（岩土工程专业论文）软土地基基坑工程的环境效应及对策研究.pdf

熬地基莲埴王程的坯撞夔虐及对策研究 提要 本文在b i o t 固结理论基础上编制了一个分析基坑开挖位移性状的二维有限元 程序，该程序可以考虑土体的固结作用，土体的本构模型可以采用线弹性模型或 d u n c a n c h u a n g 非线性弹性模型，改进了开挖荷载f i 勺计算方法，同时在围护结构 与土体之间设置了接触面单元，以模拟两者之间在开挖过程中可能出现的相对滑 移现象，在开挖方式上可以模拟基坑的分步及分块开挖。 通过二维有限元程序分析了基坑在分步开挖过程中周围环境位移场的变化 情况及规律，并讨论了基坑本身的几何与物理力学参数及开挖方式等因素对位移 场的影响，这些因素包括支撑位置、支撑刚度、围护结构刚度、下卧土层性质、 开挖宽度以及固结作用与分步开挖作用等。 旺基坑开挖二维有限元程序基础上，将空间框架平面化后同地基、基础及基 坑作为一个对象进行共同作用的分析，编制了有限元分析程序，通过算例分析了 建筑物对基坑开挖所引起的地基变形的影响以及建筑物本身在基坑开挖影响下 的结构响应规律，主要研究了基础刚度、层数、跨数以及与基坑的相对位置对建 筑物内部次生荷载效应的影响规律。 将垂直于基坑的承重墙结构简化为深梁模型，通过调整深梁巾性轴位置来考 虑建筑物与地基的其同作用，通过调整e g 的值来考虑砌体材料的各向异性及门 门窗开洞情况，用解析法推导了建筑物的变形规律，研究了建筑物在水平拉伸f 压 缩) 与沉降共同作用下破坏规律。 从基坑工程的实际出发，在调研了大量基坑工程对环境影响的实例基础上， 针对基坑周围常见的建筑形式，对结构的完整性进行了定义，研究了建筑物的抗 破坏能力。 将减小基坑开挖环境效应的对策分为主动保护与被动保护两大类，并分别p = 1 纳了两者的要点，提出了基于有限元数值分析方法与数学规划法的基坑开挖信息 反馈的实现方法，给 | j 了反分析方法中的一些具体处理手段。 研制了测斜仪自动化数据采集及处理系统，使用该系统可以使测斜数据的采 集与处理更加准确与及时。卜 最后通过两个工程实例分别介绍了基坑开挖工程环境的保护方法及信息反 馈技术的具体实现过程。 本文的创新之处在于通过两个不同的模型研究了基坑与上部结构的共同作 用规律，开发了测斜仪自动数据采集及处理系统。 r e s e a r c l lo ne n v i r o n m e n t a l p r o b l e mc a u s e db y e x c a v a t l 0 ni ns o f tc i 。a y b a s e do nb i o tc o n s o l i d a t i o nt h e o r y ，a2 - df e m p r o g r a m i sc o m p o s e di nt h i sp a p e r t oa n a l y z et h ed e f o r m a t i o nb e h a v i o r so fs o i ld u r i n ge x c a v a t i o n ，i nt h i sp r o g r a m ，am o r e r e a s o n a b l em e t h o do fc a l c u l a t i n gt h ee x c a v a t i o nl o a di se m p l o y e d ，c o n s o l i d a t i o n ，s o i l - s t r u c t u r ei n t e r a c t i o nc a nb et a k e nj n t oc o n s i d e r a t i o n ，t h es o l lc a nb et r e a t e da se l a s t i c m o d e l ，n o n l i n e a re l a s t i cd u n c a n c h u a n gm o d e l t h eb e h a v i o r so fd i s p l a c e m e n tf i e l do f g r o u n d a n d r e t a i n i n gw a l ld u r i n ge x c a v a t i o n a r es y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e dw i t ht h i sp r o g r a m ，m a j o rf a c t o r sa r ed i s c u s s e d ，s u c ha ss t r u t s i t u a t i o n ，s t i f f n e s so fr e t a i n i n gw a l l ，s o i lp r o p e r t i e so fp a s s i v ez o n e ，e x c a v a t i o nw i d t h ， t h ea c t i o no fc o n s 0 1 i d a i i ( ) ne t c b a s e do nt h i s p r o g r a m ，a f a r t h e rf e mp r o g r a mi s d e v e l o p e d t o a n a l y z et h e i n t e r a c t i o no ff i m n d a t i o np i ta n da d j a c e n te x i s t i n gb u i l d i n g t h eb e h a v i o r so fg r o u n d m o v e m e n ta n dt h er e s p o n s eo fb u i l d i n ga r ed i s c u s s e dw h e ns o i l s t r u c t u r ei n t e r a c t i o ni s t a k e nj n t oc o n s i d e r a t i o n ，f a c t o r s ，s u c ha st h es t i f f n e s so ff o u n d a t i o n ，j a y e r s ，s p a n s t h er e l a t i v el o c a t i o no ft h eb u i l d i n ga r ed i s c u s s e d a d e e pb e a mm o d e l i sd e v e l o p e dt os i m u l a t el o a d b e a r i n gw a l ls t r u c t u r ew h i c hi s p e r p e n d i c u l a r t ot h e e d g e o f e x c a v a t i o n ，r i g o r o u s s o l u t i o ni sd e r i v e dt of i n dt h e d e f o r m a t i o nr u l eo f l o a d b e a r i n gw a l l ，a s s u m i n gt h ep o s i t i o no fn e u t r a la x i sa tt h el o w e r e d g e o ft h eb e a m ，t h er e s t r a i n te f f e c to ff o u n d a t i o na n ds o i lc a nb ec o n s i d e r e d d a m a g e r u l eo ft h ew a l lu n d e rt h ee f f e c to fs e t t l e m e n ta n dh o r i z o n t a le x t e n s i o na r ed i s c u s s e d b a s e do ni n s i t ec a s e s ，t h ei n t e g r i t yo f b u i l d i n gi sd e f i n e d ，a n dt h ea b i l i t yf o ra n t i d e f o r m a t i o no fb u i l d i n g si ss t u d i e d t h em e t h o d su s e dt o p r o t e c te n v i r o n m e n ta r ec o n c l u d e dt o t w ot y p e s ，a c t i v e p r o t e c t i o na n dp a s s i v ep r o t e c t i o n ，t h eo u t l i n eo f b o t hm e t h o da r eg i v e n ，b a s e do nf e m a n dm a t h e m a t i c a lp l a n n i n gm e t h o d ，b a c k a n a l y s i so fe x c a v a t i o ni n f o r m a t i o ni sp r o v i d e d an e ws y s t e mj s d e v e l o p e d ，w h i c h i su s e dt oc o l l e c ta n d p r o c e s st h e d a t a t r a n s m i t t e df r o mi n c l i n a t k ms e n s o ra u t o m a t i c a l l y ，b yu s eo ft h i ss y s t e m ，d a t ac o l l e c t i o n a n dp r o c e s s i n ga r em o r ea c c u r a t e f i n a l l y ，t w oe x c a w l t i o nc a s e sa r ei n t r o d u c e d ，w h i c ha p p r o v e dt h ea b o v em e t h o d a n dc o n c l u s i o n t h e o r i g i n a l i t yo f t h i sp a p e r ： 1 r e s e a r c ho nt h ei n t e r a c t i o nb e h a v i o rb e t w e e ne x i s t i n gb u i l d i n g f o u n d a t i o n p i tu s i n gt w o d i f f e r e n tm e t h o d ； 2 d e v e l o p m e n t o f a u t o m a t i c a l l yc o l l e c t i n g a n d p r o c e s s i n gs y s t e m 1 r i n c l i n o r a e t e r 第一章绪论浙江大学博士学位论文 1 9 9 9 第一章绪论 1 1 深基坑工程的特点及发展现状 深基坑开挖是岩土：i ：程一个古老而传统的课题，同时，它又是个综合性很 强的技术难题。深基坑玎挖不仅要保证坑底的整体稳定，同时也要防止坑内外土 体的过大位移，以保证基坑周围建筑物、道路，管线及其它地下设施的安全及正 常运行。也就是说，深基坑开挖这一课题，即涉及到土力学中经典的强度与稳定 问题，同时又涉及到变形问题以及结构物与土体的共同作用问题。随着高层建筑 在全国各地的快速发展，深基坑开挖问题已成为近卜几年来岩二 j | j ，i n 的研究热 点，在全国工程技术及科研人员的共同努力及探索下，随着上力学理论、计算技 术、分析测试技术及施工技术的不断完善，基坑开挖及支护技术正在不断地进步， 在全国范围内取得了非常可喜的成绩。 深基坑工程的最大特点就是它的经典性、复杂性、综合性以及一定程度的不 可预见性。 所谓经典性，一方碰是指开挖工程是一个古老丽传统且至今未能很好解决的 问题，另一方面也是指划基坑开挖这一课题的研究需要坚实的经j 1 i _ t ：7 j 学理论来 支持，只有将经典土力学理论同现代测试技术、分析及计算技术有机地结合起来， 才有可能比较全面深入地加以研究。 基坑开挖的复杂性是显而易见的。- t j l ；g 来，无数的工程技术人员及科研人 员经过坚苦的努力，在该领域取得了较多的成绩，但因勘察、设计、施工等方面 的某些失误而酿成工程事故的例子依然较多。发生这些事故固然令人痛心，然而， 从某种程度上来讲，这剥基坑开挖技术的发展也起到了推进的作用，它使人们普 遍认识到了开挖工程的复杂性，促进了各方而工程技术人员对开挖技术的研究以 及科研部门在该方向上n 勺投入。 基坑开挖是一项综合性非常强的课题，纵观一项开挖：1 二程的实现，要经历立 项勘察围护没计施工组织设计施工筛测修改没计一一 再施工竣工这一套复杂的过程，而这其中的每个步骤都有可能会对丌挖的结 果造成大的影响。基坑开挖的综合性也可以称为系统性，基坑开挖皤鼍足一项系 统工程，必须仔细地剥+ 箭子系统内部加以研究，并切实处理好其r ”各予系统之问 第一章绪论 浙江大学博士学位论文19 9 9 的关系，才能使这一工程顺利实施。 深基坑开挖工程还具有一定程度的不可预见。p e 。这是因为在基坑开挖整个实 现过程中的不确定性因索很多。如工程地质勘察报告提供的二e 工参数的可靠性、 设计计算模型本身的局限性以及施工过程中的突发性因素等。而且这其t 1 任何一 个环节处理不当，都将增加开挖结果的不可预见性。 基坑工程的发展过程可以概括成如图1 1 1 的形式来捕述，可以说，有j ，人类 建筑史电就有了基坑开挖的尝试，只是在生产力水平很低的情况下，人们无法更 深入地研究这个问题，只是到了本世纪，随着大量赢层、超高层建筑的彳i 断涌现， 对基坑开挖的要求越来越高，出现的问题电越来越多，这才促使工程人员以新的 眼光去重视基坑工程这个古老课题，促进了无数新的经验的及理论的研究方法的 出现与成熟。 , 、 慢 的 修 矿 酗1 1 1 基坑工程认识论发展过程示意图 最早对基坑开挖问题提出分析方法的是t e r z a g h i 和p e c k 等人，他们早在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，这一1 理论原理沿用 至今，只不过有了许多改进与修正。5 0 年代，b i 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。基坑”挖在我国成为研究热点并进行广泛的研究是始于8 0 年代 初，郧时我国的改革开放方兴未艾，基本建设如火如荣，高层建筑不断涌现，相 应地基 i j i 埋深不断增加，开挖深度也就不断发展，特别是近年来，随着旧城改造 工程的推进，在繁华的市区内进行基坑开挖给这一与老的课题增加了新的内容， 那就是如何控制开挖的环境负效应的问题，从而进一步促进了基坑开挖技术的形f 究与发展，产生了许多先进的设计计算方法，众多的新施工：i 二艺也不断付诸实施， 第一章绪论 浙江大学博士学位论文 1 9 9 9 出现了许多技术先进的成功的工程实例。进入9 0 年代后为了总结我国深基坑围护 设计与施工经验，开始着手编制深基坑围护没计与施工的有关法规。 任何一个工程方面的课题的发展都是理论与实践密切结合并刁i 断相互促进的 结果，在基坑开挖这一领域内，往往是先是一种支护方法、支护形式的出现带动 着新的设计分析方法的产生。早期的开挖常采取放坡的形式，后来由于工程上的 需要，逐渐产生了支护开挖，迄今为1 e ，支护结构的形式已经不下几十种，从围 护的机理来讲，基坑围护的发展经历了一个从加固型向支挡型以及组合型方向发 展的过程。所谓加固型开挖也就是在基坑可能滑动区域内采取各种物理、化学的 方法，以改善土体的力学性能，从而达到稳定的目的，这种方法适用于开挖深度 较小的工程；支挡型支护则是依靠附加的围护结构自身的强度、刚度及支撑体系 来承受开挖引起的土体不平衡力，与加周型相比，支挡型的开挖深度较大，施工 更加灵活；组合型的围护结构是上述两种结构形式的复合，其旨在寻求最合理的 受力模式，挖掘材料的潜在强度，以加大开挖深度或控制围护结构的变形，这种 围护结构形式相对比较复杂，但处理得当可以取得事半功倍的效果。 相对于支护结构形式的层出不穷，在基坑开挖理论研究方面的发展似乎显得 有些落后。目前实用中的设计计算方法大多存在这样那样的缺点，但随着科研部 门对这一课题的投入加大，这方面的发展还是有f 1 共睹的，设计方法方面已经从 单一的等值梁法发展到弹性地基杆系有限元法、平面有限元法、空间有限元法等， 本构模型也从弹性模型发展到弹塑性模型或粘弹塑性模型，从小变形理论到大变 形理论，从确定性方法到概率可靠性理论都有应用，可以说，目前在理论分析方 面，也是呈现出一片百家争鸣的局面。 1 2 围护结构型式及适用条件 基坑围护体系般包括两部分：挡土体系和止水体系。止水也包括降低地f 水位和排水。下面分别加以介绍： 1 2 1 挡土体系 基坑挡土体系主要可分为以下几类： ( 1 ) 放坡开挖及简易围护； ( 2 ) 悬臂式固护结构； ( 3 ) 重力式围护结构： 3 第一章绪论浙江大学博士学位论文t 9 9 9 ( 4 ) 内撑式围护结构； ( 5 ) 拉锚式围护结构： ( 6 ) 土钉墙围护结构： ( 7 ) 其它型式围护结构。主要有门架式l ：目护结构；拱式组合型围护结构；喷 锚网围护结构：沉井围护结构：加筋水泥土墙围护结构；冻结法围护等。， 1 、放坡开挖 放坡开挖是选择合理的基坑边坡以保证在开挖过程r 扣边坡的稳定性，包括坡 面的自立性和边坡整体稳定性。放坡开挖适用于地基土质较好，开挖深度不深， 以及施工现场有足够放坡场所的工程。在放坡过程叫_ l ，为r 增加基坑边坡稳定性、 减少挖土土方量，常采用简易围护。如在坡角采用草袋装土或块石堆砌挡土或在 坡角采用短桩隔板挡二卜等。 2 、悬臂式围护结构 悬臂式围护结构常采用钢筋混凝土桩排桩墙、钢板桩、钢筋混凝土板桩、地 下连续墙等型式，是依靠足够的入土深度和结构的抗弯能力来维持整体稳定和结 构的安全。悬臂式围护结构对开挖深度很敏感，容易产：生较大的变形，对相邻建 ( 构) 筑物产生不良影响，因此只适用于土质较好、开挖深度较浅的基坑t ：程。 3 、重力式围护结构 目前在工程中川得较多的是水泥土重力式网护结构，常采用深层搅拌法形 成，有时也采用高压喷射注浆法形成。为节省投资，常采用格构体系。深层搅拌 桩重力式围护结构常用于软粘土地区，开挖深度约在6 o m 以内的基坑：r ：程。采用 高压喷射注浆法施工还可应用于砂类土地基等。 4 、内撑式围护结构 内撑式围护结构由围护结构体系和内撑体系两部分组成。支撑体系可采用水 平支撑和斜支撑。根= f i i ：不同开挖深度又可采，i 单层水平支撑、二层水平支撑及多 层水平支撑。内撑式j _ 1 ；l 护结构适用范圈。，可适f l h ：各种土层和基坑深度。， 5 、拉锚式围护结构 拉锚式围护结构由围护结构体系和锚固休系两部分宝f l 成。围护结构体系同内 撑式围护结构，常采用钢筋混凝土桩排桩墙和地下连续墙型式。锚固体系i ，j 分为 锚桩式和锚杆式两利。随基坑深度不同锚杆式也可分为单层锚杆、二层锚杆和多 第一章绪沦浙江大学l 士学位论文1 9 9 9 层锚杆。锚桃式需要有足够的场地设置铺桩或铺同物。镝杆式需要地基能提供锚 杆较大的锚同力。故锚杆式较适用于砂j - , t 也基或粘二卜地蟾。对于软粘二l 地基，由 于地基不能提供较大的锚周力，所以很少使7 。 6 、d - _ j 墙围护结构 士钉一股通过钻孔、插筋、注浆来设谶，传统上称砂浆锚杆。边升挖基坑， 边在土坡中设置土钉，在坡丽上铺设钢筋网，并通过喷射混凝士形成混凝土面板， 形成土钉端阳护结构。土钉墙围护结构适用于地下水以上或人工降水后的粘性 土、粉土、杂填土及非松散砂土、卵石土等，不适用于淤泥质土及未经降水处理、 地下水位以f 的土层地基中基坑围护。土钉墙围护一般宜控制在5 1 5 m 深度。 7 、门架式围护结构 目前在j ：程中常用钢筋混凝二t 灌注桩、压顶梁和联系梁形成空间门架式围护 结构体系( 图1 2 1 ) ，它的围护深度比悬臂式困护结构深。门架式围护结构适加 于开挖深度已超过悬臂武围护结构的合理周护深度，世深度也0 ：是很大的基坑工 程。 ( a ) 平面图 图1 2 1门架j r i = 双排桩用护结构示意图 8 、拱式组合型目护结构 图1 2 2 表示钢筋混凝二 二桩同深层搅拌桩水泥土拱共同形成的围护结构示意 图。水泥j l 抗拉强度很小，抗压强度较大，形成水泥土拱可有效利用材料性能。 拱脚采用钢筋混凝：| i 桩，接受水泥二j 二拱传来f l 勺应力。采用内撑式同护型式，合理 应用拱式组合型围护结构可取得较好的经济效益。 第一章绪论浙江火学f l 。l 学位论文1 9 9 9 种矿 00 ( a ) 平两圈 ( b ) n f i l l i p l 图1 2 2 拱式组合型嘲护结构示意图 9 、加筋水泥土挡墙围护结构 由于水泥土抗拉强度低，水泥二f 二重力式挡墙咽护结构嘲护深度小，为，克服 这一缺点，可在水泥l 巾插入毛竹、钢筋、型钏停，形成j j i 】筋水泥土端j ：f 1 结构。 1 0 、冻结法围护 利用地基土形成冻二i 二后，抗剪强度提高，止水性能好，通过冻结基坑四周土 体来保持基坑边坡稳定。冻结法围护对地基土类适用范围j 。，f h i l 重视其冻融过 程中剥周围环境的影响及工程赞用。 在进行基坑嗣护休系设计州，对同一基坑可因地制宜采用利或多种同护结 构相结合的型式。 1 2 2 止水体系 i j 二水体系包括降低地一f 水位和设置止水帷幕两类。对渗透性很小的地占也可 既不降低地一f 水位也不设l l 二水蛾幕，对越坑开挖过程中产生少量积水采用明沟排 水处理即可。 目前，在工程中应用较多的止水帷幕有三种型式：深层搅拌桩水泥土i r 水帷 幕、高压喷射注浆法水泥土止水帷幕和素混凝二i ：地下连续墙l i ：水l 睫幕。深层搅拌 桩止水i 幕适用于软粘二i ：地基，对围护结构位移适应性较强。高压喷射滓浆法水 泥土l e 水帷幕和索混凝土地下连续墙止水巾作幕成本较高，常用于深层搅拌法难以 施工的砂土地基等，剥。围护结构位移适应性差。m 护结构位移增人叫，l l ：水帷幕 常产生裂缝而漏水。 降低地f 水位常采用井点降水，若基坑f 挖深度深外点降水可分级进行。在 周护结构外侧降水，可减少作肼在围护结构上的土压力，又能提高j 二休的强度， 第一章绪沦 浙江大学博士学位埝文1 9 9 9 有利于围护结构n 稳定，但在旧护结构外侧降水会引起地面沉降。对限制周围地 面沉降要求较高的工况，婪求改覆止水l 睢鞯，并只在嗣护结构内侧即基坑内降水。 除井点降水外，有时也采川大口径深外降水。 1 3 关于深基坑开挖的环境效应 1 3 1 环境效应的基本概念 深纂坑开挖不仅要保证基坑本身的安全与稳定，而且要有效控制基坑周围地 层移动以保护周阳环境。尤其足在地基二l 质较差的城市内进行基坑开挖施z l i , t ， 经常引起基坑周闻土体较大的变形，从而影响基坑周围的建筑物、公共设施、道 路、铁路、管线、机器设备等的正常使用，甚至危及安全，造成破坏。在本文r f ， 剥i c 述提到的被影响的对象称作保护对象，基坑开挖对保护划象所带来的影响或 危害就是其环境效应。 从广义来讲，基坑开挖的王f ：境效应不仪包括位移对保护对象的影响，还应该 包括噪音、振动和其它污染的影响，但这些方西不是本文研究的内容，本文内所 指的环境效应单指位移剥保护对象的影响。 1 3 2 基坑变形现象 基坑的变形是口 3 ：占坑内土体的挖除打破了原来的平衡所造成的，其变形可 以分为围护结构变形、越坑底部的隆起和j 周围区域地表的沉降与水平位移三部 分。基坑的典型变形形态如图1 3 1 所示。 ( b )( c ) 闰1 3 1 基坑变形模式图 一、围护结构的变形 土体开l 挖后，围护结构在背部j | ：压力的作月一f ，将产生水平变位，未 殳骨支 第一蕈绪论 浙江大学博士学位论文1 9 9 9 撑前的水平变位是上大下小的，设置支撑并继续开挖后，刚性围护结构将产生向 坑内的三角形位移或平行的刚体移动，而柔性围护结构一般产生腹部向坑内突出 的移动。 二、基坑底部的隆起 在开挖深度不大时，基坑底产生中部大两边小的弹性隆起，当开挖达到一定 深度时，基坑开始出现塑性隆起，最大隆起位置向两边移动，但对于狭窄的基坑 最大隆起位置仍将在基坑中部。 ， 三、地表沉降与水平位移 长期工程实践的观察测定发现，地表沉降主要有两种分布形式，图1 3 1 ( a ) ( b ) 为三角形，( c ) ( d ) 为凹槽形。图1 3 1 ( a ) 的情况主要发生在悬臂式围护结构；1 3 1 ( b ) 发生在地层较软弱而且墙体的入土深度不大时，墙底处显示较大的水平位移，紧 靠墙体的地表出现较大沉降；1 3 1 ( c ) 和( d ) 则主要发生在设有良好的支撑，而且围 护结构插入较好二 j 层或围护结构足够长时，这时地表最大沉降点离基坑边有一定 距离。 在基坑开挖过程中周围地表不仅要发生沉降，同时还伴随着水平位移，而且 这种水平位移的大小随距基坑边的距离不同而不同，这就使得其周围的保护对象 可能受到水平拉伸或压缩作用，从而产生不利影响。 1 3 3 估算基坑变形的方法 根据对前人研究成果的总结，可以看到估算基坑变形量的方法大致有气种， 即经验方法、实验方法和数值分析方法。 1 3 ，3 1 经验方法 剥于图1 3 1 ( a ) ( b ) 情况，可采用著名的p e c k ( 1 9 6 9 ) t 8 1 地表沉降与距离关系图( 图 1 3 2 ) 进行估算。 从图1 3 2 也可以看出p e c k 认为开挖引进的地形沉降影响范围在4 侪歼挖深 度以内。 p e c k 教授认为基坑开挖引起的周围地表沉降情况是从多因素综合作用的结 果，这些因素包括土的性质、开挖深度、面积、围护型式及施工工艺和质量等， 这其中还有一些偶然因素，使锝通过室内模型试验或理论计算来参估测地表沉降 情况变得很难。幽1 3 2 只是相对全面的考虑了以上各因素，在具体工程巾还应当 结合具体情况来灵活应用，才能得到相对准确的结果。 培 第一章绪论 浙江大学磷土学位论：业1 9 9 9 争 蜊 醛 鬃 谪 薏一 离墙体扮距离开挖深度 ， ，一 l y 7 i i i i i 图巾t 土层分类如下： i 区一砂土或硬粘土，一般的施工j 二艺和施工质量 i i 区一( a 1 软至非常软的粘：r 1 开挖面以下存在有限厚度的粘土 2 开挖面以下粘土层鞍厚，但n 6 n ( b ) 由于施工困难而造成施工质量较差 l i i 区一开挖面以下有相当厚的软粘土层，邑n n 。 式中 n b yh s 。 n m = 5 1 4 y 为上的容重，h 为丌挖深度，s 。为地的不排水抗剪灶度。 图j3 2 p e c k ( 1 9 6 9 ) f ”她裘沉降与距离关系图 夏明耀于文献【7 0 | ，介绍了日本的一种经验方法，事实j j 它也是建寺在p e c k 沉降图基石i | l 的，是对它的补充，它给出了计算地表沉降量的经验公式： 6 = 1 0 x k l a h ( m l l l )( 1 3 1 ) 式中k ，修i 卜系数。壁式地下墙取0 3 ，柱列式地下墙取o 7 ，板桩墙取 1 0 。对于壁式地下墙，当采取大规模降水时，取1 0 ： “一地层沉降量与基坑7 f 挖深度之经，以( ) 表示，具体数值查图l - 3 2 ； 一基坑丌挖深度。 众多的工程实测分析可知，挡土结构侧移和地表沉降之间有肴斑接的关系， 日本在道路： 程规范中介绍了一种基于匕述思路的经验方法，如劁1 3 3 所示，它 认为基坑周围地表移c 降胁线圈成的面积与围护结构侧向移动m 线j 昕的秋足相等 的，而围护结构的侧向位移量的估算相对容易一些，这样就可间接地似训地表沉 第一章绪论 浙江大学博士学位论文 1 9 9 9 降状况。而张鸿儒( 1 9 9 1 ) 通过数值分析后认为，e 1 本道路工程规范的方法并不具有 普遍的意义，事实卜侧移与沉降之间的关系并不那么简单，它们之间存在如下关 系，其图示见图1 3 4 。 s 。 s ， s 。+ s ( 1 3 2 ) 沉降影响范围 一一，一 图1 3 3日本道路一肼2 规范计算模式图1 34 张鸿儒1 1 9 9 1 ) 数值分析简旧 候学渊、陈永福( 1 9 8 9 ) 根据有限元分析和对前人研究成果的总结，提如下经 验公式： ( 1 ) 对于沉降为三角形情况，图 1 3 1 ( a ) ( b ) ，沉降范围可取围护结构背后 滑动棱体的宽度，公式为： f ， x o = h t a n ( 4 5 。一音) 1 1 3 3 ) 厶 最大地表沉降在丛坑边缘，其值为 瓠。 - 。一 x 0 ( 2 ) 对于沉降为凹槽形，图1 3 1 ( c ) ( d ) ，可 以借用p e c k 教授估算隧道上方地表沉 降的指数函数来估算： 4 。t ，= n ，一c x - 、x + 。x m 一，) = 何t t g ( 4 5 一2 ) a d 一1 a 6 。l + d 。2 ) 2 图13 5 候学渊等地表沉降计算校 ( 1 3 4 ) 式中n 一待定的位移系统； 靠一最大地袭沉降值距基坑边距离 丁1一11上 第一章绪论 浙江大学博士学位论文 19 9 9 工。一地m 沉降零点j 撼坑边距离。 “、z ，。通过下列条什砷定： 条件1 6 = 6 ，6 图1 3 5 假定取值。 条件2 f 6 州“+ f “6 ，) d x 2 s 。 令m = s 。一x o a 6 ，解甜： 4 x ：a 一6 + 2 峭) + 、( 堂+ 2 m x t ) ：+ 4 以；( 兰_ 1 ) d ：j l l 旦一一一 1 2 x ：( ! 一1 ) e 徐方京”1 认为图1 3 1 ( c ) ( d ) 情况的地表沉降可表示为r a y l e i g h 分布函数： s ( x ) = f k x e x p ( 一2 2 f 2 ) 1 f 2( 1 3 5 ) 式中i 为极大值位置，k 为各步开挖引起的坑外地层损失，z 为距坑边的位置坐 标。k 和i 可由图1 3 6 确定，图中k = 占h ， 以上罗列了国内外一些常川的估算地表沉降量和影响范围的经验方法，这些 经验方法比较简单，其物理意义直观明确，若能够因地制宜地合理使用，会取得 事半功倍的效果。但同时也应当看到它们的缺点，即它们都是基于一系列的假设 与简化的基础上的，而实际影响地表沉降的因素是非常多的，因此要准确地预估 地表沉降的准确值是非常网难j 1 。 0 6 畸 墨0 4 o 2 r 3 c 矧1 36 徐方京地我沉降的预估” 2 i h 1 3 3 2 实验的方法 在对基坑开挖引起纳位移场的研究t t j 。泛应用的实验方法主要有两种，即模 型试验和原位试验。 第一章绪论浙江大学博士学位论文1 9 9 9 b r a n s b y f 8 】利用模型实验方法研究了砂土中板桩的受力和变形特性，同时模拟 了不同的土性及土与板桩之间相互作用。 离心模型试验方法是研究基坑开挖问题的有效方法，最近几年来在国内取得 了广泛的应用。上海学者夏明耀、张师德、陈永福等人均用该方法进行了研究， 模拟了土的性状、结构性状及重力场等因素对开挖性状的影响。 与模型试验方法相比，原位试验可以克服尺寸效应等因素对实验结构的不利 影响，但是其成本相对较高，试验周期长，难度大，易受各种难预料因素的干扰。 但是它所提供的结果一般还是可信的。科研性质的原位试验与普通的基坑开挖施 工监测是有较大的区别的，这在于它更强的系统性、针对性和科学严谨性。这方 面的成果在国内外的专业文献上的介绍较多，但由于这种试验结果是众某个特定 的工程中得到的，所以要想得到一个普遍的结论还要经过众多试验的总结，而这 方面目前还是比较欠缺的。 1 3 3 3 数值分析方法 由于基坑开挖问题的复杂性，传统的解析方法在这一问题上的应用受到了极 大的限制，而计算机技术的飞速发展导致了数值分析方法在基坑开挖课题中的蓬 勃发展，使许多解析方法无法解决的问题变得比较容易了。 岩土工程数值分析方法有很多，其中有限单元法是最灵活、实用和有效的方 法。有限单元法是近三、四十年来随着电子计算机的广泛应用而发展起来的一种 数值解法，它具有极大的通用性和灵活性，因而可以用来求解各种复杂的边界问 题。在岩土工程中，可以利用有限元法求解各种具有复杂的土质条件、加荷历史 和边界条件的问题。对于求解基坑开挖问题，它更是有着其它方法无可相比的优 势，它可以考虑基坑土体与围护结构之间的相互作用，选择不同的材料本构模型 还可以模拟土或结构的非线性、粘性以及各向异性等特性，建立在b l o t 固结理论 基础上的有限元分析还能模拟开挖中的固结作用以及渗流情况，同时它还可以模 拟基坑开挖的惑工过程，采用三维有限元分析还能够研究基坑开挖的空间效应， 可以说，有限元数值方法可以全面了解基坑开挖过程中土体及围护系统的应力和 位移，在学术界和工程界中都有广泛的应用。 c h u a n g 和d u n c a n 8 9 用有限元法进行了放坡开挖的分析，在分析过程中采用 了d u n c a n c h u a n g 模型来描述土的应力应变关系，并分别进行快分析和慢分析， 所谓快分析是指施工过程较快，计算时采用不排水试验所得到的土性参数；慢分 析是指开挖施工过程缓慢，土体有充分的时间排水，计算时采用排水试验所得的 1 2 第一章绪论浙江大学博士学位论文1 9 9 9 土性参数，前者所得到的土体变形是其上限值，后者则是其下限值。开挖后的工 程实测位移和应力值处于这两者之间。在开挖初期，实测结果与快分析相近，在 开挖后期，实测结果接近于慢分析的结果。 c l o o g h 和d u n c a n 最早采用了接触面单元来模拟土体与围护结构之间的相互 作用，并对一挡土墙进行了分析，验证了这种方法的有效性。 对于挖方的模拟，学者也提出了许多方法。m a n a ( 1 9 7 6 ) 给出了每一阶段开挖 荷载的计算方法： 2 荟7 y ( 1 3 6 ) 式中：m 为某级将被挖去的单元总数；旧1 为单元应变矩阵；f 盯 为单元应力矢量。 p t b r o w n 等叫】用来确定等效结点力的过程为：在第i 步开挖结束时，施) j r - _ 任意的结点位移( 虚位移) ，令与此位移相应的内力功等于外力功，根据总体平 衡，而不是增量平衡，即可模拟第i 步开挖的结点力，重复使用这一技巧，在理 论上可使单步开挖等于多步开挖。 开挖掉的土体的处理，d e s a i 等提出了有两种方法，一种是采用“空气单元”， 即将开挖单元的刚度取一很小值；另一种方法是将单元网格重新排列，将开挖掉 单元和结点去除。张鸿儒【2 8 】提出了另外一种方法，该方法不改变单元和结点的排 列，只将挖掉的单元刚度取为零，并对挖掉的结点施加固定约束，这样使得这些 结点成为孤立结点，不会影响计算结果。 在基坑开挖过程中为了保证基坑的稳定和施工条件，常常要进行降水，而大 规模的降水会导致地基土体的固结，产生相当大的沉降。w o n g f ”】对这种现象进行 了有限元分析。 国内学者在基坑开挖领域也成功地应用了有限元分析方法，曾国熙、胡一峰9 j 、陈 永福、刘围彬、俞建灵等都对基坑开挖过程进行了数值模拟。 1 3 4 研究环境效应的方法 深基坑开挖之所以对周围环境造成影响，其根本在于开挖引起的周围土体的 位移使保护对象中产生了过度的附加变形及附加应力。因此，要研究环境效应问 题，其出发点就是要研究基坑开挖过程中围护系统及周围地层中的位移场是如何 变化的，同时还要研究影响基坑开挖位移场的因素有哪些。 在研究了位移场的变化之后，下一步将要研究的是保护对象对位移场的变化 所做出反应的机理，比如，建筑物对竖向沉降的反应机理、对水平位移的反应机 1 3 第一章绪论浙江大学博士学位论文 1 9 9 9 理、以及各种不同结构形式对位移场变化的反应程度，这一过程主要是提出计算 保护对象的附加变形及附加内力的方法。目前这方面的研究成果较多，但是大都 建立在经验基础上，或是将控制对象与围护系统完分割开来进行研究，这与实际 实际情况相差较大，只有考虑二者之间相互作用。才能得到较确切的结果。 在解决上述问题之后，将研究保护对象的抗变形能力，并研究减小基坑开挖 对周围造成的影响的措施，包括一系列的工程措施及组织措施等。 1 3 5 关于信息化施工 所谓基坑开挖的信息化施工，就是在开挖及围护施工过程中，通过有目的地 量测围护系统的性状信息，来预测将可能引起的局部或整体破坏及环境效应程 度，籍此相应地修改设计或采用适当措施以避免造成大的危害，保证工程安全及 合理的经济投入。 据文献介绍，国际上最早进行信息化旖工的基坑工程是6 0 年代在奥斯陆和墨 西哥城的软粘土深基坑开挖工程，在开挖过程中使用了仪器进行了一系列量测， 此后的大量实测资料提高了信息化施工的应用水平。在国内，深圳地区的第一个 基坑支护工程率先应用了信息化施工方法，大大地节省了工程造价，提高了经济 效益。 由于深基坑开挖问题的不确定性太多，而现在环境问题又越来越受到重视， 因此，工程中非常普遍地采用了信息化施工技术。大量的工程实践都证实了这一 施工技术的成功。可以说，解决环境问题的根本应该是做到对将要发生的现象心 中有数，做到防患于未然，也就是说以“防”为主，以“补”为辅。 信息化施工的另一个重要作用是为改革和发展设计方法提供依据，是检验设 计方法正确性的重要手段。 1 4 本文的主要工作 在总结前人研究成果的基础上，本文主要做了以下几方面的工作： 1 、用平面有限元方法分析了基坑开挖过程中周围位移场的变化规律，在分析中考 虑了土体的非线性、土体的固结作用、土与挡土结构物之间的相互作用以及分步 开挖施工过程； 2 、将基坑开挖与周围环境中的建筑物作为一个整体，通过两个共同作用的模型， 研究了建筑物对基坑开挖位移场变化的反应机理，总结了实际工程中关于基坑开 挖环境效应的一些经验性规律，在以上研究的基础上对结构完整性程度做出了定 。1 4 第一章绪论 浙江大学博士学位论文 1 9 9 9 义，并讨论了建筑物在基坑开挖影响下的抗破坏能力； 3 、将控制基坑工程环境效应的方法划分为两类，并分别总结了其要点，提出不论 是采取何种保护措施，信息化旋工均是最重要与最积极的方法。本文阐述了信息 反馈的基本原理，并编制了反分析程序，具体实施了信息反馈的全过程； 4 、为准确及时地采集基坑开挖围护结构或深层土体水平位移信息，研制了测斜仪 自动数据采集及处理系统； 5 、将本文所研究的成果应用于工程实践，对本文的研究进行了检验。 1 5 第二章深基坑开挖的二维有限元分析浙江大学博士学位论文1 9 9 9 第二章深基坑开挖的二维有限元分析 2 1 引言 在深厚的软土地基上进行深基坑开挖会对临近的建( 构) 筑物的正常使用和安 全造成一定的影响，而造成这一影响的根本原因是基坑开挖引起周围地层中产生 了过量的位移，因此如何计算基坑开挖所造成的地面运动，是研究基坑环境效应 问题的出发点。 影响基坑周围位移场变化规律的因素非常多，常规的解析方法无法对此全面 进行研究，因此它的应用受到了较大的限制。相比之下，数值分析方法具有考虑 因素全面、灵活和实用有效的优点。数值分析方法中的有限单元法是近三、四十 年来随着电子计算机的广泛应用而发展起来的，它具有极大的通用性和灵活性， 因而可以用来求解各种复杂的边界问题。在岩土工程中，可以利用有限元法求解 各种具有复杂的土质条件、加荷历史和边界条件的问题。对于求解基坑开挖问题， 它更是有着其它方法无可相比的优势，它可以考虑基坑体与围护结构之间的相 互作用，选择不同的材料本构模型还可以模拟土或结构的非线性、粘性以及各向 异性等，建立在b i o t 固结理论基础上的有限元分析还能模拟开挖其间的固结作用 以及渗流情况，同时它还可以模拟基坑开挖的旖工过程，若采用三维有限元分析 还能够研究基坑开挖的空间效应，可以说，有限元数值方法可以全面了解基坑开 挖过程中土体及围护系统的应力和位移，在学术界和工程界中都有广泛的应用。 本章在b i o t 固结理论基础上，编制了基坑开挖的二维有限元分析程序，并利 用此程序对基坑开挖的位移场性状进行了研究。 2 2 基本假定及理论基础 2 2 1 基本假定 1 基坑长宽比较大，并且是关于其纵轴对称的，其受力为平面应变状态，分 析中取其一半进行计算： 2 不考虑围护结构施工期间对地基性状、应力及位移场的影响； 3 地基土体为线弹性或邓肯一张( d u n c a n - c h u a n g ) 非- 线性弹性材料，围护结构 及支撑系统为线性弹性村料； 第二章深基坑开挖的二维有限元分析浙江大学博士学位论文1 9 9 9 4 土体是饱和的，孔隙水是不可压缩的，并且其渗流服从达西定律 5 土体的变形是微小的。 2 2 2b l o t 固结理论