（岩土工程专业论文）超深基坑荷载及变形特性研究.pdf

摘要 摘要 近年来，由于城市建设和经济发展需要，基坑工程呈现出“深、大、近、 紧、难一的特点。尤其是随着城市中心资源的土地愈发稀缺、地铁轨道交通建 设等的需要，深基坑甚至是超深基坑不断出现。虽然随着超深基坑工程的增多， 我们积累了一定的经验，但是总体上来说，目前的理论研究仍然多局限与一般 的深基坑，实践已经超在了理论的前头。尤其是对于上海地区的软土超深基坑， 仍然面临着许多问题。本文从工程实际需求出发，以为超深基坑的设计和变形 预测提供依据为目标，通过对水土压力和变形的实测数据的收集、整理和分析， 主要研究了以下内容： l 、对国内外水土压力的计算理论和计算方法进行了收集、整理，研究了不 同计算理论和方法对于上海地区土层的合理性及适用性。通过对土中水的渗流 机理的研究，推导了渗流对于围护结构上水土压力的影响。 2 、收集了4 个工程的水土压力实测数据，并通过对实测数据的研究分析， 提出了静止土压力和主动土压力的计算方法和参数取值。并针对不同土层给出 了作用于超深基坑围护结构上的荷载设计取值建议。 3 、收集了4 5 个上海地区开挖深度超过2 0 m 的基坑，对其围护结构变形和 墙后地表沉降进行了统计分析。分析分别从施工方法、基坑尺寸、软土层厚度、 墙趾入土深度、施工周期、系统刚度等几个方面进行展开。并同国内外已有的 一般深基坑的统计结果进行比较，得出了上海地区超深基坑的一般变形规律和 变形控制要点。 4 、通过以常熟车站为基本模型的有限元模拟，探索基坑加固、体系刚度、 墙土摩擦、插入深度、预应力对超深基坑变形的影响。并将计算结果与一般深 基坑的结果进行对比，得到超深基坑与一般深基坑变形性状的异同点。并结合 统计的结果为超深基坑的合理设计提出了建议。 关键词：超深基坑实测统计有限元水土压力变形性状渗流 a b s 缸 a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，e x c a v a t i o np r o je c th a ss h o w e ds o m en e wf e a t i i r e ss i n c et h en e e d o fc i t yc o n s t r u c t i o na n de c o n o m i cd e v e l o p m e n t e x c a v a t i o np r o j e c t i o nb e c o m e s d e e p e r , l a r g e ra n dm o r ec o m p l e x t h ed i s t a n c eb e t w e e nb u i l d i n g sa n ds u b w a yi s g e t t i n gc l o s e r t h et i m el i m i tf o rc o n s t r u c t i o n si sm o r eu r g e n t e s p e c i a l l yw i t ht h e d e c r e a s eo fl a n da r e ai nu r b a na n dn e e do fm e t r oc o n s t r u c t i o n ，d e e pe x c a v a t i o ne v e n t h eu l t r a - d e e pe x c a v a t i o ns h o w e do f t e n t h o u g hw eh a v eo b t a i n e ds o m ee x p e r i e n c e w i t ht h ei n c r e a s ei nt h en u m b e ro fu l t r a - d e e pe x c a v a t i o n ，m o s to fn o w a d a y sr e s e a r c h s t i l ll i m i t e di nt h ea r e ao fn o r m a ld e e pe x c a v a t i o n p r a c t i c eh a se x c e e d e dt h et h e o r y o fu l t r a - d e e pe x c a v a t i o n e s p e c i a l l yf o r t h eu l t r a - d e e pe x c a v a t i o ni ns h a n g h a i ，t h e r e s s t i l lal o tp r o b l e m sw h i c hh a sn o tb e e ns o l v e d t h et h e s i st a k et h ed e s i g na n d d e f o r m a t i o np r e d i c t i o no fu l t r a d e e pe x c a v a t i o na st a r g e tf r o mt h en e e d so fr e a l p r o j e c t s t h r o u g hg a t h e r i n ga n da n a l y z i n gt h em e a s u r e dd a t ao fd e f o r m a t i o na n d e a r t hp r e s s u r e ，t h et h e s i sc o n c e n t r a t e so nf o l l o w i n g a s p e c t s ： 1 、t h et h e s i sc o l l e c ta n da n a l y z et h ec a l c u l a t i o nt h e o r ya n dm e t h o do fe a r t h p r e s s u r ed o m e s t i ca n da b r o a d s t u d yt h ea p p l i c a b i l i t yo ft h e s et h e o r ya n dm e t h o di n g e o l o g i cc i r c u m s t a n c eo fs h a n g h a i t h r o u g ha n a l y z et h em e c h a n i s mo fs e e p a g e ，w e d e d u c et h ee f f e c ts e e p a g ee x e r t e do nt h ee a r t hp r e s s u r eo fr e t a i n i n gw a l l 2 、c o l l e c tt h ee a r t hp r e s s u r em e a s u r e di nf o u rp r o j e c t s b ya n a l y z i n gt h o s ed a t a , b o t ht h ec a l c u l a t i o na n dp a r a m e t e r so b t a i n i n gm e t h o dh a v e b e e np u tf o r w a r d f i n a l l y w er e c o m m e n dt h em e t h o dt oc a l c u l a t et h el o a do nt h er e t a i n i n gw a l la c c o r d i n gt o d i f f e r e n ts o i l 、 3 、f o r mad e f o r m a t i o nd a t a b a s eo f51p r o je c t sw h i c he x c a v a t i o nd e p t ha r eo v e r 2 0m e t e r s t h et h e s i sa n a l y z e sb o t ht h eh o r i z o n t a ld e f o r m a t i o no ft h ew a l la n d g r o u n d s e t t l e m e n tb e h i n dw a l lf r o md i f f e r e n ta s p e c t s t h e s ea s p e c t sa r ec o n s t r u c t i o nm e t h o d ， e x c a v a t i o na r e a , t h i c k n e s so fs o f t s o i l ，i n s e r t i o nr a t i o ，s y s t e m s t i f f n e s sa n d c o n s t r u c t i o np e r i o d w ea l s oc o m p a r et h er e s u l t sw i t ht h a to b t a i n e db yt h es c h o l a r s d o m e s t i ca n da b r o a d a tl a s tw eo b t a i nb o t hd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n d i i d e f o r m a t i o nc o n t r o l l i n gm e t h o do f u l t r a - d e e pe x c a v a t i o ni ns h a n g h a i w eu s ef e mp r o g r a mt os i m u l a t et h em o d e l w h i c ht a k e sc h a n g s h um e t r os t a t i o n 弱i t sp r o t o t y p e t h i sh e l p su su n d e r s t a n dt h ee f f e c to fg r o u n di m p r o v e m e n t , s y s t e m s t i f f n e s s ，s o i l s t r u c t u r ef r i c t i o n ，i n s e r t i o nr a t i oa n dp r e s t r e s st od e f o r m a t i o no f u l t r a - d e e pe x c a v a t i o n w ec o m p a r et h ec h a r a c t e r i s t i co fu l t r a d e e pa n dn o r m a ld e e p e x c a v a t i o na n df i n dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e m f i n a l l yb a s e do nt h eb o t hf e ma n d s t a t i s t i cr e s u l t s ，t h et h e s i sg i v e st h es u g g e s t i o nf o rt h eu l t r a - d e e pe x c a v a t i o nd e s i g n k e y w o r d ：u l t r a d e e pe x c a v a t i o n ，m e a s u r e da n ds t a t i s t i c sd a t a ，f e m ，e a r t h a n dp o r ep r e s s u r e ，c h a r a c t e r i s t i co fd e f o r m a t i o n ，s e e p a g e i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规 定，同意如下各项内容：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，并采用影 印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目 录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权 按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子 版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分 或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：夯留扣主 砂7 年乡月矽日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年 月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：蝌乞 1 年乡月矽日 第1 章引言 1 1 研究背景 1 11 超深基坑的发展现状 第1 章引言 随着经济的发展，城市人口与基础设施落后之m 的矛艏愈显突出。为缓和 这一矛盾建筑物不断向空中发展，1 j 此同时，菩类川途的地r 空问和设施也得 到空前的发展形成城市建设的二维发展趋势。这些地下卒间和设施包括高层 建筑地下室、地下铁道、越江隧道、地下商业街、地下仓库等并种形式。开发 和建造这些地卜空问和设施，首先要进行的就是人规模的深开挖，凶此，作为 保障深开挖进行的深基坑工程技术也得到小断的发展。 近年来，由于城市建设和经济发展需蜚，辈坑丁程呈现 l ：“深、人、近、 紧、难”的特点。尤其是随着城市中心资源的十地愈发稀缺、地铁轨道变通建 设等的需要，涞基坑甚至足超深基坑小断卅现。 以国内为例ii ，北京嗣际新闻文化中心的撼坑开挖深度平均为2 29 6 m ；国 家_ ：剧院工程基6 m 埋深最深处为3 2 ；m i 润扬长江大桥北锚碇基坑半均开挖深度 达到4 8 m 。 ，。然刮2 j 醺i m l 5 2 0 罔iir 海地铁丌挖深度分布统计 l 。海地区近年来超深丛坑的发展也十分迅猛。地铁董家渡修复上程丌挖深度 甲均达到3 8 m ，1 海外环隧道浦两峭埋段基坑、世h i 变电站等基坑开挖深度都达 第1 章引言 到了3 0 m 以上。特别是随着上海地铁建设的高速发展，地铁不断向深度扩张， 开挖深度超过2 0 m 的基坑已经占了很大一部分比例。如图1 1 所示，其中端头 井开挖深度超过2 0 m 的基坑已经占到了总数的3 3 9 6 。以如此的发展势头，超深基 坑很快就会成为基坑工程中的主流。 1 1 2 存在的问题和意义 深基坑工程涉及基础工程、结构力学、工程结构、工程地质和施工技术等， 是一项综合性很强的工程，在设计和施工中，不仅存在基坑本身的安全与稳定 问题，而且要注意基坑开挖引起地面和地层的运动对相邻建筑物、道路和地下 管网等设施的影响。然而，由于围护体系受力的复杂性以及土的工程性质的变 异性、不均匀性等，使得深基坑工程又是一项风险性很大的工程，稍有不慎就 会酿成巨大的工程事故。 虽然随着超深基坑工程的增多，我们积累了一定的经验，但是总体上来说， 目前的理论研究仍然多局限与一般的深基坑，实践已经超在了理论的前头。尤 其是对于上海地区的软土超深基坑，仍然面临着许多问题。 ( 1 ) 超深基坑的定义 工程界上习惯将开挖深度超过6 m 的基坑列为深基坑，文献 2 的研究表明： 在软土地区，有支撑深基坑开挖深度大于1 5 m 时，主动区土压力沿深度分布形 状发生根本性变化；当开挖深度小于1 5 m 时，主动区土压力在开挖面以上为三 角形分布，而在开挖面以下旱矩形分布：但当开挖深度大于1 5 m 时，土压力在开 挖面附近骤然减小并且减小量很大，以至于十压力呈凹型分布。因此，将开挖 深度大于1 5 m 的深基坑称为“超深 基坑。 然而随着基坑工程的不断发展，1 5 m 左右的基坑现在已经随处可见，其规律 也已经被众多学者和工程人员所研究过，再作为“超深 似乎已不合适，因此 需要对“超深基坑的定义进行新一轮的更新。 ( 2 ) 超深基坑的设计 目前上海地区超深基坑的设计仍然沿用一般深基坑的设计理念和方法。其 设计方法都是建立在一般深基坑的研究基础之上，但这些理论很少或者没有在 实际中得到验证。如超深基坑的土压力现场实测，目前也只在极少数特定工程 中得到应用，且量测深度和效果也没有达到理想状态。土压力的现场实测主要 2 第1 章引言 是为了获得作用在围护结构上的荷载，以及深层土体压力与各种影响因素之间 的关系。因此有必要继续通过现场实测和理论推导对超深基坑围护结构上的荷 载进行研究，以为设计提供相关依据。 ( 3 ) 超深基坑的环境保护 上海地区一般的超深基坑都会建在建筑密集区。尤其是城市轨道交通，为 了缓解城市交通压力，越是建筑物密集交通拥堵的地方越要建地铁，客观条件 决定了很多地铁超深基坑工程必须在原有密集建筑群的包围之下进行开挖施 工，即地铁工程通常处于房屋和生命线工程的密集地区。 在这种情况下，不可避免的就必须对基坑的变形进行控制与预测。与设计 类似，现有的变形控制与预测理论也是基于一般深基坑。部分经验、理论对于 超深基坑己经不适用，因此也迫切的需要对超深基坑的变形形状进行研究。 综上所述，对上海软土地区超深基坑上的荷载和变形特性进行研究对于设 计与施工都是十分紧迫与必要的。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 土压力研究 土压力的研究最早可追溯至刚性挡土墙的土压力研究，2 0 0 多年来，国内外 的工程技术人员进行了大量的土压力理论与试验研究工作，提出了多种土压力 计算理论。研究人员对土压力的研究主要集中在对极限状态和非极限状态下土 压力的大小和分布情况、工程中土压力的计算方法和取值研究以及土压力的影 响因素及其变化规律这几方面。 1 2 1 1 极限状态土压力的研究 早期的由极限平衡理论导出的朗金理论( r a n k i n e ，1 8 5 7 ) 和用滑楔理论推 出的库伦理论( c o u l o m b ，1 7 7 6 ) 仍然在广泛应用。 t e r z a g h i ( 1 9 4 1 ) 3 1 假定土体的滑动面为由对数螺旋面和平面两部分组成， s h i e l d sa n dt o l u n a y 4 l ( 1 9 7 2 ) 采用了t e r z a g h i 提出的假定破坏面，采用类似 于b i s h o p 条分法的分析方法计算了极限土压力系数。 w a n g ( 2 0 0 0 ) 5 】在c o l u m b 滑楔体理论的基础上，通过考虑滑楔体上一个单元 3 第l 章引言 上力的平衡推导出了一阶的差分方程，并与经典的c o u l o m b 公式一起与试验结 果进行了对比。 s o u b r a ( 2 0 0 0 ) 【6 】利用了屈服传递机理的极限分析上限方法研究了静力和动 力状态下的被动土压力问题。他假设破坏面是由一系列三角形的块体构成的扇 形的剪切区域。同时假设墙体在水平方向上发生平移，这一方法能够使滑动面 的发展更为自由，由此得到被动土压力的上限解较小。 上限分析理论认为对于任何运动许可的破坏机构，内能耗散率等于外力所 做的功，并且土体为理想塑性并遵守相关联的流动法则。需要说明的极限分析 的上限分析理论会过高的估计被动土压力。 y o n ga n dq i a n ( 2 0 0 0 ) 7 1 基于极限平衡理论，将墙后土体分成两个破坏区域： 郎肯被动区域和变形区域。变形区域被划分为多个三角形的块体，剪切变形主 要发生在后一区域内。 1 2 1 2 土压力的分布形式 现有的土压力理论研究成果主要集中在刚性挡土墙方面，刚性挡墙是靠其 自重来平衡土压力以确保稳定；而深基坑支护结构则是通过排桩或地下连续墙 的下端嵌入土体而获得抗力，有时还需要设置锚杆或内撑系统获得额外的支撑 作用；正是由于上下的约束作用，使得墙体在土压力的作用下产生挠曲，致使 土压力重分布。因此从结构形态上看，刚性挡墙与柔性的基坑支护结构间存在 显著差异，并且二者构筑方式也存在很大差异。仍按刚性挡墙的土压力分析方 法来研究柔性挡墙结构显然是欠妥的，为此各国学者在对作用在围护结构上的 土压力开展了广泛的理论分析及试验研究。 t e r z a g h i ( 1 9 3 2 ，1 9 3 4 ) i g - l o l 通过大规模模型试验，研究了土的极限状态与挡 土结构变位间的关系，并认为只有土体水平位移达到一定水平，土体发生剪切 破坏时，c o u l o m b 、r a n k i n e 理论才适用，而且墙体不同的转动形态直接导致土 压力的非线性分布。 p e c k ( 1 9 4 2 ) n l 建议采用梯形的土压力包络图。并被众多现场观测数据所证 实。t s c h e b o t a r i o f f ( 1 9 5 1 ) 1 1 2 1 提出了图1 2 所示的土压力分布模式。t e r z a g h i 和p e c k ( 1 9 6 7 ) 1 3 1 建议的土压力采用如图1 3 所示的经验计算图式。这种图式不 代表土压力的精确分布规律，而是从若干实测数据中总结得到的最大土压力的 包线。 4 第l 章引言 日 必日目季 ，h k 胂翦- ”电曩t 中啦土中曲泰a 直 图1 2t s c h b o t a r i o f f 土压力分布图式图 - 土h t 一中糖囊l 骷土 图1 3t e r z a g h i p e c k 土压力分布图式 r o w e ( 1 9 5 2 ) 1 4 1 进行了排桩模型试验，研究发现：土压力大体服从三角形分 布，并且最大弯矩随排桩的柔性增加而减小，开挖面之下因排桩变形受限，土 压力的分布与经典土压力分布间存在显著差异，临近开挖面被动区土压力大于 经典土压力，主动土压力在墙趾处也大于经典土压力。针对柔性挡墙引起土压 力重分布的现象，r o w e ( 1 9 5 7 ) 1 1 5 】基于“土拱效应”将其机理解释为：因为挡墙 挠曲，墙前墙后的土压力分布不同经典土压力，在墙后由于墙体向外挠曲，墙 顶和墙底的土压力均有所增加，而在锚杆和开挖面之间，由于墙体挠度较大， 土压力则明显下降。 国内学者在室内试验和现场监测也做了大量的研究工作 岳祖润( 1 9 9 2 ) p 6 通过离心机模型试验研究认为压密粘性填土的土压力达到 主动状态时所需的位移量与墙高成正比，约为墙高的0 9 1 ，土压力沿墙高呈 两端小中间大的曲线分布，按朗肯理论计算所得的倾覆力矩偏小。 刘建航、刘国彬等( 1 9 9 9 ) 1 1 7 】研究表明上海软土有支护深基坑土压力分布 与土体流变特性和基坑保护等级相关，并得出基坑施工中平均土压力系数与保 护等级相关图解。 黄院雄( 1 9 9 9 ) 1 9 l 根据上海深基坑工程实践中积累的大量支撑轴力实测资料 得出墙后土压力近似估算公式，并指出主动土压力系数随基坑工程的开挖工况 号的增大而减小的结论。 侯学渊、刘国彬( 2 0 0 0 ) 1 9 l 等研究表明水平抗力系数是基坑开挖时间、空 问、地层土性条件、加固条件、环境条件等的函数。为计算方便，引入等效水 平抗力系数来综合反映土体抗变形的能力。通过大量的工程实测资料和反分析， 建立了水平抗力系数与各因素间的相关关系式。目前，该系数已成功应用与深 基坑支护设计计算软件中。 谭跃虎( 1 9 9 7 ) 2 0 j 对南京国贸大厦基坑支护桩作了全面的测试工作，结果表 5 第l 章引言 明，实测土压力明显小于朗肯土压力理论值，且随深度呈“r 分布。 杨国祥( z 0 0 3 ) 2 1 1 等依托上海某大型超深基坑工程，进行了土压力的实测与分 析，结合变形分析对墙体工作性状的变化进行了监测，并提出了实用的计算主 动区土压力图式。 1 2 1 3 围护结构上土压力的影响因素 支护结构上的土压力并不是一成不变的，土压力的大小受到基坑形状、地 质条件、结构位移、土体应力状态等多方面的影响。对这方面的深入研究有助 于优化设计和对基坑的安全状态做出合理的评估。 徐日庆( 2 0 0 0 ) 1 2 2 ，2 3 1 认为现有基坑工程中主、被动侧土体通常都处于非极限 平衡状态，采用基于极限平衡状态的经典土压力理论势必造成误差，应当系统 开展非极限平衡状态的土压力理论研究，并采用正弦函数描述土压力与位移的 关系，用指数函数描述土压力随时间的变化规律。 周瑞忠等( 1 9 9 9 ) 1 2 4 l 引入s i g m o i d 函数对朗肯土压力理论进行改进，使之更 能适合非极限平衡条件考虑结构与土体相互作用影响。 陈页开( 2 0 0 1 ) 1 2 5 】则提出了指数模型以描述土压力与位移的关系。 宰金珉、梅国雄也提出了考虑位移的土压力模型2 6 2 7 l 。 1 2 2 孔隙水压力的研究 自从t e r z a g h i 建立了饱和土的有效应力原理和一维固结理论，b l o t 建立了 土骨架压缩和渗透耦合理论后，对孔隙水压力的研究就一直是土力学的重要研 究领域之一。特别对于上海等地下水位较高的区域，孔隙水压力对于基坑围护 结构受力特性有着很大的影响。国内众多学者都对孔隙水压力的分布形式、大 小和传递规律做了深入的研究 崔浩( 2 0 0 0 ) 2 s l 在模型槽中用中砂和粘土作静水压传递实验，中砂经2 h 左 右水头即可达到理论值，粘土在5 天之内也能升到理论值。 崔红军，陆士强( 2 0 0 1 ) 1 2 9 1 认为，土中的强结合水密度大于l ，具有一定的 固态性质，不传递静水压力，也不流动；土中强结合水处于最大含水量时，土 的含水量略小于土的塑限；土中含水量从塑限增至液限时，土中增加的水都是 弱结合水，具流动性质，可传递静水压力也进行了静水压力传递实验，证明土 体( 包括粘性土) 是可以传递水压的，只是粘土时间稍有滞后，但在工程上这 6 第1 章引言 一滞后时间可忽略不计。 张彬( 2 0 0 4 ) o o l 在前人研究基础上，建立了临界密度方程式： 【】_ 孝甍 式中兀土粒密度，强结合水的平均重度，约为1 3 ；国窖强 结合水量。当土的干密度乃 【y o c n 】时，土中孔隙全由强结合水充填，不能传递 孔压；当 【】时，土中孔隙水具有流动特性，可以传递孔压。现有基坑中 涉及到的粘性土体，实际干密度很难超过其临界密度，一般能传递孔隙水压力。 而对那类介于土与岩石之间的“临界老粘土 及埋深和上覆压力均很大的“深 土而言，土中孔隙水以强结合水为主，其干密度通常会超过临界密度，故可 能不传递静水压力。同时用改装的三轴仪进行了土中孔隙水压力传递机理的模 拟实验，研究了不同类型粘性土中孔隙水压力传递规律及影响因素。 实验表明，无论是高渗透性的无粘性土还是低渗透性的粘性土，均能传递 孔压，粘性土中孔压的传递具有明显的时间滞后性，但只要时间足够长，总能 完成。孔压的传递受多因素制约，其中土质类型及结构特性影响最为显著，土 的含水量、密实程度、渗透系数、土体所处围压环境等对其孔压传递也有一定 的影响。 李兴高( 2 0 0 4 ) 1 3 1 1 通过地下结构上水压力的受力过程分析和推导以及对现 场实测数据的研究，认为作用在地下结构上的水压力可以用孔隙率进行计算。 张克意等( 2 0 0 4 ) 3 2 l 进行了江苏润扬长江大桥北锚锭基坑工程各种工况下孔 隙水压力监测，认为不管是砂土还是弱透水性的粘性土均可传递静水压力。 刘国彬、黄院雄等( 2 0 0 0 ) 1 3 3 l 通过地铁车站实测孔隙水压力数据的分析认 为：土体中的孔隙水压力在基坑开挖以前可认为等于静水压力，即孔隙水压 力与静水压力的比值近似取1 o ；在基坑开挖过程中比值一般小于1 0 比值的大小 与支护结构的水平位移和基坑隆起的大小相关因而水压力的折减系数k ，的取 值应与基坑工程的保护等级相关上海地区基坑设计中，建议采用水土分算，但 须对静水压力项乘以水压力的折减系数k ，对于保护等级高的基坑工程，k 。应 取得大一些在同一保护等级下，浅层后。取得大一些，深层取得小一些。在基 坑开挖阶段，孔隙水压力是随着工况逐渐减小，在每一工况下，随时间而递减。 在基坑回筑阶段，可以认为保持不变，地下工程完成后，孔隙水压力值逐渐升 7 第l 章引言 到静水压力值。 1 2 3 围护结构上水土压力计算方法的研究 与土压力理论的发展相适应，支护结构的计算理论是从古典的假定土压力 为已知，不考虑墙体变形和横撑变形，逐渐发展到考虑墙体变形和横撑变形， 直至考虑土体与结构的共同作用，土压力随墙体变化而变化。目前国内外曾采 用的支护结构计算理论及方法见表1 。1 。 表1 1 支护结构计算理论及方法汇剧3 4 】 计算理论及方法假设条件方法名称 土压力已知自由端法、弹性线法 较古典的理论不考虑墙体变形等值梁法、1 2 分割法 不考虑横撑变形矩形荷载经验法、太沙基法等 横撑轴向力、墙体弯矩 土压力已知 山肩邦男弹塑性法 考虑墙体变形 不变化的方法张有龄法、m 法 不考虑横撑变形 横撑轴向力、墙体弯矩 土压力已知 考虑墙体变形 日本的建筑基础结构设计法规的弹 可变化的方法塑性法，有限单元法 考虑横撑变形 土压力随墙体变位而变化 森重龙马法 共同变形理论考虑墙体变形 有限单元法( 包括土体介质) 考虑横撑变形 考虑土体为非线性介质 考虑墙体变形考虑分部开挖的非线性 非线性变形理论 考虑横撑变形 有限单元法 考虑施t 分部开挖 1 2 3 1 水土分算与合算 虽然计算理论不断发展，但是对于作用在结构上的水土压力的大小和计算 方法仍然存在了激烈的争论。针对水土压力分算、合算问题一直存在争议，就 此展开的学术讨论非常激烈。 魏汝龙( 1 9 9 5 1 9 9 9 ) 3 5 - 3 7 1 教授系统总结了当前水土合算流行的原因：国 内勘察单位尚未普及三轴设备，有效应力强度指标难于获得。低渗透性粘性 土中，水压力的影响很难在短时间得以体现，甚至有人认为有效应力原理不适 用于这类土。粘性土不排水情况下，土体受剪将产生超静孔隙水压力，而这 8 第l 章引言 部分水压力难于正确测量和计算，故采用总应力法为宜。在评述上述观点的同 时，分析了。水土合算 原则的理论缺陷，论证了用总应力强度指标进行“水 土分算 的合理性，建议采用有效重度和固结不排水总应力强度指标计算土压 力，再加上全部静水压力，并提出了固结应力法的概念。在其后的研究中魏教 授还系统研究了基坑开挖卸载，土体超固结特性对被动土压力的影响，以及桩 土摩擦效应等。 杨晓军、龚晓南( 1 9 9 7 ) 3 8 1 认为“水土合算 只是一种经验方法，没有理 论依据，也建议采用总应力强度指标进行水土分算，可以将超静水压力的影响 考虑在抗剪强度指标中，单独考虑静水压力的影响，并建议采用卸载强度指标 陈愈炯( 1 9 9 9 ) 3 9 1 教授等则不赞同在利用总应力法确定基坑周边粘性土体 的抗剪强度指标时，既可用不排水强度指标，也可采用固结不排水指标的做法， 认为此时只有采用不排水总强度指标才合理；也不赞成采用总应力指标进行“水 土分算一的做法，认为既然绕开了孔隙水压力估计的难题，把水和土作为一个 整体来考虑，就不必再追究其中孔隙水压力的作用机理。陈教授还将水土压力 的计算分为“施工期 和“运行期 ，不同的工况应当区别对待，并建议在“运 行期 应当通过流网等手段确定墙上的水压力，还分析了开挖引起的孔隙水压 力变化机理最后，对当前国内外流行算法进行了对比评价。 李广信( 2 0 0 0 ) 4 0 l 教授研究了支护结构的水土压力分算与合算问题，深入 分析了造成原状土深基坑支护结构上实测水土压力远小于经典土压力理论计算 值的机理，认为土的微观结构、土的应力历史和应力路径、孔隙水压力特征以 及基坑的边界条件等是影响水土压力大小的主要因素。指出在一定条件下“水 土合算可能存在一定的微观基础，这一问题有待深入研究。关于基坑水土压 力计算问题，涉及原状土中的水土共同作用问题，对于复杂应力路径所涉及的 一些问题也未能有很好的认识，应当从微观机理、室内试验、模型试验、现场 测试和计算比较等方面开展深入研究，为进一步研究指明了方向。 沈珠江( 2 0 0 0 ) 1 4 1 1 院士推导了基于有效固结应力理论、采用三轴固结不排 水强度指标、切为参数的饱和粘土主、被动土压力公式。研究表明除非采用不 排水强度的总应力法，不管是有效强度理论还是总强度理论，都应按“水土分 算进行土压力计算当采用有效固结应力法时，土压力公式中出现静水压力项 与破坏状态下墙上作用的水压力无关，它的出现仅仅说明，静水压力不会引起 粘土强度的增加。对于被动土压力，作者导出的土压力系数与r a n k i n e 土压力系 9 第l 章引言 数相同，但主动土压力系数则小于r a n k i n e 理论结果，表明传统的主动土压力理 论偏于保守，粘土与墙间的摩阻力可以引入折减系数予以考虑。对于完全粗糙 墙体，主动和被动土压力系数可以分别减小或增大0 4 1 4 倍。 1 2 3 2 关于渗流的计算 对于高地下水位地区，由于基坑开挖或人工降水必然会带来水的渗流问题， 关于渗流对基坑的影响，众多学者也进行了相关的研究。 李广信( 2 0 0 2 ) 1 4 2 1 等对比计算了有上层滞水、一般自由渗透、有承压水、 基坑内排水与基坑外降水以及有超静孔压等不同工况下作用于基坑支护结构上 的水土压力大小，分析了朗肯、库伦土压力理论在有渗流情况下的适用性问题， 研究表明在渗流条件下水土压力大小及分布与静水时明显不同，此时朗肯土压 力理论的适宜性有待斟酌，较宜于用库伦土压力理论的图解法来搜索可能滑裂 面，以计算土压力。在存在上层滞水的情况下，水土合算基本上适用，而承压 水作用则可能导致墙前的被动土压力丧失殆尽。 王钊( 2 0 0 3 ) 1 4 3 1 等研究了基坑工程在静水压力、稳定渗流和超静水压力作 用下，挡土结构上水土压力的计算方法，并结合工程实例研究了水土分算与水 土合算结果的差异及考虑水的渗流作用和超静孔压作用对挡土结构上总压力计 算的影响，提出了应分析孔隙水压力的变化规律，并对如何找出最危险临界状 态进行了分析。 刘广胜( 2 0 0 0 ) 1 4 4 】等用实验模拟了渗流对土体抗剪强度的影响。实验以常 规三轴剪力仪为基础，改进和设计了一些实验设备，模拟了在某一周围压力下， 旌加渗透水头并保持试验过程中不变，当进水量和出水量相同时开始进行剪切， 剪切速率o 0 1 2 刮0 0 3 。试验采用的土样为粉土，物理性质指标如下：含水 量3 0 4 2 ，湿密度1 9 5 9 c m 3 ，于密度1 5 0 9 c m 3 ，孔隙比0 8 1 ，饱和度1 0 0 ， 液限3 6 0 ，塑限2 1 7 ，塑性指数1 4 3 ，渗透系数2 1 1 0 4 c m s 。当轴向应变较 小时的初始阶段，主应力差增加比较迅速，随着轴向应变的增加，主应力差的 增加趋缓。当围压较小时，出现软化特征，表明土的抗剪能力降低 1 2 4 基坑变形的研究 基坑工程的设计除要保证基坑本身和围护结构的稳定安全外，还必须了解 支护结构和坑后土体的变形情况，这样才能正确评估施工过程对周围环境可能 1 0 第l 章引言 造成的影响，采取相应的措施，确保开挖施工的顺利进行，从现在上海地铁基 坑工程设计的原则来看，出于对周围环境的控制，变形控制是其设计的主要原 则。 倒 聪 辍 欺1 0 嘲 进 5 s 离墙体距离开挖深度 01 0 己03 04 0 一一 ，一 一，一 图1 4 墙后地表沉降沉降分区( p e c k ，1 9 ) 国内外学者很早就开始了基坑变形形状方面的研究，p e c k 4 5 1 ( 1 9 6 9 ) 在第九届 国际土力学与基础工程会议的报告上，根据美国芝加哥、挪威奥斯陆等地的现 场地表观测资料，提出对不同土层分析墙后地表沉降和沉降范围的经验关系曲 线以及相应的经验估算方法。如图1 4 所示，该曲线较全面地反映了土的工程 性质、场地条件和施工质量对地表沉降的综合影响。 图1 5 实测抗隆起安全系数与归一化最大墙体位移关系( m a n a c l o u g h 。1 9 8 1 ) m a n a l 4 6 1 ( 1 9 8 1 ) 通过对几个粘性土中开挖工程现场观测资料的分析发现，在 普通的施工条件下，墙体最大侧向位移8 h 一与基坑的抗隆起安全系数存在着某 第1 章引言 种确定的关系m a r i a 和c l o u g h 4 6 1 ( 19 81 埔此结合有限元计算对工程经验进行了 简化提出了稳定安全系数法，用于估算围护结构和墙后地面的最大位移值。 其具体性状如图1 5 所示。 s u s i m 呻d 唧( 19 鲫通过对蚪个基坑最大地衰沉降与离开墙体的距离的统计 分析提出了一种计算墙后最大地表沉降的经验方法。在最大沉降与被建议的系 数的关系通过基坑的地质条件来确定。 s 岬s 胁”i 唧“0 图1 6 最大侧向变形、系统剐度及抗隆起安全系数关系( c l o u g h ，1 9 9 0 ) c l o u g h & 0 r o u r k el 邶1 ( 19 9 0 埘在软至中软粘土中的基坑，给出了最大侧向 变形与系统刚度及基坑抗隆起安全系数三者之间的关系图表，如图1 6 所示， 图表主要被分为两个区域，一个是对采用板桩支护的基坑，另一个对采用地下 墙支护的基坑。在相同的抗隆起安全系数的条件下，使用板桩支护的侧向变形 要比采用地下墙支护的要大。当基坑抗隆起安全系数低于l + 5 时，最大侧向变形 增加得非常快。同时提出了墙后地表沉降的包络线，如图1 7 所示 a 喾n 1 n 抽i 囟l 岫( 吣甜阿协、，町h a r d 岬惜s a b i m e t u l s l s 娜 罔1 7 地表沉降包络线( c l o u g h 矗0 r m r r k e 1 9 9 0 ) 1 2 第1 章引言 o u 【恻( 1 9 9 3 ) 通过台北的1 0 个基坑工程变形的实测数据，统计了地衰沉降与 墙体变形的关系，指出最大墙体变形与最大地衰沉降的比值处于0 5 1 0 之间。 井将地表沉降范围分为主要沉降区和次要沉降区。 h s i e h 删( 1 9 9 8 ) 根据o u 的研究更进一步地给出了三角形和凹槽型两种沉 降型态的预测方法分别如图所示，并提出了主影响区域和次影响区域的概念。 如图1 8 所示，三角型和凹槽型沉降的影响范围均包括主影响区域和次影响区 域，且主影响区域的范围为2 倍的开挖深度，而次影响区域为主影响区域之后 的2 倍开挖深度。在主影响区域的范围内，沉降曲线较陡，会使建筑物产生较 大的角变量，而次影响区域的沉降曲线较缓，对建筑物的影响较小。 ( b j 二舶肘 d 1 l 0 n 1 1 ji ，02 n，舯j 0 0 0 ，1 0 ： 03 ，0 4 。 毫- 0 ， o ，6 i j 7 n 窖 t 1 9 i o 1 晡幽町s 崂椰。 l _ 一盖：斗上竺一一 ( b ) 叫楠掣 图1 8 三角性和凹槽形的地表沉降归一化曲线( t l s i e t ，1 9 9 8 ) 在国内，侯学渊p 1 1 ( 1 9 8 9 ) 用以非线性的b l o t 同结理论为基础的有限元和无 限元耦合计算方法，结合若干工程实测资料，在p e e k 估算隧道上方地表沉降经 验公式的基础上，假定地表沉降曲线与支护侧移线形状相似，将墙体变形分为 三角形和抛物线形两种模式，并分别给出了估算地表沉降的经验公式，并在上 海及其它软土地区得到广泛的应用。 曾国熙【扎1 ( 1 9 8 8 ) 、应宏伟m 1 ( 1 9 9 7 ) 等通过比较支撑刚度、挡墙刚度、开挖形 状和土的力学性质等对土体沉降的影响，得出了一些关于基坑形状、固结等具 体因素对土体沉降影响的结论。 李亚m l ( 19 9 9 ) 对地层补偿法进行了修正，得出软粘士简单位移场表达式为： 以= 民= f ( x + y ) ；引入收缩系数口。给出了位移场曲线部分的土体位移场的具 第l 章引言 体表达式。 i 2 5 有限元的研究 有限元方法自诞生之日起，其应用得到了迅猛发展，到目前为止已广泛应 用到许多工程领域，在基坑工程中也得到了广泛的应用。针对有限元在基坑工 程中的应用国内外专家进行了大量的研究工作。 c l o u g h & h a n s e n l 5 5 1 ( 1 9 8 1 ) 用解析和有限元分析了土的各向异性对有支撑挡 墙的性状的影响； h a s h a s h & w h i t t l e l 5 6 1 ( 1 9 9 6 ) 采用有限元数值i 式验对b o s t o nb l u ec l a y 地质条件 下，不同地下连续墙深度、支撑竖向间距、应力历史等对墙后沉降的影响进行 了计算，并将墙后沉降对开挖深度、支撑条件进行了回归分析。 o u t 5 7 1 ( 1 9 9 6 ) 采用复杂三维有限元方法系统模拟了基坑开挖的空间性状。对 网格的划分密度对精度的影响，基坑的角隅效应等方面做了相关的模拟和研究。 c h a d e s t 5 8 l 等人( 1 9 9 8 ) 采用非线性b r i c k 模型对剑桥某个多支撑开挖的深基坑 进行了有限元分析，分析了现场g a u l t 粘土的特性，并对实测的墙体变形和弯矩， 支撑轴力，地面变形较小的原因进行了分析。 s k b o s e & n n s o m l 5 9 1 ( 1 9 9 8 ) 对印度加尔各答地铁建设中一个1