关于地基开挖挡土的研究

李焱 姚姗姗

【摘 要】本研究的重点为针对影响深开挖基础稳定及变形的三个因素，挡土壁体侧向变形、地表最大沉陷量及支撑荷重，再配合工地现场监测数据与RIDO程序进行回馈分析。同时透过平地深开挖基础的案例进行分析，比较其异同。期能找出山坡地基地开挖挡土分析时的土壤参数；或其他因子的修正方式。

本研究所得结果，就壁体变形型态而言；坡地开挖变形曲线趋向悬臂型。依RIDO程序回馈分析结果，影响程序计算的三项重要设计参数：挡土壁体劲度EI折减宜介于0.6～0.7、土壤与壁体间的摩擦角与监测值较为接近。

【关键词】地基 开挖 挡土 研究

深开挖挡土结构，时常利用RIDO程序作分析。运用坡地深开挖基础设计上，则较为特殊。本研究藉由坡地与平地开挖的实际案例，来评定土壤侧向土压力与地下挡土结构物的变形量，与RIDO程序推估的差异。探讨RIDO程序运用坡地深开挖基础设计上的实用性。期能作为相关深开挖基础工程设计上的参考。

1深开挖的分析模式

1.1基本理论

在深开挖工程进行之前，壁体两侧的土壤，其侧向土压力应为静止土压力；然随着开挖的进行，壁体渐往开挖面内变形，而作用于壁体的侧向土压力便逐渐减低而趋于塑性状态的主动土压力；反之，开挖面下在开挖侧内的土壤却因壁体而压缩土体，其侧向土压力自静止土压力逐渐增加而趋于塑性状态的被动土压力。

挡土壁施筑完成后于地下开挖前，挡土壁的侧向变位为零，然随着开挖的进行，其承受的侧向土压力因开挖深度逐渐加深而变化，相随而发生变形。在开挖过程中挡土壁本身视为弹性体，而壁体周围的土壤则可以当作弹塑性材料来考虑。其作用于壁体的荷重压力及开挖面下随壁体变形而产生的抵抗土压与壁体位移量的大小有密切关系。因此；挡土壁的分析过程中，必须将壁体变形量加以考虑。在壁体变形量较小时，土壤的侧向抵抗力的变化系属弹性行为，而变位较大处，则属塑性行为。

1.2弹塑性模式

弹塑性模式分析法，系将挡土壁两端的束制条件代入基本算式中，可得两端的应力与变形，而后壁体各深度位置的应力与变形皆可求得。基于弹塑性法的假设条件、开挖面下的抵抗土压力不得超过土壤的被动土压力，故须将开挖面下土壤所可能发生的阻力值加以限制。因此；在分析过程中，可先在开挖面下的土层中定出一弹塑性交界位置，该深度以上的土层其侧向抵抗土压力系属塑性行为，所谓弹塑性分析模式即可依此原则不断的假设弹塑性交界的位置作反复求解而得，微分方程即为弹塑性分析模式的基本算式[1]。

（1）开挖区外在开挖面以下采收敛的主动土压力，即开挖面以下的主动土压力随深度的增加而逐渐收敛至压力收敛点时的主动土压力为零。（2）开挖区内土壤反力亦限制在被动土压力扣除主动土压力减值。（3）压力收敛点深度一般皆于开挖深度再往下一个开挖区宽度之深度处，但如遇坚硬地层时则取软弱地层之界面处。此种情形有如考虑全面性破坏的稳定分析，而将此压力收敛点界定在影响边缘，因而对影响区内的土层皆有土压力之差额作用力。（4）考虑支撑的预压效果及变形，即该处支撑劲度与该处挡土壁在支撑架设时的累积变形量。

2深开挖设计流程

无论是结构物基础开挖或建筑物地下室开挖，小规模的浅开挖或大规模的深开挖及挡土内撑开挖或挡土背拉开挖，皆依此步骤分析其安全性并检讨是否符合设计要求。

首先按照工程目的订定设计准则，在调查地质情况及邻近结构物状况后，决定开挖方式及挡土支撑型式，而后选择适当的分析方法，进行深开挖设计。最后则是开挖施工安全监测系统的设计，借着观测结果来掌握每阶段施工的不确定性，以维护施工中构造物的稳定性。

3深开挖变形行为相关研究

3.1壁体侧向变形

挡土壁体变形可分三种型式：（1）悬臂式位移；（2）深层向内位移；和（3）前述二种混合型。因为开挖过程中必须经过初期悬臂式位移以及后期深层向内位移的过程，所以一般开挖至最后阶段时，挡土壁体变形型式多属于第三种位移型态。利用监测数据分析后，将连续壁变形曲线形状归纳成四种型式：标准型、旋转型、多折型及悬臂型，其中标准型为一般孔底固定于不动层或倾度管埋设较深，开挖影响范围未达孔底，致观测结果底部未有明显位移现象，且有两个近似反曲点者；旋转型为倾度管埋设较浅，受开挖影响自孔底即有位移现象，或孔底虽达不动层，但观测结果显示，自底部开始即有明显旋转位移情形，下方的反曲现象不一定明显；多折型则受地层变化影响（如土层分区界面处或地盘改良区域），产生异于常态的形状者；而悬臂型则常见于浅层开挖阶段，其壁体变形形状类似悬臂梁受力后的变形曲线，故以此定名。针对上述壁体变形种类，依坡地开挖基础挡土壁体实际监测变形形式，来判定侧向土压受力情形。

3.2邻近地表最大沉陷量

在挡土壁最大变形量与开挖深度H的关系方面，针对软弱类黏土10个深开挖案例所做的研究显示[2]，挡土壁体最大变形量介于0.2%H～0.5%H值之间。

依监测数据所做的研究分析中，捷运施工造成壁体最大侧位移量，约为开挖深度的0.2%至0.07%。而以往施工造成的壁体最大侧位移量则多半分布在0.00025H2与0.0005H2之间。显示随开挖深度的增加，壁体最大变形量呈平方倍数增加。

根据挡土壁最大变形量与开挖深度H的关系，来分析坡地开挖基础中支撑预载及施工质量的良窳。

而邻近地表最大沉陷量，根据开挖案例的观测数据建立地表最大沉陷量和壁体最大侧向位移量的关系，其结果如文献[3]中资料显示。针对最大变形量 ？hmax与开挖深度H的关系，可利用有限元素参数研究的方法，建立最大变形量与开挖深度的关系曲线，根据挡土壁最大变形量与开挖深度的关系，来分析坡地开挖基础邻近地表最大沉陷量。

4结语

在进行基础深开挖工程，为兼顾其所涉及的挡土措施与地下水问题，以及邻近结构物的沉陷及保护，普遍采用连续壁作地下开挖挡土结构，而国内工程界对连续壁的分析广泛地采用RIDO程序。

RIDO程序采有效应力强度参数作数值分析，模拟开挖时连续壁的支撑荷重、壁体变形及弯矩。程序中重要参数的评估。

参考文献：

[1]郑颖人.岩土工程极限分析有限元法及其应用[J].土木工程学报，2005（01）.

[2]卢国胜.考虑位移的土压力计算方法[J].岩土力学，2004（04）.