不同開挖工況下軟土基坑陽角壁變形及坑角效應

趙乃志，陳桂鳳，高文韜，胡福苑

(揚州工業(yè)職業(yè)技術學院，江蘇 揚州 225127)

1 土拱理論

土拱效應存在的第一個條件為介質(zhì)發(fā)生不均勻位移，只有在土體發(fā)生不均勻位移時才能發(fā)生，使得土體小主應力跡線發(fā)生改變，到當δ/φ=1 時，土體內(nèi)摩擦角越小形成的土拱應力跡線越明顯；土拱效應存在的第二個條件為有支撐土體的拱角存在，使作用于土拱及土拱上的壓力得到支撐。

2 工程概況

沈陽北站綜合交通樞紐改擴建工程北廣場地下停車場位于沈陽北站北站房北側，黑龍江街西側，樂天世界商業(yè)地塊東南側，以下稱為IV區(qū)。IV區(qū)工程為地下兩層結構，呈L型，地下1層為辦公及出租車蓄車場，地下2層為社會車停車場。IV區(qū)基坑中間部位東西向長約242 m，南北向?qū)捈s87 m，主體結構埋深為13.05 m，覆土為1.5 m?；颖眰群臀鱾染o鄰樂天世界基坑圍護樁，本工程結構側墻距樂天基坑圍護樁最近距離為6.7 m；南側緊鄰國鐵北站房，其中本工程圍護樁距離北站房側墻最近的距離約為5.2 m；東側緊鄰黑龍江街?；涌偲矫鎴D見圖1。

圖1 基坑總平面圖

3 水文地質(zhì)

本建筑場地I、II區(qū)穩(wěn)定水位深度為15.4～17.1 m，高程為28.80～30.39 m；IV區(qū)水位埋深為19.8～21.7 m，高程為23.49～26.03 m。地下水類型屬第四系孔隙潛水，標準凍深：沈陽地區(qū)標準凍深為1.20 m。

由地質(zhì)報告提供的圍護結構設計參數(shù)見表。

表1 各土層物理力學性質(zhì)指標

4 施工步驟

本項研究選取了基坑的幾個典型位置布置了監(jiān)測元件，對土壓力的變化、水平位移、護坡樁測斜和錨桿應力進行監(jiān)測，具體埋設布置見圖2。

圖2 基坑支護監(jiān)測布置示意圖

基坑北側(AB段)利用樂天圍護樁，西北側靠近樂天世界側(AIH段)和南側靠近國鐵北站房側(AB段)采用鉆孔灌注樁+一道鋼支撐(預留反壓土)作為支護方案；西南側(DEFGH段)采用鉆孔灌注樁+一道混凝土支撐方案；東側靠近黑龍江街處(BCD段)采用鉆孔灌注樁+三道錨索。

5 有支撐基坑的坑角效應分析

1)土壓力檢測曲線。根據(jù)不同的基坑開挖階段繪制成圖3的土壓力變化曲線，從圖3曲線變化走勢能看出各土壓力盒所監(jiān)測到的土壓力總體隨時間變化幅度不大，施工進行到后期土壓力曲線趨于平穩(wěn)，測定值在63.0 kPa左右，波動變化最大幅度不超過20%。在基坑開挖后期土壓力盒監(jiān)測到的土壓力數(shù)值基本沒產(chǎn)生變化。

圖3 土壓力檢測曲線

2)位移監(jiān)測曲線。圖5是有支撐陽角D壁頂部的水平位移變形曲線，由圖4可知，有支撐基坑的開挖也具有明顯的坑角效應。該類型的基坑壁頂部水平位移變形規(guī)律為陽角處比陰角處大，沿基坑邊長的水平位移最大值位于陽角位置處，這和無支撐基坑的最大值位置不同，隨著墻之間相對位移的不斷增加以及基坑開挖臨空面原因，這是因為內(nèi)支撐在改變基坑側向變形的同時，也在影響著基坑沿邊壁方向的位移，即導致了基坑坑角效應的影響范圍及大小的重分布。

圖4 支護結構深度方向變形曲線

由圖4可知，在陽角處比在陰角處大，小于基坑中部附近變形。頂部和底部位移小于中部，但相對于陰角處的位移還是很大。隨著基坑的開挖，樁土相互作用力的增大，土拱形成于兩樁之間，拱高約為樁間距的0.5倍，考慮土拱效應的土壓力計算值與實測值較為相符，從微觀機理分析來看：由于土顆粒間存在摩擦力且有圍護樁的局部阻擋作用，使得土顆粒在一定范圍內(nèi)相互咬合，形成土拱，繼而使得土間應力發(fā)生重分布。

3)坑角效應影響系數(shù)變化規(guī)律。為了更準確地表述坑角效應的影響，本文定義了一個新的參數(shù)，基坑坑角效應影響系數(shù)，即某一固定深度圍護結構水平位置圍護結構的側向變形與該深度處中部的變形的任意比值：

式中，δj為深度j位置圍護結構側向變形；δij為水平位置i深度j處維護結構側向變形；K為基坑坑角效應影響系數(shù)。

當在K≥1～∞時，表示該區(qū)域為坑角效應的主要影響區(qū)域，當1>K≥0.8時，表示該區(qū)域為坑角效應的次要影響區(qū)，在K<0.8時，表示坑角效應的影響很小可以忽略不計。

圖5為坑角效應系數(shù)變化曲線圖 。

圖5 坑角效應系數(shù)變化曲線

以EG半邊為研究對象，在距E處陽角48 m的距離內(nèi)陰角坑角效應從0增加到0.88，即此時陰角坑角效應的影響距離為3.4倍的基坑開挖深度，故可知FG和EG上陽角坑角效應的主要影響距離為不同，而EG和FG半邊壁與對邊壁的距離不同，其余條件基本相同，可以得出結論：陽角坑角效應的主要影響范圍還和與對邊的距離有關。

6 結 論

1)深基坑施工的過程中，土體發(fā)生不均勻位移，造成土體擠壓引起圍護樁變形形成土拱。圍護樁結構變形的分布具有明顯的坑角效應，基坑坑角處圍護樁的變形較小，而在基坑中部達到最大值。

2)內(nèi)支撐可有效地抑制圍護結構的變形，改變圍護墻體的變形規(guī)律。在同一深度處，基坑在陰角處變形很小，在陽角處比在陰角處大，小于基坑中部附近變形。

3)沿基坑邊長的水平位移最大值位于陽角位置處，陽角坑角效應的主要影響范圍還和與對邊的距離有關。

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