摘要： 基坑工程必须以周围环境安全为前提，介绍了经验公式法、安全系数法、时空效应法、地层损失法、数值分析法等预测环境变形的方法，指出了预测基坑周围环境变形，结合多种方法，在解析解、数值解的基础上，根据前一阶段获取的实际数据反分析，修正参数后预测下一阶段的变形，才能真正做到信息化施工，保证施工的安全。
Abstract： The premise of excavation must be the surrounding environment safety， empirical formula method， safety factor method， temporal effect method， ground loss method and numerical analysis method are introduced. Combining a variety of methods to predict soil deformation around can be information construction is pointed out. The method is based on analytical solution and numerical solution， according to the previous phase data， using correction parameter to predict the next stage of the deformation， to ensure the safety of construction.
关键词： 基坑；环境变形；预测
Key words： foundation；environmental deformation；predict
中图分类号：TU433 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）27-0122-02
0 引言
基坑开挖是土体卸荷过程，地应力的释放必将引起基坑周围环境的变形，另外，地下水环境变化也会使坑周土体产生位移及变形。随着科技和经济的发展，城市发展速度日益加快，为缓解城市土地资源有限与建筑、交通密度加大的矛盾，地下空间的利用越来越充分。地下土地利用必然会进行大量基坑工程施工，基坑工程是一个高度复杂的多因素影响的非线性系统[1]，影响施工变形的因素有：基坑无支撑暴露时间、基坑开挖深度、开挖土层厚度、开挖宽度及围护壁刚度等。
基坑工程施工环境变形是在工程规模越来越大、施工行为越来越复杂的前提下产生的，目前常用的方法有经验公式法、安全系数法、数值分析法和反分析法、地层损失法、系统分析法、时空效应法等，理论方面经历了从较早的土压力理论和板桩分析理论到二维、三维数值分析再到反分析的发展阶段，其中反分析法是在数值分析方法基础上提出的，将数值分析法的应用提高到了更高层次。
1 国内外研究现状
1.1 经验公式法 在国内，唐孟雄、赵锡宏[2]用回归分析方法求得深基坑挡土墙侧向位移函数，并导出挡土墙任意剖面沉降的最大下沉值，得出地表任意一点的沉降计算公式，并推导出地表任意点沿任意方向的倾斜、曲率变形及曲率半径。
①地表任意点沉降计算公式：
wm （y）=■（dy2+ey+c+■aH2+■bH）
w（x，y）=wm （y）exp[-？仔（■）2]
式中：wm （y）任意点A（x，y）所在剖面沉降最大值（mm）。
a，b，c，d，e：由最小二乘法得到的墙顶水平位移v（y）=dy2+ey+c、挡土墙侧向位移拟合函数u（z）=az2+bz+c中的各项系数。
w（x，y）：任意点A（x，y）地表的沉降值（mm）。
②地表沿任意点沿任意方向的倾斜公式：
Ta=[-■wm （y）cos？琢+■（2dy+e）sin？琢]exp[-？仔（■）2]
式中Ta：任意点A（x，y）沿x轴成？琢角，逆时针方向由x轴旋转到计算方向的倾斜角度。
③地表沿任意点A（x，y）的曲率，为该点倾斜的一阶方向导数。
国外方面，Peck，R. B.[3]曾经给出沉降/基坑最大深度——离基坑的距离/基坑最大深度的无因次曲线，可用以得到沉降的数量级及沉降分布曲线。Peck认为沉降大小主要受地区条件的控制。
1.2 安全系数法 安全系数法由Mana和Clough首先提出，是一种基于有限元和工程经验的简化方法，用于估算支护墙体最大位移和墙后地面的最大沉降值。
王洪新等在文献[4]中运用修正的基坑抗隆起稳定安全系数计算公式及数值方法分析基坑变形与安全系数的关系，证明基坑设计存在一个最优的插入比。
Donald和Giam[5]曾用有限元法得到的结点位移来确定土坡稳定的安全系数。
1.3 时空效应法 刘建航院士等从国内软土地区，在深基坑的施工实践和试验研究的成果中认识到：在深基坑开挖及支撑过程中，分步开挖的空间尺寸和支护结构开挖部分的无支撑暴露时间等参数与基坑变形有一定的相关性[6]。
国内方面，范益群[7]等提出了在软土地区基坑围护结构设计中，考虑时空效应的空间计算模型以及有限元子结构解法，并编制了相应的增量法程序。
在国外，Terzaghi、Peck、Clough、Davision、Bgerrum、Tsui等在上世纪中后期在地下空间开挖对环境的影响所做的研究成果上，均触及到时间和空间效应在深大基坑的设计或施工中的作用[6]。
1.4 地层损失法 地层损失法是利用墙体水平位移和地表沉降相关的原理，采用杆系有限元法或者弹性地基梁法，依据墙体位移和地表沉降二者的地层移动面积相关的原理以求出地面沉降[6]。
地层损失法式侯学渊教授参考盾构法隧道地面沉降Peck和Schmidt公式，借鉴三角形沉降公式提出的。
1.5 数值分析法 近年来随着计算机技术进入各学科领域，岩土力学数值分析方法发展迅速，数值方法可从空间及时间上较全面的反映各种因素对位移的影响[8]，主要方法有：有限差分法；有限元法；边界单元法；无限单元法；刚体弹簧模型或刚性有限元法；离散元法；非连续变形分析；流形方法；无单元法；各种耦合方法。这些数值方法大致可分为连续变形分析方法和非连续变形分析方法。
数值分析方法是由最初主要为求解线性问题发展到非线性分析，由单纯力学分析发展到流体、热传导、磁力学及化学工程等各个学科的方法。随着数值方法基本理论的日臻完善，数值计算方法应用领域和范围越来越广，如有限元分析软件ADINA、ANSYS、MSC，有限差分软件FLAC、UDEC，而FLAC、UDEC成为国际岩土力学界的主导计算软件，是目前国际上公认的最优秀岩土力学数值分析计算软件之一。
在国内，曾远等在文献[9]用有限元软件ANSYS，研究了上海张杨路地铁车站基坑开挖时新旧两车站间距、源头变形、土体弹性模量三个因素对运营车站变形的影响，得出土体弹性模量、间距、源头变形的变化对车站结构侧向变形的影响不大以及车站侧向变形最大值的估算式等成果。
刘珣等在文献[10]中结合武汉市“新世界中心”特大型深基坑喷锚网支护工程，用FLAC3D建模，通过对模拟变形与现场实测结果的比较分析，得出喷锚网支护结构侧向位移、竖向位移、沿基坑长（宽）方向上位移的相关研究结论和规律。
国外方面，Kojima[11]等根据隧道上部基坑地表变形，建立了一个已有隧道的计算模型，分析了23个盾构隧道的观测数据，用二维有限元数值参数进行研究，得出导致隧道变形的主要因素是衬砌刚度、地面刚度、地面和隧道内衬的接触面及初始地应力等。
2 存在问题
尽管已有多种方式预测基坑变形，但目前尚没有完全成熟的方法。土体是各向异性材料，若试图建立一种较为完善的适用于各种地层、支护方式的经验或理论公式以预测环境变形是十分困难的，例如解析解只能给出某一剖面地层上的变形和内力分布。若预测某一特定施工条件下的土体环境变形，采用模型试验方法能给出较为准确的变形及内力发展规律，但是模型试验费用高昂且对试验环境要求高，推广使用十分困难。数值计算方法能给出环境的变形趋势，但目前建立的岩土的本构模型有限，要对本构关系有清楚认知，就要通过大量试验、观察及测量来获取响应数据，然后在已有理论指导下获取数据。
因此欲预测基坑开挖引起的周围环境变形，需要各种方法结合使用，在理论推导、数值计算的基础上，根据前一阶段实际获取的变形数据反分析，选取、修正岩土参数后再对下一阶段的变形进行预测。
3 结语
为维护土工环境安全，基坑工程已经超出了强度和稳定性的基本要求，而进入变形控制阶段。变形控制取代传统的验算强度和稳定性，其基本思想是地下工程施工中既要保证其结构安全、不失稳，又要消除施工对周围环境造成的超出允许变形值的不利影响。
综上所述，国内外对基坑开挖引起的环境变形预测有很大发展，建立了许多理论及方法。但文章也同时对各种预测方法存在的问题进行了探讨，指出较为准确的预测基坑开挖引起的周围环境变形，多种方法结合使用，在解析解、数值解的基础上，根据前一阶段获取的实际数据反分析，修正参数后预测下一阶段的变形，做到信息化施工，保证施工的安全。
参考文献：
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