基坑开挖引起的地面沉降分析

王江

广东省惠州地质工程勘察院（516008）

基坑开挖引起的地面沉降分析

王江

广东省惠州地质工程勘察院（516008）

影响深基坑开挖过程中地表沉降的因素是十分复杂的，地表沉降的多少取决于土层组成结构及物理力学性质，地下水层数和孔隙水压力，围护结构类型、刚度和入土深度，开挖尺寸，开挖深度，开挖顺序等诸多因素。这里通过总结国内外学者研究，将实际工程中常用的分析深基坑开挖引起地表沉降的方法分别介绍。

基坑；沉降分析；时空效应；预测

当前国内外在深基坑周围土体移动研究中，所采用的主要方法有物理模拟法、数值模拟法、半理论解析法和经验公式预测法[1]。物理模拟法是利用相似原理对基坑的稳定性和变形进行室内模型试验研究，由于介质模拟及模型土体位移量测需要很精密和复杂的技术，室内模型试验很难模拟深基坑开挖施工中的施工因素，因此,该方法多用于理论研究，较少应用于实际工程。实际工程中,常用经验公式预测法、半理论解析法和数值模拟法进行坑周地层移动的预测。经验公式预测法和半理论解析法可对横向的墙后地表变形和墙体水平位移进行预测分析，而有限元分析法则可对坑周内外地表以下各个土体位移的水平和垂直进行预测分析。

1 经验公式预测法

国内外有关专家对经验估算深基坑开挖引起的地表沉降做过不少研究，取得了许多重要的研究成果。美国的G·Wayne Clough和Birger Schmidt将深基坑开挖释放应力而引起的墙体移动分为“I”、“II”两种基本形式，如图1。当围护结构入土深度较小或墙底入土在软弱地层内，此时墙底处出现较大的水平位移，墙外地面沉降较大，且地面最大沉降量发生在紧靠支护墙顶处，为第“I”种型式。当围护结构有较大的入土深度或墙底入土在刚度较大的地层内，此时墙外地面沉降较小，且最大沉降量发生在墙外一定距离之外，为第“II”种型式。

同济大学侯学渊教授等研究了上海深基坑开挖中地面沉降规律，参考了盾构法隧道地面沉降的Peck和Schmidt公式，借鉴三角形沉降公式的思路,提出了基坑地层损失的概念。地层损失法利用墙体水平位移和地面沉降相关的原理，采用杆系有限或弹性地基梁方法，然后依据墙体水平位移和地面沉降两者的地层移动相关的原理，求出地面沉降。由于杆系有限元法在计算时不考虑时间的影响，但在具有流变性的软土地区，时间对墙体的位移影响非常明显，因此实际计算时，应对墙体位移进行修正。

图1 墙后土体位移形式

唐孟雄等[2]假设深基坑挡土墙墙顶水平位移和墙身沿铅垂方向侧向位移均可用抛物线拟合，地表沉降曲线可用正态分布曲线来表示，挡土结构后地表沉降曲线所围成的面积等于挡土结构侧向位移曲线所围成的面积。

潘洪科等[3]在谭跃虎[4]研究的基础上，假定基坑工程位于黏土类土质上，基坑平面近似矩形，挡墙为带撑式排桩或地下连续墙，假定基坑在开挖过程中土体体积不发生变化,基坑工程变形为理想状态。

Chang·Yu Ou和Pio·go Heish[5]总结了台北10个深基坑开挖的监测数据，根据第“II”种型式得到地表沉降的经验公式。

2 时空效应法

刘建航院士根据上海大量软土基坑实践提出了时空效应法,来解决深基坑整体稳定和坑周地层位移的控制和预测问题。他和侯学渊教授结合上海软土深基坑工程实践,认为在深基坑施工中,每个开挖步骤、开挖空间尺寸、围护墙无支撑暴露面积和时间等施工参数，对基坑变形和稳定性具有明显的相关性。时空效应法一般应用在地层自稳性差,需要支护(内支撑和锚杆)的情况,特别适用于具有流变性的软黏土地层中的基坑。

3 Peck法(1969)

Peck(1969年)提出了如图2的无因次曲线,可以得到地表的沉降值。刘建航和侯学渊对Peck法进行了修正和完善,提出如下经验公式:

地面沉降:δv=10K1·α·H,其中K1为修正系数,对于壁式围护墙取0.3，柱列式围护墙取0.7，板墙取1.0；H为开挖深度；α为地层沉降量与基坑开挖深度之比。

图2 预估地面下沉曲线

4 有限单元法

有限单元法可以对深基坑开挖中影响坑周地层移动的因素，如地层特性、支护结构、分步开挖工况及基坑几何形状等进行模拟。从理论上讲,有限元法可以精确地预测围护墙变形、墙后地表沉降、坑底隆起、周围地层移动，但实际工程中由于土体的本构关系，土性参数、施工工艺、周边超载等因素不能准确确定，因而有限元计算结果和实际情况还存在一定的差异。目前，各地区仍以半经验的实用公式为主，但要估算地层变形以及深入了解坑周土层位移场的性状，还是首推有限元法。

[1]边亦海.基于风险分析的软土地区深基坑支护方案选择[D].博士学位论文,上海:同济大学,2006.

[2]唐孟雄,赵锡宏.深基坑周围地表任意点移动变形计算及应用[J].同济大学学报,1996,Vol.24(3):238～244.

[3]潘洪科,饶运章.深基坑开挖坑外地表沉降分析与计算[J].黄金,2002,Vol.23(4):25～27.

[4]谭跃虎,吉同筠.软土深挖基坑中挡墙侧向变形分析与计算[J].岩土工程学报,1995,Vol.17(4):71～76.

[5]Qu,C.Y.Hsieh P.G.&Chiou.D.C.Characteristics of ground surface settlement during excavation.Journal of Canadian Geoteehnieal,1993,Vol.30:758～767.