基于基坑变形及地面沉降的安全性评价研究

黄 里

(上海隧道工程轨道交通设计研究院，上海 200235)

我国轨道交通正在如火如荼的建设中，基坑安全是建设中重要控制的内容，地面沉降、基坑变形及稳定性是基坑安全的重要指标。张德富等[1]通过苏州23座车站基坑监测数据分析当地基坑变形特性，并分析软土厚度、入土深度对基坑变形的影响。刘涛等[2]通过理论及工程实例分析SMW工法围护结构弯矩估算方法的可行性。

1 原理基坑围护墙设计原则及特点

对于南昌地区基坑常采用多道钢支撑+SMW，将围护结构假定为梁体考虑，冠梁、围檩及入岩桩底均可视为“支座”，因此围护结构“支座”变形基本为支撑受压变形值，从而控制基坑变形；墙趾入岩层，不仅控制基坑整体稳定，而且起到止水帷幕的作用。

由于引起基坑变形、地面沉降的因素诸多(如地面超载、土层自重及基坑降水)。地面沉降值可参考peck公式。对于基坑变形，由于支撑尺寸和桩体形式都已经比较通用了，如φ 609钢支撑+SMW工法桩，其抗弯刚度为定值，在围护结构形式确定后，设计中调整的仅有支撑间距，该值对桩体变形影响比较大。由于基坑覆土、地下水位等原因，导致围护结构的水平位移没有一定的公式可依据。为此各地均建立地方技术要求，本文结合南昌地区1号～3号线总体技术[3]要求探讨基坑变形及沉降估算值。

2 SMW桩弯矩及地面沉降估算

根据基坑手册[4]中基坑变形与开挖深度关系统计表估算围护结构的变形，同时由总体单位根据该地区地质特点确定基坑计算限值。

2.1 围护结构弯矩估算

王蓉等[5]介绍了通过监测桩的位移来确定围护桩的弯矩情况。

1)几何算法。

a.根据基坑实测水平位移值，计算对应截面曲率；

(1)

b.由式(1)计算测点处型钢上的弯矩M；

c.确定型钢内应力σ，得出型钢最大容许弯矩；

d.将实测弯矩比容许弯矩，该值可判断型钢安全余量。

2)根据工字钢应变估算弯矩。

SMW桩主要由工字钢承受抗弯，假定各支撑点为“支座”，从而将SMW桩假定为多跨连续梁结构。在工字钢纯弯曲状态时的内力示意图如图1所示。

代入公式得M=2HI0σs，Es为钢筋的弹性模量；I0为截面惯性矩；σs为待测型钢的应力值；M为截面计算弯矩；H为型钢高。由于现场难以监测到型钢应变，故该法较难实施。

2.2 地面沉降估算

第一种方法，根据开挖深度和地层情况估算墙后最大地表沉降，实际的地表沉降主要由超载、成槽、降水等多方面引起。估算时，可近似认为围护桩的最大位移与地面最大沉降值相等。

第二种方法为地层损失法，PECK[6]指出地面沉降可根据围护结构变形的包络面积来确定，认为沉降槽体积与地层损失相等，地面沉降曲线可近似为同济抛物线模式。在均匀地质中，这种地层损失引起的地面沉降较均匀。Peck简化最大沉降值公式：

Δδmax=1.6SW/x0-0.3Δδ；

x0=(h+D)tan(45°-φ/2)。

其中，SW为支挡结构侧移面积;x0为地面沉降范围。

2.3 围护结构水平位移及沉降形状

由于支撑形式及基坑外部环境的不同，围护结构的最大变形与开挖深度之间的关系难以确定，实际工作中可参考基坑变形与开挖深度关系统计表[4]。MANA and CLOUGH[7]基于工程经验和有限元法估算围护结构最大位移和地面最大沉降。基坑侧墙对坑外约H范围内的地面沉降有约束效果；超过H范围，沉降曲线无约束点，可参考peck公式估算。

图2纵向沉降曲线的范围：L=2(H-h)S+L0。H为基坑开挖深度；h为不产生地面沉降的挖深；S为开挖坡度；L0为分段开挖的坑底长度。

2.4 南昌地区基坑位移及地面沉降控制要求

根据南昌市轨道交通施工图设计技术[3]要求，基坑变形沉降应满足表1所列要求。

表1 南昌地区基坑变形及地面沉降控制[3]

3 工程实例计算分析

3.1 工程概况

南昌市某地铁出入口，基坑深11.65 m，围护结构采用φ 850@600 SMW，桩长19 m。每根桩抗弯刚度EI=430 709 kN·m2。按每延米考虑，围护结构内力及变形结果详见图3，图4。

3.2 截面抗弯验算

1)型钢HM700×300×13×24基本参数见表2。

表2 型钢基本参数

2)型钢的抗弯承载力应符合：1.25Mk/W≤f。

故型钢所能承受的最大弯矩标准：

Mk=f·W/1.25=944.64 kN·m>488 kN·m。

3)变形及沉降验算。

围护最大水平位移不大于0.4%H，且不大于50 mm要求，沉降值28.3 mm≤0.3%×11.6=34.8 mm满足要求。

3.3 桩长对基坑安全性影响

以围护结构中常用的φ 609 mm(t=16 mm)、长20 m的钢管支撑为例，承受180 t压力时，其弹性压缩变形仅为6 mm，因此认为支撑压缩变形对基坑变形影响较小。本例假定其他条件不变的情况下，探讨桩长与坑底、墙底稳定性的关系(见图5，图6)。

图5，图6中，h为桩基插入深度；x为桩体水平位移；y为地面沉降；kc，ko分别为墙底和坑底抗隆起稳定系数。

由图5，图6可知：增加桩长对桩体最大水平位移、墙底抗隆起影响不大，但对地面沉降、坑底抗隆起影响较大。当插入比达到一定值时，增加桩长对基坑变形和沉降影响不大，基坑的水平位移主要由内撑“分配刚度”控制。

由于桩体刚度参数EI/h4为定值，加密支撑，减少支撑间距可有效的控制桩体变形。南昌地区基坑深度H≤12 m，基坑插入比控制值为0.7即可保证基坑稳定性及变形沉降值。

4 结语

探讨了两种估算SMW型钢弯 矩的方法及其适用性，可根据围护变形估算型钢弯矩。探讨了桩长与围护安全性之间的关系，桩长达到一定值时，桩长的增大对墙底稳定及桩体变形影响不大，对地面沉降及坑底稳定影响较大。南昌地区地面沉降与基坑变形值之间较为接近，地面沉降约为变形值的0.9倍～1.1倍。对应软土地基及地质较好的岩层，沉降与变形极值更为接近。将该法应用于南昌地区基坑沉降估算有较好的工程、经济效益。