考虑支护位移和水压力的基坑底部隆起量估算改进方法

2018-10-16曾晋

水利科技与经济 2018年9期

曾晋

(成都理工大学工程技术学院，四川乐山 614000)

1 概述

基坑开挖过程中,坑内土体卸载使得坑底土体发生回弹变形。基坑隆起量的多少更是判断基坑变形和稳定性的重要依据，也是施工和设计的主要控制指标。

宰金珉[1]以带有半圆形开挖边界的弹性半平面的应力解为基础，推导了基础开挖回弹量的简化估算公式。侯学渊等[2]对基底隆起进行了系统的模型试验研究，提出计算坑底隆起经验公式。丁勇春[3]等采用FLAC3D计算坑底土体的隆起值，经笔者拟合，公式为s=7H+52.4。赵锡宏[4]基于实测资料提出一个估算方法。张元翼[5]提到一种基于离心模型试验的模型试验资料法。刘国彬[6]结合大量的实测资料的分析、整理,提出了诸多修正公式的基坑回弹的实用计算法。日本《建筑基础构造设计基准》给出了较为复杂的分层总和法，认为所挖去的那部分土重使坑底各层土应力变化，与实际不符，误差较大。潘林有[7]提出了回弹区和强回弹区的范围,进而给出了一种卸荷回弹量的估算方法。李德宁[8]基于楼晓明[9]的修正卸荷应力提出自重应力抵消法。

以上方法中，最后几种方法可看做分层总和法的改进方法。但这些方法仅仅考虑隆起的部分原因，而刘汉龙[10]等认为基坑隆起破坏的原因为：卸荷、支护结构位移、软弱层产生塑性流变、水的渗流和浮力、周边建筑累积应力的二次释放。而平扬[11]直接指出，隆起包括三大部分：卸荷回弹、支护桩墙侧向位移对基坑坑底土体的挤压、向上作用的渗透力。因此，本文在分层总和法的基础上，研究一种考虑支护结构位移、水压力和自重应力抵消的改进方法。

2 坑底隆起估算方法

隆起的计算方法很多，主要有规范法、经验公式法、理论公式法和数值模拟法，常用的计算公式见表1。

表1 隆起量计算公式

由表1可得，分层总和法及其改进方法是隆起量估算的经典和重要方法，在这些方法中，卸荷模量和坑底隆起影响范围的计算起着重要作用。刘国彬等[12]建议的卸荷模量考虑了破坏比和残余应力的影响，但公式较为复杂。杨建民等[13]建议的Duncan-Chang 模型卸荷模量Eur。其表达式为：

Eur=KurPa(σ3/Pa)n

(1)

式中：Kur为卸载模量数，与土有关的参数，可以通过试验测得；Pa为大气压力值；n为与土有关的参数，对正常固结黏土一般取1.0。

注意到σ3=K0σ1=(1-sinφ)σ1和n=1.0，代入分层总和法公式中的Euri可取：

Euri=Kur(1-sinφi)∑γihi

(2)

式中:φi、γi、hi分别为坑底计算范围内第i层土的内摩擦角、平均重度和分层厚度。

邓指军[14]指出基坑隆起影响深度范围为1.94H～2.33H(H为基坑开挖深度，开挖基坑强回弹影响深度范围(强回弹区)为0.23H～0.45H。刘国彬[15]认为计算深度可从下面经验关系式计算得到,即为：

hr=H/(0.0612H+0.19)

(3)

式中：hr为计算深度；H为基坑的开挖深度。

3 基底隆起估算改进方法

传统规范方法中，仅考虑开挖的作用，没有考虑压水的水压力和基坑内外水压力差、支护结构向着坑内的位移和自重应力抵消作用。

3.1 支护结构水平位移引起的隆起

刘国彬[16]指出支护结构向基坑内的侧向变形也会进一步挤推坑内土体,造成坑底土体的回弹。Ou[17]指出围护墙最大水平位移为开挖深度的0.2%～0.5%。刘兴旺[18]分析了杭州和上海等地区的15个基坑的资料,结果表明围护结构的最大侧移基本落于0.2%H～0.9%H的范围内。其上限较Ou统计的变形要大,这是由于杭州和上海地区存在较深厚淤泥质黏土且抗剪强度低的缘故。假设支护结构插入土体部分的水平位移均为0.3%，并加上均匀隆起，根据体积相等，叠加在坑底隆起中，其公式为：

s1=δhs/B

(4)

式中:δ为支护结构水平位移；hs为支护结构入土深度；B为基坑宽度。