我国城市明挖地下工程开发的主要矛盾已由早 期的地下工程稳定性问题逐渐转向地下工程周边环 境变形控制问题。

我国明挖地下工程多处于城市繁华中心地带, 地基开挖往往会影响周围的重要建筑、市政道路、 地下管线、地铁盾构等设施,改变原有地应力场, 引起周围地层位移,导致周围建(构)筑物产生不 均匀沉降。因此现在亟需探明深基坑开挖引起的周 围地层应力场变化和周围地层位移场的变化规律, 并采取有效的应对措施控制变形。

(一)统计经验法

Peck [2] 最早对基坑变形开展了系统性研究, 他提出了考虑地层差异的地层沉降及分布的经验估 算方法。

在此基础上,学者们将基坑变形区域划分为主要影响区域和次要影响区域,对两个区域内地层的 变形特征及区域分界展开了讨论。学者们通过不 断分析基坑变形监测数据提出了基于各种因素影 响的基坑变形经验公式,并采用包括基坑坑底隆 起、基坑挡土墙后地表沉降等参数来评估基坑的 稳定性。

Brand 等 [3] 较为系统地总结了基坑支护系统 变形的主要影响因素,包括:①支护类型;②支护 体系的刚度;③挡墙的埋设深度;④预加荷载值; ⑤施工暴露时间;⑥主体结构的施工方法;⑦地 表超载值;⑧开挖形状和深度;⑨地基土的特性; ⑩周围既有建筑物。

通过监测统计,基坑变形具有显著的空间效应 和时间效应,地基土暴露面积越大、暴露时间越长, 其变形增长越大。尤其是在我国东南沿海经济发 达的软土地区,土体蠕变可以占到总变形的 30 % ~ 60 %。因此软土地区控制土体蠕变对控制基坑总变 形量十分重要,基坑开挖后及时支设支护结构可以 有效控制地基土蠕变。

统计经验法基于实际观测基坑开挖对周围地层 扰动的影响并由此提出地层变动形式和主要影响因 素。限于实际工程情况和现场测点布置,一般只能 获得基坑开挖周边地表沉降、围护结构变形和坑 底隆起等参数作为表征指标,与工程地质条件和 支护形式相结合进行分析,并不能获得完整的地 基变形场。

(二)数值模拟法

随着计算机科学的快速发展,数值模拟法在传 统工程设计中得到广泛应用。基坑开挖的数值模拟 可以更好地考虑岩土体的本构特性、工程地质条件、 结构与土的相互作用及接触面关系和复杂的开挖工 况,因此在地下工程变形预测领域越来越受到重视。

Duncan 等 [4] 采用了非线性弹性模型对边坡开 挖的形状进行了数值模拟,开创了地下工程变形数 值模拟研究的先河。

数值模拟法可以考虑地下工程变形中的流固耦 合问题,并且可以应用各种复杂的本构模型来模拟 土体的应力应变性状。自 Duncan-Chang 的非线性 弹性模型之后,陆续有 Mohr-Coulomb 模型、Mises 模型、剑桥模型及其修正模型、硬化土模型等应用到地下工程变形研究中。丰富的本构模型可以用于 模拟不同应力路径、各种工况下的岩土体变形性状。

早期的数值分析方法将三维问题简化为二维问 题求解。二维数值分析可以较好地模拟隧道断面开 挖、长宽比较大的矩形基坑。近年来,随着计算机 计算能力的不断增强,三维数值模拟方法逐渐成 熟。研究发现,二维分析选取重要断面进行变形 预测模拟,其结果比三维模拟结果和实际监测结 果偏大 [5]。三维数值模拟方法可以更好地分析异 形地下工程引起的地基变形。

数值模拟法可以低成本地模拟各类边界条件、 各类工况下地下工程的变形性质。明挖地下工程变 形的影响因素繁多,工况的组合形式也较多,数 值模拟法可以通过设置不同的变量组合进行研究。 Rowe 等 [6] 基于土体各向异性弹性假设,考虑了地 层损失及注浆等因素对于隧道开挖时的影响,并引 入了间隙参数,使得计算地层沉降时能够考虑各种 施工因素的影响。

数值模拟法可以较好地模拟岩土介质、开挖工 况、边界条件,并可以考虑渗流场、温度场的影响, 因而比传统计算方法有明显优势,但国内数值模拟 法应用时间较短,模拟方法和工程参数经验积累较 少,需要进一步的应用和积累以保证数值分析中参 数选取的合理性。数值模拟对部分施工工况尚不能 很好模拟,包括围护结构施工和打桩置换等引起的 扰动等。

(三)模型试验法

模型试验法是研究和验证岩土工程理论的重要 手段,早期的室内模型试验主要研究基坑开挖的稳 定性和变形机理,取得了丰硕的成果。近年来,基 坑变形成为主要研究内容,小比尺模型并不能有效 地模拟地基土的应力场,大比尺模型的试验条件和 成本较高,因此离心机模型试验得到了快速发展。

早在 1948 年,Terzaghi 等 [7] 利用室内模型试 验研究了散粒体填土材料的挡土墙压力、墙体变形 与土压力关系、滑裂楔体角。

室内小比尺试验着重研究墙后土体性质变化及 墙体与土体接触条件变化对基坑开挖时的土压力及 墙后地表沉降变化的影响。小比尺试验的应力场和 变形场不能完全模拟实际工况,只能进行基坑变形影响因素的定性研究。

离心机试验可以较好地模拟应力场,保证模型 箱区域范围内应力条件接近实际工况,适合进行破 坏失稳型试验,可以较好地模拟基坑开挖各工况下 地基与墙体应力和变形的变化趋势。

大比尺试验可以较好地模拟应力场与变形场, 模型不需进行大比例缩尺,其加载条件和边界条 件也更符合工程和实际情况。我国大型岩土试验 平台建设已取得长足进展,北京工业大学建成了目 前国内最大的地下工程综合试验平台(6 m×6 m ×10 m),达到世界先进水平。 大比尺试验适合进 行重要工程的多场多工况模拟论证研究。

模型试验仍是明挖地下工程变形研究的最直观 手段,需根据研究目标和内容选择合理的试验方案。 由于小比尺试验缩尺效应应力场或变形场失真较严 重;大比尺试验的试验成本较高,耗时较长;离心 机试验对基坑开挖的模拟经验仍有欠缺,需要继续 研究开挖卸载工况等模拟方法。