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時(shí)空效應規律在軟土深基坑工程中的應用
導語(yǔ)：基坑工程主要包括基坑支護體系設計與施工和土方開(kāi)挖，是一項綜合性很強的系統工程。它要求巖土工程和結構工程技術(shù)人員密切配合�；又ёo體系是臨時(shí)結構，在地下工程施工完成后就不再需要。
一、引言:
對軟土地層中的深基坑工程，要可靠地解決基坑穩定和控制坑周土體位移問(wèn)題，需要研究的不明確因素較多，其中一個(gè)難題是如何評估和處理軟土的流變性對支護墻體內力和位移的影響。由于土體的各向異性、土工試驗的技術(shù)局限性和施工因素的復雜性，在基坑施工中各工況下的不斷變化的流變參數難以測準，而支護墻體的內力和位移也就難以預測。目前國內外對此問(wèn)題尚缺少解決的理論和方法。因此在軟土地區的建筑物和市政公用設施密集的地區，要按控制土體位移保護環(huán)境的要求，進(jìn)行深基坑設計和施工，就帶有風(fēng)險性。為求得工程安全和環(huán)境安全，在國內外一些靠近重要建筑設施的軟土深基坑中，于基坑內部進(jìn)行大量的地基加固以改善土壤性質(zhì)(如新加坡、臺北等工程實(shí)例)。從國內軟土地區，特別是上海地區近十年來(lái)在深基坑的施工實(shí)踐和試驗研究成果中，可以認識到:在深基坑開(kāi)挖及支撐過(guò)程中，每個(gè)分步開(kāi)挖的空間幾何尺寸和支護墻體開(kāi)挖部分的無(wú)支撐暴露時(shí)間，與周?chē)鷫w和土體位移有一定的相關(guān)性。這里反映出基坑開(kāi)挖中時(shí)空效應的規律性。實(shí)踐證明:運用時(shí)空效應規律，能可靠而合理地利用土體自身在基坑開(kāi)挖過(guò)程中控制土體位移的潛力而達到保護環(huán)境的目的，這是一條安全而經(jīng)濟的技術(shù)途徑，這已為上海近兩年來(lái)完工的五個(gè)深基坑工程實(shí)踐所驗證。
二、考慮時(shí)空效應的基坑工程設計及施工的技術(shù)要點(diǎn):
1、首先合理選定基坑開(kāi)挖及支撐的施工工序和施工參數�；娱_(kāi)挖和支撐施工是決定基坑工程成敗優(yōu)劣的關(guān)鍵工序。為在基坑開(kāi)挖中減少土體擾動(dòng)范圍，保持基坑穩定，并使地層位移和差異位移符合預測值，合理選定基坑開(kāi)挖及支撐的施工工序和施工參數是決定性因素。開(kāi)挖和支撐的施工工序基本是按分層、分部、對稱(chēng)、平衡的原則而制定的，最主要的施工參數是每層開(kāi)挖中擋墻被動(dòng)區土體挖除后，擋墻未支撐前的自由暴露時(shí)間和暴露的寬度和深度。在大面積不規則形狀的高層建筑深基坑中，擋墻被動(dòng)區土體往往在開(kāi)挖中被保留成為土堤狀，此土堤斷面尺寸亦按其能抵住擋墻的要求而定，亦為主要參數。
2、基坑設計中，預測考慮土體流變性的圍護墻體位移和相應的地層位移，并采取措施使之符合保護環(huán)境的要求。從實(shí)測資料和理論分析中可知:土體流變性時(shí)軟土深基坑變形的影響是明顯的，在同一工況下基坑的圍護墻體隨其在開(kāi)挖后暴露時(shí)間的延長(cháng)而增加，目前一般基坑圍護墻體變形計算均未計及流變因素，在基坑周?chē)ㄖO施對地基位移很敏感時(shí)，特別在流變性較大的土層時(shí)，就必須準確地采用如下計及土體流變性的計算法，并采取相應的處理對策。
方法一，經(jīng)驗系數法:將工程實(shí)測的圍護墻體位移量進(jìn)行統計分析，取得在一定地質(zhì)條件和一定開(kāi)挖支撐施工參數條件下，墻體位移與按彈性或彈塑性理論所計算的位移(Se)的比值(α)，則考慮時(shí)空效應的墻體位移值(Shm)為:Shm=αSe
方法二:粘彈性?xún)删S有限元法:通過(guò)三軸剪切蠕變試驗和單剪蠕變試驗，建立土壤流變本構模型,再按試驗曲線(xiàn)、通過(guò)非線(xiàn)性函性分析及其擬合程序的編制，確定本構模型的參數，以用于粘彈性有限元計算方法。因土質(zhì)和施工因素的復雜性，土壤流變本構模型參數，很難與實(shí)際相符。這就需要在基坑開(kāi)挖的初始段，用信息反饋法調正土體流變參數，再用以推算下步開(kāi)挖引起的坑周土層位移，并據此酌定下步控制變形的施工參數。由于基坑施工的監測反饋信息是在一定時(shí)空效應的施工條件下取得的，則按此推算的墻體位移實(shí)際上已考慮了三維效應。
方法三，三維有限元法:通過(guò)大量分析，二維分析由于未考慮空間約束作用，算得的位移一般比三維分析所得結果較大，計算結果偏于安全，計算工作簡(jiǎn)易，但無(wú)法考慮平行于基坑擋墻的地下管道及隧道的縱向變形特征。
故結合上海地鐵1號線(xiàn)地下車(chē)站深基坑工程實(shí)踐，研究了深基坑三維有限元分析，從研究成果可見(jiàn):
三維分析可以得出基坑外側空間位移場(chǎng)，因而可全面了解和處理基坑開(kāi)挖引起的環(huán)境問(wèn)題。
3、采取分步快挖、快撐和支撐予加軸力的施工工藝。在軟土深基坑開(kāi)挖施工中，每步開(kāi)挖中圍護墻體的暴露空間和時(shí)間越小，則控制基坑變形的效果越大。因此加快開(kāi)挖和支撐速度的施工工藝，是提高軟土深基坑工程技術(shù)經(jīng)濟效果的重要環(huán)節。國內外實(shí)踐已證明:
科學(xué)地采用予加軸力的鋼支撐，對保護環(huán)境、節約造價(jià)和縮短工期具有明顯優(yōu)勢。但鋼支撐的采用，要具備鋼支撐加工和安裝的技術(shù)條件，并需要一定經(jīng)驗的施工隊伍。
三、工程實(shí)踐的效果
考慮時(shí)空效應的深基坑開(kāi)挖施工，最早在1986年8月上海市婁山關(guān)路下水道深溝槽中試行，該條形深基坑寬3米，深7.5米，坑邊有6層居民樓距坑邊僅4～6米，因坑邊有高壓電線(xiàn)等限制，很難進(jìn)行地基加固，由于所處的地層為流塑性淤泥質(zhì)粘土，有較大流變性，如采用一般分段分層(每段長(cháng)30米)開(kāi)挖施工法，則預測地面沉降較大，難�？觽冉ㄖ踩�，經(jīng)研究分析，采用了分小段(2米長(cháng))分層開(kāi)挖，加支撐予應力的施工方法，嚴格控制每步開(kāi)挖和支撐的暴露空間和時(shí)間，取得顯著(zhù)成效，地表沉降只1-2厘米，坑側建筑無(wú)開(kāi)裂。
總結了86年婁山關(guān)路工程經(jīng)驗，至延安東路隧道浦西段的地下墻深大基坑工程及上海地鐵1號線(xiàn)的地鐵車(chē)站的條形深大基坑中，又步步提高，完善了考慮時(shí)空效應的設計及施工方法，取得了更大的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。
近三年來(lái)，在上海地鐵1號線(xiàn)運行后，
數處高層建筑的大面積、不規則形的深大基坑，處在正運行的地鐵隧道近側，相距僅3-8米,(如新世界商場(chǎng)、上海廣場(chǎng)、香港廣場(chǎng)(南坑、北坑)、遠東廣場(chǎng)等五處深基坑)，由于運用了考慮時(shí)空效應的設計和施工方法，將坑周地層位移均限制在予測的15毫米以?xún)�，保證了地鐵隧道安全，且節約了數百萬(wàn)以上的工程造價(jià)。四、進(jìn)一步研究的課題鑒于當前北京、上海、武漢、廣州、深圳、南京等大城市以及建設部有關(guān)部門(mén)正積極編制各城市及全國的深基坑工程技術(shù)規程。在編制過(guò)程中,不少專(zhuān)家認為:要接受過(guò)去幾年深基坑周?chē)貙右苿?dòng)引起鄰近建筑和設施破壞的教訓,在技術(shù)規程中要重視控制基坑變形問(wèn)題。但控制基坑變形確是一個(gè)尚少經(jīng)驗的工程技術(shù)問(wèn)題,一些專(zhuān)家認為:在軟土地區解決此問(wèn)題中,運用時(shí)空效應規律,是一條安全、經(jīng)濟的技術(shù)途徑,為了將現有的初步經(jīng)驗,總結提高,形成能較大范圍應用的工程技術(shù),上海地鐵總公司與同濟大學(xué)合作,結合上海及其它地區的工程實(shí)踐,研究如下課題:①、軟土地層中時(shí)空效應理論的應用研究,②、軟土深基坑被動(dòng)區地基加固的設計方法的研究,③、對影響軟土深基坑周?chē)貙右苿?dòng)的主要施工因素的理論分析與改進(jìn)方法。
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