在重力场作用下对桩间土进行卸载试验，观察桩间土的挤出过程，从受力本质上分析桩间土的挤出。为了便于试验现象（开挖、沉降等）的观察，在试验开始之前，在试验槽外壁画好刻度线，坑外每隔100mm向下划一条刻度线，坑内区域每隔10mm向下划一条刻度线，开挖区域如图1所示。设计开挖宽度为0.344m，开挖深度为0.336m，是维护结构插入深度的2/5。
在模型箱顶部安装好竖向位移传感器，其中DB1传感器距离基坑围护结构最近，DB2传感器次之，DB3传感器距离基坑围护结构最远。一切准备就绪后先打开安置在模型箱顶部的竖向位移传感器，随后进行开挖试验。试验时，基坑一次性开挖到底，并连续采集各测点的表面土体的沉降值，开挖过程由单人使用单一工具，尽量保持工艺的一致性。
2数据分析
随着基坑开挖深度的增加，邻近地表的沉降值呈增长趋势，在基坑开挖时沉降值陡增，之后的，沉降值较平稳的增长；在基坑开挖初期，离基坑边缘越近的位置处的地表沉降发展越快。
试验完成后，提取距基坑围护结构不同距离的竖向位移传感器数据，将各测点的沉降值数据整理并运用Origin软件绘制成曲线，如图2所示。其中沉降值以负值表示沉降，以正值代表隆起。从整体来看，该组曲线呈现出以下几个典型特征：
各曲线随着时间增长（开挖深度的增加）呈明显的两段式增长，在15000s时基本完成第一阶段沉降，之后沉降趋于稳定。这是因为土体经过滑动后主动土压力消散，土体重力场进入新一轮的准平衡状态。
试验时，基坑内部未添加横向支护结构，因此竖向围护结构呈现悬臂式变形。就距离基坑边缘最近的点DB1而言，分析两个典型时刻，在15000s时沉降量为700mm，而30000s至70000s沉降量维持在800~900mm。可以看出，在前期（15000s以内）发展最快；当沉降时间超过30000s后，DB1~3三个点的沉降值发展趋势逐渐一致，并且始终保持DB1沉降量大于DB2沉降量大于DB3沉降量。
从图2数据可知，距离基坑围护结构越近，地表沉降越大，与悬臂变形形式的坑后地表沉降规律相同。可以明显看出，当基坑开挖结束后，坑底土体暴露，各测点的地表沉降继续增长，并且长时间内都没有收敛的趋势，这种状况是软土的蠕变造成的。软粘土具有典型的蠕变特性，距离坑边最近的点DB1的增长速率最大。
由于时间效应造成的沉降占总沉降值的比例达到20%以上，最高达75%。软土的蠕变效应是该类问题中非常重要的因素，基坑施工到设计标高，及时的施工垫层和底板是很关键的控制土体变形的手段。
将不同位置的地表最终沉降量连线可得如图3所示的地表沉降曲线。由曲线可知，距离基坑越近，地表沉降的斜率大，远离基坑则地表沉降斜率变小。具体地表沉降斜率见表2所示。
3结 论
为了揭示出基坑开挖过程中的较为真实的物理过程，深入理解基坑开挖土体变形规律，譬如基坑开挖引起沉降、桩间土的流动变形等。通过基坑开挖室内缩尺模型试验的研究，可得出：
（1）在基坑开挖过程中，围护结构以悬臂变形情况下，距离基坑越近则沉降越大，远离基坑位置，地表沉降逐渐变小。
（2）距离基坑越近，则地表沉降斜率越大，远离基坑，地表沉降斜率变小。
（3）根据基坑附近建筑物构筑物基础形式，对要保护的建筑物构筑物采取相应的保护措施。
参考文献：
[1] 龚晓楠，高有潮。深基坑工程设计施工手册[M]。北京：中国建筑工业出版社，1988。
[2] LEE K M，Ge X M，The equivalence of a jointed shield driven tunnel lining to a continuous ring structure[J].Canadian Geotechnical Journal，2001，38:461-483.
[3] MITCHELL James K，SOGA KENICHI. Fundamentals of soil behavior [M].3rd ed. Hoboken :John Wiley& Sons 2005.
[4] 王卫东，王建华。支护结构与主体结构相结合的设计、分析与实例[M]。北京：中国建筑工业出版社，2007.
[5] 王卫东、徐中华、王建华，上海地区深基坑周边地表变形形状实测统计分析[J]。岩土工程学报，2011，33（11）：1659-1666.
[6] 张文翔. 灰色模型在基坑工程地面沉降预测中的应用[A].
[7] 中国土木工程学会、上海土木工程学会、上海城建隧道股份有限公司.地下交通工程与工程安全——第五届中国国际隧道工程研讨会文集[C].中国土木工程学会、上海土木工程学会、上海城建隧道股份有限公司:2011:7.
[8] 李俊松. 基于影响分区的大型基坑近接建筑物施工安全风险管理研究[D].西南交通大学，2012
论文作者:周奇辉,曲勰,刘尊景
论文发表刊物:《防护工程》2017年第9期
论文发表时间:2017/8/31
标签：基坑论文; 地表论文; 模型论文; 结构论文; 斜率论文; 距离论文; 悬臂论文; 《防护工程》2017年第9期论文;