（岩土工程专业论文）深基坑开挖对近邻桥桩的影响研究.pdf

韭塞銮适太堂亟堂焦 途童虫塞揸垩 中文摘要 随着我国城市化进程的加快，高层建筑、地铁和其它地下工程设施建设产生 了大量的深基坑工程。其规模和深度不断增加。深基坑开挖工程对邻近桥桩的影 响规律研究，是基坑环境工程中的重要课题，也是受施工扰动影响的土体、环境 稳定理论和控制方法的主要研究内容之一。本文在前人研究的基础上，结合北京 地铁基坑开挖工程实际，综合考虑了基坑支护结构、土体与近邻桥桩变形的系统 性，采用三维拉格朗日元法对该问题作了较为细致的研究。主要内容如下： 1 、对基坑的变形进行现场监测试验研究，并作了相应的数据分析，主要分析 支撑轴力变化规律、围护排桩和桥桩补强桩的变形位移规律、围护桩与土体之间 的土压力分布规律以及桥桩沉降规律。 2 、采用三维快速拉格朗f t 法建立基坑开挖支护过程对近邻桥桩影响的数值 模型，对预加轴力的大小、开挖深度和支护刚度对近邻既有桥桩变形的影响进行 了详细的研究，并将实测数据和数值计算结果进行对比分析。 3 、研究和分析深基坑变形的空间性状及周围地层位移分布规律，以及基坑 开挖对近邻既有桥桩的影响。 通过以上的研究，得出如下主要结论： 1 、预加轴力和开挖步对桥桩的水平位移影响最大，围护桩的刚度的影响次之， 桥桩补强桩刚度及支撑抗压刚度影响最小。但预加轴力对改变桩底位移效果不大。 2 、随着开挖深度的增加，有桥桩侧基坑周围土体水平位移收拢于桩顶处，而 无桥桩侧呈开口型分布；开挖底面以下的地层水平位移基本上呈对称分布。 3 、钢支撑轴力的变化间接的反映了围护桩、补强桩和桥桩的变形，四者变化 呈现出增减一致性。桩土间土压力基本上呈现出减小的趋势。 4 、通过实测数据和计算结果对比分析，预加轴力可以有效的控制桩体位移， 计算值和实测值吻合较好。 关键词：深基坑开挖近邻桥桩影响现场监测刚度数值模拟 韭立窑煎盔堂亟堂焦迨塞曼至b 工 a b s t r a c t b r i d g ep i l e sr e s p o n s et on e a r b yd e e pe x c a v a t i o ni ns o i li sa “t a lp r o j e c t w h i c hi s a l s oo n eo fm a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa b o u td i s t u r b e ds o i l ，e n v i r o n m e n t a it h e o r i e so f s t a b i l i t ya sw e l la sc o n t r o l l i n gm e t h o d s b a s e do nt h ef o r m e rs t u d ya n dt h ea c t u a l s i t u a t i o no fd e 印f o u n d a t i o np i te x c a v a t i o no fb e i j i n gm e t r o ，t h ec o u p l e da c t i o no f w h i c hr e t a i n i n gs t r u c t u r e ，s o i la n db r i d g ep i l e si ss y n t h e t i c a l l yc o n s i d e r e di nt h i sp a p e r t h i sp r o j e e ti se x a m i n e di nd e t a i lb y3 - d i m e n s i o n a lf a s tl a g r a n g i a nm e t h o d t h em a i n c o n t e n t so f t l l i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 、b yi ns i t um o n i t o r i n gt e s t ，t h er e s e a r c ho nt h ed e f o r m a t i o no f d e e pf o u n d a t i o ni s m a d e ，t ow h i c ht h ei n f o r m a t i o nr e f l e c t i o nr e s p o n d e di sa n a l y z e d t h er u l eo fb r a c i n g f o r c ec h a n g e dt h ed e f o r m a t i o no fp i l e si nr o wa n dp r o t e c t i n gp i l e s ，t h ed i s t r i b u t i o no f e a r t hp r e s s u r eb e t w e e np i l e si nr o wa n dt h es o i la r o u n d ，a n dt h es e t t l e m e n to fb r i d g e p i l e sa r em a i n l ya n a l y z e d 2 、b a s e do n3 - d i m e n s i o n a lf a s tl a g r a n g i a nm e t h o d ，t h en u m e r i c a lm o d e lo ft h e i n f l u e n c eo ft h ep r o c e s so fe x c a v a t i o na n ds u p p o r to ff o u n d a t i o np i to nn e a r b yb r i d g e p i l e si sc r e a t e d ，i nw h i c ht h er e s e a r c ho ft h ei n f l u e n c eo ft h ee x t e n to fi n h e r e n tb r a c i n g s t r e s s ，t h ed e p t ho fe x c a v a t i o na n dt h es t i f f n e s so fr e t a i n i n ga n dp r o t e c t i n gf o r f o u n d a t i o ne x c a v a t i o no nn e a r b yb r i d g ep i l e si sm a d ei nd e t a i l t h e nt h ea c t u a l m e a s u r e m e n td a t aa n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nd a t aa r ea n a l y z e db yc o n t r a s t 3 ， m a k i n gr e s e a r c ha n da n a l y z i n gt h es p a c e d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e ro fd e e p f o u n d a t i o nd e f o r m a t i o na n dt h ed i s t r i b u t i o nr u l eo f t h ed i s p l a c e m e n to ft h es u r r o u n d i n g s t r a t u m ，a n dt h ei n f l u e n c eo f d e e pf o u n d a t i o ne x c a v a t i o no nn e a r b yb r i d g ep i l e si sd o n e b a s e do nt h ef o r m e rs t u d y , t h em a i nc o n c l u s i o n sa c q u i r e da r ea sf o l l o w s ： 1 、t h ei n f l u e n c eo ft h ei n h e r e n tb r a c i n gs t r e s sa n dt h ee x c a v a t i o ns t e po n h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to fn e a r b yb r i d g ep i l e si st h em o s t , o fw h i c ht h es t i f f n e s so f p i l e si nr o wi ss e c o n d a r y , a n do fw h i c ht h es t i f f n e s so fp r o t e c t i n gp i l e sa n dt h es t e e l b r a c i n gi s t h el a s t w h i l et h ei n h e r e n tb r a c i n gs t r e s sc a n tc h a n g et h eh o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n to f t h eb o t t o mo f b r i d g ep i l e sa sw e l la st h a to f t h et o p 2 、a st h ed e p t ho fd e e pf o u n d a t i o np i ti n c r e a s e s ，t h eh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t b e h i n dt h ep r o t e c t i n gp i l e si n t e g r a t ea tt h et o po ft h eb r i d g ep i l e sa n dt h ep r o t e c t i n g p i l e s ，w h i l et h ed i s t r i b u t i o no ft h eh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n tw i t h o u tp i l e si so p e n ，o f w h i c hu n d e rt h eb o t t o mp l a n ei ss y m m e t r i c a l j b 塞銮适盍堂亟黧缱监交 娶s 羔基j l 3 、t h ed e f o r m a t i o no f p i l e si nr o w , p r o t e c t i n gp i l e sa n db r i d g ep i l e si sr e f l e c t e db y t h es t e e lb r a c i n gs u e s $ i n d i r e c t l y , w h i c hi sc o n s i s t e n tw i t he a c ho t h e r , a n dt h e d i s t r i b u t i o no fe a r t hp m s s l l r eb e t w e e np i l e si nr o wa n dt h es o i la r o u n db e c o m e s l i t t l e b a s i c a l l y 4 、b vc o n t r a s tb e t w e e nt h ea g t u a lm e a s a r e m e n td a t aa n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nd a t a , t h ei n h e r e n tb r a c i n gs t r o s sm a yc o n t r o lt h ed i s p l a c e m e mo f t h eb r i d g ep i l e se f f e c t i v e l y , a n db o t ho f t h e mi sc l o s ew e l l k e y w o r d s ：d e e pf o u n d a t i o ne x c a v a t i o n ；i n f l u e n c e o nn e a r b yb r i d g ep i l e s ；s i t u a t e d m o n i t o r ：s t i f f n e s s ；n u m e d c a ls i m u l a t i o n 致谢 论文工作是在导师张鸿儒教授的悉心指导下完成的。张鸿儒老师严谨的治学态 度和高尚的敬业精神无时无刻不影响着我的学习和生活。非常感谢张鸿儒老师给 我提供了很多的工程实践机会和指导。两年半的硕士生涯，在张鸿儒老师的指导 和教诲下，我不但在学术水平上有了很大提高，而且也积累了一定的工程实践经 验。 两年半的求学期间。还得到了吕勤老师、项彦勇老师的帮助，对我的论文提 出了很多宝贵的意见，在此衷心地感谢他们! 感谢北京建工集团北京地铁四号线学院路站项目部张兆龙、王利民等工作人 员，在我现场监测期问给予的支持和帮助! 在跟他们的交流中，我学习到了很多书 本上所学习不到的知识。 感谢我的同学曲军彪、冯志和沈良帅在编程上给予我的帮助，在他们的帮助 下，我的程序工作才得以顺利完成。 感谢李志强师兄、栗润德师兄、周爱红师姐给予的帮助。感谢实验室其他同 学给予我的支持和帮助。 送一份特别的感谢给我的家人。二十多年来在父母的支持和无微不至的关怀 下，自己才得以顺利地完成学业。在此向他们表示深深的感谢! 韭塞窑迪太竺亟堂僮论裒绪途 1 绪论 1 1 本课题工程背景和研究意义 随着城市现代化建设的不断发展，有限的城市地面空间己不能满足人们日益 增长的生活和工作需要，于是人们开始向高空和地下寻求发展空间。目前，各类 用途的地下空间已在世界各大中城市中得到开发利用，作为开发地下空间的临时 性工程深基坑的研究工作日益兴隆。 改革开放以来，我国城市建设迅速发展。为了充分利用城市有限的空间，于 是在各大城市产生了大量深基坑工程。由于集中在市区，施工场地狭小，周围环 境条件复杂，基坑工程不仅要保证围护结构本身的安全，而且要保证周围建( 构) 筑物的安全和正常使用。国内有不少工程，基坑虽然没有破坏，但因变形过大而 导致邻近建筑物产生倾斜、裂缝，邻近地下煤气管线、自来水管等市政管线破裂 等严重后果，造成了巨大的经济损失。 经过历年来各国学者的努力，基坑的土压力理论、稳定计算理论和土与结构 相互作用研究都取得了很大进展。通过规范工程设计和施工，也有效地控制了基 坑失稳等破坏性事故的发生，但在如何准确地估算基坑开挖产生的近邻构筑物的 变形以及相应的地层位移分布方面，目前还没有比较好的方法。同时人们进行研 究时，往往将基坑开挖问题简化为二维平面应变问题进行分析，而实际工程中的 基坑是一个具有长、宽、深的三维空间结构，且长度与宽度往往处于同一数量级， 空问效应问题不容忽略。因此深入研究基坑开挖过程中的空问变形性状，为设计 施工提供更有力的指导，是突飞猛进的工程建设对工程界提出的迫切要求。 城市基坑工程通常处于房屋和生命线工程的密集地区，而这些处于基坑工程 周边的构筑物、建筑物或地下管线抵抗不均匀变形的能力通常是有一定的限度的。 但是在现有的基坑围护结构设计中，不仅要保证基坑的稳定和变形为目的，而且 要注意如何减少对周围环境的影响程度，而在深基坑开挖对邻近桥桩基础的研究 比较少见。由于邻近既有桥桩对地下施工引起地层变形比较敏感，如在本课题中， 北京地铁十号线学院路站位设于学院路与北土城西路交叉路口的南侧，北土城遗 址公园绿化带内，平行北土城西路布置，呈东西走向。路口周围西北角建筑、东 南角北土城遗址公园绿化带已形成，其余位置建筑基本以多层、高层住宅及教学 楼为主。路口向北为北京航空航天大学、北京联合大学文理学院、北大医学部等 高等学府和电信研究院等单位及居住区；向南为北京电影学院、儿童电影制片厂、 韭塞交道太堂亟堂僮j 金塞缝逾 北影等单位及蓟门里居住区；西南有国家技术监督局、国家计生委等重要国家机 关。车站西侧基坑近邻桥桩，施工难度较大。若在这样的深基坑施工过程中稍有 不慎，就会产生较大的基坑变形，进而对近邻的构筑物的桩基产生附加弯矩和位 移，甚至会导致桥梁上部结构的倾斜和破裂，造成较大的经济损失。 因此，基坑支护结构除满足基坑本身的强度变形要求外，还要考虑到周围地 层移动对近邻桩基的影响程度。在周围环境要求较高的基坑工程中，后者往往占 主导地位，即设计应由更高的变形要求控制。基坑在施工过程既要保证其安全、 稳定，又要保证其对周围环境不造成破坏性影响。因此对基坑工程加强理论研究， 开展基坑工程变形性状对邻近桩基的影响研究，确定基坑开挖可能造成的影晌范 围和沉降值，对进一步完善基坑支护工程设计，减少事故发生频率具有十分重要 的理论和现实意义。 1 2 基坑开挖地层变形及其对环境影响研究现状 1 2 1 基坑支护与地层变形特征 基坑侧墙位移与附近地表沉降变形特征与不同的土体类别和支护型式有关， 而其大小更受多种因素的影响，如：支撑的间距与刚度，第一道支撑点的位置， 支撑的预应力值，墙体的刚度和整体性，基坑的形状与深度，下卧层坚硬土层的 埋深，地下水位置及其变化，特别是施工开挖与支护的工序、进程及施工质量。 所以，单纯依靠力学分析的计算不可能准确估计近邻构筑物变形大小。 1 2 1 1 桩墙的变形 ( 1 ) 桩墙水平位移 当基坑开挖较浅，还未设置支撑时，不论对刚性桩墙( 如水泥土搅拌桩墙， 旋喷桩桩墙等) 还是柔性墙体( 如钢板桩，地下连续墙等) ，均表现为墙顶位移最 大，向基坑方向水平位移，呈三角形分布( 图l 一1 ( a ) ) ，随着基坑开挖深度的增 加，刚性墙体继续表现为向基坑内的三角形水平位移或平行刚体位移，而一般柔 性墙如果设支撑，则表现为墙顶位移不变或逐渐向基坑外移动，墙体腹部向基坑 内突出( 图1 1 ( b ) ) 。 2 e 裹窑煎盘堂亟土堂僮监塞绪淦 ( 4 ) 变位嘲复 卜叫 ( b ) 图1 1 桩墙水平变形 ( 2 ) 桩墙竖向变位 在实际工程中，桩墙竖向变位测量往往被忽视，事实上由于基坑开挖土体自 重应力的释放，致使桩墙有所上升。有工程报道，某围护墙上升达l o c m 之多。墙 体的上升移动给基坑的稳定、地表沉降以及墙体自身的稳定性均带来极大的危害。 特别是对于饱和的极为软弱的地层中的基坑工程，更是如此。当围护墙底下因清 孔不净有沉渣时，围护墙在开挖过程中会下沉，地面也下沉。 1 2 12 基坑底部隆起 在开挖深度不大时，坑底为弹性隆起，其特征为坑底中部隆起最高( 图1 2 ( a ) ) ，当开挖达到一定深度且基坑较宽时，出现塑性隆起，隆起量也逐渐由中部 最大转变为两边大中间小的形式( 图1 - - 2 ( b ) ) ，但对于较窄的基坑或长条形基坑， 仍是中间大，两边小分布。 ( 4 ) 、二r ， 、 l， f f p 图1 2 基底的隆起变形 1 2 1 3 地表沉降 根据工程实践经验，地表沉降的两种典型的曲线形状如图1 3 所示。图l 一3 b 立奎遵厶堂亟堂焦j 金童 缝盈 ( a ) 的情况主要发生在地层较弱而且墙体的入土深度又不大时，墙底处显示较大 的水平位移，墙底旁边出现较大的地表沉降。图l 一3 ( b ) 的情况主要发生在有较 大的入土深度或墙底入土在刚性较大的地层内，墙体的变位类似梁的变位，此时 地层沉降的最大值不是在墙旁，而是位于离墙一定距离的位置上。基坑变形过大 将导致基坑失稳破坏。 能r o ，一 一一，7 ( 口) 一、么令二一一 f 1 一一1 一i ：i q ， n ，、：弓”7 硬地层j j ： ， ： ： 图1 3 地表的沉降曲线形式 1 2 2 支护与地层变形机理 ( 6 ) 基坑变形包括支护墙的变形( 位移) 、坑底隆起及基坑周围地层移动。基坑周 围地层移动是引起近邻构筑物变形的直接原因，因此本节主要讨论地层移动机理， 主要从支护墙的变形和坑底隆起变形机理方面阐述。 1 2 2 1 支护墙的变形机理 支护墙墙体变形从水平方向改变基坑外围土体的原始应力状态而引起地层移 动。基坑开始开挖后，由于在基坑内侧卸去原有的土压力时，在墙外侧则受到主 动土压力，而在坑底的墙内侧则受到全部或部分的被动土压力。由于总是开挖在 前，支撑在后，所以支护墙在开挖过程中，安装每道支撑以前总是已发生一定的 先期变形。支护墙的位移使墙体主动土压力区和被动土压力区的土体发生位移。 当支护墙体位移较小时，墙外侧与土体间摩擦力可以制约土体下沉，故靠近围护 墙处沉降量很小，沉降范围小于被开挖深度；当墙体位移量较大时，地面最大沉 降量就与墙体位移量相等，此时墙外侧与土体间摩擦力己丧失对于墙后土体下沉 的制约能力，所以最大沉降量发生在紧靠支护墙处。墙体变形不仅使墙外侧发生 地层损失而引起地面沉降，而且使墙外侧塑性区扩大，因而增加了墙外土体向坑 内的位移和相应的坑内隆起。因此，同样的地质和埋深条件下，深基坑周围地层 变形范围及幅度，因墙体的变形不同而有很大差别，墙体变形往往是引起周围地 4 e 哀交通太堂亟堂焦j 佥塞绪淦 层移动的重要原因。 1 2 2 2 坑底土体隆起机理 基坑开挖的过程是基坑开挖面上卸荷的过程，由于卸荷而引起坑底土体产生 以向上为主的位移，同时也引起支护墙在两侧压力差的作用下产生水平向位移和 因此而产生的墙外侧土体的位移。可以认为，基坑开挖产生的坑底土体隆起是引 起周围地层移动的主要原因。 1 2 3 影响基坑地层移动的因素 影响基坑周围地层移动的因素是多方面的，主要包括以下几点： 1 2 3 1 支撑条件 ( 1 ) 无支撑的悬臂式或者重力式挡墙，墙顶位移最大，呈前倾型，当基坑开 挖深度较大时，会有较大的位移。对于内撑式开挖的前期，也会由类似的情况出 现。 ( 2 ) 支撑层数越多，纵向问距越小，水平方向越密，支护墙的位移与变形越 小。 ( 3 ) 支撑类型不同，支护效果不同。对于一般的钢支撑刚度是足够大的。但 是支撑与墙体之间的垫板构造会严重影响支撑的纵向刚度，曾有人实测得到支撑 的纵向刚度竟只有理想刚度的1 5 0 ，所以施加预加轴力可以有效的消除各种可能 的间隙。当采用钢筋混凝土支撑时，由于设置支撑的滞后性，特别是混凝土浇注 后的收缩( 一个月的收缩率0 0 0 0 2 ，五个月可达o 0 0 0 4 ) ，会使支撑受力滞后。例 如5 0 m 长的支撑梁，收缩量将大于1 0 m m ，也就是说当支护墙拱出1 0 m m 之后， 才开始受力，另外还有支撑腰梁的压缩变形与腰梁的侧向变形，均将使支护墙的 位移和变形增大。 ( 4 ) 支撑的安装方法和质量，比如支撑轴线的偏心度、支撑与强面的垂直度、 支撑固定方式和可靠度、支撑预加轴力的可靠性和及时性等等，都是影响基坑变 形的重要因素。 1 2 3 2 支护墙条件 ( 1 ) 支护墙嵌固深度。支护墙在坑底以下的入土深度越大，则位移与变形越 小。根据北京地区的经验，有支撑的支护墙入土深度约为( 0 3 o 5 ) h 。对于悬 臂式支护墙，其入土深度则为( 1 o 1 2 ) h 。 ( 2 ) 支护墙的刚度。地下连续墙一般刚度较大，其次是人工挖孔桩及直径较 大的冲钻孔桩；钢板桩与预制的钢筋混凝土桩一般刚度较小，变形和挠度较大。 再者支护桩的间距大小也有影响。 5 韭廛銮遣太堂硒堂焦j 金塞绪论 1 2 3 3 土层强度 对于不同的土体类型，其最终的变形不同。若c ，伊越大，则主动土压力越小， 被动土压力越大，支护墙的位移将越小。如果对强前墙后土体进行加固，也能显 著减少支护墙的位移，也对增大支护墙的整体刚度起到了一定的作用。 1 2 3 4 基坑开挖分段和开挖程序。 由于基坑开挖的过程是一个具有时空效应的过程，尤其是对于长条形基坑来 说，充分的利用基坑的空间作用，以提高基坑抗隆起安去系数，减少周围地层移 动。对于地铁基坑的施工，大多采用长条形施工，如果将基坑分成比较短的段开 挖，对减少地面沉降、墙体位移和地层水平位移是有效的。 1 2 3 5 基坑开挖周期和暴露时间。 在粘性土的深基坑施工中，由于粘性土的流变性，土体在相对稳定的状态下 随暴露时间的延长而产生移动是不可避免的，特别是在坑底被动区和墙底下的土 体滑动面的高应力区，都会因为暴露时间过长而产生相当的位移，以致引起地面 的沉降。待施工到支撑位置时，如延迟支撑的安装，就必然引起明显的墙体变形 和相应的地面沉降。在开挖到设计底标高后，如不及时的浇注好底板，使基坑长 时间暴露，坑底土体隆起较大，进而周围地层位移也很大。 1 2 3 6 其它因素 ( 1 ) 地下水的影响。墙后地下水位高时，土压力增大，进而增大墙体位移， 特别是出现流砂和管涌时，墙体位移将有很大的增加。 ( 2 ) 地面超载和振动荷载。地面超载和振动荷载会减少基坑抗隆起安全度， 增加基坑周围地层位移。 1 2 4 基坑工程对环境的影响 深基坑开挖一直是岩土工程界的一个难题，由于不同的地质条件的影响，不 能对其进行通用性的研究，需要因地制宜选取最优方案。基坑工程研究涉及了许 多方面的问题，主要问题有三个：稳定性，变形和渗流。其主要内容包括：基坑 支护体系的强度和变形控制、基坑坑底和挡土墙后土体的安全和变形控制、周围 建( 构) 筑物的安全和变形控制、相关地面地下管线的安全和变形控制、地下水的降 水止水措施等。而基坑变形主要包括以下三个方面，其中以墙后地表地层变形对 环境的影响最大，成为研究重点。 l 、围护墙的位移及变形：包括墙体的侧向变形、位移和墙体的竖向变位。 2 、基坑底部隆起。 3 、围护墙后地表地层沉降。 6 研究证明地表沉降、墙体变形、基坑隆起三者之间存在着耦合关系，用常规 方法进行分析是比较困难的，而数值模拟则是求解基坑变形的有效方法。 基坑土体开挖改变了基坑周围土体的应力场和渗流场，从而改变了周围土体 的位移场。基坑周围土体的变形和位移往往对邻近基坑工程的建( 构) 筑物、地下管 线等地下工程设施造成不良影响；基坑工程施工扰动对环境的影响如不能得到很 好控制，不仅会影响基坑工程施工，甚至还会危及到生命和财产的安全。 基坑工程对环境的影响主要包括以下三方面：一是基坑工程支护结构施工阶 段对周围环境的影响，二是基坑工程土方开挖阶段对周围环境的影响，三是地下 结构施工阶段对周围环境的影响。支护结构扰动取决于支护结构形式及施工方法。 若采用地下连续墙或非挤土桩则施工扰动影响类同于土方开挖造成的影响。基坑 工程土方开挖过程中对周围环境的影响取决于地下水位的变化、支护结构的位移 以及基底土体的隆起；地下结构施工阶段对周围环境的影响取决于支护结构和土 体的类型，如拆除支撑和土体蠕变引起土压力的改变等。 基坑工程对周围建( 构) 筑物、地下管线的影响不仅与周围建( 构) 筑物、 地下管线对其接触土体位移的敏感程度有关，也与基坑工程的地质条件和水文条 件密切相关，与基坑支护结构形式和降水措施有关。对软粘土地质条件，设计与 施工要注重支护结构的稳定与位移；而对于砂性土的情况，设计与施工要特别注 重地下水的处理j 。 近几十年来，许多国内外学者进行了大量关于深基坑开挖变形性状及其对周 围环境影响的研究，并取得了丰硕的研究成果，下面进行简要的介绍。 p e c k e 8 】通过大量工程实测统计得出与地质因素、支护墙刚度和施工工艺的影响 因素有关的地表沉降估算方法。 a t t w e l l l 9 等研究了地下隧道工程引起的地面沉降以及对地面建筑物、构筑物和 地下管线的影响。 l a m e 1 川定性分析了影响坑周围土体变形的各种因素，并将其归为八个方面： 基坑尺寸( 长度、宽度、深度) ；士的性质；地下水条件；基坑暴露时间； 支撑系统；开挖和支撑的顺序：邻近基坑结构型式和设施；活荷载。 b o l t o n 等【”铡用模型实验研究了基坑失稳前地下连续墙的性能、土与围护结 构的相互作用以及土体位移、墙体位移、坑周土体沉降和空隙水压力的分布规律。 徐方京等1 1 2 1 对软地土基地下连续墙作挡墙的深开挖理论进行了较为详细的研 究，包括基坑周围地层变位机理研究，地表沉降与墙体测移的预估，稳定性与地 表沉降的关系，支撑轴力的预测，改善基坑受力及变形特性的具体施工措施和现 场实结论等。 潘秋元等 1 3 1 研究了基坑开挖中应力路径对不排水强度的影响。在基坑开挖过 7 b 立奎道盔堂硒堂位j 金塞绪逾 程中，墙体与土体的摩擦使得各点的应力路径变得非常复杂，很难通过试验完全 模拟，墙后土体处于压缩状态，坑底土体处于膨胀状态；基坑开挖过程中从主动 区到被动区，主应力发生旋转，墙后附近土体单元竖向为大主应力方向，而坑底 附近土体单元侧向为大主应力方向。 孙均【1 4 】研究了地下连续墙基坑开挖对环境土工病害的预测与防治，指出软土 层基坑开挖过程中，卸载作用导致开挖面以下土体内的应力及侧压力减小，但还 保留着相当部分未完成卸除的残余应力，而且上层土体开挖的卸载作用对下层土 体中应力的影响，也只是在一定范围内存在，它对此深度以下土体中的应力影响 很小。 张鸿儒等【l5 j 研究了以非线性应力应变关系，根据b i o t 固结理论用有限元方法 预测由于深开挖引起周围的地层位移对地下工程的影响问题，分析了地层水平位 移和地层沉降的分布特性，表明有限元方法可以方便地用于预测深开挖的影响范 围，数值计算结果说明，对于地下管线等地下工程设施由开挖产生的地层水平位 移的影响往往会大于地层沉降，因而是不可忽略的。 高文华、杨林德【l6 】基于考虑横向剪切变形的m i n d i n 厚板理论，建立了深基坑 围护结构变形的三维有限元分析模型，并编制了相应的计算程序。该模型能模拟 地基的流变性态、支撑方式的变化、板一一土之间的接触摩擦以及基坑分析开挖 过程，可按墙体位移的变化自动修正土压力。建立了三维有限元分析模型可考虑 围护墙体位移因基坑开挖而引起的空间效应以及由地基流变而引起的时间效应， 可以计算墙体任意时刻任意位置的变形等。 俞建霖，赵荣欣i l7 l 用有限元法就软土地基基坑开挖过程中，影响周围地表最 大沉降量的几个因素进行了系统的分析；还分析了基坑被动加固区的深度和宽度 变化对基坑变形的影响。 王利民等【ls l 依据上海外滩金融中心的深基坑工程施工监测结果，分析了基坑 开挖引起周围建筑物的沉降变形影响范围、沉降量与距基坑的距离以及围护结构 和土体的水平位移之间的关系、地表沉降与围护结构水平位移之间关系等。 张尚根、陈志龙【l9 l 提出了按正态分布密度函数计算软土地区深基坑开挖中， 由支护结构变位引起周围地表沉降值的公式。同时给出了保护周围环境，减少地 表沉降的具体措施。 刘维宁、张弥【2 川介绍了城市地下工程施工环境影响控制的理论体系，通过对 城市隧道及地下工程施工环境问题的各种影响因素的综合分析，本文尝试运用系 统和控制论的方法，初步建立了这一体系，提出了地下工程环境动态最优控制策 略制定程序，为解决城市地下工程的环境灾害问题进行了理论探索。 刘金元【2 1 1 针对基坑工程中环境对策问题，提出循迹补偿原理，利用围护结构 8 j e 塞銮垣盔堂亟堂僮迨奎绻淦 变形和建筑位置相应变形的时间差，在基坑变形传递到建筑物之前，将由于围护 结构变形造成的土体损失通过注浆补充进去，从而有效地减少周围地层位移，达 到保护周围环境的目的。 李大勇、龚晓南1 2 2 】运用三维有限元法同时考虑基坑围护结构、土体和地下管 线变形的耦合作用，以悬臂式围护基坑工程周围刚性管道为例，研究地下管线管 材、距离基坑远近、埋深、下卧层土质、管线与周围土质的相对刚度比等对地下 管线的影响，同时研究了不同加固方案对减少地下管线位移的效果。 姚燕明、周顺华等【2 3 j 运用有限元方法分析了支撑刚度和预加轴力对新挖基坑 和既有车站共用连续墙变形和内力的影响。 李大勇等【2 4 】考虑了土体围护结构与地下管线三者的耦合作用，采用三维有限 元法分析了内撑式基坑工程开挖对地下管线的影响规律，其中包括内撑式基坑工 程中的土体开挖步骤、支撑刚度、地下管线埋设、地下管线距离基坑远近等因素 对地下管线的影响。 1 3 本课题的研究内容 本文采用现场监测和数值分析方法研究基坑开挖引起的地层移动对近邻桩基 的影响，从基坑支护和变形的研究入手，采用基于三维快速拉拉格朗日元法的大 型岩土工程分析软件f l a c 3 d 对基坑开挖与近邻桥桩的相互作用展开研究。在研 究的过程中，主要有以下几方面的内容： l 、对基坑的变形进行现场监测试验研究和数据分析； 2 、采用基于三维快速拉格朗日法的分析软件f l a c 3 d 建立基坑开挖支护过程 对近邻桥桩的影响的数值模型，并对近邻既有桥桩变形的影响进行了详细的研究； 3 、研究和分析深基坑变形引起的周围地层位移分布规律，以及基坑开挖的时 空效应对近邻既有桥桩的影响。 4 、将实测数据和数值计算结果进行对比分析，对围护桩、补强桩的变形规律 以及桩土间土压力分布规律进行了研究。 9 e 宝銮迢太堂亟堂位j 金塞基埴珏控盟堑堡蕉基毖蛔薹堑值搓型塑窆麴 2 基坑开挖对近邻桩基影响数值模型和参数 2 1 计算物理模型 参考算例基坑东西横向长约5 4 m ，南北纵向最大宽约2 6 m ，开挖深度2 4 m 。 围护桩分为中1 2 0 0 m m 和8 0 0 m m 的钢筋c 3 0 混凝土钻孔灌注桩两种支护形式， 桩长为3 0 m ，间距为2 0 m m ；围护桩顶部设置c 3 0 的钢筋混凝土冠梁，面层为钢 筋网喷c 2 5 混凝土，厚度为o 1 m 。既有桥桩位于基坑南北两侧，呈斜对角分布， 南北均为两个，北侧桩长为2 9 m ，南侧桩长2 6 m 。桥桩补强桩采用1 2 0 0 r a m 人 工挖孔灌注桩，分布于外扩承台既有桥桩周围，北侧桩桩长为3 1 5 m ，南侧桩长为 2 8 5 m ，桥桩计算平面分布以及各桩编号如图2 - 1 所示，纵向剖面位置关系如图2 - 2 所示。开挖坡面直立，分五层开挖，开挖深度依次是4 m 、l o l n 、1 6 m 、2 1 m 、2 4 m 。 支撑为外径6 3 0 r a m ，厚度1 2 r a m 的钢型支撑，架设在腰梁( 围檩) 上，设置深 度依次为0 5 m 、7 5 m 、1 3 m 、1 9 m ，平面间距约为2 7 m 。 ) r 匿 l 笤j | | 。 c c c c c c 丰 喜 钢支撑t - 一 | c j c 强 一、。， 妊 c 桩 4 c ： c 1 一 ，了r ，一 o n n i c ，r 鞫、删l 鐾斋i 嘉| |厂j 广一一j f一，r 17 、r| f l r l r 订 ij r 。、i 南一唰既有自e j 图2 1 桩基与基坑位置关系平面示意图 1 0 j e 立交道太堂亟堂焦淦塞基拯珏拄盟垂韭挺基毖堕熬值搓型塑叁堑 o f 0 c r j ” r r l ， c j ；曼如j 0 种钯j 毋1 5 0j 孔j 一1 l l 厂 * 科口12 0 () 档 。一1 。 l 。f| 1 o 1 卜i o o o n 盆 f 1 hin j l l i 幽 f ，2 0 ) 目r 蜘12 0 0 例4 0 0 删12 0 0 14 r 1 【 蟹 皆 中 i一豇 争1 千 ：；山 2 2 基本假定 图2 2 桩基与基坑位置关系剖面图 为了提高计算效率，并兼顾一定的计算精度。文中作了以下假定； ( 1 ) 围护桩、既有桥桩、补强桩均视为直径均匀的圆形结构物，不考虑由于 注浆产生的粗细不均的影响，并且分别与冠梁、承台完全刚结，并均视为线弹性 体。 ( 2 ) 假定土体为连续、均质弹塑性体，且水平按层分布，不考虑局部土质的 变化。 ( 3 ) 假定体和桩体之间自始至终是紧密接触的，即在基坑开挖桩体变形的 过程中，土体和桩没有发生脱离。这种假定在实际工程是可能存在的，即土体相 对于桩来说不是非常的“软”。 ( 4 ) 假设钢支撑、腰梁和钢筋混凝土面层三者之间紧密接触，即没有缝隙存 在：且视为线弹性体。 扯丞窑擅太堂亟兰焦论塞 基坑珏控盟遁壑挺基毖喧熬值搓型塑叁塾 2 3 土体材料模型 f l a c 3 d 内置有l o 种本构模型，分别为： ( 1 ) n u l l 模型；( 2 ) 各向同性线弹性；( 3 ) 正交各向异性线弹性；( 4 ) 横观各向同 性线弹性；( 5 ) d r u c k e r - p r a g e r 塑性模型；( 6 ) m o h r - c o u l o m b 塑性模型；( 7 ) 应变硬 化软化m o h r - c o u l o m b 塑性模型；( 8 ) 遍布节理塑性模型；( 9 ) 双线性应变硬g 软 化遍布节理塑性模型；( 1 0 ) 修正的剑桥塑性模型。其中m o h r - c o u l o m b 弹塑性模型 所应用的代表性材料为松散、胶结粒状材料如岩石、土和混凝土，特别适用于岩 土力学分析( 如边坡稳定和地下开挖) ，同时m o h r - c o u l o m b 弹塑性模型还是计算效 率最高的塑性模型，其他塑性模型需要增加内存和计算时间。所以，对于岩土材 料的地下开挖问题，m o h r - c o l l l o m b 弹塑性模型无疑是最好的选择。本文采用的是 m o h r - c o u l o m b 弹塑性模型进行计算。 下面给出这种模型的理论背景：应变增量表达式： a e = + 掣扛1 2 ， 弹性应力增量a c t = s ，( 占：) i = 九百o g f ( c r 。+ a c t 。) = 0 a o ，= s ，( 占。) 一( 群) a c t ，= s ，( a c 。) 一z s ，争】，、7 ，p d o 因为f ( c r ) 是分量e 的线性函数，据1 2 ，器有 f ( c r 。) + 厂。( a o 。) = d 其中厂表示函数减去其常量部分，即 ( ) = ( ) 一f ( o 。) 当一点应力状态位于屈服面时，p 。) = 0 ，故有 厂 s 。( 6n ) 卜v i s 。( 毒) 】- d 定义为新应力，一为假想弹性应力 o ，一i 十舾， ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - l o ) b 塞銮迪左堂亟堂焦监塞 基埴珏挖盟逗堡蛙基爱喧数值搓型墨! 叁数 。；一，( a 6 。) ( 2 - 1 1 ) 厂( a ：) = ，【s 。( 。) 】( 2 - 1 2 ) ， ， ，7 图2 - 3f l a c 3 d 中m o h r - c o u l o m b 破坏准则 由式( 2 - 8 ) ，( 2 9 ) 和式( 2 1 2 ) 可得旯表达式如下： 五= 由式( 2 6 ) ，( 2 1 1 ) 可得新的应力表达式为： 盯n - o ，雹陪 对于m o h r - c o u l o m b 模型，屈服函数从a 点到b 点 f s 一| 一3 n 。“c n 。 从b 点到c 点为张拉破坏 j o 其中西为内摩擦角、c 为粘聚力、一为单轴抗拉强度。 n ，= 篙等 非关联流甥件势函数 ( 2 - 1 3 、 ( 2 1 4 ) 佗一1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 矿为剪胀角。进而可得： = ( a 1 - a 2 n 妒) - f ( 吐- a ：盔i n 2 + 口2 ) n o 矿，= 盯? 一( 盯。一an ) 仃，= 盯2 1 一x a ：( 1 一n ) d = 一一矿( 一口n + 口，) ，t口；一一 = 一 口l f a ：k + 4 g i = k - j 。g 陀- 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) ( 2 2 4 ) f 2 2 5 ) 式中：k 为体积模量，g 为剪切模量。 在f l a c 3 d 中应用m o b _ r - c o u l o m b 模型，首先通过全应变增量毛利用胡克定 律计算出假设弹性应力增量和，经坐标变换可以得到一、一、一，如满 足( 2 一1 5 ) 或( 2 - 1 6 ) 屈服准则，利用 ( 一，一) 函数判别破坏类型( 剪切、张拉) h = o 3 一d + d p 心l 一一、) 上式中a p , t 7 p 为常量，且有： 1 4 ( 2 - 2 6 ) 盥 趁 协 p q 一 丝 以 号 篮 a 虿| 署 生 一 兰一= _ 等 姓 矿 奠一 、j 、j f f a a 一 一 ， ， ， o = 一 一 ? ， ，2 a a d i | i j ， 2 e 夏至逢左堂亟堂焦途塞基坑珏控蕴垂酆挺基毖蛔熬值搓型塑墨熟 佗- 2 7 ) 如图2 - 4 所示，如果 ( 一，一) 0 说明发生剪切破坏，吖，彰，利用式( 2 2 2 ) 算；若 ( 一，) 0 则说明发生张拉破坏，吖，彰，一可用式( 2 2 4 ) i ：1 - 算： 若 ( 一，) 位于破坏准则曲线以下，则没有塑性变形发生，新的主应力即为一， i - 1 , 2 ，3 。 2 4 计算参数 | + 一 t +厂；= o ，一一，。 x ，一 图2 4m o