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深基坑开挖过程中的土体变形计算 摘要 目前，针对深基坑开挖过程中的位移变形问题，主要是以支护结构为研 究对象，研究其在土压力作用下的位移变形，无法考虑支护结构后面土体 的变形及损伤情况。在基坑开挖的位移监测过程中，监测人员无法根据实 测结果对基坑的安全稳定做出正确判断。因此本文以基坑土体为研究对象， 研究基坑开挖时土体的位移变形及损伤发展规律是有实际意义的。 在已有研究成果基础上，本文探讨了剪切强度残留率、开挖尺寸、开挖 深度等对基坑土体卸荷应力的影响，本文基坑开挖影响深度计算公式的计 算结果表明，考虑如上因素时的计算结果介于不考虑基坑尺寸影响和不考 虑剪切强度残留率影响的计算结果之间。详细分析了因土体卸荷产生的土 体损伤，本文计算结果表明基坑壁土体的最大损伤位置大约在么倍开挖深 ，j 度至基坑开挖面处，在开挖面以下，土体损伤程度迅速减小。根据开挖影 响深度、影响范围、损伤度计算公式及土体水平卸荷应力大小，推导了基 坑壁土体的位移变形计算公式。以实际工程为例，应用a b a q u s 分析软件及 b p 神经网络对土体参数进行了反分析计算，结合本文的公式计算了开挖时 的土体极限安全位移和土体损伤情况。综合分析表明，本文研究成果对基 坑工程设计与施工具有一定的指导意义。 关键词：深基坑；影响深度；a b a q u s i 反分析；水平位移；损伤 d o f o r m a tl0 nc a l u c a t10 no fs 0llm a s so ne x c a v a tin gp r o c e s s o fd e e pf o u n d a t10 npit a b s t r a c t c u r r e n t l y ，s u p p o r t i n gs t r u c t u r ea l w a y sb e t h em a i no b j e c tt o s t u d yt h ed e f o r m a t i o nu n d e r e a r t hp r e s s u r ef o rt h ed e f o r m a t i o n p r o b l e mo fs o ilm a s so ne x c a v a t i n gp r o c e s so fd e e pf o u n d a t i o np i t i t i sn ow a yt oc o n s i d e rt h ed e f o r m a t i o na n dd a m a g eo fs o i lm a s s b e h i n d s u p p o r ti n gs t r u c t u r e d u r i n g t h em o n i t o rp r o c e s so f d i s p l a c e m e n t ，m o n i t o r i n gp e r s o n a lc a n n o tm a k eat r u ej u d g e m e n ta b o u t t h es e c u r i t yo fp i ta c c o r d i n gt om o n i t o r i n gd a t a s oc h o o s i n gt h e s o i lm a s so ff o u n d a t i o np i tt ob ei n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e rt os t u d y t h el a wo fd e f o r m a t i o na n dd a m a g ed e v e l o p m e n to fs o i lm a s si sr e a l l y - 一 s i g n i f l c a n c e b a s e do nt h ee x i s t i n gr e s e a r c hr e s u l t s ，t h ei n f l u e n c eo f r e s i d u a l s h e a rs t r e n g t hr a t i o ，e x c a v a t i o nm e a s u r e m e n ta n de x c a v a t i o nd e p t h t ol o a d o f fs t r e s so ft h es o i lm a s so ff o u n d a t i o np i tw a sd i s c u s s e d i nt h isp a p e r t h er e s u l t so fc a l c u l a t i o nf o r m u l as h o wt h a tt h e v a l u e sc o n s i d e r e da b o v ef a c t o r sa r eb e t w e e nt h ei m p a c to fr e s u l t s d o e sn o tc o n s i d e rt h er a n g eo fe x c a v a t i o nm e a s u r e m e n ta n dn o t c o n s i d e r i n gt h ei m p a c to fr e s i d u a ls h e a rs t r e n g t hr a t i o d e t a i l e d a n a l y s i st h es o i ld a m a g ed u et ou n l o a d i n go fs o i ls t r e s s ，t h e c a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h el o c a t i o no ft h eg r e a t e s td a m a g e o fs o i lm a s sare2 3t i m e sa b o u tt h ee x c a v a t i n gd e p t h ，t h el e v e lo f s o ild a m a g er a p i d l yr e d u c e db e l o wt h ee x c a v a t i o nf a c e a c c o r d i n gt o t h e i m p a c t o ft h ee x c a v a t i o n d e p t h ，t h e a f f e c t e da r e a s ，t h e c a l c u l a t i o nf o r m u l ao fd a m a g ea n d t h el e v e lo fs o i lu n l o a d i n gs t r e s s ， t h es o i ld e f o r m a t i o nf o r m u l af o rc a l c u l a t i n gt h ed i s p l a c e m e n ti s d e r i v e d t ot a k ep r a c t i c a lp r o j e c tf o ra ne x a m p l e ，a p p l i e dt h ea b a q u s a n a l y s i ss o f t w a r e a n d b pn e u r a ln e t w o r kb a c ka n a l y z e dt h es o i l p a r a m e t e r c o m b i n e dw i t ht h ef o r m u l ao ft h i sp a p e r ，s a f e t yli m i t s o fd i s p l a c e m e n ta n ds o i l d a m a g e i sc a l c u l a t e d c o m p r e h e n s i v e a n a l y s i s s h o w st h a tt h er e s u l t s o ft h i ss t u d yh a v ec e r t a i n l y s i g n i f i c a n c eo nt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no ff o u n d a t i o np i t k e yw o r d s ：d e e pf o u n d a t i o np i t ；i n f l u e n c ed e p t h ； a b a q u s ； b a c k a n a l y s i s ；h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t ：d a m a g e 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除己注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 纠豸 学位论文使用授权说明 年月y 5 日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 回即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 嘎纠豸聊繇铴凌节占月形日 广西大掌硕士学位论文 深基坑开挖过程中的土体变形q , t 算 1 1 问题的提出及研究意义 1 l1 问题的提出 第一章绪论 2 0 0 2 年至2 0 0 7 年，大连市先后发生了1 2 起深基坑坍塌事故，造成4 死1 伤。此外， 在建筑工地监管范围外还相继发生了4 起沟壁坍塌事故，造成7 死5 伤。 2 0 0 5 年7 月2 1 日1 2 时左右，广州海珠区江南大道南海珠城广场工地深基坑发生滑 坡，导致2 人失踪，4 人受伤，南侧楼宇出现倾斜并部分坍塌。 2 0 0 5 年1 2 月0 1 日下午2 时2 0 分，北京朝阳区熊猫环岛地铁1 0 号线工地2 0 米深 基坑发生倒塌，造成近5 0 0 平方米面积的土体塌陷，事故导致了4 家通信企业电缆折断。 随着高层建筑的兴起与普及，城市中深基坑工程数量越来越多，深度越来越深，由 于城市中建筑物密集，人口众多，一个基坑事故不仅会造成重大的人员伤亡和财产损失， 还会产生重大的社会影响。 因此，对基坑工程开挖过程的土体变形计算进行，根据监测系统测得基坑土体或档 土结构物的位移、沉降、应力、应变等数据，利用反分析的计算方法对位移、应力进行 反分析，判定出损伤发生的位置，评估结构的变形破坏程度对实际工程具有重要知道意 义。 1 1 2 研究意义 岩土工程的地质条件复杂多变，无法在基坑工程设计阶段准确无误地预测基坑工程 施工中会发生地变形、损伤、失稳等情况，同时也无法根据实时监测的数据对基坑进行 安全评价。因此，针对于基坑工程开挖过程中的的土体变形进行计算，并根据实时监测 数据进行结构变形破坏程度判定是有实际意义的。 1 2 研究现状 对于基坑开挖时的位移变形计算，现有的相关计算公式主要以支挡结构为研究对象， 研究其在基坑侧土压力下的位移变形情况，如弹性支点法等n 副。以这种方法研究实际 广西大掌硕士掌位论文深基坑开挖过程中的土体变形计算 问题时要考虑基坑开挖深度、土体性质、支挡结构刚度等的影响b 1 ，能在确定土压力分 布的条件下确定支护结构的受力变形情况。以支护结构为研究对象时，计算结果不能很 好的反映基坑壁土体的变形及损伤情况，若以支护结构背部的土体为研究对象，则能较 好的研究在基坑开挖时基坑壁土体的位移变形及土体损伤h l 隋况，同时对基坑的开挖监 测也具有指导意义。以土体为研究对象时，应考虑的主要影响因素有基坑尺寸瞄1 、开挖 深度、土体性质、开挖影响范围、开挖工况等。 1 2 1 基坑开挖影响深度研究研究现状 基坑在开挖完毕后，相当于对基坑底部土体进行卸载，必然引起基坑底部及基坑附 近一定范围内的土体发生回弹变形，同时应力场和土体的强度也会发生变化。深基坑的 坑内土体回弹隆起，将导致立柱桩不均匀隆沉，引起支撑的变形和内力重分布，严重时 能导致支撑开裂，甚至使支撑体系发生失稳破坏。 基坑工程中卸荷影响深度的研究可以从土体变形、强度变化以及应力场变化3 个方 面入手。2 0 世纪5 0 年代，g j e r r u m 和e i d e 给出了分析深基坑底板隆起的方法；6 0 年代， 在奥斯陆和墨西哥城软粘土深基坑中开始使用仪器进行监测。此后，大量实测资料提高 了预测的准确性，并从2 0 世纪7 0 年代起制定了相应的指导开挖的法规。b a l a d i ( 1 9 6 8 ) 曾研究了线弹性介质内条形挖方坑底的隆起问题；d u n c u n ( 1 9 7 0 ) 利用了曲线模型，对基 坑隆起进行了有限元计算；1 9 9 0 年陈永福哺1 对上海地区围护结构插入深度比( d h ) 为0 8 的软土深基坑的基底隆起进行了研究，认为上海软土地区基坑卸荷以后影响范围约为l 倍的开挖深度；1 9 9 9 年程玉梅口1 从侧向应力的变化出发分析了卸荷影响深度；2 0 0 1 年 程玉梅从卸载的强度特征和强度变化路径出发，推出卸荷最大影响深度，约为坑底以下 1 3 3 2 倍坑深，并认为若考虑应力扩散系数，该值将进一步减小随1 。2 0 0 1 年，潘林有、 程玉梅、胡中雄阳3 通过大量室内抗剪强度试验，从卸荷土体的剪切强度出发，分析了土 体的卸荷影响深度，做出了土体的卸荷比与剪切强度残留率的关系曲线，得出坑底以下 扰动区的深度约为开挖深度的0 5 6 倍，影响区的深度为1 3 3 倍，扰动层的强度为原始 强度的6 2 ，过渡区内强度随深度直线变化；2 0 0 8 年秦爱芳，蒋晨旭n 伽通过大量的卸荷 应力路径试验，模拟了基坑开挖时坑底被动区土体的受力过程，分析了竖向卸荷条件下 土体竖向变形及侧应力的变化。通过对坑底被动区土体回弹应变和侧应力随卸荷比变化 规律的研究，得出了基坑开挖过程中卸荷影响深度的估算方法，指出了基坑的形状、大 小及开挖深度等对卸荷影响深度均有影响，认为当侧应力的变化率小于1 0 时，可不考 2 广西大学硕士学位论文深基坑开挖过程中的土体变形计算 虑卸荷对侧应力的影响。邓指军，贾坚n 1 3 ( 2 0 0 8 ) 通过静止侧压力系数室内试验，采用 侧向应力松弛法以及卸荷比与回弹模量的关系规律研究了基坑开挖回弹的规律，认为影 响基坑开挖坑底回弹的最大深度为基坑开挖深度的2 o 一2 5 倍，坑底强回弹区最大深度 为基坑开挖深度的0 2 - 0 5 倍，为减少因工程桩和立柱桩的不均匀隆沉引起的支撑构件 的过大附加内力，立柱桩的插入深度不宜小于2 倍开挖深度。综合上述部分研究成果， 列表卜1 所下。 表1 - 1 基坑开挖卸荷影响深度研究文献 t a b 1 一is t u d yd o c u m e n t so ft h el o a d o f fs t r e s si n f l u e n c ed e p t ho fp i te x c a v a t i o n 1 2 2 损伤力学在岩土工程中的应用 天然粘土的结构性是普遍存在的，很多试验研究资料表明n 2 q 引，同一种土，原状土 样和重塑土样的力学性质有很大差别。土的结构和构造对土的性质有很大影响。 一般分为单位结构、蜂窝结构和絮状结构，而土粒的形状、大小、位置和矿物成分 等对土的结构有直接影响。t o p o l n i c k i m 等对重塑土性质在平面应变条件下的应力一应 变关系进行了不同应力路径不同应力历史条件下的试验研究，加深了对粘性土力学性质 的认识n 引。h k l o ，n a k a s e 等人对繇条件下人工制备的原状土和周期性荷载作用下的扰 动土的不排水抗剪强度进行了试验研究，并提出了一种用来修正不排水强度的方法n 副。 张诚厚( 1 9 9 5 ) 对沪宁高速公路昆山试验路段范围内的软淤泥质粘土及粉质粘土进行大 量室内试验及现场原位测试和现场观测，证实在结构破坏前后，土的力学性质有很大差 异1 利。 谢定义、齐吉琳( 1 9 9 9 ) 认为土结构性是决定各类土力学特性的一个最为根本的内 在因素，应该和土力学中描述土物理性质的粒度、密度和湿度一起，成为土变形强度等 力学特性变化的依据1 8 。2 训。 天然状态的土，可将之视为完全原状土，而在工程问题中，土是介于原状土与重塑 气 广西大掌硕士学位论文 深基坑开j 宅过程中的土体变形计算 状之间的。而对于原状土和重塑土的土体力学性质研究才刚刚起步，其力学性质受其组 成、土体结构、沉积历史、工程施工方法、试验方法等多种因素的影响。沈珠江院士将 损伤力学的有关理论引入土力学中，对结构性粘土受损后的力学行为进行了研究，从而 可在原状土和重塑土的力学性质己知的条件下运用损伤演变法则来较合理地描述土体 在条件变化后的性质阮。 1 9 8 7 年，f r a n t z i s k o n i s 及d e s a i 认为损伤材料由损伤和未损伤两部分组成，损伤 是由剪应力引起，而损伤演化曲线形状近似能量耗散曲线乜别。 1 9 9 0 年，z h a n g 和v a l l i a p p a n 对岩土工程的横观异性损伤问题进行了研究，认为净 应力张量为非对称张量，c a u c h y 应力张量为对称张量，提出了净应力张量的相容关系式， 同时在弹性余能相等的假设基础上，建立了横观异性损伤理论1 。 1 9 8 8 年，沈珠江将损伤力学应用于土力学中，认为天然结构性土的逐渐破坏是从原 状土逐渐向扰动土的变化过程，1 9 9 3 年，沈珠江提出了结构性粘土的弹塑性损伤模型和 非线性损伤力学模型。沈珠江曾建议两种模型乜，一是复合体模型，把实际土体看成由 原状土和损伤土( 重塑土) 构成的复合体，两者共同承担外荷载，损伤演化函数为关于 体积应变和剪切应变的指数函数或双曲线函数经验公式： 缈= 1 一e x p ( 一口氏一易乞) ( 1 1 ) 缈= a 毛+ 蟾形+ n 毛+ 蟾) ( 1 - 2 ) t i七n v 七d s ) 其中a 和6 为两个参数，乞= 岛+ 岛+ 岛，乞= q - e 3 。 另外一个模型是堆砌体模型，假定总的应变增量由两部分组成，一部分由于有效应 力增加引起，用已有弹塑性模型计算，另一部分由于颗粒破损产生，颗粒的破损可由单 纯压应力引起，剪应力的存在会, , h h n 这一趋势，定义一种包含压应力和剪应力在内的损 伤力q ，假定等于屈服函数厂的表达式，损伤曲线为： 缈= - 一( ，+ c 埘g 丢 e x p ( 一c 。- g 丢 c - 一3 ， 舯铲形( 形) 畔籼躺掀。 1 9 9 6 年，刘祖德，王士恩认为，对于结构性土体，损伤是指在外部压力作用下，土 体内部微缺陷导致其凝聚力的渐进性减弱，并引起体积单元破损的过程，将之视为作为 4 广西大掌硕士掌位论文深基坑开挖过程中的土体变形计算 一种“劣化因素 结合到弹性、塑性、粘弹性和粘塑性等介质中去乜利，而不是一种独立 的物理性质。 1 9 9 8 年，杨松岩，余茂宏在混合物理论的框架内，提出一个处理饱和与非饱和岩土 类材料弹塑性损伤本构方程，认为受损伤的岩土类材料不能承受剪切载荷，但能承受一 定的静水压力，但其承受能力比完好材料要差，损伤变量只与塑性变形的历史有关，损 伤变量的变化率随塑性变形的发展有逐渐变缓的趋势瞳引。 1 9 9 9 年，孙红、赵锡宏通过三轴试验得出，损伤变量与剪应力呈正比，初始损伤门 槛值与固结压力呈指数函数关系h 1 。 至目前为止，应用损伤理论研究结构性图的主要有复合体模型、堆砌体模型和连续 体模型三种类型，损伤变量的演化方程多为与应变有关的经验公式，或与孔隙比演化有 关，或基于能力势函数的流动，或由室内试验所求。 1 2 3 反分析方法研究现状嘲 岩土工程反分析又可以分为位移反分析、应力反分析和应力与位移混合反分析。几 种反分析方法中，由于位移最容易获得，且精度较容易保证，所以位移反分析的应用最 为广泛口引。岩土工程位移反分析方法的基本思想最先是由k a v a n g h 于1 9 7 1 年提出，根 据现场实测的位移，利用有限元方法来计算岩体的力学参数啪3 。另外，g i o d a 和m a i e r 于1 9 8 0 年也提出了同样的方法。此后，日本学者樱井春辅( s a k u r a i ) 在1 9 7 4 年根据 围岩的蠕变位移，利用解析方法计算了岩体的粘滞性系数瞳9 1 ，1 9 7 6 年，k i r s t e m 使用有 限元法求影响系数，然后代入到解析解中，按解析解方法确定岩体的弹性模量b 0 j 。1 9 7 9 年s a k u r a i 提出了一种实用的有限元反分析方法m 1 。在这一方面，国内的许多学者也做 出了许多成果。1 9 8 1 年杨志法假定平面问题的剪应力f 。= 0 ，利用有限元法和有限元图 谱法求解了弹性模量和地应力口副。1 9 8 3 年冯紫良、杨林德提出了一种可用于平面问题、 空间问题的力法位移反分析的有限元分析方法，它将地应力分为均布构造应力和自重应 力，用有限元方法求自重应力场产生的围岩位移差值，反算岩体的均布构造应力口”。改 法对于线弹性问题和非线性弹性问题同样适用。杨林德1 9 9 0 年用边界元反演硐室围岩 初始地应力及粘弹性模型参数。孙钧1 9 9 2 年提出了局部最优解和全局最优化解的概念。 杨志法等提出了位移联图反分析方法。刘维宁1 9 9 3 年以信息论为基础针对岩土工程中 的逆问题，在数学上建立了逆向问题的基础框架。徐日庆1 9 9 4 年在研究土的应力路径 广西大学硕士掌位论文深基坑开挖过程中的土体变形计算 非线性行为时采用正反分析方法确定了模型参数制。1 9 9 4 年，黄宏伟将系统论引入反分 析，视岩体为一个系统，作用于改介质上的荷载或应力为改系统的输入，变形为系统的 输出，进而基于数理统计学的b a y e s i a n 原理，考虑输入输出的不确定性及系统特征参 数的先验信息，提出了广义参数反分析法b 副。1 9 9 5 年杨志法等人提出了要在位移反分析 中考虑松动圈的影响一级利用反演正算综合预测法的原理b 6 1 。 1 3 本文的研究内容和方法 目前针对深基坑工程的开挖问题，主要是以档土支护结构为研究对象，研究其在土 体压力作用下的位移变形情况，无法根据现有公式判定支护结构之后土体的变形及损伤 情况。本文以基坑壁土体为主要研究对象，与工程实际相结合，研究了基坑在开挖条件 下土体的位移变形及损伤问题，研究的主要内容及方法如下： ( 1 ) 研究基坑开挖时基坑壁土体的水平卸荷情况，考虑土体在极限主动状态下土体 破坏允许的卸荷应力大小。 ( 2 ) 在基坑开挖条件下，探讨基坑的开挖影响深度。基坑的开挖影响深度受诸多因 素影响，本文主要考虑剪切强度残留率、开挖尺寸、开挖深度等对卸荷比的影响，并与 其他研究成果进行比较。 ( 3 ) 基坑土体的开挖必然会对周围土体产生扰动，对于扰动产生的土体损伤，本文 根据已有研究成果，采用经验公式进行了土体损伤度的计算，并应用到最终的土体位移 计算公式中。 ( 4 ) 推导基坑开挖条件下的土体位移计算公式。 ( 5 ) 以a b a q u s 软件为基础对某实际工程进行开挖模拟，并利用b p 神经网络反分 析基坑土体的真实土体参数。结合反分析参数结果和推导得出的计算公式，计算基坑极 限安全位移曲线，并利用实际监测数据计算了基坑的应力分布及损伤程度。 6 广西大掌硕士掌位论文深基坑开挖过程中的土体变形计算 第二章基坑开挖位移公式的推导 2 1 基坑工程概述 基坑工程是一个复杂的综合的系统问题，许多问题都有待研究口 ，例如水土压力的 确定，地层受力变形性态，时效特征的模拟，以及空间效应影响的考虑等在理论上仍尚 无成熟的方法，使计算结果与实际发生的情况常有较大的差异。建立可用于基坑围护设 计和安全性监测的分析理论与计算方法，包括依据现场位移量测信息确定水土压力的分 布及基坑的安全性，以及运用由反分析计算确定的参数对基坑变形及其稳定性作出预报 分析等都是十分具有实际意义的。 ( 1 ) 地域性：基坑工程的地域性主要是受地质差异的影响。不同的地区，地质情况 存有明显的差异性，即使是同一城市的不同区域也会有很大的差异。例如广西地区膨胀 土发育良好，而长三角地区则是典型的软土地区，广西地区的基坑施工经验显然不能照 搬应用到长三角地区。对于黄土地基、砂土地基、软粘土地基等工程地质和水文地质条 件不同的地基中，基坑工程差异性很大。由于岩土性质于变万化，地质埋藏条件和水文 地质条件的复杂性、不均匀性，往往造成勘察所得到的数据离散性很大，难以代表土层 的总体情况，且精确度很低。因此，深基坑开挖要因地制宜，根据本地具体情况，具体 问题具体分析，而不能简单地完全照搬其他区域的工程经验。 ( 2 ) 综合性：深基坑工程涉及土力学中强度( 或称稳定) 、变形和渗流3 个基本课题， 三者融溶一起需要综合处理。有的基坑工程土压力引起支护结构的稳定性问题是主要矛 盾，有的土中渗流引起土破坏是主要矛盾，有的基坑周围地面变形是主要矛盾。深基坑 工程的区域性也表现在这一方面。同时，深基坑工程是岩土工程、结构工程及施工技术 相互交叉的学科，是多种复杂因素相互影响的系统工程，是理论上尚待发展的综合技术 学科3 引。 ( 3 ) 土压力的复杂性：基坑工程中作用在挡土结构上的土压力是个很复杂的问题。 目前土压力理论还很不完善，静止土压力按经验或半经验公式确定，主动和被动土压力 按库伦( 1 7 7 6 ) 土压力理论或朗肯( 1 8 5 7 ) 土压力理论计算。这些都出现在t e r z a g h i 有效 应力原理问世以前。现在广泛应用的经典土压力理论给出的是极限值，即达到主动极限 状态或被动极限状态的接触压力，设计时则用安全系数进行控制，当围护结构处于正常 7 广西大掌硕士掌位论文深基坑开j 宅过程中的土俸变形计算 的工作状态时，这种极限状态是不可能出现的。根据经典土理论分析可知，经典理论都 假定沿着墙面从上到下，同时到达极限状态，实际上给出的是挡土结构物在平移条件下 的解答m 。另外在考虑地下水对土压力的影响时，是采用水土压力分算，还是水土压力 合算，在学术界和工程界认识还不一致，各地制定的技术规范中的规定也有差异。 ( 4 ) 时空效应：土压力具有时空效应，作用在挡土结构上的土压力与挡土结构的位 移直接相关，基坑围护结构承受的土压力一般是介于主动土压力和静止土压力之间或介 于被动土压力和静止土压力之间。基坑围护体系的深度和平面形状对其稳定性和变形有 较大的影响，在基坑支护体系设计中要注意基坑工程的空间效应。土体是多相介质，基 坑开挖卸载引起的超静孔压的消散与时间有关，而土骨架又具有蠕变性，蠕变将使土体 强度降低，使土坡稳定性减小，这些因素都使得基坑工程具有很强的时间效应。 2 2 基坑开挖侧向应力 2 2 1 土体侧向位移与土压力分布 土体侧向土压力的大小及分布规律受到墙体可能的位移方向、墙的截面刚度、土的 变形、土体性质等的影响。根据土体外侧墙的土体位移情况和土体所处的应力状态可以 将土体压力分为如下三种： ( 1 ) 主动土压力：挡土墙向离开土体方向偏移至土体达到极限平衡状态时的土压力 e ； ( 2 ) 被动土压力：挡土墙向土体方向偏移至土体达到极限平衡状态时的土压力e 。； ( 3 ) 静止土压力：挡土墙静止不动，土体处于弹性平衡状态时的土压力毛。 e 土压力 e 口 么被动 e 。r 主动 e o i j 一 l， l 图2 1 墙身位移与士压力的关系 f i g 2 一lt h er e l a t i o nb e t w e e ne a r t hp r e s s u r ea n dd i s p l a c e m e n t 8 广西大学硕士学位论文深基坑开挖过程中的_ - i t 体变形计算 土体最靠近墙身处位移与土压力关系如图2 - 1 所示。 基坑在开挖前土体都没有产生位移，所以土体处于静【 ：土压力的弹性平衡状态，此 时在深度h 处十体的水平向静止土压力强度为： 盯2 = k o y h ( 2 一1 ) 式中：k 土的静止侧j 玉力系数，可查相关表格取用，或k o = l s i n ( 缈为土的有 效内摩擦角) 计算； y 土的重度， k n m 3 。 深度h 处土的自重应力为：q = y h ，由于半空间内每一竖直面都足对称面，因此竖 直截面和水平截面上的剪应力都等于零。 2 2 2 基坑开挖土体侧向位移与土压力分布 在开挖前，基坑中侧向应力分布如图2 2 所示，吒= 7 h ，吒= k o y h 。基坑开挖完 岛帕 麓 黧父黟拣 未开挖部分 图2 - 2 开挖前基坑侧向土压力分布 f i g 2 2l a t e r a le a r t hp r e s s u r ed i s t r i b u t i o nb e f o r ee x c a v a t i o n 毕且没有施加外支撑时，基坑未开挖部分外侧的侧向土压力变为零，假想对基坑未开挖 j ! i j 分施加了一个与侧向土压力的大小分布相同，方向相反的竖向线性分布应力，示 意图见图2 - 3 。对图2 - 3 中情况做如下假设： ( 1 ) 基坑开挖时其蛏向自重应力无变化； ( 2 ) 忽略由于侧向变形造成的土体内部应力重分布。 则开挖后上体内应力为： q = 吒+ c r 2 ( 2 2 ) 盯= o i + 0 ( 2 3 ) 基坑开挖后土体侧向变形主要受图2 3 ( c ) 中的应力决定。 9 广西大掌硕士学位论文深基坑开挖过程中的土体变形计算 ( a ) 开挖后 岛帕 黧 ( b ) 开挖前 + 岛帕 鬟 图2 - 3 开挖后荩坑侧向土压力分布 f i g 2 3l a t e r a le a r t hp r e s s u r ed i s t r i b u t i o na f t e re x c a v a t i o n 2 2 3 主动极限平衡状态土体应力分布 ( c ) 朗肯土压力理论是根据半空间的应力状态和土的极限平衡条什而得出的土压力计算 方法。用莫尔应力圆表示如图2 - 4 所示。如果土体在水平方向伸展，则单元竖直截面上 l f 一 一 吒点。弦 弦 o - 图2 - 4 半空间的极限平衡状态 f i g 2 - 4t h es t a t eo fl i m i te q u i l i b r i u mi nh a l f s p a c e 的法向应力逐渐减小，即单元的水平向应力将逐渐减小，而水平截面卜的法向应力o l 将保持不变，当满足极限平衡条件时，甚u 莫尔圆与抗剪强度包线相切，此时为土体的极 限平衡状态，单元的水平向应力c r 2 由k 0 7 z 减小至，当水平向应力小丁吒时，土体继 续伸展，上体单元即发生了破坏，造成上体塑性流动。 对于粘性七，主动土压力强度包括两部分：一部分是土自蕈引起的土压力y 办k ， 另一部分就是由粘聚力c 引起的负侧压力2 f 。因此粘性土存有一个临界深度r 即： j l l d2 厄) ( 2 - 4 ) 本文中将某一深度处土体在形成塑性流动之前最大可以达到的水平向卸荷应力称为 临界水平卸荷应力，以c r 2 表示。当开挖深度z 小于等于临界深度时，有 吒= y 如一2 c x - i o ，临界水平卸荷应力值取 为： 0 2 = y z k 。一吒= ( 一心) 弦+ 2 c 巧 ( 2 6 ) 式中，k 土的静止侧压力系数； e 朗旨主动t 压力系数，k a - = t a n 2 ( 4 5 。一) ； 够土的内摩擦角，度。 具体分布卵。幽2 5 。 2 c 压 - r e 叁 么鍪 ，= _ 蝴 ( 鼠一堡! 堡il 图2 - 5 开挖深度内临界水平卸荷应力分布 f i g 2 4t h ed i s t r i b u t i o no fc r i t i c a lh o r i z o n t a ll o a d o f fs t r e s si ne x c a v a t i o nd e p t h 2 3 基坑开挖影响深度计算 当十层均匀时，卸荷前地基中竖向应力和侧向应力随土层的深度呈线性变化，而由 于土体的卸荷，原有应力场将发生改变，土压力重新分布。上述研究成果大都是通过大 量的室内试验，采用卸荷比及侧向应力松弛法等方法来分析基坑开挖的卸荷影响深度， 主要考虑的是开挖深度对卸荷影响深度的影响，没具体考虑到基坑的开挖尺寸对卸荷影 响深度的影响，本节方法在考虑基坑开挖影响深度时综合考虑了开挖深度及基坑尺寸对 卸荷影响深度的影响。本为主要考虑基坑开挖对基坑土体位移的影响，所以以侧向应力 广西大掌硕士掌位论文 深基坑- y ? - j 宅过程中的- - l 体变形计算 松弛法出发来考虑基坑的开挖影响深度。对于大面积开挖的基坑工程，可以把土体挖除 p ( z ) = 胆 ( 2 7 ) 肚器 8 ， 厶iz ， 式中：叹附加应力系数； 咒( z ) 卸荷前土体竖向应力。 设一开挖基坑面积为矩形，其尺寸长宽= 2 x b ，依据布辛奈斯克解，基坑边中部 弛阳f $ d p z = 2 x 3 y h z 3 1 1 一哆 等删 图2 6 卸荷应力分布图 f i g 2 6t h ed i s t r i b u t i o no fl o a d o f fs t r e s s 在接近基坑底部开挖面处，按公式( 2 - 9 ) 计算的基坑边中部的竖向卸荷应力最大值 p ( z ) f= 譬，如图2 - 6 ( a ) 中的a 点，其卸荷应力分布图如图2 - 6 ( b ) 所示。布辛奈斯 。i m a x ， 克解为弹性半空间条件下的理论解，由于a 电位于基坑开挖面的边界上，受旁边未开挖 的土体应力影响，a 点的竖向卸荷应力值为掣，在开挖面上下卸荷应力存在不连续变 z 化，与实际条件不符。因此，本文在计算坑底卸荷应力时，选取开挖面中距基坑边有一 定距离的b 点，如图2 - 6 ( a ) 中的点b ，计算该点的卸荷应力作为基坑边的卸荷应力，则 其卸荷应力分布如图2 - 6 ( c ) 中所示。 根据已有的研究成果，根据文献 9 中的卸荷比与剪切强度残留率的关系，取当剪切 1 2 广西大学硕士掌位论文深基坑开挖过程中的土体变形- h - 算 强度残留率达到9 0 时的卸荷比r = 0 1 7 为基坑开挖影响深度的临界卸荷比，当卸荷比 r 0 1 7 时，可不考虑卸荷的影响，其判别公式为： 尺= 丝2 o 1 7 日+ 7 m d 式中：基坑开挖面以上土体的平均重度； 基坑开挖面以下至深度d 以内土体的平均重度； d 基坑开挖面以下的卸荷影响深度。 公式( 2 - 1 0 ) 考虑了基坑尺寸对影响深度的影响。 日 o n | i 由 基 后坑 v 、 i i 迈n i o ba = 4 9 m乞= i m rr ii i ( 2 - i 0 ) i ，= 5 0 m l 图2 - 7 基坑开挖尺寸 f i g 2 7e x c a v a t i o nm e a s u r e m e n to fp i t 以一深度h = 1 0 m ，尺寸为zx b = 5 0 m x 5 0 m 的基坑开挖为例，土层为均匀土层， 基坑开挖尺寸如图2 7 所示，b 点距离基坑边a 点的距离为1 m ，以式( 2 - 1 0 ) 为判别标 准，计算基坑开挖影响深度。 r = 上z = 兰旦z l 三2 坦：( 2 a c , + 2 a c t , ) x 1 0 o 1 7 ( 2 - 1 1 ) h + d日+ d 1 0 + d = 去l 秽i + d 2 器+ d 鞯2 + 坚b o + d 2 s i n 一卜2 ， 铲瓦