基于软土地区深基坑施工变形安全性状的时间特性研究

颜玉兵

（江苏省地质工程勘察院，南京211102）

1 引言

城市化进程的发展让城市人口数量得到了持续增加。城市用地也愈发紧张。为了优化城市用地，需要加强对地下空间的开发，深基坑工程也由此得到了人们的关注。深基坑施工需要面对土体变形带来的影响，采取措施降低甚至避免对周围建筑以及管线的影响。因此，有必要对深基坑施工变形安全性状的时间特性进行分析。

2 深基坑施工变形分析

深基坑开挖期间，既需要确保基坑自身的安全性与稳定性，还应保证变形控制效果，使周围环境不受影响。在土层力学性能相对较好的区域，基坑开挖导致的土体变形非常小，通过对基坑施工进行合理控制，不会对基坑周围环境造成严重影响。而在软土地区进行施工时，会因为土层软弱且复杂使基坑开挖变形更加严重，基坑附近的建筑物、管线、交通设施都会受到基坑变形的影响，因此，深基坑施工变形是城市软土地区施工期间必须考虑的一个重点问题。

3 软土地区深基坑安全性的时间特性分析

当深基坑中存在具有流变性的土层时，会对基坑施工的安全性带来较为严重的影响[1]，当基坑附近存在需要保护的建筑与管线时，就有可能因施工而导致建筑、管线遭受破坏。而且因为工期的影响，很多深基坑工程还会在施工中出现超挖、超载的情况，所以，当支撑结构无法满足施工条件时，会导致围护结构的变形程度加剧，进而影响基坑施工质量。只有通过严格控制安全性状，从安全、经济的角度合理制订施工方案，才能实现对基坑变形的控制，降低基坑变形带来的影响。

3.1 软土蠕变特性

基坑施工中出现的变形问题通常是土体随着时间的推移在蠕变作用下形成的，蠕变速率通常取决于剪应力的大小，根据剪应力的不同，蠕变速率大致可以分为以下几种情况：（1）当土体剪应力相对较小时（r≤0.025 MPa），此时，蠕变变形非常小，当内摩擦力能够抵抗剪应力时，蠕变发展将会停止，此时土体并不会受到蠕变带来的影响。（2）土体剪应力达到一定程度时（r=0.15 MPa），土体的蠕变将会持续稳定发展，当土体蠕变急剧增大之后，便会出现蠕变破坏的情况。通常情况下，当变形问题出现之后，若对其施加荷载，会产生瞬时弹性应变，若此时荷载能够维持不变，则应变时间就会在时间的影响下而不断增加，这时会出现应变速率逐渐下降的短暂蠕变区间，这时蠕变为第一阶段，应变按照恒定速率增长的区间为第二阶段蠕变，这部分蠕变时间通常会很长。第三阶段蠕变会进行加速蠕变，直至蠕变达到极限后便会发生破坏。（3）当剪应力达到极限时（r=0.2 MPa），其从蠕变开始直到最终破坏只需要经历较短的时间，这便意味着当土体应力水平足够高时，土体就会在一定时间内从不被察觉的持续蠕变发展至破坏。根据应力的不同，蠕变形态将会出现非常大的转变，所以，在深基坑施工期间，当开挖至一定程度后，便会促使应力、蠕变逐渐增加，另外，支撑不及时、暴露时间过长都会导致明显的变形问题发生[2]。

3.2 时空效应原理

在深基坑开挖、支撑期间，开挖速度、顺序等因素都将对土体变形带来影响。刘建航院士结合各类影响因素提出了时空效应理念，通过该理念能够加强对变形问题的合理控制，进而保证基坑施工质量。时空效应原理能够令土体抵抗变形的能力得到有效发挥，降低开挖变形带来的影响。根据项目规模、开挖深度等要素提出施工工艺，有效保证技术要点满足施工要求。例如，在开展长条形基坑施工时，由于其基坑纵向交缠，因此，横断面不会出现较大的变化。在开挖时，可以按照分段开挖、浇筑底板的方式来保证施工效果，而且在每段的开挖过程中，还可以分层、分段来加强支撑，可控制开挖层厚为3～4 m、段宽为3～6 m。开挖作业时还可以结合监测数据来实现实时调整，进而保证开挖效果。在失控效应理论下，通过结合需求以及实际情况能够实现对项目工程的优化，并保证基坑开挖质量始终满足项目工程的质量要求。

4 有无支撑变形分析

某地铁站项目周围具有较多的建筑物，居民住宅、学校等较近的建筑必须在施工中对其进行重点保护，避免地铁工程给其他建筑带来影响。施工地铁站为地下2层的框架结构，全长为364.7 m，彼岸准段宽21.5 m。工程项目特征为场地狭小、基坑长且深。由于周围存在较多的建筑物，因此，对环境保护的要求极高。

4.1 挡墙墙体变形分类

每间隔一段区域进行基坑开挖和支撑能够在短时间内完成，但是在未添加支撑时，施工将会导致挡墙墙体变形值大幅增加，当开挖层数增加之后，变形量也会有所提升。在土层加撑之后，墙体变形值将会逐渐趋于稳定，因此，开挖、支撑之后的曲线特征各不相同，所以，可以分为无撑变形与有撑变形两种类型。

4.2 有撑变形

工程项目地表以下的地层大多属于软弱黏土，含水量高、强度较低、流变性高，深基坑以下的流变性会进一步增加。当支撑结束之后，坑底土体应力会有所减小。通过选择测点对挡墙的有撑变形进行统计，能够掌握不同支撑结构在各个阶段的变形规律。表1~表4为第1道~第4道撑的墙体有撑变形参数。

表1 第1道撑的墙体有撑变形参数

表4 第4道撑的墙体有撑变形参数

不同工况下的有撑变形速率均值各不相同，流变性并未在开挖深度增加后出现明显变化，出现这种情况的主要原因是加撑后延续时间长短各不相同，支撑增加之后会令墙体变形值变得更加稳定，若加撑之后延续时间过长，则其整体均值便会下降。而且当坑底利用旋喷加固时，还会降低土体的蠕变效果[3]。

表2 第2道撑的墙体有撑变形参数

表3 第3道撑的墙体有撑变形参数

4.3 无撑变形

没有支撑时，支撑暴露影响挡墙变形的因素有很多，例如，卸载施工变形、蠕变变形等。而且因为基坑支撑的架设并不完善，所以，还会导致坑底土体的应力会随之一同提高。处于高应力作用下的土体将经历蠕变发展阶段，所以，无支撑暴露的时间会给挡墙变形带来影响。为了保证分析结构，无支撑变形取值要保证与有撑变形的一致性。

无支撑时，影响变形的因素有很多，因为支撑没有完全架设完成，所以，底部土体应力较高。处于不同工况下的变形速率平均值将会随着土层开挖而不断提高。

5 正常施工变形安全性状的时间特性

在深基坑施工期间，土体开挖不会一次性完成，分步完成更加容易保证施工质量。在数值模拟期间，可以结合工程需求利用增量法实现对工况的模拟，这种方式既能反映施工阶段的应力、应变作用，又能反映时间对土体的影响。每层土体开挖、支撑完成后，因为土体蠕变效应，会导致挡墙变形随时间而持续增长。因此，基坑与周围环境有可能受到影响，这时可以按照时间变化来计算变形值，然后结合安全性状指标了解基坑安全情况[4]。

土体开挖时，挡墙墙体变形会随之增加，在应力水平较高时，变形幅度会有所提高。而在支撑完成后，墙体变形则会随之降低，直至支撑一段时间后趋于稳定。即在各种应力水平的影响下，土体将会随着时间先后经历高速发展期与稳定发展期，应力会导致发展速率发生改变。通过工程计算可知，开挖第一层土24 h后，墙体变形将达到0.9 mm，加撑24 h后，将会令墙体变形提高至2.37 mm。直至第64 h，墙体变形便会逐渐发展至稳定。只要将墙体变形控制在安全指标范围内，在开挖时及时进行支撑，便可以令基坑始终处于安全的情况。

6 超挖时间特性分析

在基坑施工时，土体达到应力标准后，部分区域会成为塑性区，由于软土的流变性，暴露时间的延长将会带来一定影响，尤其是剪应力大的部分区域，如坑底被动区、滑动面，会因为暴露而出现变形，严重时还会引起挡墙变形与土体变形增加。若基坑出现超挖的情况，会导致墙体变形与地面沉降变得更加严重，深基坑的安全性状会在时间的影响下发生改变。只有确定安全超挖深度与放置时间，才能令软土地区的深基坑施工更加安全，进而避免深基坑施工安全事故的发生。

7 结语

软土地区的深基坑施工难度非常高，高含水量的软土地质将会导致基坑周围的建筑、环境随之受到影响，因此，必须关注深基坑施工时的变形安全性状，以此保证深基坑施工时的安全性。相信随着更多从业人员了解到软土地区深基坑施工的重要性，软土地区的深基坑施工安全性一定会越来越高。