開挖速率對軟黏土深基坑時間效應(yīng)的影響分析
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王志鵬1,2，馮懷平1，張 良3
（1．石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 石家莊050043；2．鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津300142；3．河北建設(shè)勘察研究院有限公司，河北 石家莊050043）
[摘要]基于流固耦合的基本控制方程，編制了相應(yīng)的可以考慮時間效應(yīng)的程序，通過某深基坑的驗算，對不同開挖速率、地表沉降和樁頂位移、樁后土體超孔隙水壓和有效應(yīng)力、應(yīng)力路徑變化情況進行了分析，結(jié)果表明開挖速率大的基坑其坑側(cè)土體應(yīng)力先達到土體的抗剪強度而破壞，建議在實際工程中易采用分層開挖的方法進行施工。
[關(guān)鍵詞]深基坑；流固耦合；時間效應(yīng)；位移；應(yīng)力；有限元分析
[中圖分類號]TU411.2 [文章編號]1002-8498(2016)07-0062-04
0 引言
基坑工程是一個臨時工程，有些基坑在開挖完成暴露靜置的時候出現(xiàn)了坍塌，而不是在開挖過程中坍塌的，這一現(xiàn)象引起了很多學(xué)者的關(guān)注。根據(jù)現(xiàn)場實測表明，基坑開挖過程中，其坑側(cè)土體應(yīng)力、支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形和每一工況土體的參數(shù)都在隨時間發(fā)生變化，我們把這些參數(shù)隨著基坑的開挖時間、開挖間歇期而變化的現(xiàn)象稱作時間效應(yīng)。最早的研究者把基坑支護中支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形都看作瞬時完成來處理，而土體是一種非常復(fù)雜的模型，僅僅在其開挖后把這些參數(shù)當(dāng)成固定的來處理，顯然與實際工程不符，直接導(dǎo)致了計算結(jié)果與
實際情況有較大偏差，可見認(rèn)清楚基坑的時間效應(yīng)對基坑的及時支護有著非常重要的意義。
針對基坑時間效應(yīng)，一些學(xué)者在總結(jié)了大量工程實踐的基礎(chǔ)上，認(rèn)為土體的某些參數(shù)和基坑開挖時間存在著某種函數(shù)關(guān)系。燕喜軍等采用增量分析法，以土體水平抗力系數(shù)K h隨著時間的增加而減小來考慮時間效應(yīng)影響引起的位移，結(jié)合蘇州某地鐵車站的基坑，并與實測數(shù)值進行對比分析，達到了良好的預(yù)測效果。沈健等以三維“m”法為基礎(chǔ)建立了三維有限元模型，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)土體基床系數(shù)是隨著時間變化的，以此來說明時間效應(yīng)，并把它應(yīng)用在上海某基坑，得出了考慮時間效應(yīng)的計算方法比較合理的結(jié)論。
影響基坑時間效應(yīng)有很多不確定因素，還有一些學(xué)者認(rèn)為土的流變性對時間效應(yīng)起主導(dǎo)作用。劉燕等在基坑圍護結(jié)構(gòu)上考慮了土體流變性，在支護結(jié)構(gòu)上采用桿系有限元法，以土的流變性反映時間效應(yīng)的影響，對基坑的變形進行了計算并與實際結(jié)果進行了比較，得出被動抗力系數(shù)K h取值是時間效應(yīng)計算方法的關(guān)鍵。郭磊等把彈塑性下的流固耦合效應(yīng)應(yīng)用在某基坑的數(shù)值模擬上，通過與未考慮流固耦合數(shù)據(jù)結(jié)果的分析，得出了土內(nèi)滲流未穩(wěn)定時，基坑的支護結(jié)構(gòu)受力情況和變形隨時間不斷變化。高文華等利用Mindlin厚板理論為基礎(chǔ)的三維有限元分析模型，以基坑的三維結(jié)構(gòu)性和地基的流變性反映時間效應(yīng)，對上海香港廣場深基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形進行了分析，并與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進行了對比。
隨著時間效應(yīng)研究的不斷深入，越來越多的人把土體當(dāng)成一種黏彈塑性模型來考慮，并用有限元方法來計算這種模型。傅艷華等以軟土流變黏彈塑性模型（SSC模型）為基礎(chǔ)，利用Plaxis有限元軟件，建立了以土的流變反映時間效應(yīng)的有限元模型，對基坑的變形進行了預(yù)測，并與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了對比，證明了其模型的可行性。徐浩峰等采用MERCHANT模型，編制了相應(yīng)的有限元分析程序，分析了純固結(jié)作用和流變與固結(jié)耦合作用的情況下對基坑性狀影響的規(guī)律。也有學(xué)者從開挖方式著手來研究時間效應(yīng)。李剛等結(jié)合中原萬達廣場塔式起重機基坑，用數(shù)值模擬不同開挖方式對周圍環(huán)境的影響，得出了該基坑采用4層開挖較為經(jīng)濟、安全。付立彬等用MIDAS對某地鐵車站深基坑進行了分層和階梯開挖方式的建模，通過與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比表明階梯開挖變形與實際較為接近。
綜上，以往的學(xué)者大都是找到隨時間變化的參數(shù)來研究時間效應(yīng)的，而從開挖速率影響孔隙水壓、有效應(yīng)力和應(yīng)力路徑方面來研究基坑時間效應(yīng)的甚少，本文將從這一方面著手，針對基坑的不同開挖速率進行分析，進而研究開挖過程中基坑時間效應(yīng)的影響。
1 有限元基本方程
流固耦合理論的基本控制方程：
2算例分析
計算算例取自邯鄲金世紀(jì)新城基坑工程，基坑計算寬度和深度均為30m，無放坡，樁長20m，樁徑1m，圍護結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，埋樁深度H1=20m，樁下計算深度H2= 10m，坡角為300，混凝土彈性模量為30GPa。土層各項參數(shù)如表1所示，切變模量為200kPa，超孔隙水壓為0。
3算例分析
3.1 開挖速率的影響
在算例中采用了簡單的基坑形式主要進行定性分析，在計算中分別對比了一次性開挖5m、分2m和3m 2次開挖、分5次開挖每次1m這3種開挖方式，這3種情況下起始開挖時刻均為1d，有限元單元格劃分如圖1所示，圖中加粗的黑線為樁，樁頂位移變化如圖2所示。
圖2中的3條曲線分別為3種不同工況下樁頂位移隨時間的變化情況。在圖中可以明顯地看到當(dāng)一次性開挖5m時樁頂位移的變化是比較大的，而分5次開挖樁頂位移變化較小。無論采用哪種開挖方式曲線上都會有一段驟然上升的部分，這部分位移的變化是剛開挖導(dǎo)致的，開挖完成后曲線又基本呈水平走向，這是因為基坑靜置暴露，其周邊土體慢慢固結(jié)造成的。由以上分析可知，采用速率較小的開挖方式即分層開挖且在每層開挖后使基坑靜置一段時間引起基坑的樁頂位移較小。
地表沉降變化曲線如圖3所示，反映的是分5次開挖基坑周邊不同位置沉降隨時間變化的關(guān)系曲線，從整體上來看，在基坑開挖的影響范圍內(nèi)，地表都表現(xiàn)出下沉，但是不同位置下沉量不一樣。隨著時間的推移，由于基坑邊緣的土體會產(chǎn)生側(cè)壓力，致使邊緣土體向基坑內(nèi)移動，這必然會使得處在基坑邊緣后方的土體向基坑方向移動，填補已發(fā)生變形土體所產(chǎn)生的空隙，這就是同一時間段沉降最大的地方不是在基坑的邊緣處而是在距基坑一定位置的地方。每次開挖完成后都要把基坑靜置一段時間，這段時間其周邊土體的孔隙水壓力會逐漸消散，土體固結(jié)，這也是基坑周邊地表沉降的一個原因，所以在地表沉降過程中一定要做好相關(guān)監(jiān)測，實時反饋，以指導(dǎo)基坑的順利開挖。
3.2孔隙水壓力和有效應(yīng)力分析
在基坑開挖過程中及時了解孔隙水壓力沿深度的變化情況對基坑支護有著非常重要的意義�？紫端畨毫ρ貥堕L分布曲線如圖4所示。
從圖4中可以看出，當(dāng)基坑開挖完成時，在樁體后側(cè)的孔隙水壓力大體上為負值，但在開挖完成的第1天樁底為正的孔隙水壓力，而負孔隙水壓力的最小值出現(xiàn)在樁體中間的某個部位，具體出現(xiàn)在哪個位置和基坑的排水情況有關(guān)，具體來講，基坑的上方排水，當(dāng)樁體后面出現(xiàn)負孔隙水壓，水沿高度流下來，在水經(jīng)過的地方負孔隙水壓就會慢慢消散，所以負孔隙水壓的最大值出現(xiàn)在樁頂以下的某個部位。隨著時間的推移，樁后整體的負孔隙水壓力大體走向都是慢慢消散，最后趨于0。
在開挖過程中土體的有效應(yīng)力不斷發(fā)生變化，下面對樁體頂部后側(cè)土體有效應(yīng)力的變化做了簡單分析，一次開挖5m時土體有效應(yīng)力的變化情況如圖5所示。
從圖5中可以看出，有效應(yīng)力在不斷變小，而且變小的速率在不斷減小，最后趨于穩(wěn)定，這是因為原先的土體中有負孔隙水壓力存在，開挖完成后，負孔隙水壓力慢慢趨近于0，有效應(yīng)力變小，最后趨于穩(wěn)定，此時總應(yīng)力就為有效應(yīng)力。
3.3應(yīng)力路徑分析
圖6對比了單元格劃分當(dāng)中的最上面一層樁后土體的應(yīng)力路徑變化情況。由圖中可以看出3種開挖方式應(yīng)力路徑的變化和趨勢大體上是一致的，都是從右向左、由下向上發(fā)展，并且這3種開挖方式的最終結(jié)果趨近一致。起初，應(yīng)力路徑向左發(fā)展即平均主應(yīng)力p變小是由于基坑開挖卸荷引起的，這和三軸試驗當(dāng)中圍壓減小引起的平均主應(yīng)力p變小的情況類似。另外，在這個過程中有效應(yīng)力變小也是引起平均主應(yīng)力p變小的一個重要原因。曲線之所以上升是因為上述的原因使得廣義剪應(yīng)力q變大，這根據(jù)廣義剪應(yīng)力q的定義很容易理解。圖中部分近似水平走向的曲線是由于開挖完成后基坑靜置土體應(yīng)力沒有發(fā)生較大改變引起的，對比3條曲線可以看出，當(dāng)開挖速率較大時，即一次性開挖5m的工況，其剪應(yīng)力增長比較快且最大值大于其余2條曲線，這對基坑是非常不利的，其值很有可能達到土體的破壞值，相比之下，一次開挖1m的工況比較安全，建議在實際施工時易采用開挖速率小且開挖完成后將基坑靜置一段時間的開挖方法。
4結(jié)語
本文基于Biot固結(jié)理論推導(dǎo)了流固耦合理論的基本控制方程，最后對某基坑在不同分層開挖方式的情況下進行了計算，得到的結(jié)論如下。
1)開挖速率對樁體頂部水平位移有較大的影響，速率大的樁頂位移變化交大，反之則小，為了安全起見，應(yīng)采用開挖速率小的方式進行基坑開挖。
2)在算例中考慮了基坑的時間效應(yīng)，得出了即使基坑支護完成也要對基坑繼續(xù)進行監(jiān)測，因為基坑墻體位移、支撐軸力等都是隨著時間繼續(xù)變化的。
3)根據(jù)應(yīng)力路徑變化可知當(dāng)開挖速率較大即一次性開挖5m時，土體的應(yīng)力驟然上升，會快速到達破壞包線，這對實際工程非常不利的，建議采用分層開挖的方法，并且待土體固結(jié)以后再進行下一層開挖。
