建筑工程软土基坑破坏机理分析研究

1建筑工程软土基坑破坏机理分析研究摘要：本文根据基坑工程的特点，对其基坑失稳的常见形式作出详细介绍，并从软土基坑的基本特征入手，结合软土基坑的变形沉降对软土基坑失稳的原因和机理进行了深入分析阐述，以得出科学合理的结论。关键词：基坑工程；软土基坑；基坑失稳；沉降1前言基坑工程是一门既富有理论内涵，又具有非常强的实践性的学科。随着我国建筑业的蓬勃发展，土地资源越来越紧缺，高层建筑如雨后春笋，基坑数量随之迅速增加，基坑施工过程出现的问题也越来越多，基坑失稳问题已引起了人们的普遍关注和重视。在众多失稳的基坑中，软土基坑2出现问题的机率较高，本文就软土基坑的失稳问题进行分析探讨。2基坑支护的主要形式常用的支挡结构主要形式有：a重力式、b悬壁式、c锚撑式等，如图1所示：3基坑失稳几种模式基坑失稳有局部失稳和整体失稳两种情况。不同地层条件及不同的支挡结构，破坏形式稍有差别，对有壁基坑而言，挡土墙基和锚定式支护桩的破坏形式可归纳如下：3挡土墙基础的破坏形式有：滑动破坏、浅层剪切破坏、深层剪切或基底破坏、下沉前倾或后倾破坏。采用锚定式支护桩的破坏形式主要有：a锚定系统的破坏、b支护桩趾部向外移动、c板桩受弯破坏、d软粘土圆弧滑动、e墙后沉降等，见图2。在软土地基中，常出现基坑的支护结构变形量大，其危害性较高，软土地基的基坑失稳是较常见的，除了上述破坏形式外，软土基坑因开挖尺寸（深度和宽度）过大而出现局部失稳的例子也较多，因此对软土基坑进行深刻全面的研究具有实际意义。4基坑失稳原因分析依据经验和理论分析，基坑围护体系失效一般原因主要四个方面原因造成：①因为勘察资料失实（勘探点位置偏离基坑开挖边线、提供的土层物理力学参数不合理等）或地质4变化引起基坑支护结构的失稳；②因为内在设计不合理因素导致支护体系失稳（如整体稳定、抗倾覆、抗隆起的安全性偏小，支护结构强度或刚度不足导致破坏等）而引起基坑失稳；③因为施工因素（如结构等）引发的基坑失稳；④因为外界环境变化（如暴雨天气、超载、水渗入）引发基坑失稳。5软土基坑失稳机理5.1软土的基本特征软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，压缩性高，强度低，渗透系数小等。工程特征则表现为触变性、流变性、高压缩性、高灵敏度、低透水性及不均匀性等，这些特性对软土基坑工程的主要影响有：5.1.1触变性：即当原状土受到震动（地震或施工扰动）后，会很快变成稀释状态，易产生侧向滑动、沉降及基底变形等现象。5.1.2流变性：软土除排水固结引起变形外，在剪应力的作用下还会发生缓慢而长的剪切变形。这对建筑地基的沉降5及地基的稳定性均有不利影响。另外，室内土工试验技术的局限和施工因素的复杂性，导致在软土基坑施工中各工况下的不断变化的流变参数很难测准。5.1.3高压缩性：软土属高压缩性土，软土的压缩系数α1-2＞0.5Mpa-1，极易因其体积的压缩而导致地面和基坑支护结构沉降。5.1.4低透水性：因其透水性弱和富水性强，对地基排水固结不利，不仅影响地基强度，同时延长了地基趋于稳定的沉降时间。5.1.5低强度和不均匀性：软土地基强度很低，且极易出现不均匀沉降。此外，软土的触变性主要使本来就很难测准的软土物理力学性质指标和参数在施工过程中受到轻微的扰动而明显地改变，流塑性主要引起土体位移动，直接表现为基坑底部隆起。5.2软土地基沉降与变形6基坑开挖工程，实际上就是基坑内外土中应力场状态发生变化的过程，坑内卸荷，应力释放，坑外周围开挖面以下的土中应力差增加。位于基坑底部的软粘土地基，天然强度较低，在较小的荷载作用下，土体就会屈服，产生塑性剪切变形，从而使地基沉降量增大，地质资料分析表明，如果地基的稳定系数很小，则由地基塑性变形引起的沉降将会很大，按常规沉降计算公式无法预估。软土的均匀性必然引起不均匀沉降，导致支护结构倾斜。理论与实践均表明随着基坑挖深的增加，基坑周围土体塑性变形区的发展，基坑变形速率也会相应增加，软土基坑的失稳主要是基坑施工中各工况下的不断变化的流变参数引起。基坑挖深卸荷坑内土体，坑壁底部的应力是增加，由土的自重作用引起，用以下公式估算：上式中，瞬时沉降量Sd和固结沉降量Sc(t)占90%以上，对正在施工开挖的基坑工程而言，以瞬时沉降为主，可认为：S(t)≈Sd；对土方停挖期，饱和软土表现出一定程度的固结效应，地基沉降量S(t)≈Sd+Sc(t)。7当土体沉降由最初的弹性变形发展到塑性变形时，坑壁支护结构出现不均匀沉降，产生倾斜或基底土破坏，墙趾土出现隆起，或基底软土层产生滑动面，这时基坑处于不稳定状态。5.3软土基坑失稳机理软土基坑的失稳是因其变形过大导致，由软土本身特征引起的变形，其速率稍慢，当为外界因素诱发时，常常呈现突发性。5.3.1基坑变形机理基坑失稳是由于基坑过大变形引起的，而基坑变形包括支护结构变形、坑底隆起、周围地层移动三方面。基坑开挖过程是基坑开挖面卸荷的过程，由于卸荷而引起坑底土体产生向上为主的位移，同时也引起围护结构在两侧压力差的作用下而产生水平位移，因此产生基坑周围地层移动，而基坑开挖引起基坑周围地层移动的主要原因是坑底土体隆起和围护结构的位移。坑底隆起是垂直方向卸荷而改变坑底土体原始应力状态8的反应。在开挖深度不大时，坑底土体在卸荷后发生垂直的弹性隆起在开挖停止后很快停止。这种坑底隆起基本不会引起基坑周围地层的移动。随着开挖尝试增加，基坑内外的土面高差不断增大，当开挖到一定深度，基坑内外土面高差所形成的加载和地面各种超载的作用就会使围护墙外侧土体产生向基坑内移动，使基坑坑底产生向上的塑性隆起。同时在基坑周围产生较大的塑性区，并引起地面沉降。另外，也应看到，基坑开挖后，坑壁向基坑内移动，当基底面以下部分的支护结构向基坑中方向移动时推挤趾部前的土体，造成基底隆起。基底隆起量的大小是判断基坑稳定性和将来建筑物沉降的重要因素之一。基坑隆起量的大小除和基坑本身特点有关外，还和基坑内是否有桩、基底是否加固、基底土体的残余应力等密切相关。围护结构的位移是指围护墙墙体的变形从水平向改变基坑外围土体原始应力状态而引起地层移动。基坑开始开挖后，围护墙便开始受力变形。在基坑内侧卸去原有土压力时，在墙体外侧则受到主动土压力。而在基坑的围护墙内侧则受到全部或部分被动土压力。由于总是开挖在前，支撑在后，所以围护墙在开挖过程中，安装每道支撑以前总是已发生一定9的先期变形。一般挖到设计坑底标高时，墙体最大位移发生在坑底面上1～2m处。围护结构的位移使墙体主动土压力区和被动土压力区的土体发生位移。墙外侧主动土压力区的土体向坑内水平位移，使背后土体水平应力减小，以致剪应力增大，出现塑性区，而在基坑开挖面以下的墙内侧被动土压力区的土体向坑内水平位移，使坑底土体加大水平向应力，以致坑底土体增大剪应力而发生水平向挤压和向上隆起的位移，在坑底处形成局部塑性区。同样地质条件和开挖深度下，深基坑周围地层变形范围及幅度，因墙体的变形不同而有很大差异，墙体变形往往是引起周围地层移动的重要原因。5.3.2软土基坑失稳机理对软土基坑而言，外界条件影响较明显的因素主要有：施工进度、施工震动、坑顶临时堆载、雨后上部土体重量的增加、降水的影响等。当上部土质条件较好时，超尺寸开挖施工，无壁基坑常会出现局部失稳情况，这种情况，往往坑顶的监测位移量不大时，坑底软土的流变性和触变性容易使变形过大而引起坑壁的中下部出现破坏；施工震动会使土质变差，易产生侧向滑动、沉降及基底变形等现象；坑项临时堆载及雨后上部土体重量的增加均会引起坑底应力的增加，对强度较低的软土显然产生不利影响；本身为饱和状态的软10土，在工程降水时，会加快固结作用，变形增加。因软土本身的特性、施工条件和环境条件的变化而引起软结构的破坏，使其物理力学性质变差，基坑的稳定性降低以至失稳。6结语综上所述，软土基坑的失稳主要因其变形过大所致，软土基坑施工过程各种因素影响下，设计采用的土力学参数在各工况下会发生较大变化，这些变化多朝不利方向发展，因此软土基坑施工时，应有合理的挖土方案和完善的监测手段来保证基坑施工的安全，采用信息化施工是预防软土基坑失稳的有效措施。参考文献：11[1]刘建航，侯学渊.基坑工程手册[M].中国建筑工业出版社.[2]建筑地基基础设计规范GB50007-2002.北京：中国建筑工业出版社，2002.[3]建筑地基处理技术规范JGJ79-2002.[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.