關(guān)于地基開挖擋土的研究

李焱 姚姍姍

【摘 要】本研究的重點(diǎn)為針對影響深開挖基礎(chǔ)穩(wěn)定及變形的三個因素，擋土壁體側(cè)向變形、地表最大沉陷量及支撐荷重，再配合工地現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與RIDO程序進(jìn)行回饋分析。同時透過平地深開挖基礎(chǔ)的案例進(jìn)行分析，比較其異同。期能找出山坡地基地開挖擋土分析時的土壤參數(shù)；或其他因子的修正方式。

本研究所得結(jié)果，就壁體變形型態(tài)而言；坡地開挖變形曲線趨向懸臂型。依RIDO程序回饋分析結(jié)果，影響程序計(jì)算的三項(xiàng)重要設(shè)計(jì)參數(shù)：擋土壁體勁度EI折減宜介于0.6～0.7、土壤與壁體間的摩擦角與監(jiān)測值較為接近。

【關(guān)鍵詞】地基 開挖 擋土 研究

深開挖擋土結(jié)構(gòu)，時常利用RIDO程序作分析。運(yùn)用坡地深開挖基礎(chǔ)設(shè)計(jì)上，則較為特殊。本研究藉由坡地與平地開挖的實(shí)際案例，來評定土壤側(cè)向土壓力與地下?lián)跬两Y(jié)構(gòu)物的變形量，與RIDO程序推估的差異。探討RIDO程序運(yùn)用坡地深開挖基礎(chǔ)設(shè)計(jì)上的實(shí)用性。期能作為相關(guān)深開挖基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)上的參考。

1深開挖的分析模式

1.1基本理論

在深開挖工程進(jìn)行之前，壁體兩側(cè)的土壤，其側(cè)向土壓力應(yīng)為靜止土壓力；然隨著開挖的進(jìn)行，壁體漸往開挖面內(nèi)變形，而作用于壁體的側(cè)向土壓力便逐漸減低而趨于塑性狀態(tài)的主動土壓力；反之，開挖面下在開挖側(cè)內(nèi)的土壤卻因壁體而壓縮土體，其側(cè)向土壓力自靜止土壓力逐漸增加而趨于塑性狀態(tài)的被動土壓力。

擋土壁施筑完成后于地下開挖前，擋土壁的側(cè)向變位為零，然隨著開挖的進(jìn)行，其承受的側(cè)向土壓力因開挖深度逐漸加深而變化，相隨而發(fā)生變形。在開挖過程中擋土壁本身視為彈性體，而壁體周圍的土壤則可以當(dāng)作彈塑性材料來考慮。其作用于壁體的荷重壓力及開挖面下隨壁體變形而產(chǎn)生的抵抗土壓與壁體位移量的大小有密切關(guān)系。因此；擋土壁的分析過程中，必須將壁體變形量加以考慮。在壁體變形量較小時，土壤的側(cè)向抵抗力的變化系屬彈性行為，而變位較大處，則屬塑性行為。

1.2彈塑性模式

彈塑性模式分析法，系將擋土壁兩端的束制條件代入基本算式中，可得兩端的應(yīng)力與變形，而后壁體各深度位置的應(yīng)力與變形皆可求得?；趶椝苄苑ǖ募僭O(shè)條件、開挖面下的抵抗土壓力不得超過土壤的被動土壓力，故須將開挖面下土壤所可能發(fā)生的阻力值加以限制。因此；在分析過程中，可先在開挖面下的土層中定出一彈塑性交界位置，該深度以上的土層其側(cè)向抵抗土壓力系屬塑性行為，所謂彈塑性分析模式即可依此原則不斷的假設(shè)彈塑性交界的位置作反復(fù)求解而得，微分方程即為彈塑性分析模式的基本算式[1]。

（1）開挖區(qū)外在開挖面以下采收斂的主動土壓力，即開挖面以下的主動土壓力隨深度的增加而逐漸收斂至壓力收斂點(diǎn)時的主動土壓力為零。（2）開挖區(qū)內(nèi)土壤反力亦限制在被動土壓力扣除主動土壓力減值。（3）壓力收斂點(diǎn)深度一般皆于開挖深度再往下一個開挖區(qū)寬度之深度處，但如遇堅(jiān)硬地層時則取軟弱地層之界面處。此種情形有如考慮全面性破壞的穩(wěn)定分析，而將此壓力收斂點(diǎn)界定在影響邊緣，因而對影響區(qū)內(nèi)的土層皆有土壓力之差額作用力。（4）考慮支撐的預(yù)壓效果及變形，即該處支撐勁度與該處擋土壁在支撐架設(shè)時的累積變形量。

2深開挖設(shè)計(jì)流程

無論是結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)開挖或建筑物地下室開挖，小規(guī)模的淺開挖或大規(guī)模的深開挖及擋土內(nèi)撐開挖或擋土背拉開挖，皆依此步驟分析其安全性并檢討是否符合設(shè)計(jì)要求。

首先按照工程目的訂定設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，在調(diào)查地質(zhì)情況及鄰近結(jié)構(gòu)物狀況后，決定開挖方式及擋土支撐型式，而后選擇適當(dāng)?shù)姆治龇椒?，進(jìn)行深開挖設(shè)計(jì)。最后則是開挖施工安全監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，借著觀測結(jié)果來掌握每階段施工的不確定性，以維護(hù)施工中構(gòu)造物的穩(wěn)定性。

3深開挖變形行為相關(guān)研究

3.1壁體側(cè)向變形

擋土壁體變形可分三種型式：（1）懸臂式位移；（2）深層向內(nèi)位移；和（3）前述二種混合型。因?yàn)殚_挖過程中必須經(jīng)過初期懸臂式位移以及后期深層向內(nèi)位移的過程，所以一般開挖至最后階段時，擋土壁體變形型式多屬于第三種位移型態(tài)。利用監(jiān)測數(shù)據(jù)分析后，將連續(xù)壁變形曲線形狀歸納成四種型式：標(biāo)準(zhǔn)型、旋轉(zhuǎn)型、多折型及懸臂型，其中標(biāo)準(zhǔn)型為一般孔底固定于不動層或傾度管埋設(shè)較深，開挖影響范圍未達(dá)孔底，致觀測結(jié)果底部未有明顯位移現(xiàn)象，且有兩個近似反曲點(diǎn)者；旋轉(zhuǎn)型為傾度管埋設(shè)較淺，受開挖影響自孔底即有位移現(xiàn)象，或孔底雖達(dá)不動層，但觀測結(jié)果顯示，自底部開始即有明顯旋轉(zhuǎn)位移情形，下方的反曲現(xiàn)象不一定明顯；多折型則受地層變化影響（如土層分區(qū)界面處或地盤改良區(qū)域），產(chǎn)生異于常態(tài)的形狀者；而懸臂型則常見于淺層開挖階段，其壁體變形形狀類似懸臂梁受力后的變形曲線，故以此定名。針對上述壁體變形種類，依坡地開挖基礎(chǔ)擋土壁體實(shí)際監(jiān)測變形形式，來判定側(cè)向土壓受力情形。

3.2鄰近地表最大沉陷量

在擋土壁最大變形量與開挖深度H的關(guān)系方面，針對軟弱類黏土10個深開挖案例所做的研究顯示[2]，擋土壁體最大變形量介于0.2%H～0.5%H值之間。

依監(jiān)測數(shù)據(jù)所做的研究分析中，捷運(yùn)施工造成壁體最大側(cè)位移量，約為開挖深度的0.2%至0.07%。而以往施工造成的壁體最大側(cè)位移量則多半分布在0.00025H2與0.0005H2之間。顯示隨開挖深度的增加，壁體最大變形量呈平方倍數(shù)增加。

根據(jù)擋土壁最大變形量與開挖深度H的關(guān)系，來分析坡地開挖基礎(chǔ)中支撐預(yù)載及施工質(zhì)量的良窳。

而鄰近地表最大沉陷量，根據(jù)開挖案例的觀測數(shù)據(jù)建立地表最大沉陷量和壁體最大側(cè)向位移量的關(guān)系，其結(jié)果如文獻(xiàn)[3]中資料顯示。針對最大變形量 ？hmax與開挖深度H的關(guān)系，可利用有限元素參數(shù)研究的方法，建立最大變形量與開挖深度的關(guān)系曲線，根據(jù)擋土壁最大變形量與開挖深度的關(guān)系，來分析坡地開挖基礎(chǔ)鄰近地表最大沉陷量。

4結(jié)語

在進(jìn)行基礎(chǔ)深開挖工程，為兼顧其所涉及的擋土措施與地下水問題，以及鄰近結(jié)構(gòu)物的沉陷及保護(hù)，普遍采用連續(xù)壁作地下開挖擋土結(jié)構(gòu)，而國內(nèi)工程界對連續(xù)壁的分析廣泛地采用RIDO程序。

RIDO程序采有效應(yīng)力強(qiáng)度參數(shù)作數(shù)值分析，模擬開挖時連續(xù)壁的支撐荷重、壁體變形及彎矩。程序中重要參數(shù)的評估。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭穎人.巖土工程極限分析有限元法及其應(yīng)用[J].土木工程學(xué)報，2005（01）.

[2]盧國勝.考慮位移的土壓力計(jì)算方法[J].巖土力學(xué)，2004（04）.