（岩土工程专业论文）软土地区深基坑坑内土体竖向加固形式研究.pdf

摘要 摘要 温卅i 新世纪商务大厦地下室基坑围护工程的实测表明：软土地区深基坑在开挖过 程中产生的初变位对围护结构的最终变形存在重大影响，而传统的忽略初变位影响的 方案会使工程设计偏于不安全。本文以此工程为背景，打破传统的只加固坑底以下土 体的加固方式，提出了增加坑内土体竖向加固高度，将土体加固至坑底以上预设支撑 部位的加固方式。 而目前基坑的设计理论都以一般的板桩理论为基础，没有考虑围护结构位移和内 力随基坑开挖过程的变化，因此也无法考虑初变位这一影响因素。通用的基坑设计软 件，如理正和围护结构大全，虽然将基坑按开挖过程分工况计算，以全部工况中围护 结构上的最大内力和最大位移为设计依据，但仍没有考虑坑底土体加固对开挖至坑底 以前的工况的影响，更无法体现本文加固形式在基坑开挖过程中的作用。 首先，本文在考虑基坑开挖过程的计算方法基础上加入一定的假设条件，推导出 可以考虑本文加固形式的计算公式，并在公式中引入了有效嵌固深度和等效基床系数 的概念。 随后，以温州新世纪地下室基坑围护结构设计方案为例，本文为该工程量身设计 了五种不同加固方案：( 1 ) 坑内土体不加固；( 2 ) 坑内土体采用传统加固形式，加固 基坑底以下4 米范围的土体；( 3 ) 从基坑底以下加固至第三道支撑预定位置处；( 4 ) 从基坑底以下加固至第二道支撑预定位置处；( 5 ) 从基坑底以下加固至第一道支撑预 定位置处。并分析对比这五种加固方案的作用。 最后，本文运用a b a q u s 有限元软件，建立了一个可以考虑开挖过程，不同竖 向加固高度，不同加固宽度的二维基坑开挖模型，模拟分析了宽度对本文提出的加固 形式的影响，对比分析了不同加固宽度对地表沉降，坑底土体隆起以及围护结构变形 的影响。 关键词：深基坑工程：土体加固；等效基床系数；有效嵌固深度；a b a q u s 有限元 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ef o u n d a t i o np i te n g i n e e r i n gi sa l la n c i e n ts u b j e c t ，b u tt h e r e r es t i l lm a n yp r o b l e m s n e e d i n gf u r t h e rr e s e a r c h t h ei n c r e a s eo ft h ep i t sd e p t ha n ds i z eb r i n g ss o m ed i f f i c u l t i e st o t h ep r o t e c t i o no ft h es u r r o u n d i n g st h em a i np r o b l e mi st h eg r o u n ds e t t l e m e n ta n dt h e u n e v e ns e t t l e m e n to ft h eb u i l d i n g sa r o u n dt h ep i tu s u a l l yt h e r ea r es o m ew a y st oc o n t r o l t h ed i s p l a c e m e n t ，s u c ha ss t r e n g t h e n i n gt h er e t a i n i n gs t r u c t u r e s ，i n c r e a s i n gt h es t i f f n e s so f t h eb r a c i n gs y s t e mo rr e i n f o r c i n gt h ei n t e r n a la n de x t e r n a ls o i lo ft h ef o u n d a t i o np i t f r o mt h ew e n z h o un e wc e n t u r yp r o j e c t ，i ti so b v i o u st h a ti ns o f tc l a ya r e at h ee a r l y d i s p l a c e m e n th a ds i g n i f i c a n ti m p a c to nt h ef i n a ld e f o r m a t i o no ft h er e t a i n i n gs t r u c t u r e s o t h ed e s i g nb a s e do nt h et r a d i t i o n a lm e t h o di nw h i c ht h i sf a c t o ri si g n o r e dw i l lb eu n s a f e i n t h i sp a p e r , n o to n l yt h es o i lo ft h eb o t t o ma r e a , b u ta l s ot h ev e r t i c a ls o i lo ft h eb o u n d a r yo f t h ep i ta n db r a c i n gs y s t e mw i l lb er e i n f o r c e d a si sk n o w nt oa l l ，t h ec u r r e n td e s i g n i n gm e t h o dw h i c hi sb a s e do nt h es h e e ta n dp i l e s t r u c t u r eh a si t so w ns h o r t c o m i n g s t h ed i s p l a c e m e n ta n dt h em o m e n to ft h er e t a i n i n g s t r u c t u r ec h a n g e db yt h ee x c a v a t i n gp r o c e s sw i l ln o tb et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n a n dt h e m o s tp o p u l a rd e s i g n i n gs o f t w a r e ，s u c h 嬲l iz h e n ga n dw e ih uj i eg o ud aq u a n ，s t i l lc a n n o tc o n s i d e rt h ef u n c t i o no ft h j sr e i n f o r c e m e n tm e t h o de i t h e r f i r s t l y , i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，t w on e wc o n c e p t sw i l lb ei n t r o d u c e d ：t h ee f f e c t i v e s o l i d b e dd e p t ha n dt h ee q u i v a l e n tc o e f f i c i e n tv a l u eo f “m ”t h e nt h ef o r m u l aw h i c hc a n c a l c u l a t et h ef u n c t i o no ft h en e wr e i n f o r c e m e n tm e t h o dw i l lb ed e d u c e d i ti sn e c e s s a r yt o s t a t et h a tt h i sr e s u l ti sb a s e do ns o m e a s s u m p t i o n s s u b s e q u e n t l y , f i v e d i f f e r e n t r e i n f o r c e m e n tp r o g r a m sa r ed e s i g n e df o rw e n z h o un e wc e n t u r yp r o j e c t a n dt h e s e p r o g r a m sa r ec o m p a r e da n da n a l y z e db yc a l c u l a t i n g f i n a l l y , i na b a q u s ，at w o - d i m e n s i o nm o d e lw h i c hc a nc o n s i d e rt h ep r o c e s so ft h e e x c a v a t i o n , t h ed i f f e r e n th e i g h t sa n dt h ed i f f e r e n tw i d t h so ft h er e i n f o r c e m e n ts o i l ，w i l lb e e s t a b l i s h e d t h r o u g ha b a q u s ，t h er e s p e c t i v er e s u l t so ft h o s er e i n f o r c e m e n tp r o g r a m s w i l lb ec o m p a r e da n da n a l y z e d k e yw o r d s ：d e e pe x c a v a t i o n ；s o i lr e i n f o r c e m e n t ；t h ee f f e c t i v es o l i d b e dd e p t h ；t h e e q u i v a l e n tc o e f f i c i e n tv a l u eo f “m ”；a b a q u sf i n i t ee l e m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 吁军于 签字日期：矽谚年多月z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本 人授权迸鎏盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 甘罕亍 导师签 签字日期：枷年月2 日 签字日期： d 舅年月f 2 月 学位论文作者毕业后去向：仓业 工作单位：尹闰厂辅i 它翔 嗡：，弱8 i j 争年 乌 绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 近年来，在国家加快城市化建设政策的指引下，我国兴建了大量高层建筑和大型 市政设施，建筑物在高度和深度上都有了很大的发展。随着高层建筑的不断增多、市 政建设的大力发展和地下空间的开发利用，产生了大量的深基坑支护设计与施工问 题，并使之成为当前基础工程的热点与难点【l 】。 基坑工程是基础工程的一个组成部分，是为基础工程的进行而开挖地下空间的一 个临时性工程1 2 l ，在基础结构施工完毕后基坑作为临时工程就不再发挥作用，从这个 意义上讲，基坑围护结构的设计要做到越经济越好。但从基坑的工程作用来讲，它不 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变形以保护周围环 境，防止周边地表的过大沉降和建筑物的破坏，其质量直接影响上部建筑的施工，所 以从这个意义上讲，基坑工程又是一个涉及到强度、变形和稳定等诸方面的复杂工程 问题，必须保证工程的安全可靠。 因而，经济和安全可靠成了基坑围护结构设计中一对很难调和的矛盾。如何从具 体工程的设计，施工和监测中总结出基坑工程的一些特点和规律，找出更经济和安全 的围护结构形式成为设计人员和研究人员的一个重大课题。 1 2 基坑工程概述 1 2 1 基坑工程的特点 基坑工程既是土力学基础工程中一个古老的传统课题，又是一个综合性的新型岩 土工程问题，涵盖学科众多，如土力学、水力学、结构力学、材料力学、工程地质学、 建筑施工等，既涉及到土力学中典型的强度、稳定与变形问题，又涉及到水、土与支 护结构的共同作用问题，以及环境保护问题。这决定了基坑工程独特的特点。 人为风险性。绝大多数情况下，基坑支护结构属于一种临时结构，在地下结构施 工至地面以后便完成其历史使命。也正因为如此，基坑工程的造价控制成为整个工程 成本控制的一个重要环节，建设方希望通过设计院高水平的设计方案来降低造价，而 设计院在设计同时又不得不考虑施工方施工质量问题以及施工单位按图施工的执行 绪论 程度问题。这两方面的矛盾给基坑工程带来了风险性。事实上绝大多数基坑事故的原 因，并非因为设计方案不合理，而是由于施工方不按图施工，甚至偷工减料，而甲方 又考虑到工期影响等原因对这种行为干预较少，这种听之任之的态度埋下了事故的隐 患。这对矛盾协调的好坏，直接影响基坑工程的成败。 客观风险性。设计参数的不确定性和概率性也很大程度上影响基坑设计方案的优 劣。土体材料是由颗粒、水和空气组成的三相体系。各种土的颗粒大小、矿物成分差 别很大，土的三相之间的数量比例也不尽相同。从构造上，土体一般分为单粒结构、 蜂窝结构和絮状结构。正因为这些基本参数的不同，使得土体的力学性质千变万化。 即使被划分在同一土层内的土体，其力学参数也是不尽相同，即土体不像混凝土等其 他建筑材料，它具有各向异性的特点。而地质勘查报告中提供的土体参数，只是对场 地内数个布点所测得的土体参数的概率统计值。现行相关规范虽然对参数取值和计算 模型都有所规定，但具体工程设计中实施时，得到的却并不一定是最优方案。 周边环境的潜在风险性。随着基坑深度的增加，其对周围环境的影响程度和影响 范围也在增加，主要表现在坑外土体沉降产生的影响。对于建筑物来说，靠近基坑一 侧土体沉降较大，而远离基坑一侧土体沉降较小，由此引起了建筑物的不均匀沉降， 严重时会使建筑物墙体产生裂缝；对于管线来说，基坑开挖过程中坑外土体的不均匀 沉降，会使得管线产生一定的挠度，旦挠度值超过安全值，管线即可能产生裂缝或 者脱节，影响人们的日常生活。这方面的工程事故在近年来也屡有发生。 1 2 2 常用的基坑支护形式和适用范围 在基坑工程中常用的支护结构分类如表1 1 所示： 表述支护结构形式具有不同的施工特点、工作原理及适用范围，按照作用机理分 为两大类型：支挡型和加固型。其具体形式如下： l 、放坡开挖及简易支护 当地基土质较好，开挖深度不深以及施工现场有足够放坡场地时，可首先考虑放 坡开挖。放坡开挖一般费用较低。在放坡开挖过程中，为了增加边坡稳定性，减少挖 土方量，常采用简易支护，如在坡角采用沙包草袋或块石堆砌挡土或在坡角采用短桩 隔板挡土等。放坡开挖常辅以降低地下水位措施，以提高边坡稳定性。 2 、悬臂式 悬臂式支护结构常采用钢筋混凝土排桩、钢板桩、钢筋混凝土板桩、地下连续墙 2 绪论 等形式。悬臂式支护结构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 构安全，它容易产生较大的变形，对相邻建筑物产生不良影响。适用于土质较好、开 挖深度较浅的工程。 支护结构 按止水性划分 透水挡土结 止水挡土结 表1 1 支护结构分类表 h 型钢，工字钢桩加插板 疏排灌注桩加钢丝网水泥抹面 密排桩( 灌注桩、预制桩) 双排桩挡土 连拱式灌注桩 土钉支护 插筋补强支护 地下连续强 深层水泥土搅拌桩 深层水泥土搅拌桩加灌注桩 密排桩间加高压喷射水泥桩 密排桩间加化学注浆桩 钢板桩 自立式( 悬臂桩、墙) 锚拉支护 土层锚杆 钢管、型钢支撑 钢筋混凝土十字交叉式支撑 斜撑 环梁支护体系 逆作法施工 3 、重力式 1 ) 水泥土搅拌桩加固法 具有一定强度的水泥土搅拌桩相互搭接组成格构体系，使边坡滑动楔体内的土体 得到加固，从而保持边坡稳定。加固体可按重力式挡土墙验算，当稳定性不足时，可 增加加固土体的厚度和深度。具有无噪音、无振动、无排污、造价低廉及防渗性好等 优点。 ，眩旧“峪旧：u眩旧一m临、 构 构 绪论 2 ) 高压旋喷桩加固法 施工时，先钻孔然后将钻杆由孔底向上逐渐提升，同时从钻杆端部的旋转喷口把 水泥浆固化剂喷入土中，经化学作用形成桩体，桩体相互连接形成支护结构。 3 ) 水泥粉喷桩加固法 粉喷桩是利用喷粉机械成孔，借助压缩空气将水泥粉等加固材料喷射，并在需要 加固的土层中进行原位搅拌、压缩并吸收水分，通过一系列物理、化学反应，形成具 有整体性、水稳性和一定强度的柱状水泥土桩，以提高地基强度、增加地基承载力、 减少沉降。该法具有设备简单、无振动、无噪音、投资小的优点，克服了其它加固法 水灰比不稳定、施工冒浆等缺点。 4 ) 注浆加固法 用气压、液压或电化学方法，把水泥浆或其它化学溶液注入土体孔隙中，改善地 基土的物理力学性质，达到加固土体和防渗的双重目的。 5 ) 网状树根桩加固法 使边坡破坏棱体范围内的土与树根桩网构成一个桩土复合体，它具有良好的整体 稳定性。， 4 、内撑式 内撑式支护结构由支护结构和内支撑体系两部分组成。支护结构体系常采用钢筋 混凝土排桩和地下连续墙，内支撑体系可采用水平支撑和斜支撑。 内支撑常采用钢筋混凝土支撑和钢管( 或型钢) 支撑两种。钢筋混凝土支撑体系的 优点是刚度好、变形小、结点构造简单、整体性好，而钢支撑的优点是钢管可以回收， 且加预应力方便。内支撑支护体系可适用于各种地质条件的基坑。 5 、拉锚式 拉锚式支护结构由支护结构体系和锚固体系两部分组成。支护结构体系同内撑式 支护结构，锚固体系可分为锚杆式和地面拉锚式两种。软粘土地基难以提供足够的锚 固力，应慎用。 6 、土钉墙 该方法是一种新型边坡稳定技术，一般通过钻孔、插筋和注浆来设置，有时也采 用打入或射入方式设置土钉。边开挖基坑，边在土坡中设置土钉，在坡面上铺设钢筋 网，并通过喷射混凝土形成混凝土面板，形成土钉墙支护结构。土钉墙支护结构的机 4 绪论 理可理解为面板、土钉与土形成加筋土重力式挡墙。土钉墙支护适用于地下水位以上 或人工降水后的粘土、粉土、杂填土及非松散砂土、卵石土等，不适用于淤泥质土及 未经降水处理的地下水位以下的土层中。该方法无需大型施工机械，具有施工简便、 适用性广、费用低、可以竖直开挖等优点，具有广泛的应用前景。 7 、双排桩支护 当场地土软弱或开挖深度大时，单桩的抗弯刚度往往不能满足变形控制的要求。 这时可采用双排桩，通过钢筋混凝土灌注桩、压顶梁和连系梁形成空间门架式支护结 构体系，可大大增加其侧向刚度，能有效的限制边坡的侧向变形。 8 、组合式排桩 1 ) 主桩与挡板组合 这实际上是一种稀疏排桩的支挡结构，只是桩距较大，利用挡板把桩间土的侧压 力传递给主桩。 2 ) 主桩与水泥土拱组合 典型的是由钢筋混凝土桩同深层搅拌桩水泥拱组合形成的支护结构。以水泥搅拌 桩相互搭接组成平面拱代替挡板，再通过此平面拱把侧压力传递给主桩。水泥土抗拉 强度很小，抗压强度很大，形成水泥土拱，可有效发挥材料性能。拱脚采用钢筋混凝 土桩，承受水泥土拱传递的土压力。采用内撑式围护形式，合理应用拱式组合型支护 结构可取得较好的经济效益，且防渗效果好，施工方便，可用于较深的基坑。 3 ) 排桩与水泥土防渗墙组合 对高地下水位的软土地区，挡土、防渗是基坑支护的两大课题，关系到支护方案 的成败。采用稀疏排桩( 单排或双排) 挡土、水泥土防渗墙的组合结构，实践证明是经 济有效的一种支护型式。 9 、沉井 采用沉井结构形成支护体系。一般用于平面尺寸较小而深度很大的特殊基坑。 l o 、加筋水泥土墙 由于水泥土抗拉强度低，水泥土重力式挡墙支护深度小，为了克服这一缺点，在 水泥土中插入型钢，形成加筋水泥土墙。 l l 、地下连续墙 利用专用的成槽机械在指定位置处开挖一条狭长的深槽，再用膨润土泥浆进行护 绪论 壁；当一定长度的深槽开挖结束，形成一个单元槽段后，在槽内插入预先在地面已制 作好的钢筋笼，以导管法浇筑混凝土，完成一个单元墙段；各单元墙段之间以各种特 定的接头方式相互连接，形成一道现浇壁式地下连续墙。 地下连续墙可适应各种地质条件，适用于各种深度的基坑开挖。可用作地下主体 结构的一部分或单独作为地下结构的外墙，节省了纯挡土结构的造价。可用作承重结 构( 代替桩基) 、防渗结构物及隔震墙等，用途多样化。采用逆作法施工，以主体结构 梁板体系作为支撑，支撑刚度大，节省了支撑材料，也减少了基坑开挖对周围地基和 建筑物的影响。 1 2 3 基坑支护的设计理念 围护结构的强度控制。就是保证整个施工过程中，围护结构的各个构件不发生屈 服，使得地下结构能够安全、正常施工，这也是基坑工程设计的基本要求。当然进行 基坑设计，必须要考虑到其他因素，并留有一定的安全储备，提高基坑安全度。 围护结构的变形控制。就是保证在整个施工过程中，将围护结构的变形和位移控 制在周边环境允许的范围内，防止周边建筑的开裂、不均匀沉降，地下管线的损坏等。 一 过去，基坑围护结构的设计一般以控制强度为主，称为以强度控制为主的设计理 念。近年来城市建筑物密度增大、市政管线增多、基坑深度增加，使得基坑施工对周 围环境影响控制成为极为重要的问题，因而发展了以控制变形为主的设计理念。 1 3 国内外基坑研究现状 由于土体材料中诸多不确定的因素以及基坑设计理论的不成熟，使得基坑工程一 直处于探索与研究阶段，很多设计理念只是停留在经验的层次上。如何更经济而又安 全的设计一个基坑，是人们一直探讨的一个问题。学者们在相关方面也进行了不少研 究。 1 3 1 关于土压力理论 土压力是土与挡土结构之间相互作用的结果，它与结构的变位有密切关系。它作 为施加于围护结构上的主要荷载，直接影响着基坑工程的设计。 基坑工程手册【3 1 中通过试验研究给出了产生古典土压力理论中主动和被动土 压力所需要的位移量。对于粘性土来说，挡土结构产生的位移为墙高的0 4 0 o - 1 0 时 产生主动土压力，此前的土压力状态处于静止土压力与主动土压力之间。 6 绪论 杨国祥1 4 1 等在上海外环隧道施工过程中，对作用在围护结构上的主动和被动土压 力随基坑开挖的变化进行研究，认为对主动侧来说，达到主动极限土压力的墙体位移 随深度变化而变化：对于基坑底面以上采用主动土压力偏危险，而对于基坑底面以下 采用主动土压力则偏保守。 宰金眠、梅国雄【5 1 通过对现场实测土压力的研究，提出了跟位移相关的土压力计 算模式： p - ( 转一半p m ， 其中：段庐) 为内摩擦角函数； 6 ，砂) 为主动侧土体位移量和内摩擦角的函数； p o 为静止土压力的一半。 该计算模式结合了挡土结构位移，当s o 时，即挡土墙挤土时，处于被动土压力 状态；当s o 时，即挡土墙向着离开土的方向移动时，处于主动土压力状态；当s = o 时，即挡土墙没有任何侧向位移时，处于静止土压力状态。研究表明该计算模式的计 算值跟实测值非常接近。 1 3 2 关于计算模型 土介质的力学性状是十分复杂的，并且随加载条件的不同有很大的变化。为了实 际应用而建立的各种本构模型，都作了许多简化假设，实际上并不存在一种能完美描 述土的复杂性状的本构模型，每一种本构模型只是反映了土的某一类或者某几类现 象，忽略一些不太重要的特性。总的来说可分为弹性模型、弹塑性模型和流变模型。 弹性模型。弹性模型包括线性及非线性弹性模型。线弹性计算模型是假设土的应 力与应变成正比，强度是无限的。线弹性模型只适用于安全系数较大，不发生屈服的 情况，因而是很不经济的。实际上土体中在一般应力状态下都可能发生屈服，应力与 应变的关系是非线性的。根据所采用的模型参数不同，非线性弹性模型又可以分为 b 模型和k - g 模型。常用的e - 模型有d u n c a n c h a n g 模型( 1 9 7 0 ) 、e i s e n s t e i n l a w 模型( 1 9 7 9 ) 等，国内外用得最广泛的是d u n c a n - c h a n g 模型。常用的k - g 模型有 d o m a s c h k u v a l l i p a p n a 模型( 19 7 5 ) 、b a e t t l i n g m a j e s 模型、n a y l o r 模型( 19 7 8 ) 等。b 模型存在的一个主要问题是不能反映土的剪胀性，即球张量与偏张量的耦合作用。 7 绪论 弹塑性模型。土的应力应变关系具有非线性的特点，模拟土的应力应变关系除 了采用非线性弹性模型外，国内外学者提出了各具特色的弹塑性模型。常见的弹塑性 模型有d r u c k e r - p r a g e r 模型、m o l a r - c o u l o m b 模型、c a m b r i d g e 模型( 19 5 8 ) 、l a d e - d u n c a n 模型( 1 9 7 5 ) 、黄文熙模型( 1 9 7 9 ) 、r o w e 模型( 1 9 7 1 ) 、b a n e r j e e 模型( 1 9 8 6 ) 、w h i t t l e 模 型( 19 9 2 ) 等。d r u c k e r - p r a g e r 模型和m o h r - c o u l o m b 模型是理想弹塑性模型，参数少， 应用广泛，但是没有考虑材料硬化。另外几种弹塑性模型更能反映土的实际变形特性， 能较好的反映土体的硬化、软化特性、剪胀性及中主应力和应力路径的影响，但是这 些土的弹塑性模型还存在不少有争议和难确定的问题，有待进一步深入研究。 流变模型。土体属于三相介质，具有粘滞性，尤其是对于软粘土等，流变现象更 为明显。土的流变变形分为压缩与剪切两大类。沉降分析中主要考虑土受压时的流变 特性，强度问题则主要研究土受剪时的流变特性。深基坑开挖主要是研究土受剪时的 流变特性，而且主要是考虑土的蠕变、松弛和流动的现象。流变模型主要有粘弹性模 型、粘弹塑性模型。粘弹性模型一般采用k e l v i n v o i g t 模型、标准m a x w e l l 谐模型、 非标准m a x w e l l 谐模型( 或w i e c h e r t 模型) 等来模拟土体的工程特性。粘弹塑性模型有 b i n g h a m 模型( 1 9 2 8 ) 、b u r g e r 模型、陈宗基模型( 1 9 5 3 ) 、y i n & g r h a 田爪模型( 1 9 9 6 ) 等。 1 3 3 有限元方法的应用 计算机行业的飞速发展带动了各个产业的发展，土建工程也是受益者之一。过去 很多用手工无法实现的思想在计算机上得到了长足的发展，主要是有限元、边界元等 数值分析方法的发展。传统的解析法是从研究连续体中微元体的性质入手，在分析中 容许微元体的数量无限多而它的大小趋近于零，从而得到偏微分方程，求解方程可以 得到一个解析解。在土建工程中由于材料不均匀、非线性等，要求的解析解非常麻烦。 而有限元方法则是从研究有限大小的单元力学特性着手，最后得到一组以每个节点处 荷载一位移关系的代数方程组，应用计算机方法，解出结点未知位移，进而求出各个 单元的应力和应变。 在基坑工程设计中，有限元思想也得到了很大发展，实际工程中用得最多的是杆 系有限元。它也是现阶段基坑围护结构设计中围护结构受力分析的最简单的方法，可 以有效的计入开挖过程中的各种因素。比如说开挖过程中围护结构内力的变化、支撑 轴力的变化、围护结构的变形等，是一种实用性较强，计算简单的挡土结构有限元计 算方法。平面有限元法在近年来也受到广泛应用。该方法的优点是不仅可以考虑土体 8 绪论 与地下连续墙的相互作用，而且还可以求得基坑的隆起量、地表的沉降量以及地层内 的塑性区范围与发展过程等，当与土体流变学结合时还可以求得各参数的时间效应。 此外，计算机的计算能力的提高，使得三维有限元也有了很大的发展空间，它可以从 空间整体上分析问题，更好的模拟实际工程中土体和构件的变形和受力，计算结果更 加合理。 1 4 课题的工程背景 在温州新世纪商务大厦基坑围护结构的监测过程中发现，在基坑开挖至第二道支 撑底时，围护桩在第二道支撑预设处已经产生一定的水平向位移万2 0 ，并且在第二道 支撑浇筑和养护期内，围护桩的水平变位继续增长；同样在开挖至第三道支撑底，第 三道支撑发挥作用之前，围护桩在前两个开挖步变形的基础上继续发生变位，在第三 道支撑预设处发生了比万2 0 更大的水平向初变位万3 0 。而支撑作为一个刚性受力构件， 在其浇筑完成发挥作用以后，很难减小围护结构的初始变位。 监测报告显示，该基坑围护结构的最大水平位移在7 0 m m 以上，远远超过工程允 许的最大水平变位( 5 0 m m ) 。基坑周边土体的最大沉降量也达到了l o o m m 以上。 而从温州新世纪商务大厦地下室基坑围护结构的设计方案来看，围护结构满足强 度和变形要求，符合现有的基坑设计规范。围护结构产生过大水平向位移的主要原因 是：一、地质条件。在基坑开挖范围内除了地表少量填土，均是淤泥质软土；二、现 有基坑的设计计算中没有考虑围护结构初变位的影响，特别是支撑预设处的初变位艿 的影响。在土质条件好的工程中，初变位很小，对工程的影响不大。但该工程地质条 件是淤泥质软土，容易产生较大的初变位，忽略初变位的影响，就夸大了支撑的实际 作用，使设计偏于不安全。 因此，本文试图通过改变坑内土体传统的加固形式，将土体加固范围扩展到坑底 以上，从而改善坑底以上土体的土质，减小围护结构的初始变位，将围护结构的最大 变形控制在允许范围内。加固形式如下图所示。 9 绪论 传统加固 1 5 本文研究内容 撵3撑2撑l 图1 1 加固形式 针对上节提出的坑内土体加固形式，本文主要做了以下几方面的工作： l 、在现有的基坑围护结构变形计算方法基础上，加入一定的假设条件，推导出 可以考虑本文加固形式的计算方法。 2 、利用推导出的计算方法，计算了温州新世纪基坑围护结构工程的五种加固方 案，从而对比分析了不同竖向加固高度对基坑开挖过程的影响，对围护结构最终变形 和最终弯矩的影响。 3 、通过计算，比较本文加固形式和传统的扩大桩径方法的经济效益。 4 、在a b a q u s 有限元数值模拟软件中，建立可以考虑基坑开挖过程，可以考 虑不同竖向加固高度，不同加固宽度的二维基坑开挖模型。 5 、通过a b a q u s 数值模拟，对比分析了基于本文加固形式的不同加固宽度对 地表沉降，坑内土体隆起，围护结构变形的影响。 1 0 基坑加固简介 第2 章基坑加固简介 基坑加固方案具多种多样，本章从加固工艺、加固形式两个角度对目前常用的基 坑加固方案作了一个简单的分类。总结了土体加固在基坑工程中的作用和加固体的基 本物理力学性能，在前人研究的基础上分析了加固位置对基坑围护结构的影响。 2 1 基坑加固工艺 基坑加固技术就是地基加固的相关工艺在基坑工程的应用。对软土基坑土体进行 加固处理的工艺，目前主要有降水加固、深层搅拌加固、注浆加固和旋喷桩加固等。 各种形式的加固工艺都有自己的优缺点和适用范围。 2 1 1降水加固 在基坑工程中通过坑内降水固结土体、改善土性、提高被动区土体的侧向抗力， 是一种最普遍、最经济的土体加固处理方法。这种方法适用于砂性土层或者粘性土层 中有夹砂层的情况，而对粘性土尤其是淤泥质粘性土的处理效果不佳。所以降水加固 一般可用于坑底位于砂性土层的基坑。该工艺的缺点是对土体性质改善不大，不适用 于控制变形要求较高的地区。 2 1 2 深层搅拌加固 该工艺是适用于加固饱和软粘土地基的一种新方法，它利用水泥等材料作为固化 剂，通过深层搅拌机械将软土强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列反应 形成具有整体性和一定强度的土体。该工艺施工方便、就地置换、无振动、低噪音、 成本低、加固效果好、质量可靠度高。深层搅拌法最适宜加固各种成因的饱和软粘土。 国外使用深层搅拌法加固的土质有新吹填的超软土、沼泽地带的泥炭土、沉积的粉土 和淤泥质土等。国内常用于加固淤泥、淤泥质土、粉土和含水量较高且地基承载力标 准值小于1 2 0 k p a 的粘性土地基。通常搅拌桩分为双轴搅拌桩和三轴搅拌桩。从施工 机械、工艺上来讲，双轴搅拌桩设备加固深度在1 8 米以内，而进i e i - - 轴搅拌桩加固 深度可以达到3 0 多米。该工艺的优点是可以根据变形控制的要求调整加固参数，比 如水泥掺量等，加固效果较好，对温州，台州、上海等软土地区尤为适用，其加固后 的土体无侧限抗压强度为0 5 4 m p a 。缺点是无法跟排桩和地下连续墙等围护结构咬 基坑加固简介 合，需要桩间注浆加固配合。 2 1 3 注浆加固 这是一种历史较为悠久的加固工艺，它是利用液压、气压等方法通过注浆管把浆 液均匀的注入地层中，经过一段时间后，浆液将原来松散的土粒或者裂隙胶结成一个 整体，形成一个结构新、强度大、化学稳定性良好的土体。从工艺上讲，可以分为渗 透注浆、劈裂注浆、挤密注浆等。渗透注浆由于注浆压力较小，所以只适用于中砂以 上的砂性土。劈裂注浆注浆压力较大，浆液克服地层的初始应力和抗拉强度，引起岩 石和土体结构的破坏，通过浆液的注入增强土体的力学性能。挤密注浆是通过在土中 注入极浓的浆液，使得土体挤密，该方法常用于中砂土。 2 1 4 高压旋喷注浆加固 该方法是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进土层的预定位置后，以高压设备使浆 液或者水成为2 0 - - 4 0 m p a 的高压射流从喷嘴中喷射出来，冲击破坏土体，同时以一定 速度提升，将浆液与土粒强制搅拌混合，浆液凝固后形成固结体。就工艺上来讲可分 为四种：单管法、二重管法、三重管法和多重管法。高压喷射注浆工艺的改进和发展 是当今高压喷射注浆技术发展的一个重要方面，而且由于其施工灵活，加固质量易保 证，因此高压旋喷注浆技术是解决城市疑难复杂地下工程的有效手段和措施。该工艺 适用范围较广、施工简单、可通过调整旋喷速度和提升速度以及流量来控制固结体形 状，经处理的土体其无侧限抗压强度可达到5 i o m p a 。该方法克服了传统注浆工艺 的不足，其加固技术的应用适用于所有土质。其缺点是成本较高。 除了上述几种加固形式以外，还有很多不常用或者地域性极强的工艺。可以看出， 上述几种工艺各自存在自己明显的优缺点，在实际工程中往往选用较为经济的深层搅 拌加固法，因此本文后面的研究中选取的均是搅拌桩加固体的物理力学性能参数。 2 2 基坑加固形式 土体的加固形式有很多种，其应用条件、特点及经济性也有很大不同。下面通过 总结土体加固在工程中的应用实践，对土体的加固形式及布置进行了归纳和分类。具 体设计时，应针对需要解决的问题合理组合和灵活运用。 2 2 1加固桩体的排列布置形式 水泥土加固桩体的排列布置和搭接形式可分为：块状、格栅状、柱列状，见图 1 2 基坑加固简介 r 2 1 。 块状格栅状柱列状 图2 1 水泥土加固桩体的捧列布置形式 2 2 2加固的平面设计形状 土体加固的平面设计形状可分为【8 】：满堂式、中空式、格栅式、抽条式、裙边式、 墩式，见图2 2 。 满堂式 格栅式 裙边式 中空式 抽条式 墩式 图2 2 坑内加固的平面设计形状 1 3 基坑加固简介 下面介绍各种加固形式的特点和适用范围。 1 满堂式加固 该方法由于造价较高，工程中应用较少。一般应用于对基坑变形控制要求极高的 工程。由于可以同时减小坑内土体隆起和围护结构变形，因此对基坑开挖引起的地面 沉降也可以很好的控制。另外，在坑底承压水头较高的地区，往往也采用该方法进行 加固，可以防止承压水对基坑进行破坏。 2 抽条式加固 该加固形式适用于长条形基坑，在上海市地铁车站基坑工程中应用较为广泛。由 于地铁车站一般位于市中心，而且开挖较深，周围市政管线较为密集，并且基坑周围 往往还有民房，因此基坑安全等级较高，对周围环境影响控制要求较高。地铁基坑一 般都为长条形，因此通过设置抽条式加固可以预先在坑底设置“地中梁”，起到控制 基坑围护结构变形的作用。 3 裙边式加固 该方法在实际工程中应用较多，通过加固局部坑内土体，增加被动土压力，从而 减小围护结构变形。该方法相对于以上两种加固形式较为节省，加固效果虽然不如前 两者，但是已经能够满足大部分基坑工程的变形控制要求。该种加固方法不能像抽条 加固一样产生暗梁的效果，只是一定程度上减小被动区高压缩土体横向厚度；但是也 可以认为该加固体的存在，相当于在坑底设置了一道强度较小的圈梁，有利于围护桩 体共同受力、变形。 4 墩式加固 该加固形式一般用于悬臂式支护结构或者土钉墙等围护形式。加固体一般位于基 坑边长中点两侧。工程实践证明，此类围护结构的变形大小在水平方向上呈弧线形式， 即：两边变形较小，越靠近边长中点，其变形越大。加固体的存在可以起到一个支点 的作用，一定程度上增强了对围护结构向坑内位移的约束。该加固形式同样适用于局 部区域需要保护的工程。 5 中空式加固和格栅式加固 这两种加固方式单独运用比较少，通常都和其它加固形式组合运用。如实际基坑 工程运用普遍的是裙边式和格栅式的组合加固形式。 1 4 基坑加固简介 2 3 基坑加固的作用 土体加固技术应用于软土基坑开挖工程中，可以解决以下几方面的问题： ( 1 ) 针对软弱地基，坑内土体加固可以有效改善基坑所处地层的土体力学性能， 减小开挖过程中坑底土体的隆起，地表的沉降和围护结构的位移； ( 2 ) 针对周边设施需要保护的工程，为严格控制基坑的侧向位移，在坑内进行“先 行地中梁式”的坑内加固，以提高被动区土体的侧向抗力，减小基坑卸载的变形； ( 3 ) 针对老建筑群的工程改建项目，为解决原围护结构入土深度不足而采用的坑 内加固补强措施，可以保证基坑开挖的安全稳定； ( 4 ) 为隔绝地下水对开挖的影响，保证坑底稳定而采取的坑底加固和止水帷幕的 加固； ( 5 ) 对于有承压水土层的工程，坑底采用满堂式加固或者搅拌桩与工程桩相咬合 的加固形式，以抵抗承压水稳定坑底土体。 2 4 加固位置分析 由于围护结构受主动土压力和被动土压力的共同作用，因此在加固方案设计时既 可以考虑对主动区土体加固，提高主动区土体抗剪强度，降低主动土压力，减小围护 结构变形；也可以考虑对被动区土体加固，提高被动区土体的被动土压力，控制坑内 土体隆起量；还可以考虑对主动区和被动区同时加固的双向加固形式。 加固区域规模越大，加固效果也就越好，但其造价势必也越高，因此为了同时考 虑加固的经济性和加固的效果，就要求研究人员和设计人员找到经济合理的加固位置 和加固规模。同济大学蔡伟铭教授1 6 1 撰文对加固位置和加固规模进行了深入分析，并 结合实例进行验证。文中考虑了如下几种加固方案： + 0 0 0 l f 1 一1 1 5 。一7 峨o o l23 基坑加固简介 + o 0 0 i f 2 - 6 5 0 1 1 5 、 田- o o 33 f 5 1 f 爱2 1 1 5 、 ji 23 图2 3 几种加同区域布置图 上述几种加固形式的有限元计算结果如下表所示： 表2 1 不同加固形式的计算结果 + o 0 0 + o - 32l l i f 6 一6 5 0 弋7 一1 1 5 、 1 33 桩顶侧移 桩身最大水地面最大沉坑底最大隆 方案代号平位移降起 万k c m )8 2 ( c m )8 3 ( c m )a ( c m ) f 14 9 11 6 5 34 6 52 1 0 2 f 25 4 71 2 。9 84 1 01 9 。4 8 f 3 14 4 61 3 9 74 1 81 9 4 4 加固被动区 f 3 24 4 61 3 0 53 9 41 7 5 9 f 3 34 3 51 2 3 03 6 91 3 8 l f 4 1 6 5 01 5 2 2 4 5 02 0 9 1 加圄主动区 f 4 27 o o1 4 4 54 4 22 0 9 0 f 4 37 2 01 3 8 04 3 22 0 8 6 f 5 1 8 1 21 4 。l l4 4 62 1 2 9 加固主动区 f 5 2 8 6 4 1 3 0 4 4 3 62 1 1 4 双向加吲 f 66 4 71 1 9 44 0 51 9 7 5 1 6 基坑加固简介 从上面的研究可以看出，同样的加固体积量，加固被动区的方案3 比加固主动区 的方案4 效果更佳，而方案5 虽然加固体积比方案3 大得多，但是效果却不如方案3 ， 方案6 加固体积量比方案3 大，但加固效果并不比方案3 好。 从已有的工程实际来看，绝大多数采用了被动区土体加固的方案来控制围护结构 变形和地表沉降，也有少数工程采用主动区加固，但文献7 1 的研究中指出上海地铁某 车站的围护结构施工中主动区土体加固反而增大了围护结构的水平向位移。因此本文 只针对被动区土体加固进行研究。 2 5 加固土体性能分析 本文坑内土体加固采用水泥搅拌桩的加固工艺，所以本节主要介绍水泥搅拌桩加 固土体的性能。 采用搅拌桩加固土体时，原状土体性能的改善效果是不确定的，影响其性能的因 素有很多，简单分为人为因素和非人为因素。人为因素主要有水泥浆液的配合比、施 工质量、养护龄期等。非人为因素主要有原状土的土质特性以及含水量等。 搅拌桩加固的设计、施工过程中，加固土的强度指标是质量控制的主要参数，因 此国内外研究水泥加固土的学者和专家都特别重视水泥土的室内外试验。 2 5 1 水泥掺量对水泥加固土强度的影响 大量试验和资料表明，水泥土的强度随着水泥剂量的增多而增长。贾坚1 9 1 曾, 针对 上海地区软土进行室内水泥土试验，得出无侧限抗压强度q 材和水泥掺量口w 之间的关 系式： q 。= r 1 0 8 “ ( 2 1 ) 其中：n 为与养护龄期