（岩土工程专业论文）软土地区地铁深基坑开挖施工的基坑本体安全评价研究.pdf

摘要 摘要 随着上海城市轨道交通网络的完善，地铁车站基坑正向深、大、近、紧、 难方向发展。为了确切掌握施工过程中基坑支护体系的受力规律和安全性状， 本文以上海某地铁车站基坑支护体系变形为主要研究对象，利用动态变形动态 控制的方法，基于对大量现场监测结果的分析，着重研究和探讨了软土地区深 基坑支护结构地下连续墙内力与变形、支撑内力及立柱桩位移与内力变化等相 关问题。主要内容包括以下几方面： l 、对地下连续墙的破坏模式与破坏机理进行了分析。对承载能力极限状态 和正常使用极限状态下地下连续墙的极限弯矩进行了推导，并进一步给出了地 铁车站地下连续墙的极限弯矩简化计算式，以方便工程估算。介绍了地下连续 墙测斜位移的曲线拟合法，并推导了地下连续墙的抗弯刚度简化公式，该公式 简单实用，易于在工程实践中使用。对正常及异常测斜曲线的特点进行了描述， 并从累计变形( 比) 、变形速率的方面对测斜曲线所表征的地下连续墙的安全性 状进行了探讨，并对地下连续墙设计参数对墙体变形的影响进行了分析。给出 地下连续培内力与变形的安全评判指标与评判方法。 2 、在分析基坑支撑结构破坏机理的基础上，对施工过程中支撑轴力随工况 变化规律进行分析研究并对上海各地铁车站基坑的最大支撑轴力进行了统计。 推导了单跨压杆式钢支撑的内力计算公式，并给出由稳定性控制的支撑极限轴 力随支撑长度变化的实用计算式。建立了立柱竖向位移引起双跨压杆式支撑结 构内力变化的计算公式，利用结构力学原理与极限弯矩理论对立柱竖向位移控 制指标进行了界定，并对支撑结构允许变形状态下的内力控制指标进行了核算。 给出单跨压杆式支撑及双跨压杆式支撑的安全评判指标与评判方法。 3 、对基坑开挖坑底隆起带动立柱隆起时，立柱桩的受力与位移模式进行了 初步分析，并给出了立柱桩位移、轴力与桩周摩阻力的计算方法。立柱的竖向 位移是引发支撑系统破坏的主要因素之一。由支撑结构允许变形状态下的内力 控制指标反算出立柱的容许隆起位移。分析了基坑宽度、围护墙插入比、下卧 坚硬土层深度、被动区土体强度、围护墙侧摩阻力、地面超载等因素对基坑抗 隆起安全系数的影响。 摘要 4 、结合某地铁车站的具体情况确立了深基坑本体的安全评价指标，运用综 合集成风险评估方法构建了基坑本体的安全评价模型并根据实测结果对其安全 等级进行划分并评价其安全状态。 关键词：地铁车站，基坑工程，支护体系，地下连续墙，支撑结构，立柱桩， 安全性评判，综合集成风险评估 一一 a b s 认c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fu r b a nr a i lt r a n s i tn e t w o r ki ns h a n g h a i ，t h ed e 印 e x c a v a t i o no fm e t r os t a t i o ni sb e c o m i n gd e e p e r , l a r g e r , c l o s e r , m o 坞a n dm o r e a d j a c e n ta n dd i f f i c u l t i no r d e r t op o s i t i v e l yu n d e r s t a n dt h es t r e s sl a wa n dt h es a f e t y c h a r a c t e ro fs u p p o r t i n gs y s t e mi nd e e pe x c a v a t i o nu n d e rc o n s t r u c t i o n i nt h i s d i s s e r t a t i o n , t h r o u g hg a t h e r i n ga n da n a l y z i n gag r e a tl o to ff i e l dd a t aa n dc o n s t r u c t i o n d o c u m e n t , a n dr e g a r d i n gt h ed e f o r m a t i o no fs u p p o r t i n gs y s t e mo fc e r t a i nm e t r o s t a t i o n 丽t l ld e t a i lr e c o r do fw o r kc o n d i t i o na sm a i nr e s e a r c ho b j e c t s ，t h ec h a n g e so f i n t e r n a lf o r c eo ft h ed i a p h r a g mw a l l ，i n t e r n a lf o r c eo fb r a c e ds t r u c t u r ea n d d i s p l a c e m e n ta n di n t e r n a lf o r c eo fu p r i g h tc o h m mi nd e e pe x c a v a t i o ni ns o f tc l a ya l c a a 托r e s e a r c h e da n dd i s c u s s e d0 1 1t h eb a s i so fag r e a tl o to ff i e l dd a t ao ft h es t a t i o ni n s h a n g h a im e t r ol i n e sa n dt h el o g o so f “d y n a m i cd e f o r m a t i o na n dd y n a m i cc o n t r o l p r i l n a 巧c o n t e n ti n c l u d e ss e v e r a lp a r t sa sf o l l o w s ： 1 n 圮u l t i m a t eb e a r i n gm o m e n to fd i a p h r a g mw a l li sd e d u c e di nt w ou l t i m a t e s t a t u so fb e a r i n gc a p a c i t ya n dr e g u l a rs e r v i c e ，a n dt h es i m p l i f i e de q u a t i o n so fu l t i m a t e m o m e n to fd i a p h r a g mw a l li nm e t r os t a t i o n sa r ea c q u i r e df u r t h e rt of a c i l i t a t e e n g i n e e r i n ge s t i m a t i o n n 艟c u r v ef i t t i n gm e t h o do fd e v i a t i o n a ls u r v e yo fd i a p h r a g m w a l li si n t r o d u c e d , a n dt h es i m p l i f i e df o r m u l ao fb e n d i n g r i g i d i t yo fd i a p h r a g mw a l li s d e d u c e dt h a ti ss i m p l y , p r a c t i c a l ，a n de a s yt ob eu s e di np r a c t i c a le n g i n e e r i n g b y d e s c r i b i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fn o r m a la n dd e v i a n td e v i a t i o n a ls u r v e yc u r v e s , t h e s a f e t yc h a r a c t e ro fd i a p h r a g mw a l li n d i c a t e db yd e v i a t i o n a ls u r v e yc u r v ei sd i s c u s s e d o nt h ef a c e t so fc u m u l a t i v ed e f o r m a t i o n ( r a t i o ) a n dd e f o r m a t i o ns p e e dr a t e , a n dt h e i n f l u e n c eo fd e s i g np a r a m e t e r so fd i a p h r a g mw a l lt od e f o r m a t i o ni sa n a l y z e d 2 o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so ft h ef a i l u r em e c h a n i s mo fb r a c e ds t r u c t u r e ，t h e c h a n g e m e n tl a wo f s t r u tf o r c ea n dt h em a x i m a ls t r u tf o r c eo fs e v e r a lm e t r os t a t i o n si s a n a l y z e d 1 f 1 艟c o m p u t i n gf o r m u l ao ft h ei n t e r n a lf o r c eo ft h eb r a c e ds t r u c t u r eu n d e r t h ev e r t i c a ld i s p l a c e m e n to fu p r i g h tc o l u m ni se s t a b l i s h e d ，t h ec o n t r o li n d e xo ft h e v e r t i c a ld i s p l a c e m e n to fu p r i g h tc o l u m ni sd e f m e db ym a k i n gu s eo ft h ep r i n c i p l eo f s t r u c t u r a lm e c h a n i c sa n dt h eu l t i m a t eb e n d i n gm o m e n tt h e o r y , a n dt h ec o n t r o li n d e x o ft h ei n t e r n a lf o r c ei sa c c o u n t e du n d e rt h ea l l o w a b l ed e f o r m a t i o no fb r a c e ds t r u c t u r e n 圮i n t e r n a lf o r c ef o r m u l ao fs t e e ls t r u t 、耐mt h es t y l eo fs i n g l es p a na n dp r e s s u r eb a r i sd e d u c e d ，t h ep r a c t i c a lf o r m u l ao fu l t i m a t es t r u tf o r c ew i t ht h ec h a n g e m e n to fs t r u t t n a b s t r a c t l e n g t hi sa c q u i r e do nt h ec o n t r o lo fs t a b i l i t y 3 t ot h ec o n d i t i o no fu p l i f to f p i tb o t t o md r i v i n gu p l i f to fu p r i g h tc o l u m ni n e x c a v a t i o n , t h em o d eo ff o r c ea n dd i s p l a c e m e n ti si n i t i a l l ya n a l y z e d ，a n dt h e c o m p u t i n gm e t h o d so fd i s p l a c e m e n t , a x i a lf o r c eo fu p r i g h tc o l u m na n df r i c t i o n r e s i s t a n c ea r o u n du p r i g h tc o l u m na r ea c q u i r e d 1 f 1 1 ev e r t i c a ld i s p l a c e m e n to fu p r i g h t c o l u m ni st h em a i nf a c t o ro ft h ef a i l u r eo fb r a c e ds y s t e m 硒ea l l o w a b l eu p l i f t d i s p l a c e m e n to fu p r i g h tc o l t m mi sb a c ka n a l y z e db yt h ec o n t r o li n d e xo fi n t e r n a lf o r c e i nt h ec o n d i t i o no fa l l o w a b l ed e f o r m a t i o no fb r a c e ds t r u c t u r e n 圮i n f l u e n c eo fw i d t h o ff o u n d a t i o np i t ，i n s e r t i o nr a t i oo fd i a p h r a g mw a l l ，d e p t ho fd o w n - l a y i n gs t i f fs o i l l a y e r , s o i ls t r e n g t ho fp a s s i v ed i s t r i c t , s h a f t ；f r i c t i o nr e s i s t a n c eo fe n c l o s u r ew a l l ， o v e r c h a r g eo ng r o u n da n de t c ，t ot h es a f e t yc o e f f i c i e n to ff o u n d 靠o np i t sa g a i n s tb a s a l h e a v ef a i l u r ei sa n a l y z e d 4 a c c o r d i n gt ot h ep h y s i c a lc i r c u m s t a n c eo fc e r t a i nm e t r os t a t i o n ，t h es a f e t y e v a l u a t i o ni n d e xo fe x c a v a t i o no n t o l o g yi se s t a b l i s h e d ，a n dt h es a f e t ye v a l u a t i o n m o d e li se s t a b l i s h e db yu s m gt h eg e n e r a li n t e g r a t i o nr i s ka s s e s s m e n tm e t h o d t h e p r o p o s e dm o d e li s t h e n a p p l i e dt oap r a c t i c a lp r o j e c ta n dt h es a f e t y l e v e li s d i s t i n g u i s h e da n dt h es a f e t yc o n d i t i o ni se v a l u a t e d k e yw o r d s ：m e t r os t a t i o n , e x c a v a t i o ne n g i n e e r i n g ，s u p p o r t i n gs y s t e m , f a i l u r e m e c h a n i c s ，d i a p h r a g mw a l l ，b r a c e ds t r u c t u r e ，u p r i g h tc o l u m n ，s y n t h e t i c i n t e g r a t i o nr i s ka s s e s s m e n t 一一 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： 形孝 如解7 月7 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，均已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。 e 9 兽月 形r 氰 年 签略 扫 第1 章引言 1 1 研究背景与意义 1 1 1 基坑工程现状 第1 章引言 随着我国经济建设的高速发展，为了更充分地利用土地，一方面，高层、 超高层建筑不断增加，另一方面，人们也越来越多地利用地下空间，建设大规 模的市政工程如地下停车场、大型地铁车站、地下变电站、地下商场、地下民 防工事等。无论是高层建筑深基础的施工，还是地下空间的利用，都需要进行 大规模的地下开挖，这就牵涉到大量的深基坑工程问题l l j 。地铁车站基坑是深基 坑工程的一个主要形式。中国城市轨道交通建设，目前正处于前所未有的建设 高峰之中，北京、上海、广州、深圳、南京、天津、杭州等城市都陆续展开了 大规模的轨道交通建设。 上海作为中国经济发展的龙头，经济的持续发展和城市化水平的不断提高， 将使2 0 2 0 年上海主城内的人口出行总量达到3 7 0 0 万人次日，依靠常规的地面 交通体系，无法满足如此巨大的城市交通出行，必须依靠大容量的快速轨道交 通系统。按照上海市轨道交通的总体规划 2 1 ，远期上海轨道交通网将由1 7 条线 路( 市域快速线4 条、市区地铁线8 条、市区轻轨线5 条) 组成，总长约为8 1 0 k m ， 共设车站4 3 0 座。截至2 0 1 0 年上海世博会之前，将新建包括既有线在内的1 3 条快速轨道交通项目，全线设3 3 3 座车站，平均时速3 5 - - 4 0 公里，平均站距1 2 公里。建成后每天可接纳近8 0 0 万人次，占全市客流总量的3 5 , - 4 0 ：上海中心 城区市民出行将实现“5 0 0 米以内有地铁，中心城区的任意点之间4 5 分钟互通， 外环线以外3 0 分钟抵达中心城区”的“5 ，4 ，3 ”的交通战略目标，从而使上海的 轨道交通跨入国内领先、世界先进行列，如图1 1 所示。按照这个规划，近几年 内，上海市每年将有近1 0 0 个车站基坑和近1 0 0 公里盾构区间同时旅工，这种 超常发展的建设规模在世界上可谓史无前例。 由于上海轨道交通网的不断扩大，网络中的换乘节点越来越多，地铁工程 施工深度越来越深，根据对上海市在建和拟建的9 5 个地铁车站基坑进行的统计 * i 口q 言 结果来看，车站标准段深度超过15 米的占9 2 ，超过2 0 米的一叶3 1 ，端头井 超过15 米的甚垒达到了1 0 0 ，超过2 0 米的占3 5 j 。虽然超过2 0 米的基坑所 占比例达到了3 1 这些基坑也必定成为关注的焦点而投入了大量的人力、物 力和财力，而占据总量6 9 的开挖深度在2 0 米以下的基坑往往被忽视，在施工 中由于施丁工期及施工人员安全意识不足等原因使得开挖深度在15 2 0 米的基 坑成为安全隐患。赵锡宏、杨国祥等( 1 9 9 7 ) 指 r “当开挖深度接近2 0 米时， 各测点的实测水平位移均出现位移速率突然增大的现象，说明此时基坑内外的 土面高等所形成的加载的作用，使基坑周围土体产生较大的塑性区，引起基坑 变形的加速进行”，但是目前对2 0 米以f 基坑的研究比较零碎，这使得我们对开 挖深度超过2 0 米基坑的研究存在定的困难。 图1i 上海城市轨道交通近期规划日 1 1 2 目前深基坑开挖中存在的安全问题 基坑工程由于其技术复杂、涉段范围厂、影响因素多、事故频繁，在士木 i 程中最具挑战性。又由于基坑支护工程造价高，丌工数量多，成为各承包商 争夺的重点，同时也是业主降低 程造价、确保f 程质量的重点。当前城市基 坑工程朝着“深、大、近、紧、难、险”的方向发展，此外还具有以下特点： 第1 章引言 ( 1 ) 临时性：一般情况下基坑支护结构是临时性工程，与永久性结构对比安 全储备要求小些，业主想尽量节省投资，造成安全系数降低，容易发生事故。 ( 2 ) 区域性，深基坑工程区域性强，如黄土地基、砂土地基、岩石地基和软 粘土地基等工程地质和水文地质条件不同的地层中，基坑工程差异性很大即 使是同一城市不同区域也有差异。各地地质条件不同，必须因地制宜，外地经 验只能作为参考，甚至当地经验也不能简单照搬。 ( 3 ) 多学科性，基坑工程是岩土工程、结构工程以及施工技术互相交叉的学 科，涉及土力学、基础工程、结构力学和原位测试技术等多学科知识，是一门 复杂因素交互影响的系统工程，又是理论上尚待发展的综合技术学科，对技术 人员的要求很高。 ( 4 ) 复杂性，基坑支护工程涉及的因素众多，土与水是基坑工程设计和施工 的两个关键问题，但岩土性质千变万化，地质埋藏条件和水文地质条件的复杂 性、不均匀性，往往造成勘察所得的数据离散性很大，难以代表土层的总体情 况，并且精确度较低，给基坑支护工程的设计和施工增加了难度。水土压力的 取值目前也主要依据各地经验，没有成熟的理论。 ( 5 ) 施工周期长，从开始做围护结构到开挖到完成地面以下的全部隐蔽工 程，常需经历多次降雨、周边堆载、振动、施工不当等许多不利条件，增加了 很多安全隐患，安全度的随机性较大。 ( 6 ) 事故多发性，如今基坑的规模越来越大，基坑的开挖深度越来越深，基 坑场地紧凑，周边环境复杂敏感。由于深基坑支护设计与施工者素质参差不齐 原因，在深基坑工程施工中经常会由于多种原因而产生各种工程事故，据调查 1 9 9 5 年前上海市基坑发生事故率占2 0 左右，造成重大经济损失和负面的社会 影响。 对于以上海地区为代表的软土高水位地区，基坑工程除了具备以上特点以 外，还有其特殊性： ( 1 ) 由于软土的流变特性，基坑开挖过程中存在明显的时空效应，基坑围护 墙体变形与坑底暴露时间和每段开挖宽度有密切的联系。 ( 2 ) 在软土地区，基坑开挖过程中对周围环境的影响也存在时空效应特点， 即移变化与基坑开挖时间和挖土宽度有密切的联系。 ( 3 ) 在软土高水位条件下开挖基坑，由于土质软弱、水压力高，很容易产生 土体滑移、基坑失稳、桩体变位、坑底隆起、支挡结构严重漏水、流土以致破 第10q j 损等病害，对周边建筑物、地下构筑物及管线的安全造成很大威胁。 随者城市现代化建设的小断发展，各类地f 工程越来越多，诸如地铁车站和 区间隧道、越江隧道、地f 车库、地f 商场、地下街道、地下仓库、地下民防 工事等。这些工程的共同特点是需要进行大规模的开挖，这就牵涉到大量的深 基坑工程问题，主要的手段是明挖施工。在上海地铁l 号线的成功示范效应带 动r ，从上个世纪的九1 年代开始，中国各大型城市陆续开始了地铁的规划建 设。随着地铁车站基坑开挖深度和规模的增大，基坑工程施工的难度更加突出。 近些年来由于技术、绎济原因及管理币善，在地铁车站施工过程中出现了小 少事故，轻则造成邻近建筑物肝裂、倾斜，道路沉陷、开裂，地下管线错似， 重则造成邻近建筑物倒塌和人员伤亡，不但延误了工期，而且产生丁不良的社 会影响。 罔l2 基坑支护体系破坏示意图 因此，如何对基坑安全进行正确的评估，对潜在的施工风险进行预报警，尽 可能的碱小施 二中的事故发生率，已经成为r 一个亟待解决的课题。 南卜深基坑的复杂受力特性以及软土工程性质的复杂性，致使现有指导支 护结构设计的理论还不够成熟，也就是说理论滞后于实践，再加上设计和施i 等原因，f 故仍有发生。n 前现有的地铁车站一般都j l 进行支护体系的变形测 量，对于支护体系的内力现场实测较少，为了得到更加符合支护结构实际i 作 状态的内力计算结果，以便j e 确认识基坑支护结构的真实受力情况，冈此非常 有必噩通过系统研究施工过程巾作用于立护体系自身内力的动态变化情况从而 确定支护体系的安伞状态。 第1 章引言 1 1 3 本文的研究意义 本文基于现有理论框架，对基坑地下连续墙极限状态下的内力反分析提出 合理的计算方法；对施工过程中基坑支撑轴力随工况变化规律及立柱隆起对支 撑产生的附加内力进行分析研究；对立柱桩的受力模式进行了探讨，初步建立 了立柱桩内力与位移的计算方法；结合专家打分法与层次分析法，采用综合集 成风险评估方法对基坑支护体系的安全等级进行划分并评价其安全状态。 本文的研究成果可以为现有的基坑支护结构安全等级划分提供理论依据， 并可以为基坑支护结构的设计和分析方法提供参考依据，使支护结构的力学模 型更加精确，受力更加合理，设计更加优化。 在基坑施工过程中，如果能依据现场监测值，正确方便地评判出当前基坑 的安全等级，然后根据这些评判结果，采取相应的工程措施，指导施工，减少 工程失效概率，确保工程安全、顺利的进行，有较大的实际应用价值。 1 2 本课题的国内外研究现状综述 1 2 1 基坑变形研究 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 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，出于对周围环境影响的控制，变形控制是其设计的主 要原则。 n 毯 殛 囊 索1 0 、 进 蜉 “ o 2 0 离墙体距离开挖深度 0l02 0304 0 ，一 ，一 ， ，一 一5 一 第1 章引言 图1 3 墙后地表沉降分区( p e c k ，1 9 6 9 ) 国内外学者很早就开始了基坑变形性状方面的研究，p e c k ( 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 3 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【5 1 。 图1 4 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 ( 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 的旅工条件下，墙体最大侧向位移d 麟与基坑的抗隆起安全系数存在着某种确 定的关系。m a r i a 和c l o u g h ( 1 9 8 1 ) 据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 4 所示1 6 l 。 s u g i m o t o ( 19 8 6 ) 通过对8 4 个基坑最大地表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赳7 】。 t h o m a s ( 1 9 8 1 ) 通过对大量实测数据和模型试验结果的比较，得出墙体位移与 地表沉降的变化规律，即墙体位移与地面沉降之比的极限值对于支撑式基坑约 为0 6 ，而对于悬臂式基坑则为1 6 【引。 一6 一 第1 章引言 a y 嘲拍f b 噼- 0 ， 图1 5 最大侧向变形、系统刚度及抗隆起安全系数关系( c l o u g h ，19 9 0 ) c l o u g h & o r o u r k e ( 1 9 9 0 ) 对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 5 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大。当基坑抗隆起安全系数低于1 5 时，最大侧向变形增加 得非常快唧。 h a s h a s h ( 1 9 9 2 ) 通过采用m i t - e 3 模型对在b o s t o n 的隧道工程和台湾的快速 交通线中软粘土深基坑工程开挖性状的预测，达到了对基坑周围的建筑设施的 保护。图1 6 给出了其最大侧向变形数值分析结果的总结，认为最大侧向变形可 以被总结成开挖深度和支撑间距的函数【1 0 1 图1 6 最大侧向变形、开挖深度及支撑间距关系( h a s l 蛐，1 9 9 2 ) ， o 5 o 5 ” 抽 m ” 1a11i盖i，t量叠_la薯事ilrl暑i量5 第1 章引言 0 u ( 1 9 9 3 ) 通过台北的1 0 个基坑工程变形的实测数据，统计了地表沉降与墙 体变形的关系，指出最大墙体变形与最大地表沉降的比值处于o 5 1 o 之间并 将地表沉降范围分为主要沉降区和次要沉降斟1 1 1 在国内，侯学渊( 1 9 8 9 ) 用以非线性的b i o t 固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 c 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1 1 2 1 。 另外，曾国熙( 1 9 8 8 ) 、应宏伟( 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【1 3 1 。 李亚( 1 9 9 9 ) u 4 】对地层补偿法进行了修正，得出软粘土简单位移场表达式为： 瓯军万，= 厂 + 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 体表达式。 1 2 2 基坑支护体系内力分析研究现状 支护开挖计算方法的最早提出者是t e r z a g h i ( 1 9 4 3 ) 和p e c k ( 1 9 4 3 ) 等人，他们 早在上世纪4 0 年代就提出了预估挖方稳定程度和支撑荷载大小的总应力法。这 一理论原理一直沿用至今，期间经过了许多改进与修改。我国7 0 年代以前的基 坑都比较浅，从8 0 年代中期我国逐渐步入深基坑的设计与施工领域。进入9 0 年代后，为了规范深基坑工程的设计和施工，上海市、武汉市、广东省、深圳 市等地区陆续编制了深基坑设计与施工的地方性法规，1 9 9 7 年冶金部制定了建 筑基坑工程技术规范( y b 9 2 5 8 9 7 ) ”j ，1 9 9 9 年国家建设部制定颁布了国家行业 标准建筑基坑支护技术规程( j g j l 2 0 9 9 ) t 1 6 1 。 1 基坑支护结构计算研究现状 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 。 一3 一 第l 章引言 表1 1 支护结构计算理论及方法汇总 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粱法、l 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 考虑培体变形 山肩邦男弹塑性法 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 共同变形理论考虑墙体变形 森重龙马法 考虑横撑变形 有限单元法( 包括土体介质) 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 考虑施工分部开挖 古典法由于其假设与实际差别较大，而难以应用于实际工程设计；解析法 不能有效地计入基坑开挖时挡土结构及支撑轴力的变化过程，且用于多道支撑 的深基坑挡土结构分析时，内力较实际误差较大：随着计算机的普及，有限元 法发展很快，成为一种很有前途的基坑设计计算方法，但有限元法存在缺乏真 实反应岩土体本构关系的模型，以及计算参数难以准确确定的缺点。 孙钧、 昃学渊( 1 9 8 8 ) 1 7 j 在 ：地下结构中详细计算了地下连续墙作为挡土结 构时的静力计算理论。 汪炳鉴( 1 9 8 3 ) u s 】等对地下连续墙内力提出较软弱地层中采用塑性法的计算 公式，并采取对支撑施加轴力以调整墙体内力的计算方法。 t i m o s h e n k o ( 1 9 5 1 ) 1 9 建议用迭加法对各种边界条件的矩形板进行计算，认为 挡土墙可以视为三边简支、一边自由的矩形板，利用三种边界条件下解的迭加， 和级数展开求解待定系数，给出了均布荷载和静水压力作用下的板的挠度计算 方法。 p 0 h e “( 1 9 9 7 ) 团j 对新加坡硬土地区两个地下连续墙支护基坑进行了监测，从 测斜数据对墙体弯矩进行了反分析，结果表明墙体开裂会引起弯矩大幅下降， 而墙体侧移只有很小的增长。该文还对不同墙体刚度、墙体埋置深度、支撑刚 一9 一 第1 章引言 度等进行了参数分析，发现在硬土中增大墙体刚度对减小墙体侧移效果不明显， 而且墙体弯矩会大幅增长。硬土中墙体埋深增大对减小墙体侧移和弯矩效果也 不大。支撑刚度增大对减小墙体最大侧移和弯矩效果也不明显，但增加支撑的 道数效果明显 马石城等【2 l 】从土压力和基床系数随时间变化的研究出发，提出了一种分析 流变性土体中开挖支护结构内力和变形随时间变化的实用计算方法。 杨小平等【2 2 】视基坑开挖面为弹性半空间表面，应用弹性半空间内部水平荷 载作用下的m i n d l i n 解答，建立了基坑支护结构侧边土体的水平应力与水平位移 之间的关系。 薛惠敏等瞄】采用差分方程系数公式建立差分方程计算支护结构各截面的内 力和位移 林国根1 2 4 】通过对漳州市某污水处理厂污泥消化池基坑支护结构的变形、内 力进行现场测试，分析了基坑在施工过程中的变化规律及受力特性。 王印昌【2 5 】根据钢筋混凝土受弯构件的不同工作状态，应用全过程分析方法 推导出了根据实测钢筋计应力分阶段推算地下连续墙弯矩的合理计算方法。 毛朝辉【2 6 l 针对自然样条无法消除测斜误差对曲率计算的影响，引入了基于 最小能量法的样条光顺处理；该法计算结果与实测结果更吻合，计算精度更好。 史世雍【2 7 1 考虑时空效应的子结构有限元方法进行了深基坑分析，并对支护 结构内力变形的各影响因素进行敏感性分析，主要包括不同的支撑预加轴力、 地下连续墙厚度、深度、开挖宽度及立柱埋深等对地下连续墙内力与变形的影 响。 2 基坑支撑结构研究现状 支撑体系的整体刚度是影响基坑稳定性的重要因素之一。支撑体系的刚度 主要是由三大因素决定，支撑自身的刚度、支撑的水平间距和竖向间距。 g o l d b e r g ( 1 9 7 6 ) t 2 8 】通过研究指出减小支撑的水平间距和竖向间距可以大大 增大支撑体系的刚度，并指出密排的水平支撑提供了和密排竖向支撑相同重要 的支撑刚度。支撑体系的刚度还受到支撑自身刚度的影响，而支撑自身刚度决 定于支撑所用钢的型号，支撑的截面面积，以及截面形状等等。 美国学者o r o u r k e 于1 9 8 1 年通过研究指出支撑的刚度还受到支撑与墙体的 连接方式以及预应力施加的大小，支撑弹性变形量的影响。通过研究表明支撑 第l 章引言 本身刚度对支撑体系整体刚度的影响不大，支撑的水平间距和竖向间距对支撑 的整体刚度影响较大 c l o u g h 和0 r o u r k c 2 9 j 通过有限元分析得出支撑的自身刚度只占支撑体系整 体刚度的2 0 。支撑体系的刚度变化直接影响到基坑的变形和围护结构的稳定 性，研究分析不同因素对支撑体系刚度变化的影响程度有助于研究不同因素对 整个基坑稳定性的影响。在国内这方面的研究，报道很少。在支撑的两端施加 预应力可以有效改善围护结构的受力，减少基坑的变形。支撑两端的预应力可 以减少支撑体系内部的空隙，从而避免由于这些空隙而引起的围护墙体的变形。 支撑两端的预应力可以增加支撑体系的有效刚度，预应力还可以减少由于开挖 而引起的剪切应力。 美国学者m a n a 和c l o u g h 3 0 l - 于1 9 8 1 年用有限元分析了预应力对支撑变形的 影响，分析结果表明在支撑两端施加预应力可以减小围护结构的变形。同时， 也应该注意到预应力施加的大小必须在一定的范围之内。如果预应力施加太小 达不到控制变形的效果，预应力施加过大会破坏支撑与基坑之间的连接，不利 于基坑稳定。在实际的设计中，预应力的大小一般取为支撑设计轴力的 5 0 - 7 0 ，这只是一个经验数值，不一定是最优值。对于预应力合理范围的方 面的研究，报道较少。 t h o m s ( 1 9 8 1 ) p l j 通过大量的实测数据和模型试验结果的比较，得出墙体的位 移和地表沉降的变化规律，认为绘支撑系统施加预应力可以有效地控制围护墙 体变形；但是当预加荷载增大到产生刚性支撑系统时，对于减小位移的效果越 来越小，同时很高的预加荷载会使支撑荷载超过设计值并引起墙体在支撑处产 生很大的负弯矩。 a d d e n b r o o k e ( 1 9 9 4 ) 瞰】基于位移控制准则提出了多道支撑体系的位移柔度指 数，具有相同位移柔度指数的支护具有相同的最大墙体侧移、墙后沉降和支撑 总荷载。 蒋洪胜【3 3 j 通过对采用时空效应法施工的地铁车站深基坑开挖全过程支撑轴 力及相应工况的跟踪记录，以及相应的监测数据资料的全面分析，探讨了围护 结构支撑轴力变化规律，并且提出了考虑时空效应的围护结构设计中在支撑轴 力方面的一些建议。 冯紫良瞰j 根据薄壁杆件结构理论，以杆系结构非线性有限单元法和子空间 迭代法等数值方法为计算内核对基坑工程中的钢支撑系统的横向承载能力进行 第l 章引言 了分析研究，对基坑支护工程的钢支撑系统的设计施工有一定的参考价值。 胡蒙达1 3 副针对地下工程基坑围护常用的6 0 9 钢管，利用平面热弹性力学的 应力解法一舢r y 热应力函数，计算了温度变化在钢管中引起的温度应力 郑刚等p 6 j 在采用弹性抗力法分析因温差所引起基坑支护系统内力变化研究 成果的基础上，对采用一道水平支撑的支护系统，发展了一种考虑支撑一围护 桩一土相互作用的估算水平支撑温度应力的简化分析法。 有关基坑立柱竖向位移对支撑结构的影响研究相对较少，其中吕鹏【3 7 l 运用 s a p 2 0 0 0 分析了基坑内支撑系统受立柱竖向位移的影响情况。陈卫星【3 3 】结合工程 实例对实测的立柱竖向位移与支撑轴力等进行分析研究。 1 2 3 基坑的稳定性研究 基坑的稳定问题是基坑工程中研究较早也是至关重要的问题。基坑安全要 保证其既不发生整体失稳，又不至于产生局部失稳，同时还必须让坑底的回弹、 隆起量不超过容许值。对基坑稳定性问题的研究，大多从现场测试和理论分析 入手，从分析方法上，可归纳为试验模拟法、经验方程法以及数值分析方法。 早在5 0 年代，8 j e l r u l l l 和e i d e ( 1 9 5 6 ) 就给出了分析基坑基底隆起的方法 3 9 4 0 1 o 0 0 1 1 ( 1 9 9 3 ) 应用有限元法，同时考虑挡墙插入深度、坚硬土层距坑底的距离、 挡墙刚度等多种因素对基坑隆起稳定性的影响，提出了一个预估多种支撑开挖 基坑隆起稳定性的方法【4 l 】。 m a r i a 和c l o u g h ( 1 9 8 1 ) 根据工程经验认为围护墙的最大水平位移与基底的抗 隆起安全系数存在一定的关系，在解得基坑抗隆起安全系数的基础上通过查图 求得最大墙体位移和开挖深度的比值，用以得到对最大墙体位移的预测值【4 2 l 。 国内上海地区根据地铁一号线的建设经验，也统计了类似的关系【l l 。 汪炳鉴( 1 9 8 4 ) 考虑了墙体、土体等的抗隆起作用和土体间摩阻力的卸载作 用，推导了地下连续墙的抗隆起稳定性的计算公式，建议安全系数取1 5 【4 3 1 陈煌铭( 1 9 8 7 ) 认为：当基坑开挖深度不大时，隆起较小；当继续开挖到某一 深度时，墙体左右部分的塑性区在根部接通，造成了底部完全处于塑性区中， 隆起量显著增加，再继续下去，就有失稳的趋势，此时开挖深度与隆