一种软土地层深基坑围护结构变形估算方法

摘要

一种软土地层深基坑围护结构变形估算方法，首先根据对软土地层大量深基坑开挖引起的围护结构变形实测曲线的拟合分析，引入地层损失法的概念，建立软土地层深基坑围护结构变形计算模型；然后参照盾构法隧道地面沉降Peck公式和Schmidt公式和三角形沉降公式的思路，得出通过墙后地表沉降包络曲线面积也可得到围护结构变形包络线的面积,计算墙后地表沉降曲线包络面积

说明书

技术领域

本发明涉及深基坑工程技术领域，特别是一种软土地层深基坑围护结构变形估算方法。

背景技术

随着我国经济的迅速发展，超高层建筑的发展与地铁车站的开挖对人们的影响越来越大，由此带来的深基坑工程数量越来越多，并且朝着更深、更大、更复杂的方向发展。由于大多数深基坑工程都在市内施工，由此引起的基坑围护结构的变形和对周边环境的影响不容忽视。尤其在软土地区，土体具有含水量高、强度低、渗透性低等特点，工程地质和水文地质条件较差，增加了基坑工程施工的难度。随着变形控制理论在工程中的应用，开展基坑工程围护结构变形的分析研究具有重要意义。

基坑变形计算常用的方法主要有：极限平衡法、地基反力法和有限单元法等。极限平衡法在基坑设计早期提出，计算简单、使用方便，常用于空间效应不明显、地层较均匀、周围环境较稳定的支护结构，但该方法不考虑墙体变形和横向支撑变形，仅通过已知的土压力计算墙体的倾斜，计算结果不能满足要求。弹性地基梁法分析基坑围护结构变形时，“m”法计算模式明确，结果也比较符合实际，应用广泛，但由于土体水平抗力系数m的影响因素较多，因此对m的取值要求很高；有限元数值模拟计算方法虽然可以模拟基坑的整个开挖过程，并对其空间三维几何特性开展研究，但对于不同种类土体参数的选取要求很高，参数选取不当会导致计算结果差异很大。

发明内容

本发明在整理、总结软土地区大量深基坑监测数据的基础上，从刘建航、侯学渊提出的墙体位移和地面沉降二者的地层移动面积相关理论出发，结合数理统计原理，提出了高斯函数拟合基坑围护结构变形曲线的方法，并导出了软土地区深基坑开挖围护结构变形的估算公式。

解决上述问题的技术方案是：一种软土地层深基坑围护结构变形估算方法，包括以下步骤：

步骤1:建立计算模型:根据对软土地层大量深基坑开挖引起的围护结构变形实测曲线的拟合分析，引入地层损失法的概念，建立软土地层深基坑围护结构变形计算模型；

步骤2:参照盾构法隧道地面沉降Peck公式和Schmidt公式和三角形沉降公式的思路，得出通过墙后地表沉降包络曲线面积也可得到围护结构变形包络线的面积；然后计算墙后地表沉降曲线包络面积B；

步骤3：根据步骤1和步骤2各相关的公式，导出软土地层深基坑围护结构变形估算计算公式；

步骤4：将各参数的值代入软土地层深基坑围护结构变形估算计算公式,即可计算出围护结构任意一点的变形值。

其进一步技术方案：在步骤1中建立的计算模型要假定以下三点：

(1)软土地层深基坑围护结构变形计算模型符合高斯函数，该计算模型公式为：

式中，u为围护结构任一点变形量，单位为:mm；z为围护结构任意一点深度，单位为:m；z_m为围护结构最大变形值距地表距离，单位为:m；A为围护结构变形曲线包络面积，单位为m·mm；w为经验系数；

(2)围护结构变形曲线包络面积A值的确定：围护结构变形曲线包络面积A与墙后地表沉降包络曲线面积B之比存在比例关系为：

A＝αB，

式中，α为比例系数；

(3)通过软土地区大量深基坑监测数据的统计分析，假定围护结构最大变形值距地表距离z_m与围护结构总长度H_g的比和基坑开挖深度h与基坑总深度H的比成线性比例关系为：

式中，γ的取值为0.4～0.6。

其更进一步技术方案：在步骤2中计算墙后地表沉降曲线包络面积B的步骤如下：

首先，提出三条假设：

①对于柔性板桩墙，插入深度较浅，围护结构插入深度h_d与基坑开挖深度h的插入比为h_d/h<0.5时，最大地表沉陷量要比最大墙体位移量大；

②对于地下连续墙、插入较深的，围护结构插入深度h_d与基坑开挖深度h的插入比为h_d/h>0.5的柱列式灌注桩墙，围护结构变形值u_m约为墙后地表沉降δ_m的1.4倍，即u_m≈1.4δ_m；

③地表沉陷影响范围x₀为：

式中，为围护结构范围内土体的加权平均内摩擦角；

同时，根据软土地区基坑工程实测资料分析，提出墙后地表沉降曲线δ(x)的计算公式表示为：

式中，x_m为地表沉降最大值距坑边距离，单位为：m；a为自定义系数，

式中，δ_m为地表沉降最大值，单位为：mm；

然后，在假设的基础上，对墙后地表沉降曲线的计算公式中x在[0，x₀]上积分，即为墙后地表沉降曲线包络线的面积B：

最后，整理后得到墙后表沉降曲线包络线的面积B的计算公式：

在步骤3中，根据步骤1和步骤2中的各相关的推导计算公式，导出软土地层深基坑围护结构变形估算计算公式为：式中β为自定义系数，β＝α·a，w的取值范围为基坑总深度H的0.4～0.6倍。

根据统计分析结果及经验，围护结构变形曲线包络面积A与墙后地表沉降包络曲线面积B之比的比例系数α的取值范围为0.83～1.25。

当围护结构插入深度h_d与基坑开挖深度h的插入比为h_d/h≤0.5时，比例系数α的取值范围为0.83～1.0；当围护结构插入深度h_d与基坑开挖深度h的插入比为h_d/h>0.5时，比例系数α的取值范围为1.0～1.25。

本发明之“一种软土地层深基坑围护结构变形估算方法”具有以下特点和有益效果：

本发明的围护结构变形估算方法能快速计算出工程中的围护结构任意一点的变形值，数据准确，为施工过程提供了数据参考，根据计算出来的数据结合已有的基坑围护结构的变形历史判断未来一段时间的变形趋势，对危险位置提前预警并重点监测，有利于施工管理人员和业主方的工程决策。

为了检验方法的有效性，通过高斯函数对围护结构变形的拟合曲线与实测结果曲线高度拟合，效果良好，从图3～图5以及附表3～附表4可以看出计算曲线与实测曲线形态相似，拟合结果基本符合实际情况。

下面结合附图和实施例对本发明之软土地层深基坑围护结构变形估算方法的技术特征作进一步说明。

附图说明

图1是本发明之软土地层深基坑围护结构变形计算模型简单示意图；

图2是本发明之围护变形计算结果与实测值对比图(开挖至16.5米时)；

图3是本发明之围护变形计算结果与实测值对比图(开挖至7.5米时)；

图4是本发明之围护变形计算结果与实测值对比图(开挖至11米时)；

图5是本发明之围护变形计算结果与实测值对比图(开挖至14米时)。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步地详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

一种软土地层深基坑围护结构变形估算方法，包括以下步骤：

步骤1:建立计算模型:

为了能够估算和预测基坑开挖引起的围护结构变形，根据对软土地层大量深基坑开挖引起的围护结构变形实测曲线的拟合分析，引入地层损失法的概念，建立软土地层深基坑围护结构变形计算模型；图1为本发明之软土地层深基坑围护结构变形计算模型简单示意图。图1中所示的各参数含义分别为：

h—基坑开挖深度；

h_d—围护结构插入深度；

x_m—地表沉降最大值距坑边距离(m)；

x₀—地表沉降范围(m)；

u_m—围护结构最大位移(mm)；

δ_m—地表沉降最大值(mm)；

H_g—围护结构深度(m)。

本发明之计算模型需要假定以下三点：

(1)软土地层深基坑围护结构变形计算模型符合高斯函数，该计算模型公式为：

式中，u为围护结构任一点变形量，单位为:mm；z为围护结构任意一点深度，单位为:m；z_m为围护结构最大变形值距地表距离，单位为:m；A为围护结构变形曲线包络面积，单位为m·mm，可取0.83～1.25倍地表沉降曲线包络面积；w为经验系数，软土基坑时w的取值范围为基坑总深度H的0.4～0.6倍；H为基坑总深度。

(2)围护结构变形曲线包络面积A值的确定：设围护结构变形曲线包络面积A与墙后地表沉降包络曲线面积B之比存在比例关系为：

A＝αB(2)，

式中，α为比例系数；根据统计分析结果及经验，α可取0.83～1.25；当围护结构插入深度h_d与基坑开挖深度h的插入比为h_d/h≤0.5时，比例系数α的取值范围为0.83～1.0；当围护结构插入深度h_d与基坑开挖深度h的插入比为h_d/h>0.5时，比例系数α的取值范围为1.0～1.25。

(3)围护结构最大变形值距地表距离z_m的确定：通过软土地区大量深基坑监测数据的统计分析，假定围护结构最大变形值距地表距离z_m与围护结构总长度H_g的比和基坑开挖深度h与基坑总深度H的比成线性比例关系为：

式中，γ的取值为0.4～0.6。

步骤2:在长期的科研与工程实践中，参照盾构法隧道地面沉降Peck公式、Schmidt公式和三角形沉降公式的思路，提出了基坑地层损失法概念。地层损失法依据墙体位移和地面沉降二者的地层移动面积相关的原理，求出地面垂直位移即地面沉降。因此，根据两者之间的关系，通过墙后地表沉降包络曲线面积也可得到围护结构变形包络线的面积；然后计算墙后地表沉降曲线包络面积B。

计算墙后地表沉降曲线包络面积B的步骤如下：

首先，根据实践经验提出三条假设：

①对于柔性板桩墙，插入深度较浅，围护结构插入深度h_d与基坑开挖深度h的插入比为h_d/h<0.5时，最大地表沉陷量要比最大墙体位移量大；

②对于地下连续墙、插入较深的，围护结构插入深度h_d与基坑开挖深度h的插入比为h_d/h>0.5的柱列式灌注桩墙，围护结构变形值u_m约为墙后地表沉降δ_m的1.4倍，即u_m≈1.4δ_m；

③地表沉陷影响范围x₀为：

式中，为围护结构范围内土体的加权平均内摩擦角；该加权平均内摩擦角为经验系数，它的取值参见表5。

同时，根据软土地区基坑工程实测资料分析，提出墙后地表沉降曲线δ(x)的计算公式表示为：

式中，x_m为地表沉降最大值距坑边距离，单位为：m；a为自定义系数，

式中，δ_m为地表沉降最大值，单位为：mm。

然后，在上述假设的基础上，对墙后地表沉降曲线的计算公式(5)中x在[0，x₀]上积分，即为墙后地表沉降曲线包络线的面积B：

最后，整理后得到墙后表沉降曲线包络线的面积B的计算公式：

步骤3：根据步骤1和步骤2各相关的公式，导出软土地层深基坑围护结构变形估算计算公式；即围护结构变形估算：

将公式(2)、(8)代入公式(1)，即得到软土地层深基坑围护结构变形估算计算公式为：

式中β为自定义系数，β＝α·a，z_m的取值参考式(3)；w的取值范围为基坑总深度H的0.4～0.6倍。

步骤4：将各参数的值代入软土地层深基坑围护结构变形估算计算公式(9),即可计算出围护结构任意一点的变形值。

工程举例：

1、工程概况

宁波地铁2号线机场站位于规划机场南北航站楼之间的绿化带下，机场站为地下二层岛式车站，地下采用双柱三跨钢筋混凝土框架结构，局部为单柱双跨钢筋混凝土框架结构。机场站测斜管CX-12处的基坑开挖深度h约为16.5m，主体围护采用800mm地下连续墙，标准段围护结构深度H_g约33m，入土深度即围护结构插入深度h_d为16.5m，插入比h_d/h＝1.0。共分五层开挖，每层开挖深度分别约为4m、3.5m、3.5m、3m、2.5m，每层开挖深度相加即得到基坑开挖深度h(h＝4+3.5+3.5+3+2.5＝16.5m)，地下1.0m处设混凝土冠梁，同时沿深度方向设4道Φ609钢支撑。CX-12对应范围的地表沉降最大值为δ_m为22.8mm，距坑边距离x_m为12.2m。

2、围护结构变形计算结果与拟合分析

地表沉陷影响范围x₀根据公式(4)可计算得x₀＝28m，根据公式(6)计算得a＝51.32，将a，x_m及x₀代入式(8)得B＝32.71m·mm，取α＝1，带入式(2)得A＝32.71m·mm，取γ＝0.55，h＝16.5m，则z_m＝18.15m，w取为0.4H＝6.6。将A、z_m和w代入式(9)，得到开挖至坑底时的围护结构变形计算公式为：

附表1给出了此时的围护结构横向变形计算值与实测值。通过图2可以看出，通过高斯函数对围护结构的拟合曲线与实测结果曲线高度拟合，效果良好，最大误差在9m处，仅为-2.89mm。曲线形态与峰值位置均与实测数据吻合。附表1中的误差值为计算值与实测值之差。

选取该测点范围内开挖深度h分别为7.5m，11m，14m时的各参数进行计算。计算参数选取如附表2所示，计算结果与实测结果对比见表3。图3～图5为开挖至不同深度时计算曲线与实测曲线的对比图。

通过图3～图5以及附表3～附表4可以看出计算曲线与实测曲线形态相似，拟合基本较好。当开挖至7.5m时，最大误差为-4.53mm，误差平方和为90.48，围护结构最大变形量的计算值与实测值之差为0.64mm；当开挖到11m时，最大误差为-2.37，误差平方和为35.89，围护结构最大变形量的计算值与实测值之差为-0.81mm；当开挖到14m时，最大误差为4.02，误差平方和为19.85，围护结构最大变形量的计算值与实测值之差为-1.13mm。可以看出：围护结构最大水平位移的位置随基坑开挖深度的增加而向下移动，并且数值不断增大，这主要是由于基坑内侧土体开挖，使基坑内侧土体对连续墙的支撑作用减小所致。同时，当开挖较浅时，计算数据与实测数据的误差相比于开挖至较深时更大，同时围护结构上部变形的计算值偏大而下部的计算值偏小。分析其主要原因可能为：

(1)当开挖深度较小时，周边环境的影响对基坑变形相对较大，如地面堆载、车辆动载等，但这些因素的影响随开挖深度的增加而逐渐变小。因此，开挖较浅时的实测值与理论计算值偏差较大。

(2)钢支撑的形式和位置以及插入比对围护结构的变形形式以及峰值位置影响较大，上部计算值偏大而下部计算值偏小可能与支撑的位置有关。下部实测值较大的另一个原因可能是在施工中，连续墙的深度越深，施工质量越难以得到保证，下部的变形也越难以控制。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

附表1：开挖至16.5m时围护结构横向变形计算值与实测值

(注：h＝16.5m，δ_m＝22.8mm，x_m＝12.2m)；

附表2：计算参数选取表

h/mδ_max/mmx_m/mx₀/mαγw7.57.308.5201.20.66.601111.859.6221.10.68.251418.2411.3261.00.68.25

附表3：各层计算结果与实测结果对比表

附表4：各层计算结果与实测结果误差表

(注：附表4中各数值为开挖至不同深度时计算值与实测值的差值)

附表5：加权平均内摩擦角取值表