地表沉降计算面积比的取值范围与影响因素研究

2024-03-07林悦铭古日晖冷国兴毛日泉

广东土木与建筑 2024年1期

林悦铭，古日晖，冷国兴，毛日泉

（1、广东省建设工程质量安全检测总站有限公司广州 510500；2、广州开发区建设工程检测中心有限公司广州 510500；3、广州市南沙区建设中心广州 511400）

0 引言

随着经济的迅猛发展，城市化发展进程不断加快，深基坑工程施工面临的挑战也越来越多、越来越复杂。其中因深基坑开挖所引起的周边地表沉降问题需要得到更多的关注［1-2］。地表沉降是一种广泛的由自然因素或人类活动引发的导致一定区域内地面高程损失的地质现象。地表沉降会导致防洪、排洪工程效能下降，建筑物、构筑物、公路、桥梁等遭受破坏。影响周边地表沉降的因素有许多，如地质条件、地下水位、气象环境、基坑开挖等［3］。针对地表沉降的问题，PECK［4］通过对墙后地表沉降实测数据分析提出了地层损失法和预估的地表沉降经验曲线。地层损失法的计算思路是假设在地层水分没有流失的情况下，探究地表沉降、坑底隆起稳定安全系数与墙体侧向变形三者之间存在的定量关系［5］。而从1969年开始，国内外学者在进行沉降计算时会对地表沉降面积与支护侧向变形面积之比作出说明，二者的面积之比一般借助经验来确定。文献［4］、唐孟雄等人［6］提到的日本道路工程规范中假设支护侧向面积等于地表沉降面积；FINNO 等人［7］通过对芝加哥地铁站数据的分析认为地表沉降面积与支护结构水平位移的面积相等；BOWLES［8］提出支护侧向变形曲线位移面积与地表沉降所包裹面积基本一致；唐孟雄等人［9］在对深基坑周围地表沉降计算时，假设挡土墙沉降面积等于挡土墙侧向位移面积来进行相关计算和公式的推导；王翠［10］在对天津地区深基坑地表沉降进行研究时，发现对于施加较大预应力的钢支撑，其支护结构变形包络面积等于支护结构水平位移包络面积；高新闻等人［11］对基坑地面沉降新型的预测方法中，对地表沉降曲线与支护结构变化面积之比取为0.85；靳晓光等人［12］利用基坑围护水平位移包络线面积与地表沉降包络线面积相等的原则，对重庆轨道交通地表沉降进行研究；孙世坤［13］对北京朝阳公园站的研究中发现地层以粘性土、粉土、砂类土为主的时候，沉降曲线的面积与桩位移面积之比平均值为1.45。较软土地质面积比高的原因是砂粘地层土体因为粘聚力和抗剪强度较大而具有一定的抵抗变形能力。张彬等人［14］对砂粘互层的沈阳地铁车站深基坑研究时取面积比系数为1.4。现已有许多学者通过大量工程实例对面积比进行了研究，进而实现对地表沉降的相关计算。为更好地了解不同因素对相适应的面积之比取值的影响以及面积比的取值范围，本文结合国内外学者研究成果，对沉降计算面积比的影响因素与取值范围进行了总结。

1 面积比的取值范围

深基坑受到土层性质等多因素影响会呈现不同的变形特点，但主要表现在基坑周边地表沉降和水平位移两个方面，如图1所示，h为基坑开挖深度；hd为嵌固深度；H为围护结构深度；Sp为基坑围护结构水平位移包络曲线面积；Sw为沉降曲线包络面积。设沉降曲线包络面积与基坑围护结构水平位移包络曲线面积存在如下关系：

图1 基坑周边地表沉降和水平位移示意图Fig.1 Schematic Diagram of Surface Settlement and Horizontal Displacement around Foundation Pit

由上述研究发现β的变化范围较大，在不同情况下β的取值不相同，根据相关文献总结的面积比取值范围如表1所示。

表1 相关文献中面积比取值Tab.1 Area Ratio Values in Related Literature

由表1得出图2，由图2可知面积比取值范围大致在0.8～2 之间，且大多数文献一般选取面积比为1 进行沉降计算，即认为支护侧向位移面积等于地表沉降面积。且研究发现面积比与土层类型、桩体侧移最大值、插入比等因素有关系。

图2 面积比取值范围Fig.2 Area Ratio Range

2 插入比的影响

插入比为竖向围护结构在基坑底面以上的长度与基坑底面以下的长度之比［15］。由图1 可知插入比为hd与h之比。

卢助民［16］在建立沉降计算模型时，根据经验认为沉降曲线包络面积与支护结构变位曲线包络面积的关系式与插入比取值有关，关系式如下为：

式中：β为比例系数。根据经验，当插入比hd/h≤0.5时，β可取1～1.2；当插入比hd/h＞0.5时，β可取0.8～1。

当围护结构的顶面和自然地面持平时，坑底以上的长度即为基坑深度。根据刘国彬等人［17］的研究认为，在实际工程中地表沉降曲线与墙体的变形曲线往往不相同。对比之后发现围护结构不同时插入比不相同，当采用柔性板桩墙，插入深度较浅时插入比hd/h常小于0.5；当采用地下连续墙，插入较深的柱列式灌注桩墙时插入比hd/h常大于0.5。因此可知面积比取值随围护结构刚度增加或支护桩插入深度加深而越小，反之当围护结构刚度减弱或支护桩插入深度减小时面积比取值增大。

当围护结构为地下连续墙与钻孔灌注桩等时，面积比取值一般为0.9。聂宗泉等人［18］根据文献［16］的研究对4个实际工程案例进行分析。①案例1为采用地下连续墙围护结构，插入比为0.76 的上海地铁车站基坑；②案例2采用钻孔灌注桩围护结构，竖向两道环形梁作为支撑，插入比为0.6；③案例3 采用钻孔灌注桩围护结构，竖向设置两道钢筋混凝土支撑，插入比为0.7；④案例4 的围护结构为钻孔咬合灌注桩，插入比为0.65。上述4 个案例的插入比均大于0.5，则面积比取值为0.9。而从吴剑锋［19］对上海某基坑的研究中也可得出相似结论。基坑围护采用钻孔灌注桩，计算可得插入比之值为1.27，大于0.5，故面积比取值为0.9。

而当插入深度较浅时，面积比取值较大。吴彬斌［20］根据湖北省住宅小区工程实例计算嵌固深度为1.2 m，所得插入比为0.23，故取面积比为1.1。

故当插入比较小时β取值较大，在1～1.2之间；当插入比较大时面积比取值为0.8～1之间，经常取值为0.9。

3 土层类型的影响

土层性质对基坑的围护结构和周边地表沉降都存在一定的影响，因此土层类型对面积比也存在一定的影响。

3.1 砂土

根据经验所得，砂土条件下面积比取值一般为1。罗战友等人［21］对杭州地区粉砂地层深基坑周边的地表沉降进行研究中得出，粉砂地层深基坑周边地表沉降会对环境产生较大影响，最大沉降较土岩复合地层大。且算出插入比均值为1.45，根据文献［16］的经验得出β取值为1。江培兵［22］根据前人的研究，在对武汉市某综合楼砂土地层深基坑的研究中取面积比的值为1。

3.2 黏性土

考虑到黏性土工程特性、插入比大小以及支护结构对面积比的影响，黏性土中面积比根据情况的不同取值分别为0.85 和1。张迟［23］利用文献［4］关于地层损失法中地表沉降面积等于围护墙侧向位移面积的关系对淮安市黏土深基坑进行研究；胡之锋等人［24］根据黏土的工程特性较好得出结论，当插入比＜1时，取面积比为0.85；当插入比大于或等于1时，面积比取值为0.8；陈万鹏［25］对几个黏土深基坑的研究中发现，采用悬臂支护的黏土基坑面积比取值为1，而带内支撑黏土基坑的变形较小，面积比取值为0.85；吴刚［26］则利用上海黏土深基坑进一步研究说明在对复合线性指数函数模型（CLE 模式）、双复合指数函数模型（DME 模型）、常复合指数函数模型（CME 模型）等传统凹槽型曲线模型进行计算时利用面积比为1进行计算。而对新提出的新高阶复合指数函数模型（HCE 模型）则利用面积比0.85进行计算。

3.3 软土

较多学者对软土地层情况下的沉降计算中的面积比进行了说明，大多数经验认为在软土地区基坑地表沉降面积与开挖后围护栏结构侧向位移面积大致相等。彭振斌［27］经过对实测数据的深入分析，认为在孔隙水压力消散后的地表沉降计算方法中的面积比为0.85；张尚根等人［28］根据文献［27］的经验利用南京软土地区深基坑案例进行验证；简艳春等人［29-34］均认为在软土地层的支护结构变化曲线包络线面积等于沉降曲线的包络线面积，并用此关系进行相关计算；而李鑫等人［30-31］进一步由上海、武汉的软土深基坑进一步验证面积之比为1。二者先算出支护结构水平位移面积，再通过公式r φ（ 2πxm）=Fw/δ vmax求出地表沉降面积。