摘 要：收集了上海軟土地區35個具有墻后地表沉降實測資料的深基坑工程案例, 從統計角度研究了深基坑的墻后地表變形性狀。最大地表沉降隨著開挖深度的增大而增大, 其值介于0.1%H～0.8%H之間, 平均值為0.38%H, 其中H為基坑開挖深度。影響因素分析表明最大地表沉降隨著墻后軟土層厚度的增大而增大, 隨著坑底抗隆起穩定系數的增加而減小, 而與圍護墻的插入比及支撐系統剛度的關系不大。最大地表沉降與最大墻體側移的比值基本介于0.4～2.0之間, 其平均值約為0.84。統計了墻后地表沉降的分布模式, 給出了墻后地表沉降的包絡線。最大地表傾斜量介于0.001～0.017之間, 給出了根據最大地表沉降量來預測最大地表傾斜量的統計關系。
關鍵詞：深基坑; 地表沉降; 統計分析; 軟土;
0 引言
近年來, 隨著上海地區建設事業的飛速發展, 越來越多的基坑工程緊鄰建筑物、地鐵隧道、地鐵車站、地下管線等。基坑開挖必然會引致周邊地層不同程度的移動, 從而對基坑周邊的建 (構) 筑物產生不同程度的影響, 這使得基坑工程的環境保護問題日顯突出。在這種情況下, 預測基坑開挖引起的地表沉降成為工程師必須面臨的工作。預測墻后的地表沉降主要有兩種方法, 即有限元方法和經驗方法。目前有限元方法已經廣泛地在基坑工程中得到應用, 其在預測圍護墻的側移方面一般能達到較好的精度, 但在預測墻后地表沉降方面則往往效果較差。部分原因是難以較好地模擬土體的變形行為、墻體與土體之間的接觸面以及選擇合適的計算參數[1]。
近年來, Simpson等[2]、Whittle等[3]、Hight等[4]、Finno等[5]的研究表明考慮土體在小應變時的變形行為能顯著地提高預測墻后地表沉降的精度, 但小應變本構關系往往需要高質量的實驗設備確定計算參數, 從目前來看, 直接應用于工程設計尚有距離。經驗方法基于多個基坑工程案例的實測資料, 采用統計分析的方法, 探討地表沉降形態及沉降量與基坑有關物理力學參數之間的關系。許多學者如Peck[6]、Mana等[7]、Clough等[8]、Ou[9]、Hsieh等[1]、Long[10]、Moormann[11]、Leung等[12]等均采用經驗方法對基坑開挖引起的地表沉降進行了研究, 相關的研究成果對于理解墻后地表的變形性狀、預測墻后地表沉降及用于數值分析結果的校驗等發揮了積極的作用。由于基坑工程具有很強的區域特性, 各個地區的地層條件、支護方式、設計與施工技術水平等存在差異, 因此基于其它地區基坑工程墻后地表沉降數據統計得到的規律是否適用于上海地區的沉降變形預測尚有待進一步研究。
雖然自20世紀90年代以來上海地區已經完成了大量基坑工程的施工, 但是關于墻后地表沉降實測的資料并不多見, 因而相關的文獻一般只是側重于單個工程案例數據的分析, 尚缺乏較多基坑工程案例實測數據的統計分析。本文在收集上海地區已經成功實踐的35個具有地表沉降實測資料的基坑工程案例的基礎上, 對上海軟土地區基坑的墻后地表沉降特性進行統計分析, 并研究相關因素對地表沉降的影響規律, 以期為基坑工程的設計提供參考。
1 工程案例的收集
收集了上海地區35個具有墻后地表實測數據的深基坑工程案例, 如表1所示。數據包括基坑開挖的深度 (H) 、軟土層頂面埋深 (hst) 、軟土層厚度 (hs) 、圍護結構的形式、圍護墻的深度 (Hw) 與抗彎剛度 (EI) 、水平支撐情況與平均支撐間距 (h) 、坑底抗隆起穩定系數 (FS) 、圍護墻的最大側移 (δhm) 及墻后地表最大沉降 (δvm) 。其中軟土層的厚度是指上海地區軟弱的第 (3) 層淤泥質粉質黏土土層和第 (4) 層淤泥質黏土層的厚度之和。有關符號的定義如圖1所示。
圖1 有關變量的意義Fig.1 Definition of excavation variables 下載原圖所收集的工程案例的支護形式全部為板式支護, 其中采用地下連續墻圍護的基坑26個, 采用鉆孔灌注樁圍護的基坑7個, 采用SMW工法的基坑2個, 基本包含了上海地區常用的板式支護形式。
2 最大地表沉降分析
2.1 最大地表沉降
圖2為墻后最大地表沉降與開挖深度之間的關系。從圖2中可以看出, 最大地表沉降隨著開挖深度的增大而呈現出增大的趨勢, 其大小基本介于0.1%H與0.8%H之間, 平均值為0.38%H;這遠小于Moormann[11]統計的軟黏土地層中大量基坑的最大地表沉降 (基本介于0.5%H～2.0%H, 平均值約為1.0%H) , 也小于Long[10]統計的墻后軟土層厚度大于0.6H且開挖面為軟土的地層中基坑的最大地表沉降 (平均值約為0.8%H) , 表明上海地區的基坑能較好地控制墻后的地表沉降;但大于Clough等[8]統計的硬黏土、殘積土及砂土地層中基坑的最大地表沉降 (基本介于0～0.5%H, 平均值約為0.15%H) , 更大于Leung等[12]統計的香港地區混合地層 (包括填土、海相沉積土及風化巖) 中基坑的最大地表沉降 (基本小于0.2%H) 。這也說明地層條件是影響地表沉降的重要因素。
圖2 最大地表沉降與開挖深度之間的關系Fig.2 Relationship between maximum ground settlement and excavation depth 下載原圖2.2 墻底以上軟土厚度對最大地表沉降的影響
上海地區的第 (3) 層淤泥質粉質黏土層和第 (4) 層淤泥質黏土層三軸不排水剪 (UU) 的抗剪強度僅為18～44 k Pa, 其強度低、變形大、靈敏度高, 且具有流變特性, 因而對基坑的變形影響較大。定義圍護墻底以上軟土厚度為hsw, 則hsw可通過軟土層頂面埋深hst、墻體的深度Hw及軟土層厚度hs由下式算出:
將墻底以上軟土厚度與墻體深度的比值hsw/Hw作為橫坐標, 最大地表沉降與開挖深度的比值δvm/H (無量綱化最大地表沉降) 作為縱坐標, 繪出墻底以上軟土厚度與最大沉降的關系如圖3所示。雖然數據離散性較大, 但大致可以看出, 隨著墻底以上軟土厚度的增大, 最大沉降有增大的趨勢。
表1 上海軟土地區深基坑圍護墻后地表沉降的有關數據Table 1 Data of ground surface settlement of deep excavations in Shanghai soft soils 下載原表
注:1.標有*號的案例已在文獻[16]中列出其具體的參考文獻;2.標有**號的案例為華東建筑設計研究院內部資料。3.由于上海的地區基坑環境保護要求一般較高, 因此上海地區的基坑工程普遍采用隔水帷幕進行止水 (隔水帷幕進入相對不透水層) , 并在坑內進行降水。由于上海淺層土層以黏性土為主, 在隔水帷幕的作用下, 坑內降水一般不會引起坑外地下水位的大幅變化, 因此基坑的降水對地表沉降的影響很小。本表所收集的基坑全部采用隔水帷幕進行止水, 然后在坑內進行疏干降水, 降水對坑外地表沉降影響基本可以忽略。
圖3 墻底以上軟土厚度對最大地表沉降的影響Fig.3 Effect of thickness of soft soil above wall toe on normalized maximum ground settlement 下載原圖2.3 插入比對最大地表沉降的影響
定義圍護墻的插入比為坑底以下的圍護墻深度與與基坑開挖深度的比值, 即為 (Hw-H) /H。一般認為增大插入比能起到控制基坑變形的作用。圖4給出了無量綱化最大地表沉降與圍護墻的插入比之間的關系。大部分基坑的插入比介于0.7～1.1之間, 平均值為0.9。從圖4中可以看出, 數據點的離散性很大, 至少在插入比大于0.7后, 最大地表沉降與圍護墻插入比并無顯著的關系, 說明插入比對地表沉降的影響很小。
圖4 圍護結構插入比對最大地表沉降的影響Fig.4 Effect of embedded depth ratio on normalized maximum.ground settlement 下載原圖Hashash等[14]基于MIT-E3模型采用有限元分析研究了圍護墻的深度對地表沉降的影響如圖5所示。從圖5中可以看出, 當開挖深度為15 m時, 圍護墻深度為20 m的基坑 (對應的插入比為0.33) 和圍護墻深度為40 m的基坑 (對應的插入比為1.67) 的最大地表沉降分別為47.8, 40.8 mm;當開挖深度為10 m時, 圍護墻深度為20 m的基坑 (對應的插入比為1.0) 和圍護墻深度為40 m的基坑 (對應的插入比為3.0) 的最大地表沉降分別為19.9, 22.6 mm, 這表明圍護墻的深度對地表沉降的影響并不大。Hashash的理論分析與上海地區的實測地表沉降所反映的規律基本一致, 表明提高插入比并不能有效地起到減少地表沉降的作用。
圖5 圍護墻深度對地表沉降的影響 (Hashash等[17]) Fig.5 Effect of wall length on ground surface settlement (Hashash[17]) 下載原圖2.4 支撐系統剛度對最大地表沉降的影響
Clough等[18]、Goldberg等[19]、Addenbrooke等[20]的研究表明, 支撐系統的剛度是影響基坑變形的重要因素。支撐系統的剛度與圍護墻的抗彎剛度、水平支撐的抗壓剛度、支撐的位置及支撐的間距密切相關。圖6給出了無量綱化最大地表沉降與平均支撐間距的關系, 其中平均支撐間距的定義如圖1所示。所收集案例的平均支撐間距基本介于3～5 m, 其平均值為3.87m。從圖6中可以看出, 最大地表沉降與平均支撐間距并無顯著的關系。圖7給出了無量綱化最大側移與Clough等[8]定義的支撐系統剛度EI/γwh4 (其中γw為水的重度) 之間的關系。從圖7中可以看出, 支撐系統剛度大于100以后, 墻后地表沉降與支撐系統剛度的關系不大, 這與Leung等[12]統計的香港地區混合地層中基坑地表沉降的規律一致。支撐系統剛度與實測地表沉降的這種統計關系對于基坑工程設計的經濟性有重要的意義。它表明, 支撐系統剛度與地表沉降無直接 (至少無線性) 關系, 即顯著地增大支撐系統的剛度并不能相應地減少地表沉降。這個統計結果與工程實踐中經常采用的通過采用剛度很大的圍護結構來控制地表沉降的經驗作法并不一致。這或許也說明目前的支撐剛度可能已經達到了一個較高的水平, 再增加剛度已難以對本身就不算很大的地表沉降產生顯著的影響。
圖6 平均支撐間距與最大地表沉降的關系Fig.6 Normalized ground settlement versus average spacing of.struts 下載原圖軟土地層中支撐間距與支撐系統剛度對地表沉降影響不大的原因尚難以辨別。但至少可以說明, 除了支撐系統的剛度外, 還有其它更復雜的因素對基坑的變形產生影響。實際的基坑工程中, 基坑的幾何形狀、地層條件、施工方法與工藝水平、開挖順序、基坑降水、持續時間及不可預見因素等均會對地表沉降產生不同程度的影響。
圖7 支撐系統剛度與最大地表沉降的關系Fig.7 Normalized maximum ground settlement versus system.stiffness 下載原圖2.5 坑底抗隆起穩定系數對最大地表沉降影響
Mana等[7]認為坑底抗隆起穩定系數FS不僅與圍護結構的最大側移有關, 而且也與墻后最大地表沉降有關, 并通過有限元計算給出了根據FS來預測墻后最大地表沉降的曲線。Mana采用了Terzaghi[21]給出的FS計算方法。由于上海地區的基坑工程均按上海市基坑工程設計規程[22]推薦的方法計算FS, 因此本文討論FS對地表沉降的影響時, FS均按上海市基坑工程設計規程推薦的方法計算。表1給出了部分基坑工程案例的FS。圖8為本文統計的墻后最大地表沉降與FS之間的關系, Mana等[7]的理論預測曲線亦在圖中繪出。總體而言, 墻后最大地表沉降隨著FS的增大而呈現出減小的趨勢, 并且大多數數據點落于Mana等的理論預測曲線的上部, 說明采用Mana等的理論曲線來預測上海地區基坑的最大地表沉降時結果會偏小。圖8通過將Mana等的理論預測曲線適當平移, 給出了根據FS預測上海地區最大地表沉降的上、下限。
2.6 最大地表沉降與最大墻體側移的關系
影響基坑變形的因素很多, 這些因素不僅影響墻后地表的沉降, 也影響圍護結構的側移, 因而墻后地表沉降與圍護結構的變形密切相關。建立墻后地表沉降與圍護結構側移之間的關系后, 就可以通過圍護結構的側移來預測墻后地表的沉降。在地表最大沉降與圍護結構最大側移的關系方面, Goldberg[19]的統計結果表明, 不管是砂土、硬黏土還是軟黏土, 最大地表沉降大部分等于0.5～1.5倍的最大墻體側移, 但也有超過2倍的情況。Mana等[7]的統計表明黏土地層中的基坑最大沉降δvm等于0.5～1.0倍的最大墻體側移δhm。Ou[8]統計的臺北盆地10個基坑的數據表明最大地表沉降大多落在0.5δhm和0.7δhm之間, 其上限為δhm。Moormann[11]統計的結果表明軟黏土中δvm一般為0.5δhm～2.0δhm, 平均約為1.0。
圖8 最大地表沉降與坑底抗隆起穩定系數FS的關系Fig.8 Relationship between normalized maximum ground surface and FS 下載原圖圖9為上海地區基坑的無量綱化最大地表沉降與無量綱化的最大墻體側移之間的關系。從圖9中可以看出, 數據的離散性較大, δvm基本介于0.4δhm和2.0δhm之間, 平均值為0.84δhm, 這與Moormann[11]針對軟黏土的統計規律很接近。
圖9 地表最大沉降與墻體最大側移的關系Fig.9 Relationship between maximum ground surface settlement and maximum lateral displacement of wall 下載原圖3 地表沉降分布模式及地表傾斜量
3.1 地表沉降分布模式
表1所收集的工程案例中有21個工程具有墻后地表的沉降曲線, 圖10給出了這些案例的墻后地表沉降的分布情況。其中橫軸為墻后某點距基坑的距離d與基坑開挖深度H之間的比值, 而縱軸為無量綱化地表沉降 (某點的沉降δv與基坑開挖深度H的比值) 。從圖中可以看出, 除了兩個工程的地表沉降呈現出三角形分布外, 其余工程的地表沉降均為凹槽形分布。圖中還給出了根據這些數據點的分布情況確定的地表沉降包絡線, 可由三折線表示, 表達式為
其中δv/H為百分數。該包絡線可用來預測上海地區基坑開挖可能引起的最大的地表沉降。
圖1 0 采用開挖深度進行無量綱化的墻后地表沉降分布Fig.10 Distribution of ground settlement normalized by.excavation depth 下載原圖Peck[6]繪制了類似的墻后沉降分布圖, 根據土層和支撐條件將墻后地表沉降數據分成3類, 分別給出了I、II、III區的沉降范圍。圖10中同時畫出了Peck的分區沉降范圍。從圖10中可以看出, 上海地區地表沉降的數據點絕大部分落于Peck所分的I區范圍內, 只有很少部分數據點落在II區范圍內。本文統計的基坑為上海軟土地層條件, 而Peck的I區對應的土層條件為砂土及軟到硬黏土, II、III區對應的地層條件才與上海地區的地層條件相似。這表明在相似的地層條件下上海地區的地表沉降要較Peck統計的沉降小得多, 這可能是由于Peck所統計的基坑的主要圍護形式為鋼板樁等柔性支護體系, 而這里統計的上海地區的基坑是采用地下連續墻、鉆孔灌注樁和SMW工法等剛度較大的圍護結構的緣故, 此外Peck的數據是根據40多年前的基坑工程案例, 經過幾十年的發展, 現在的基坑工程施工技術與工藝水平也要較原來提高很多, 從而在變形控制方面更加有效。
將墻后地表沉降 (δv) 與最大地表沉降 (δvm) 的比值作為縱軸, 而橫軸仍為墻后某點距基坑的距離d與基坑開挖深度H之間的比值, 將圖10中的數據重新繪出如圖11所示。對于兩個三角形地表沉降分布的基坑, 最大地表沉降發生于緊貼圍護墻處。對于凹槽形地表沉降分布的基坑, 緊貼于圍護墻處的地表沉降一般介于0～0.5%H, 最大地表沉降一般發生于距離圍護墻0.3H～1.0H之間的位置, 而在1.0H～4.0H的范圍內沉降逐漸衰減至可以忽略的大小。從墻后地表沉降的影響范圍來看, 不超過4.0H。圖中還給出了沉降包絡線, 該沉降包絡線圍成了一個梯形區域, 其中在距離圍護墻0～1.0H的范圍內為沉降最大區域, 而在1.0H～4.0H的范圍為沉降過渡區域。為了對比, 圖11亦給出了Clough等[8]及Hsieh等[1]建議的沉降分布曲線。從圖11中可以看出, 上海地區工程案例的墻后沉降包絡區域與Clough和O’Rourke統計的規律相似, 但前者的梯形包絡區域較后者的統計范圍要大。Hsieh等[1]建議的沉降分布曲線可以大致看作是上海地區工程案例地表沉降的“中值線”, 因此采用Hsieh和Ou建議的沉降分布曲線來預測上海地區的地表沉降時具有一定的可靠度。
圖1 1 采用最大地表沉降進行無量綱化的墻后地表沉降分布Fig.11 Distribution of ground settlement normalized by maximum.ground settlement 下載原圖3.2 地表傾斜量
對基坑周邊建筑物或地下管線影響最大的是墻后地表的差異沉降, 衡量墻后地表差異沉降的一個有效指標是地表傾斜量, 地表的傾斜量定義為地表兩點的差異沉降與這兩點距離的比值, 如圖12所示, 它們中的最大值稱為最大地表傾斜量。Burland等[23]曾將最大地表傾斜量用作衡量基坑開挖對建筑物的潛在破壞的重要指標。根據圖10的數據計算出各個基坑工程的最大地表傾斜量, 并將其與最大地表沉降的關系繪出如圖13所示。最大地表傾斜量介于0.001～0.017之間, 圖中給出了用線性方程來擬合數據點的結果, 并給出了上、下限。因此, 知道了最大地表沉降, 就可以根據這個統計結果來預測最大地表傾斜量, 進而用于初步評價基坑開挖對建筑物的影響。
圖1 2 最大地表傾斜量的定義Fig.12 Definition of maximum angular distortion of ground.surface 下載原
圖1 3 最大地表傾斜量與最大地表沉降的關系Fig.13 Relationship between maximum angular distortion and maximum ground settlement 下載原圖4 結
收集了上海地區35個具有墻后地表沉降觀測資料的基坑工程案例, 從統計角度探討了上海軟土地區深基坑的墻后地表變形特性, 得到結論如下:(1) 最大地表沉降隨著開挖深度的增大而具有增大的趨勢, 基本介于0.1%H與0.8%H之間, 其平均值為0.38%H, 并與世界其它地區的統計結果進行了對比。(2) 研究了最大地表沉降的影響因素, 結果表明最大地表沉降隨著墻后軟土層厚度的增大而增大, 隨著坑底抗隆起穩定系數的增加而減小, 而與圍護墻的插入比及支撐系統剛度的關系不大。(3) 最大地表沉降與最大墻體側移的比值基本介于0.4～2.0之間, 其平均值約為0.84。這與Moormann[11]統計的軟土地區基坑的規律很接近。(4) 統計了墻后地表沉降的分布模式, 給出了墻后地表沉降的包絡線, 并與有關學者的研究結果進行了對比。對于凹槽形地表沉降分布的基坑, 緊貼于圍護墻處的地表沉降一般介于0～0.5%H之間, 最大地表沉降一般發生于距圍護墻0.3H～1.0H的范圍內, 而在1.0H～4.0H的范圍內衰減至可忽略的值。(5) 最大地表傾斜量介于0.001～0.017之間, 給出了根據最大地表沉降量來預測最大地表傾斜量的統計關系, 可用于初步評價基坑開挖對建筑物的影響。
參考文獻
[1]HSIEH P G, OU C Y.Shape of ground surface settlementprofiles caused by excavation[J].Canadian GeotechnicalJournal, 1998, 35 (6) :1004-1017.[2]SIMPSON B.Development and application of a new soilmodel for prediction of ground movements[C]//PredictiveSoil Mechanics, Proceedings of the Wroth Memorial.Houlsby G T, Schofield A N, eds.Thomas Telford, Oxford, London, 1993:628-643.[3]WHITTLE A J, HASHASH Y M A, WHITMAN R V.Analysisof deep excavation in Boston[J].Journal of Geotechnical andGeoenvironmental Engineering, ASCE, 1993, 119 (1) :69-90.[4]HIGHT D W, HIGGINS K G.An approach to the prediction ofground movements in engineering practice:Background andApplication[C]//International Symposium on PrefailureDeformation Characteristics of Geomaterials, Vol2.Balkema, Rotterdam, The Netherlands, 1995:909-945.[5]FINNO R J, XU T.Selected topics in numerical simulation ofsupported excavations[C]//Numerical Modeling ofConstruction Processes in Geotechnical Engineering forUrban Environment, keynote lecture at the InternationalConference of Construction Processes in GeotechnicalEngineering for Urban Environment.Triantafyllidis T, ed.Bochum, Germany, Taylor&Francis, London, 2006:3-20.[6]PECK R B.Deep excavation and tunneling in soft ground[C]//In Proceedings of the 7th International Conference on SoilMechanics and Foundation Engineering, State-of-the-Art-Volume.Mexico City, 1969:225-290.[7]MANA A I, CLOUGH G W.Prediction of movements forbraced cuts in clay[J].Journal of the GeotechnicalEngineering Division, ASCE, 1981, 107 (6) :759-777.[8]CLOUGH G W, O’ROURKE T D.Construction inducedmovements of in situ walls[C]//Proceedings, ASCEConference on Design and Performance of Earth RetainingStructures, Geotechnical Special Publication No.25.NewYork:ASCE, 1990:439-470.[9]OU C Y, HSIEH P G, CHIOU D C.Characteristics of groundsurface settlement during excavation[J].CanadianGeotechnical Journal, 1993, 30
