建筑工程軟土基坑破壞機(jī)理分析研究

1、建筑工程軟土基坑破壞機(jī)理分析研究摘要：本文根據(jù)基坑工程的特點(diǎn)，對(duì)其基坑失穩(wěn)的常見(jiàn)形式作出詳細(xì)介紹，并從軟土基坑的根本特征入手，結(jié)合軟土基坑的變形沉降對(duì)軟土基坑失穩(wěn)的原因和機(jī)理進(jìn)展了深化分析闡述，以得出科學(xué)合理的結(jié)論。關(guān)鍵詞：基坑工程；軟土基坑；基坑失穩(wěn)；沉降1前言基坑工程是一門(mén)既富有理論內(nèi)涵，又具有非常強(qiáng)的理論性的學(xué)科。隨著我國(guó)建筑業(yè)的蓬勃開(kāi)展，土地資源越來(lái)越緊缺，高層建筑如雨后春筍，基坑數(shù)量隨之迅速增加，基坑施工過(guò)程出現(xiàn)的問(wèn)題也越來(lái)越多，基坑失穩(wěn)問(wèn)題已引起了人們的普遍關(guān)注和重視。在眾多失穩(wěn)的基坑中，軟土基坑出現(xiàn)問(wèn)題的機(jī)率較高，本文就軟土基坑的失穩(wěn)問(wèn)題進(jìn)展分析討論。2基坑支護(hù)的主要形式常用的支

2、擋構(gòu)造主要形式有：a重力式、b懸壁式、錨撐式等，如圖1所示：3基坑失穩(wěn)幾種形式基坑失穩(wěn)有局部失穩(wěn)和整體失穩(wěn)兩種情況。不同地層條件及不同的支擋構(gòu)造，破壞形式稍有差異，對(duì)有壁基坑而言，擋土墻基和錨定式支護(hù)樁的破壞形式可歸納如下：擋土墻根底的破壞形式有：滑動(dòng)破壞、淺層剪切破壞、深層剪切或基底破壞、下沉前傾或后傾破壞。采用錨定式支護(hù)樁的破壞形式主要有：a錨定系統(tǒng)的破壞、b支護(hù)樁趾部向外挪動(dòng)、板樁受彎破壞、d軟粘土圓弧滑動(dòng)、e墻后沉降等，見(jiàn)圖2。在軟土地基中，常出現(xiàn)基坑的支護(hù)構(gòu)造變形量大，其危害性較高，軟土地基的基坑失穩(wěn)是較常見(jiàn)的，除了上述破壞形式外，軟土基坑因開(kāi)挖尺寸深度和寬度過(guò)大而出現(xiàn)局部失穩(wěn)的例子

3、也較多，因此對(duì)軟土基坑進(jìn)展深化全面的研究具有實(shí)際意義。4基坑失穩(wěn)原因分析根據(jù)經(jīng)歷和理論分析，基坑圍護(hù)體系失效一般原因主要四個(gè)方面原因造成：因?yàn)榭辈熨Y料失實(shí)勘探點(diǎn)位置偏離基坑開(kāi)挖邊線、提供的土層物理力學(xué)參數(shù)不合理等或地質(zhì)變化引起基坑支護(hù)構(gòu)造的失穩(wěn)；因?yàn)閮?nèi)在設(shè)計(jì)不合理因素導(dǎo)致支護(hù)體系失穩(wěn)如整體穩(wěn)定、抗傾覆、抗隆起的平安性偏小，支護(hù)構(gòu)造強(qiáng)度或剛度缺乏導(dǎo)致破壞等而引起基坑失穩(wěn)；因?yàn)槭┕ひ蛩厝鐦?gòu)造等引發(fā)的基坑失穩(wěn)；因?yàn)橥饨绛h(huán)境變化如暴雨天氣、超載、水滲入引發(fā)基坑失穩(wěn)。5軟土基坑失穩(wěn)機(jī)理5.1軟土的根本特征軟土的物理特性是具有天然含水量高一般均大于液限，孔隙比大，壓縮性高，強(qiáng)度低，浸透系數(shù)小等。工程特征那

4、么表現(xiàn)為觸變性、流變性、高壓縮性、高靈敏度、低透水性及不均勻性等，這些特性對(duì)軟土基坑工程的主要影響有：5.1.1觸變性：即當(dāng)原狀土受到震動(dòng)地震或施工擾動(dòng)后，會(huì)很快變成稀釋狀態(tài)，易產(chǎn)生側(cè)向滑動(dòng)、沉降及基底變形等現(xiàn)象。5.1.2流變性：軟土除排水固結(jié)引起變形外，在剪應(yīng)力的作用下還會(huì)發(fā)生緩慢而長(zhǎng)的剪切變形。這對(duì)建筑地基的沉降及地基的穩(wěn)定性均有不利影響。另外，室內(nèi)土工試驗(yàn)技術(shù)的局限和施工因素的復(fù)雜性，導(dǎo)致在軟土基坑施工中各工況下的不斷變化的流變參數(shù)很難測(cè)準(zhǔn)。5.1.3高壓縮性：軟土屬高壓縮性土，軟土的壓縮系數(shù)1-20.5pa-1，極易因其體積的壓縮而導(dǎo)致地面和基坑支護(hù)構(gòu)造沉降。5.1.4低透水性：因其

5、透水性弱和富水性強(qiáng)，對(duì)地基排水固結(jié)不利，不僅影響地基強(qiáng)度，同時(shí)延長(zhǎng)了地基趨于穩(wěn)定的沉降時(shí)間。5.1.5低強(qiáng)度和不均勻性：軟土地基強(qiáng)度很低，且極易出現(xiàn)不均勻沉降。此外，軟土的觸變性主要使本來(lái)就很難測(cè)準(zhǔn)的軟土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)和參數(shù)在施工過(guò)程中受到細(xì)微的擾動(dòng)而明顯地改變，流塑性主要引起土體位挪動(dòng)，直接表現(xiàn)為基坑底部隆起。5.2軟土地基沉降與變形基坑開(kāi)挖工程，實(shí)際上就是基坑內(nèi)外土中應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)發(fā)生變化的過(guò)程，坑內(nèi)卸荷，應(yīng)力釋放，坑外周?chē)_(kāi)挖面以下的土中應(yīng)力差增加。位于基坑底部的軟粘土地基，天然強(qiáng)度較低，在較小的荷載作用下，土體就會(huì)屈服，產(chǎn)生塑性剪切變形，從而使地基沉降量增大，地質(zhì)資料分析說(shuō)明，假設(shè)地基的

6、穩(wěn)定系數(shù)很小，那么由地基塑性變形引起的沉降將會(huì)很大，按常規(guī)沉降計(jì)算公式無(wú)法預(yù)估。軟土的均勻性必然引起不均勻沉降，導(dǎo)致支護(hù)構(gòu)造傾斜。理論與理論均說(shuō)明隨著基坑挖深的增加，基坑周?chē)馏w塑性變形區(qū)的開(kāi)展，基坑變形速率也會(huì)相應(yīng)增加，軟土基坑的失穩(wěn)主要是基坑施工中各工況下的不斷變化的流變參數(shù)引起。基坑挖深卸荷坑內(nèi)土體，坑壁底部的應(yīng)力是增加，由土的自重作用引起，用以下公式估算：上式中，瞬時(shí)沉降量Sd和固結(jié)沉降量S(t)占90%以上，對(duì)正在施工開(kāi)挖的基坑工程而言，以瞬時(shí)沉降為主，可認(rèn)為：S(t)Sd；對(duì)土方停挖期，飽和軟土表現(xiàn)出一定程度的固結(jié)效應(yīng)，地基沉降量S(t)Sd+S(t)。當(dāng)土體沉降由最初的彈性變形開(kāi)

7、展到塑性變形時(shí)，坑壁支護(hù)構(gòu)造出現(xiàn)不均勻沉降，產(chǎn)生傾斜或基底土破壞，墻趾土出現(xiàn)隆起，或基底軟土層產(chǎn)生滑動(dòng)面，這時(shí)基坑處于不穩(wěn)定狀態(tài)。5.3軟土基坑失穩(wěn)機(jī)理軟土基坑的失穩(wěn)是因其變形過(guò)大導(dǎo)致，由軟土本身特征引起的變形，其速率稍慢，當(dāng)為外界因素誘發(fā)時(shí)，常常呈現(xiàn)突發(fā)性。5.3.1基坑變形機(jī)理基坑失穩(wěn)是由于基坑過(guò)大變形引起的，而基坑變形包括支護(hù)構(gòu)造變形、坑底隆起、周?chē)貙优矂?dòng)三方面?；娱_(kāi)挖過(guò)程是基坑開(kāi)挖面卸荷的過(guò)程，由于卸荷而引起坑底土體產(chǎn)生向上為主的位移，同時(shí)也引起圍護(hù)構(gòu)造在兩側(cè)壓力差的作用下而產(chǎn)生程度位移，因此產(chǎn)生基坑周?chē)貙优矂?dòng)，而基坑開(kāi)挖引起基坑周?chē)貙优矂?dòng)的主要原因是坑底土體隆起和圍護(hù)構(gòu)造的位

8、移。坑底隆起是垂直方向卸荷而改變坑底土體原始應(yīng)力狀態(tài)的反響。在開(kāi)挖深度不大時(shí)，坑底土體在卸荷后發(fā)生垂直的彈性隆起在開(kāi)挖停頓后很快停頓。這種坑底隆起根本不會(huì)引起基坑周?chē)貙拥呐矂?dòng)。隨著開(kāi)挖嘗試增加，基坑內(nèi)外的土面高差不斷增大，當(dāng)開(kāi)挖到一定深度，基坑內(nèi)外土面高差所形成的加載和地面各種超載的作用就會(huì)使圍護(hù)墻外側(cè)土體產(chǎn)生向基坑內(nèi)挪動(dòng)，使基坑坑底產(chǎn)生向上的塑性隆起。同時(shí)在基坑周?chē)a(chǎn)生較大的塑性區(qū)，并引起地面沉降。另外，也應(yīng)看到，基坑開(kāi)挖后，坑壁向基坑內(nèi)挪動(dòng)，當(dāng)基底面以下局部的支護(hù)構(gòu)造向基坑中方向挪動(dòng)時(shí)推擠趾部前的土體，造成基底隆起?；茁∑鹆康拇笮∈桥袛嗷臃€(wěn)定性和將來(lái)建筑物沉降的重要因素之一?；勇∑?/p>

9、量的大小除和基坑本身特點(diǎn)有關(guān)外，還和基坑內(nèi)是否有樁、基底是否加固、基底土體的剩余應(yīng)力等親密相關(guān)。圍護(hù)構(gòu)造的位移是指圍護(hù)墻墻體的變形從程度向改變基坑外圍土體原始應(yīng)力狀態(tài)而引起地層挪動(dòng)?；娱_(kāi)始開(kāi)挖后，圍護(hù)墻便開(kāi)始受力變形。在基坑內(nèi)側(cè)卸去原有土壓力時(shí)，在墻體外側(cè)那么受到主動(dòng)土壓力。而在基坑的圍護(hù)墻內(nèi)側(cè)那么受到全部或局部被動(dòng)土壓力。由于總是開(kāi)挖在前，支撐在后，所以圍護(hù)墻在開(kāi)挖過(guò)程中，安裝每道支撐以前總是已發(fā)生一定的先期變形。一般挖到設(shè)計(jì)坑底標(biāo)高時(shí)，墻體最大位移發(fā)生在坑底面上12處。圍護(hù)構(gòu)造的位移使墻體主動(dòng)土壓力區(qū)和被動(dòng)土壓力區(qū)的土體發(fā)生位移。墻外側(cè)主動(dòng)土壓力區(qū)的土體向坑內(nèi)程度位移，使背后土體程度應(yīng)力

10、減小，以致剪應(yīng)力增大，出現(xiàn)塑性區(qū)，而在基坑開(kāi)挖面以下的墻內(nèi)側(cè)被動(dòng)土壓力區(qū)的土體向坑內(nèi)程度位移，使坑底土體加大程度向應(yīng)力，以致坑底土體增大剪應(yīng)力而發(fā)生程度向擠壓和向上隆起的位移，在坑底處形成局部塑性區(qū)。同樣地質(zhì)條件和開(kāi)挖深度下，深基坑周?chē)貙幼冃畏秶胺?，因墻體的變形不同而有很大差異，墻體變形往往是引起周?chē)貙优矂?dòng)的重要原因。5.3.2軟土基坑失穩(wěn)機(jī)理對(duì)軟土基坑而言，外界條件影響較明顯的因素主要有：施工進(jìn)度、施工震動(dòng)、坑頂臨時(shí)堆載、雨后上部土體重量的增加、降水的影響等。當(dāng)上部土質(zhì)條件較好時(shí)，超尺寸開(kāi)挖施工，無(wú)壁基坑常會(huì)出現(xiàn)局部失穩(wěn)情況，這種情況，往往坑頂?shù)谋O(jiān)測(cè)位移量不大時(shí)，坑底軟土的流變性和觸變性容易使變形過(guò)大而引起坑壁的中下部出現(xiàn)破壞；施工震動(dòng)會(huì)使土質(zhì)變差，易產(chǎn)生側(cè)向滑動(dòng)、沉降及基底變形等現(xiàn)象；坑項(xiàng)臨時(shí)堆載及雨后上部土體重量的增加均會(huì)引起坑底應(yīng)力的增加，對(duì)強(qiáng)度較低的軟土顯然產(chǎn)生不利影響；本身為飽和狀態(tài)的軟土，在工程降水時(shí)，會(huì)加快固結(jié)作用，變形增加。因軟土本身的特性、施工條件和環(huán)境條件的變化而引起軟構(gòu)造的破壞，使其物理力學(xué)性質(zhì)變差，基坑的穩(wěn)定性降低以致失穩(wěn)。6結(jié)語(yǔ)綜上所述，軟土基坑的失穩(wěn)主要因其變形過(guò)大所致，軟土基坑施工過(guò)程各種因素影響下，設(shè)計(jì)采用的土力學(xué)參數(shù)在各工況下會(huì)發(fā)生較大變化，這些變化多朝不利方向開(kāi)展，因此軟土