浅析时空效应规律在黄土深基坑工程中的运用

李 军

(陕西理工学院土木工程与建筑学院，陕西 汉中 723001)

1 引言

通过大量的黄土基坑实践，人们已经认识到，在深基坑施工过程中，每个开挖步骤的开挖空间几何尺寸、围护墙无支撑暴露面积和时间等施工参数对基坑变形具有明显的相关性。而这恰恰就是基坑的时间、空间效应问题。本文以某工程为例，论证了对它的研究有利于深基坑整体稳定和坑周地层位移控制问题，从而科学的、经济合理的安排施工可达到基坑稳定和控制变形的要求。

2 工程实例

2.1 陕西某深基坑工程概况。

陕西咸阳某年产60万吨甲醇项目，基坑东西长180m，宽50m，挖深 －12.8m，(局部挖深 17.8m)，属于深大基坑，基坑侧壁安全等级为一级。该场地地下水位高度约－15.9m，支护结构形式在－12.8m以上采用钢筋土钉墙支护，－17.8m处卸煤槽以东，南边及输煤栈桥的东南面用锚拉护坡桩支护。

2.2 基坑支护设计参数。

基坑边坡采用钢筋土钉进行支护。钢筋直径为Ø－20，长度分别为 L=9m、11m、6m，倾角为 13°。基坑施工图见图1。实际上，土工格栅模拟注浆体周围存在着复杂的三维应力状态。尽管二维模型不可能精确地模拟应力状态汲取与土的相互作用，但是在假设注浆体相对于土体没有相对滑动的情况下，可以在总体水平上模拟应力分布和结构的变形及稳定性。不过，这一模型不能用来估计锚杆的拉力。

图1 基坑支护施工图

3 深基坑分步开挖的有限元计算

3.1 几何模型。

根据此基坑的实际尺寸以及该基坑的特点，选取深基坑模型的一半为研究对象。并假定模型的水平方向位移为零(左右边界方向上)，允许在竖直方向上发生变形，如图2所示。3.2初始条件。

图2 几何模型

由于该工程施工是在降水施工之后，故不考虑孔隙水压。默认地下水位线为基坑底部。该模型初始应力计算由PLAXIS程序计算所得(如图3)。

图3 初始应力分布图

4 计算结果与分析

本过程分11步进行开挖支护。第一步开挖深度为2.0m(如图4、图5);第二步在1.4 m深度处设置土钉以及高压注浆，并开挖至4.0 m;第三步在2.8 m处设置土钉以及高压注浆，并开挖至5.0 m，设置1.2 m的二级平台，在4.2 m处设置土钉以及高压注浆;第四步开挖至7.0 m并在5.6 m处设置土钉以及高压注浆;第七步开挖至8.0 m，并在7.0 m处设置土钉以及高压注浆;第八步在8.4 m处设置土钉以及高压注浆，并开挖至10.0 m;第九步在9.8 m处设置土钉以及高压注浆，并开挖至12.0 m;第十步在11.2 m处设置土钉以及高压注浆，并开挖至12.8 m;第十一步在12.6 m处设置土钉以及高压注浆(如图6、图7)。

由图中可看出，水平位移最大值发生在支护结构的顶面，距离开挖面越近，位移越大。而且在一定范围，位移下部小，上部大。该基坑在开挖中的侧向变形在80mm左右，与软件计算的变形相同，说明该土钉支护设计在控制基坑的时间和空间效应方面起到了作用，具体来讲，有以下几个方面:

图4 开挖至－2.0m的水平位移场

图5 开挖至－2.0m的垂直位移场

图6 开挖至－12.8m的水平位移场

图7 开挖至－12.8m的垂直位移场

(1)随着基坑的不断开挖，基坑在大小尺寸、土中应力等方面不断的发生变化，两者相互影响。基坑开挖改变尺寸、深度，深度加深影响土中应力、水平位移的变化。

(2)由于存在时间空间效应，基坑的开挖伴随着坑底土的隆起量的变化，但开挖到一定宽度后，变形量基本不再发生大的变化，它们之间呈现近似双曲线的关系。

(3)随着基坑的开挖，支护的施工(土钉的置入)，土钉参与土中力的作用。它传递着土中力并改变土体的受力状态，从而推迟土体的开裂。同时使土钉分布域内剪应力变得相对较小，从而充分发挥土钉周围土体自身的承载能力。

(4)由于土钉的置入，使得土体在受到力的作用时，土钉被动受到拉应力，从而约束土体，起到加固稳定的作用。另外，基坑周围土体的侧压力由土钉和土体共同承担，进而达到维护稳定的作用。

5 结语

本文选取某黄土基坑作为分析对象，通过模拟基坑的开挖及支护过程，了解基坑时空效应在黄土地区产生的影响，从而在考虑时空效应的基坑维护结构设计和施工中，应采取合理有效的措施，科学、经济的控制好基坑变形。

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