深基坑施工失穩(wěn)破壞研究

楊陽(yáng)

（上海申海建設(shè)監(jiān)理有限公司，上海 200000）

深基坑施工失穩(wěn)破壞研究

楊陽(yáng)

（上海申海建設(shè)監(jiān)理有限公司，上海 200000）

城市深基坑變形過(guò)大易引起土層的失穩(wěn)破壞，若不及時(shí)采取補(bǔ)救措施，不僅能導(dǎo)致基坑滑坡、上層建筑傾覆等工程事故，還對(duì)周圍環(huán)境造成惡劣影響。分析深基坑施工的破壞機(jī)理和破壞形式，利用Flac3D數(shù)值分析方法對(duì)基坑的失穩(wěn)破壞進(jìn)行模擬，總結(jié)造成深基坑穩(wěn)定性變化的各種原因，得出如下研究結(jié)論：深基坑失穩(wěn)范圍會(huì)隨著土體黏聚力的減小而隨之增大；深基坑的整體穩(wěn)定性會(huì)隨著內(nèi)摩擦角增加而上升；抗拉強(qiáng)度的大小對(duì)深基坑穩(wěn)定性影響極?。煌夂奢d的增加會(huì)使穩(wěn)定性系數(shù)降低，影響基坑的安全。

基坑變形；破壞機(jī)理；影響因素；數(shù)值分析

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.05.038

1　引言

現(xiàn)代城市建設(shè)中，越來(lái)越多的高層、超高層建筑正在或者即將修建，基坑深度也隨之不斷增加，基坑開(kāi)挖后土體的穩(wěn)定性越來(lái)越難控制。由于開(kāi)挖后出現(xiàn)了應(yīng)力重分布，極易引起基坑和周圍建筑物基礎(chǔ)發(fā)生變形，一旦變形得不到有效控制，便容易出現(xiàn)工程事故，情況嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致基坑塌陷和周圍建筑物傾斜甚至倒塌。

Bjerrun[1]研究了深基坑開(kāi)挖施工中的卸載效應(yīng)，指出支護(hù)形式對(duì)土壓力分布的影響程度，并建立了一套計(jì)算壓力重分布的公式；Peck[2]以位于芝加哥的深基坑變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究了地表沉降曲線和基底沉降區(qū)域?qū)κ┕さ挠绊?，并總結(jié)出利用沉降監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)工程質(zhì)量的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)；Charles等[3]利用數(shù)值分析法模擬分析黏土層地區(qū)的深基坑變形情況，提出了針對(duì)基坑變形的支護(hù)優(yōu)化方案；可以看出，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)深基坑失穩(wěn)破壞的失穩(wěn)機(jī)理和處置措施已經(jīng)有了一定的研究，深基坑的穩(wěn)定問(wèn)題也越來(lái)越受工程界重視。為更好地保證深基坑施工的安全性、降低基坑的變形量，本文利用數(shù)值分析方法對(duì)深基坑的破壞機(jī)理做出更深層次的研究，進(jìn)一步分析開(kāi)挖時(shí)的變形特征，對(duì)基坑工程的失穩(wěn)預(yù)測(cè)和安全評(píng)價(jià)體系提出可靠的理論支持。

2　支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞形式

開(kāi)挖的深度大于或等于5m或存在多層的地下室結(jié)構(gòu)（大于2層）或深度雖然未達(dá)到5m，由于一些復(fù)雜原因而形成的工程叫深基坑工程?；芋w系中的支護(hù)結(jié)構(gòu)起到巨大作用，對(duì)體系的強(qiáng)度起直接作用，而外界的不利因素會(huì)誘發(fā)它的失穩(wěn)破壞[4]。

2.1非重力式穩(wěn)定性破壞的形式

可以概括為下列幾點(diǎn)：

1)踢腳破壞：又可以概括為土整體性滑動(dòng)失穩(wěn)，它通過(guò)坡腳或坡腳以下這個(gè)界面滑動(dòng)，包括圓弧式滑動(dòng)，如圖1a所示。破壞的主要原因有：地基土十分軟弱；堆放重物過(guò)多，或者設(shè)計(jì)開(kāi)挖基坑深度較大；錨桿的錨固長(zhǎng)度不足[5]。

2)傾覆破壞：坑底隆起：碰到地基土質(zhì)較柔軟，開(kāi)挖較深或上部荷載超過(guò)承載力等不利因素時(shí)，基坑開(kāi)挖后釋放的應(yīng)力極易引起基坑底部隆起，如圖1b所示。

3)管涌或流砂：基坑開(kāi)挖較深時(shí)，相應(yīng)的水位差也會(huì)較大，再遇上地質(zhì)條件較差的土層時(shí)，譬如粉土或粉細(xì)沙等無(wú)黏性土的細(xì)顆粒，就極易造成管涌或流砂[6]，如圖1c所示。

圖1　支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞形式

2.2重力式穩(wěn)定性破壞形式

可以概括為下列幾點(diǎn)：

1)傾覆破壞：在土壓力作用下，由于水泥土擋墻存在截面、質(zhì)量過(guò)小等問(wèn)題，會(huì)發(fā)生整體傾覆失穩(wěn)的情況。

2)滑移破壞：一旦水泥土擋墻后的推力大于擋墻與土之間的抗滑力，就會(huì)出現(xiàn)整體滑動(dòng)從而導(dǎo)致支護(hù)的結(jié)構(gòu)遭到破壞。

非重力式中的3種破壞形式在重力式中同樣可以見(jiàn)到[7]。

3　基坑施工失穩(wěn)破壞分析

細(xì)數(shù)基坑施工過(guò)程中產(chǎn)生的事故，深基坑中的失穩(wěn)破壞必定首當(dāng)其沖。它造成的后果是十分嚴(yán)重的，輕者會(huì)使支護(hù)體遭到破壞，重者會(huì)對(duì)經(jīng)濟(jì)及社會(huì)造成不可挽回的局面。本節(jié)將借助模擬的數(shù)值，通過(guò)分析穩(wěn)定性的變化以及基坑失穩(wěn)與各因素之間的關(guān)系來(lái)研究施工過(guò)程中存在的一系列問(wèn)題。通過(guò)用FLAC3D軟件，用fish對(duì)材料強(qiáng)度系數(shù)進(jìn)行遞減，當(dāng)所用材料出現(xiàn)破壞時(shí)對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行截止。

3.1計(jì)算模型

選取地層較為均勻的基坑開(kāi)挖，開(kāi)挖至16m的深度，開(kāi)挖坡度角選取3個(gè)角度：90毅、60毅和45毅。地層參數(shù)分別為：重度18.5kN/m3，彈性模量10MPa，泊松比為0.3，內(nèi)黏聚力為40kPa，內(nèi)摩擦角度取14毅，抗拉強(qiáng)度取8kPa，通過(guò)M-C模型采用數(shù)據(jù)模擬計(jì)算，M-C模型見(jiàn)圖2。

圖2　M-C計(jì)算模型

3.2基坑失穩(wěn)判斷依據(jù)

基坑的坡體變化狀態(tài)可以從位移變量來(lái)得知，而基坑的穩(wěn)定性則可從塑性區(qū)的發(fā)展而得到，而這兩者都可以通過(guò)FLAC這個(gè)介質(zhì)來(lái)表示出來(lái)，見(jiàn)圖3。塑性區(qū)從發(fā)展到擴(kuò)大再到貫通正是基坑失穩(wěn)的幾種表現(xiàn)形式。

3.3基坑失穩(wěn)破壞影響因素分析

地層強(qiáng)度、支護(hù)強(qiáng)度、外部環(huán)境的影響、開(kāi)挖方是引起基坑失穩(wěn)的幾個(gè)原因。本節(jié)將主要研究支護(hù)方案、降雨、荷載、地層強(qiáng)度對(duì)基坑穩(wěn)定性造成的破壞。

圖3　基坑失穩(wěn)的位移判據(jù)及塑性區(qū)判據(jù)

1）黏聚力的影響

模擬計(jì)算內(nèi)黏聚力的取值范圍3.7～273.0kPa,從表1可知,隨著內(nèi)黏聚力變化時(shí)，安全系數(shù)也會(huì)相應(yīng)變化，變化前后百分比為8.72%。

表1　黏聚力與安全系數(shù)的關(guān)系

從表中看出，黏聚力對(duì)基坑穩(wěn)定性影響較大，甚至?xí)鸬竭B鎖反應(yīng)，基坑失穩(wěn)由小變大，滑動(dòng)面越來(lái)越陡，失穩(wěn)范圍逐漸擴(kuò)大。

2）內(nèi)摩擦角的影響

模擬計(jì)算內(nèi)摩擦角的取值范圍1.0～16.0毅,從表2可知隨著內(nèi)摩擦角的變化，安全系數(shù)也會(huì)相應(yīng)變化，變化前后的百分比數(shù)值為5.73%。

表2　內(nèi)摩擦角和安全系數(shù)的關(guān)系

內(nèi)摩擦角的變化對(duì)失穩(wěn)面的影響比較大。

3）外載的影響

模擬計(jì)算外載的取值范圍為0～400.0kPa，從表3可知，隨著內(nèi)摩擦角變化，安全系數(shù)也會(huì)相應(yīng)的變化，變化前后的百分比為8.13%。

表3　外載與安全系數(shù)的關(guān)系

分析表3可以得出以下結(jié)論：增加的外載與基坑安全系數(shù)大致成反比關(guān)系，其對(duì)基坑穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響。

4　結(jié)論

1）邊坡失穩(wěn)破壞的因素有很多，由設(shè)計(jì)、管理、施工等共同組成，表現(xiàn)形式有支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞、滑移失穩(wěn)等。

2）采取強(qiáng)度折減法對(duì)深基坑進(jìn)行數(shù)值的分析模擬，利用位移分布、塑性區(qū)分布來(lái)制定深基坑失穩(wěn)破壞的判斷依據(jù)。

3）深基坑的穩(wěn)定性受內(nèi)摩擦角與土體的黏聚力影響程度較高。

4）外部荷載上升會(huì)導(dǎo)致深基坑的穩(wěn)定性系數(shù)下降，影響安全施工。

【1】Bjerrum,L.,Clausen,C.J.F.And Duncan,J.M.Earth pressure on flexible structures-A state of the art report[R].Proceedings,Fifth European conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, VoI.II,1972:169-196.

【2】Peck,R.B.（1969）Deep excavation&tunneling in soft ground. State-of-the-Art-Report[R].Proc.,7th lnt.Conf.Soil Mech.Fdn.Engrg. 226-281.

【3】Charles W.W.Ng et al，Numerical analysis of a multi-propped excavation in stiffclay[J].Can Geotech.1998.Vol.35,(l):115-131.

【4】陳祖煜.深基坑穩(wěn)定分析中幾個(gè)問(wèn)題的討論[J].巖土工程學(xué)報(bào), 2010,32(S1):1-8.

【5】袁聚云,吳權(quán),艾智勇.逆作法基坑圍護(hù)的變形及鄰近建筑沉降實(shí)測(cè)分析[J].地下空間,2004,24(1):44-48.

【6】黃茂松,杜佐龍,宋春霞.支護(hù)結(jié)構(gòu)入土深度對(duì)黏土基坑抗隆起穩(wěn)定的影響分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2011,33(7):1097-1106.

【7】艾智勇,蘇輝.深基坑多層水平支撐溫度應(yīng)力的簡(jiǎn)化計(jì)算方法[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2011,39(2):199-203.

【8】鐘才根,張軍等.軟土基坑圍護(hù)的時(shí)效性分析及變形預(yù)測(cè)[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,27(9):1058-1062.

Study on the Instability of Deep Foundation Pit Construction

YANG Yang
(Shanghai Shenhai Construction Supervision Co.Ltd.,Shanghai 200000，China)

Cities deeppit large deformation can lead to excessive destruction of soil instability,if not timely remedial measures,not only can lead to pit landslide,superstructure overturning accident and other projects,but also have adverse effects on the surrounding environment. Analysis of the mechanism of damage and destruction in the form of deep foundation construction,the use of Flac3D numerical analysis method to simulate excavation damage instability summarizes the factors that affect the stability of deep foundation,get the following conclusions:With decreases cohesion of soil,pit loss stable range increases;With the internal friction angle increases,the overall stability of the pit rises;The size of the tensile strength have little impact on the stability of the pit;With external loads increase,the stability coefficient is reduced,so the external loads have impacts on the security of pit.deformation.

pit deformation;failure mechanism;influencing factors;numerical analysis

TU46+3；TU745

A

1007-9467（2016）05-0132-03

楊陽(yáng)（1992～），男，江蘇泰州人，助理工程師，從事工程建設(shè)及巖土研究，（電子信箱）657479539@qq.com。

2015-12-03