刘亚文　王　飞　彭更生　郭志明　梁进军

(1.解放军理工大学野战工程学院　南京　210007；　2.南京重大路桥建设指挥部　南京　210000)

软土地区深基坑考虑时空效应的变形特征分析

刘亚文1王飞1彭更生2郭志明2梁进军1

(1.解放军理工大学野战工程学院南京210007；2.南京重大路桥建设指挥部南京210000)

摘要软土地区基坑开挖是一项复杂的工程，针对软土流变性导致的“时空效应”的特点，以南京青奥轴线地下交通系统J2区明挖区间基坑工程为实例，对现场实测数据进行分析探讨，采用等效水平抗力系数计算方法，并与实测数值进行对比分析，证实了在软土地区基坑设计和施工中考虑时空效应的必要性。

关键词软土深基坑时空效应弹性杆系有限元法

随着城市建设的快速发展,大量的深基坑工程出现在城市建设中。由于基坑开挖支护问题比较复杂，目前我国在基坑设计中大多考虑土体弹性变形，很少考虑塑性变形。至于“时空效应”产生的影响，在实际工程中也从未考虑[1]，致使设计计算值同现场实测值之间相差较大，可信度大大降低。特别对于处于软土地区的基坑，土体的流变性致使基坑开挖的“时空效应”更加明显。

本文根据刘建航[2]针对上海软土流变特性提出的“时空效应”理论，以南京青奥轴线地下交通系统J2区明挖区间基坑工程为实例，研究了基坑的变形特征和变化规律。并与现场实测数值进行对比分析，证实了在软土地区基坑设计和施工中

考虑时空效应的必要性。

1工程概述

南京青奥轴线地下交通系统J2区YK10+615~YK10+710里程段基坑长约95 m，施工方法为明挖顺作法，采用直径800 mm地连墙作为开挖时的支护结构。基坑跨度约45 m，开挖深度为14.0～15.3 m，地连墙深27.5 m。本里程段位于长江夹江东南岸，属长江古河道漫滩地貌区，地层以灰褐色粉质黏土、粉土及淤泥质土为主。基坑等级为一级，沿基坑深度方向设4道支撑，第一道为钢筋混凝土支撑，其余均为直径609 mm钢管支撑。各土层物理力学参数见表1。

表1　各土层物理参数表

本基坑周围环境复杂，维护结构要确保施工期安全可靠，控制其沉降和变形，防止对周围环境产生不利影响。基坑变形要求：地下墙最大变形≤0.28%H，周边地面最大沉降≤0.18%H(H为基坑深度)。

2围护结构变形实测数据分析

为研究土体水平位移场，现以J2区CX14的现场实测数据来作为研究软土地区基坑考虑“时空效应”影响的变形特征依据。本文监测范围内实际施工工况时间跨度为10月26日至12月1日。CX14与地连墙的距离较近，因此可以用该点的测斜数据作为地连墙的水平变形值。

图1为CX14测点在不同工况下的测斜变形曲线。与常见多道支撑围护结构的整体变形呈“两头小，中间大”状的变形规律吻合[3]；且围护结构变形与基坑开挖深度呈正相关；此外，基坑变形与开挖的暴露时间也有关系,暴露时间越长，变形增长量越大。图2为CX14最大水平位移与时间的关系图。从图可知由于土体开挖紧接着混凝土支撑浇筑完成后进行，因此首道钢支撑架设至混凝土支撑之间时间间隔仅有1周，无支撑暴露时间不长，因此变形较小，从10月26日的0.54 mm变化到11月3日的7.96 mm。而至第二道支撑相隔时间将近2周，变形最为明显。变形由7.96 mm增长到29.32 mm。最后一道钢支撑的架设以及底板垫层施工与第二道钢支撑之间的时间间隔短，变形相对稳定，其变形速率小于1 mm/d。因此，基坑开挖时间跨度大和架设支撑不及时、软土的流变特性以及开挖土对被动区土体扰动等均会对地连墙变形产生重要影响。这充分论证了软土地区基坑开挖时考虑时空效应的必要性。

图1不同工况下的测斜变形曲线

图2　最大水平位移与时间的关系图

3应用时空效应原理的工程实践

3.1　时空效应原理

对于长条形基坑支护结构和内力计算的计算模型及相关参数的选取，目前我国仍采用图3所示的弹性杆系有限元计算模型，也未考虑“时空效应”的影响，致使设计计算值同实测值之间误差较大，可信度大大降低。刘建航等人[4]基于对不同地质、支护和施工条件下的大量有关基坑变形观测数据的统计、论证后，推导得出可以反映与各施工参数和土体参数的相关性的数学表达式。将等效基床系数应用到实际工程中，在实质上考虑了软土流变性和基坑开挖及支撑施工中“时空效应”对实际工程的影响。

图3弹性杆系有限元计算模型

土体的水平基床系数影响因素有：基坑的开挖空间、时间、深度、加固条件、地质条件、支护条件等。因此可将其视为影响因素的函数。现采用等效水平基床系数，以综合反映土体抵抗变形的能力。文献[5]根据对大量的试验数据的研究和总结，提出了能综合考虑土体的各种应力状态，以及时空效应等各种复杂因素影响的半理论、半经验的等效水平基床系数Khi计算公式。不同土层、工况条件下Khi的计算公式如下。

式中：Tj为每步基坑开挖无支撑暴露时间；Bj为每步基坑开挖土体沿挡墙方向的尺寸；γi为第i层土的天然容重；φi为第i层土的内摩擦角；ci为第i层土的粘聚力；φcq为要计算点hi处的强度指标；hi为要计算点所处深度；hj为当前开挖面所处的深度；γ′为第i层土的浮容重。

3.2　墙后土压力的变化规律

由土压力变化与墙体位移关系(见图4)可知：在软土地区，受到流变的影响，主动土压力随着支护结构向坑内位移不断增大而下降。实测资料表明[5]：墙后主动土压力分布接近梯形,因此按面积相等的原则将其等价成梯形。在实际计算中，可令施工工况对土压力不产生影响，而将时空效应对其影响统一考虑到Khi中去。

图4　土压力与墙体位移关系曲线

3.3　工程实例计算分析

计算采用弹性杆系有限元法，允许围护结构有一定的初始位移产生，开挖过程中遵循“先撑后挖、分层开挖”的原则。第一工况为开挖至第1道钢支撑下0.5 m且完成第1道钢支撑，即开挖至-5 m处(前期已完成混凝土支撑浇筑)；第二工况为开挖至第2道钢支撑下0.5 m且完成第2道钢支撑，即开挖至-8.5 m处；第三工况为开挖至第三3道钢支撑下0.5 m且完成第3道钢支撑，即开挖至-12 m处。第四工况为开挖至坑底，即开挖至-14.2 m处。各工况水平位移计算结果和工程监测数值见图5。

图5　理论计算值与监测值的对比

第一工况，开挖至-5 m时，监测和计算的最大位移分别为7.96 mm和7.80 mm，产生的位置分别为-6 m和-11 m。计算值总体大于现场监测值，根据施工工况报告，开挖前对开挖段坑内土体进行地基加固处理。根据文献[6]，地基加固对水平基床系数有显著影响；当其他因素相同时，等效水平基床系数随着地基加固的强度的增加而呈线性增加。

第二到第四工况，监测值与实测值基本吻合。表明在软土地区运用考虑时空效应的计算模型和参数项目的合理性和可行性，其可以较好地反映基坑开挖过程中围护结构变形的基本规律，同时说明了在设计和施工中合理地考虑时空效应的影响，就能选取科学而又符合实际的施工工序和施工参数。科学的规划施工，可以得到坑周土体应力路径和应力状态的变化规律。从而使设计计算值同实测值之间更加接近。

4结论

(1) 本文基于南京地区基坑施工现场监测的数据，采用弹性杆系有限元计算模型并考虑了时空效应的影响，对基坑变形进行了计算，计算值和实测值吻合较好，希望对类似软土地区的基坑工程提供有益的借鉴。

(2) 在软土地区进行基坑的设计和施工时，除了依据地基参数、支护结构参数以外，基坑开挖的时空效应必须纳入分析的范畴。

(3) 开挖至-5 m时，由于地基加固的影响，导致计算值总体大于现场监测值。地基加固对等效水平基床系数影响有待进一步研究。

参考文献

[1]姜彦彦,姜建平,纪宏.隧道开挖面空间效应特征研究及应用[J].交通科技,2014 (1):44-47.

[2]刘建航.软土基坑工程中时空效应理论与实践[J].岩石力学与工程学报,1998 (18):763-770.

[3]刘燕,刘涛,胡承军,等.上海地铁M8线某车站基坑开挖变形特征分析[J].浙江工业大学学报,2005,33(5):547-550.

[4]刘建航,刘国彬,范益群.软土基坑工程中时空效应理论与实践[J].地下工程与隧道,1999(3):7-12；1999(4)：10-14.

[5]范益群,孙巍,刘国彬,等.软土深基坑考虑时空效应的空间计算分析[J].地下工程与隧道,1999(2):2-8.

[6]刘国彬,黄院雄,侯学渊,等.考虑时空效应的等效土体水平抗力系数的取值研究[J].岩土工程学报,2001(3):97-102.

收稿日期：2015-05-22

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.05.022