（岩土工程专业论文）深基坑围护开挖与软土非线性流变研究.pdf

l 掰安建筑利技大学1 j ； ! ! ；硕1 卜学位沧叉 深基坑围护开挖与软土非线性流变研究 专业：岩土工程 研究生：刘二栓 导师：韩晓雷教授 摘要 蝻建设中的深基坑开挖采用多种围护形式，施_ 产生的习i 境病害( 主要是坑外刚近地 表土层不均匀沉降及工程施工对道路交通的干扰) 预测及防治已有些经验，但捌| | 也不少。 本文在已有研究成果的基础上，对大面积软深基坑开挖时土层变位理论及应用进行了 探讨：依据现场监测数据，推导出开挖时软土变形的经验公式，分析了软士深基开挖在围护 结构刚度大、基坑防渗效果好的条- m ：- f ，基坑土层变位、围护结构受力破坏发展的主要原因。 运用岩土流变学的理论分析了沉降、躇螂开挖关系，并建立了与之相适应的软土非线h 流 变模型。用非线性流变有限元曰芋验证了结论的正确性。最后提出施工时j 酣j 监测数据预怕 围护支撑的方法。 本文将软土深基开挖实践与岩土力学理论紧密结合，部分研究成果对工程实际具有定 应用价值。 关踺词悃护结构环境扁害深基围护刑宅监测防渗j 戡瞄：流变 s t u d y o nd e e pf o u n d a t i o n e n c l o s u r ee x c a v a t i o na n d n o n l i n e a r r h e o l o g y 驯印f 丁c 明r 翻粥 m a j o r ：g e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e - l ue rs h u a n a d v i s e r ：p r o r e s $ o rh a r tx i a ol e i a b s t r a c t t h ed e e pf o u n d a t i o ne x c a v a t i o nt a k e sm a n ym e t h o d so fe n c l o s u r e 面c i t y c o n s t r u c t i o n ，t o d a yt h e r ea r es o m ei m m a t u r ee x p e r i e n c e sa n dl o t so ft e a c h e so n t h e p r e d i c t i o n ，p r e v e t i o na n dt h ec o n t r o lo fe n v i r o n m e n t a ld e t r i m e n t a le f f e c t s ( m a i n l y u n e v e ns o i ls e to u t s i d ef o u n d a t i o n p i t a n de f f e c to n c i t y s c a p e t r a f f i c e t c ) c a u s e db yd e e pf o t m d a t i o ne x c a v a t i o r tc o 恤s t r t m t i o nt a k e ni nm a - n y k i n d so fe n c l o s u r es t r u c t u r e s b a s e do bt h er e s e a r c hw o r k so f p 聆d e c e s s o r ，t h et h e o f y 啦t h ed i s p l a c e m e n t o fs o i ls t r a t ai nd e e pf o u n d a t i o ne x c a v a t i o nc o n s t r u c t i o na n di t s a p p l i c a t i o na r e s t u d i e d 证d e t a i l b ya t m l y s t n g t h es u p e r v i s i o ns t a t i s t i c sf x o mt h e p r a c t i c a l e x c a v a t i o ne n g i n e e r i n g , s o i lr h e o l o g yi s t h o u g h tt ob e t h em a i nr e a s o no ft h e d i s p l a c e m e n th e a v yo f t h es o f ts o i la n dt h ed e s t r u c t i o no ft h ee n c l o s u r es t r u c t u r e ， i n d e e p f o u n d a t i o ne x c a v a t i o nc o n s t r u c t i o no nc o n d i t i o no ft h e h i g h t h e r i o m o r p h i co f e n c l o s u r es t r u c t u r ea n dg o o d s e e p a g er e s i t t i n g t h ee x p e r i c a i f o r m u l ao fs o i ls e t t l e m e n ti ne x c a v a t i o na r ea l s of o r m u l a t e d u s i n g t h et h e o r yo f s o i lr h e o l o g y ，t h e r e l a t i o n s h i pa m o n gs e t t l e m e n t ，p l u m p ya n de x c a v a t i o n t h en o n l i n e a r t h e o l o g i c a l f e mp r o g r a m p e r t i n e n t t oe x o a v a t i o ui sa l s o e s t a b l i s h e du s e da n di t s a v a i t a b i l i t y i s p r o v e 8 f i n a l t yt h em e h o d 醢s 证g s u p e r v i s i o ns t a t i s t i c si sr e p r e s e m e d i ne x c a v a t i o nc o n s t r u c t i o n ，w h i c h 辫e d i 吐t h e 硝爱建筑丰嘻技夫学_ 程硕士学位论文 c r i t i c a la x i a lf o r c eo f b r a c i n gi n e n c l o s u r es t r u c t u r e i nt h e p a p e r ，t h et h e o r y o f g e o m e c h a n i c sa n d t h ee n g i n e e r i n ga r ec o l l a b o r a t e c o h e r e n t l y s o m e r e s u h sc a nb ea p p l i e dt oe x c a v a t i o nc o n s t r u c t i o n s i ns o n i c d e g r e e k e y w o r d s ：e n c l o s t r r es t r u c t u r ee n v i r o m n e n t a i d e t e r m e m a ie f f e c t s d e e p f o u n d a t i o n e n c l o s u r ee x c a v a t i o n s u p e r v i s i o ns e e p a g e r e s i s t i n n 饼d i n e 甜t h e o l o g y 声明 y6 1 6 5 7 2 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，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，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：知1 ：术皂 日期：2 4 6 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关傈留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：纠：奄l 导师签名：萄j - 趁磊日期：赢一汐印辛易问2 石6 注：请将此页附在论文首页。 捉安建筑科技大学，r 牲硬 一学俺沦文 1 概述 1 1 问题的提出 基坑开挖是基础工程的重要环。高层建筑为了整体的稳定生或开发地下空间( 设置人 防、车库、仓库等设施) ，通常其基础深度可达6 米至1 0 米以上。软士是我国东部地区的主 要土类，随着城市建设、市政改造事、【k 的不断芨展，软土地基e 的高层、超高层建鳙趔；来越 多，急需进一步发展和完善已有的软土深基础理论，以便对深基围护开挖的工砖酎急定断口各 种环境病害作出预测及防治。 大量工程实践表明，软土深基围护开挖问题，不仅与土的弹塑陵女i 形有关，而且与土的 流变特性有着十分重要的联系。因此，对深基坑围护开挖与软流变特性进行综合分析研究， 无论对于软土深基工程，还是对于软土深基的理论，都具有重要的实际意义。 本文基于同济大学黄宏伟、李永盛、杨慧芳等剖愀的深基开挖工程；自关资料和已 有文献上的许多研究成果，对软土的变位机理进行了深入探讨，取得了一些有意义的结论： 引用流变理论及数值方法马蜒了期e 确性，尉舌针对围护结构支j 雪 断裂问臌黜了吲劂古 支撑压屈轴力的方法。 l - 2 软土深基开挖工程现状 1 , 2 i 、软土深基刃镀强缸的客观状况 i 开挖规模大，基坑开挖深 卧口高层筋虎黝师发展的b 造势。由于城市搠隙张，撤费用高，土l 必须充分 利用，且一般高层建筑地下室都要压足马路红线，相邻建筑间隔小。基坑占据全音陆e 异j 地的 9 0 以上。 采用地下室加上厚板的高层建筑基i 衄2 桩筏、箱筏基础，基坑挖土深度般都在地表下 6 7 m ，较深时达1 1 1 5 m ，除在郊外室外施工可以自然放坡外，般都需要对坑壁采取围护。 2 软土地区工程地质水文条件差 土质软、强度低、变位大、地下水位高是软土地区基础施工的最大困难。 例如上海地区土质属于挝e 角洲黼强，= ! 索下面6 嘶内基本脚的辜炙粘土层， 部分类砂薄层。地下水位在地表下t m 内。软土呈软塑、流塑状态，含水量一般为3 7 5 0 【 土辩珊，当原状土_ 受至0 振动后，土体结构破坏，士【噬土j 虽度大大刚氐；孔隙比咄1 0 5 1 3 ；压缩量大，压当宿系数0 7 2 1 2 4m p ：1 之间，地吐强膨艮1 氐，承载力每平方米1 0 西安建筑科技大学l ：羁! 硕 学位论文 以内；渗透系数o ( 6 x1 0 _ 7 - - 2 l o m s ) 透水陛差，增加了井点降低地下水的难度。所有 这些对深基开挖都带来了不利影响。此外，上海的地基土很刁_ 盘奇匀，在地质平面e 古阳茧 暗浜较多，增加了建筑物不均匀沉降的可能性，天津、福建等地软土也具有相似的特点。例 如表l 之2 。 通过表1 - 2 2 对比，可以看出软土的物理力学特陛较其它土质差得多。含水量是黄土的2 5 倍，液限是黄土的2 倍左右，孔隙比大，孔隙中充满水，垂直渗透系数远远小于黄土，而水 平渗透系数又比垂直渗透系数大5 0 1 0 0 倍。所以相类1 以的开挖工程，软土区要比黄土区难 得多，而软土区的客观原因决定了其开挖工程必然遇到更大的困难。 1 2 2 软土深基护壁采用的主要形式 深基挡土的护壁，不仅要保证内作业安全、防水、防渗，而且要防止基底及坑外土体移 动，保证基坑附近建筑物，道路管线的正常运行。 l ，悬壁板桩：( 如图1 2 ，1 ) 适用于环境对j 琳稳定陛要求不高、深压在2 4 m 的软土 地区基坑。 a 图1 2 1 悬臂板桩 一2 西安建筑科技大学1 j 程硕 学位论文 表1 2 2 软土与黄土物理力学性质指标对比 指 _ = 层 含水 饱 标 目容重 孔隙和液限 塑限塑性渗透系数渗透 al 一2e 深夜 l 比 度w lw p指标 k v 系数 。璐 ( 1 t i w i ) w 地区( ) ( g c m ) es r( )( ) i p ( m s e v )k v ( m 2 k g ) ( ) 上海软 6 1 7 5 01 7 2l - 3 79 84 32 32 06 1 0 7 5 0 0 1 2 4 0 2 1 5 3 71 7 910 59 73 42 11 3 2 1 0 71 0 00 0 7 204 6 ， 2 0 3 1 9 福州软1 6 81 5 0 l _ 8 79 85 42 52 9 8 1 0 8 0 2 0 3 0 0 5 3 ，1 9 4 21 7 11 1 79 54 12 02 l 5 1 0 70 0 7 00 1 35 低价地9 1 8 1 4 2 0 9 0 2 3 9 8 o 0 1 6 0 3o 8 o 0 1 3 陕西黄 1 6 91 1 52 8 01 1 0x 1 0 so 10 0 5 9 1 3 3 0 9 8 2 5 0 8 4 00 l o 0 2 6 高阶地7 1 7 1 5 51 2 42 8 51 1 - o0 0 4 60 7 8 5 2 拉锚板桩和支撑板桩：基坑较深时，板桩就需要拉锚和支撑。拉锚板 桩基坑内施工的条件较好，但只能用于坑外有打锚桩或固定锚索条件的工程。 拉锚板桩有一定的变形，必须考虑对环境的影响。支撑板桩有斜撑和对称撑式， 可以设一道撑和多道撑。用支撑的板桩护壁，坑内条件差，但土体比较稳定， 对环境保护较好。大型基坑可以采用中间岛方法，即基坑打完板桩后，先旖工 中心局部，利用己完成的中心基础，作为四周坑壁的支撑点。 锚拉筋 图1 2 2 拉锚板桩 西安建筑科技大学1 榉硕| 学位跑文 + 2 7 m ( y 段)( f 2 段) 斜撑中柱 一1 5 3 1 平撑 一5 5 8 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ r 图1 2 3 上海某酒店基础工程x 段，y 段双层支撑剖面 + 2 7 m 图1 2 4 中间岛 3 深层水泥搅拌桩护壁：搅拌机械深入地层把水泥和软土混和拌匀在地下形成连 续的挡土防渗桩墙。 d ：兰譬釜翌茎盔主：堡竺： ：兰立鲨兰 图1 2 5 深层水泥搅拌桩护壁 4 地下连续墙：对大型和较深基坑，可以采用地下连续墙护壁，方面隔水，另 一方面档土。深度不大的连续墙可以是悬壁受力，深度较大可以加若干支撑，行撑后挖。 7 。、j 、莒 o o o c 。 夕囊莎7 o o ，、驴 o h 淤泥质亚粘土 图1 2 6 二层锚杆式地下连续墙 5 钻孔灌注桩为主体：钻孔灌注桩形成连续的围幕，墙后可设搅拌桩止水，或者 墙前搅拌桩端加围。( 如图1 2 5 ) 1 3 基坑丌挖理论现状 近年来，沿海各地建造了不少高层建筑，在饱和软粘土深基坑开挖设计、施工等 方面积累了许多资料，形成了不少定性的经验，现简述如下： 1 、囤护结构的土压力一般根据量测由经验公式计算，其结果总是偏于安全。许多 工程实际经验和一些实测数据表明，采用朗肯土压力计算公式计算的土压力，特别是主 动土压力与实测值是很接近的。被动土压力，在板桩墙变形较大的坑底下，上半段计算 一 j 艇安建筑科技大学工槲硕” j 学位论文 值与实测值相接近，而下半段变形值较小，计算值较大实测值较小。如图1 3 1 。 计算值 v + 开挖前 m 2 ) 1 5 01 0 05 0 5 蒜夕i 袖冀毫叠 开挠君y ? - 被动土压力一儿 、主动土 图i - 3 1上海启华大厦土压力计算值与实测值 单拉锚板桩墙前被动土压力可按表增大。 表1 3 1钢板桩墙前被动土压力增大系数 中1 0 。1 5 。 2 0 。 2 5 03 0 0 3 5 。 k1 21 4 1 6 1 71 8 2 0 | 上海深基施工规范规定，作用在板桩墙上的土压力应分层按土的重力密度，内 摩擦每中，内聚力c i 进行计算 第1 3 层土底面对板桩墙的主动土压力： e a = ( q n + 妻1 。h t ) t 9 2 ( 4 5 0 + q a 2 ) x 一2 c n t g ( 4 5 0 - ( p 2 ) 百 第1 1 层土底面对板桩墙的被动土压力： e p 。= ( q n + 宇- 。臃) t 9 2 ( 4 5 0 + q o j 2 ) x - 2 c a t g ( 4 5 0 + ( p n 2 ) 百 式中：q 。地面附加荷载传递到n 层土底面的垂直荷载 v i 层土的天然重力密度( k n m 3 ) c 。一n 层土调整后的内聚力( k n m 2 ) h i i 层土的厚度( m ) 妒。1 层土调整后的内摩擦角( o ) 2 、基坑失稳的原因多种多样。有支撑强度、刚度不足，有整体滑动失稳等等。深 基坑工程稳定性方面，总结研究出许多稳定验算公式，下面列举同济大学提出的方法之 一 矗 一 。 叠耋鳖鎏型兰= ：；兰i 垡翌1 王竺譬兰 计及墙体极限弯矩的验算方法： 此方法假定土体沿墙底面滑动，滑动面如圆弧，如图1 3 2 所示。产生滑动的力为 土体重量伸及地面荷载q 。抵抗滑动的力则为滑动面上的土体抗剪强度，按俨qt g 中 + c 计算，将滑动力与抗滑动力分别对圆心0 取力矩。 滑动力矩： m s = 妻( t h + q ) d 2 抗滑力矩： m r = k s t g 中【( 孚+ q h ) d + ；。q f d 2 + ；r d 。 + t g 巾 三q f d 2 + r d 3 】+ c ( h d + “d 2 ) + m n 地面荷载q a 1 f 士 f 基坑底面q f 2 r h + q b 、 。、冬，“口 沁、 r 、7 1 图1 3 2 计及墙体极限弯矩的验算方法 抗滑动安全系数： k s = m m 。 为使基坑稳定，必须满足k s 1 2 1 3 。 还有许多其它实用方法，例如：同时考虑c ，中的验算方法，同时考虑土体和墙体 极限承载力的稳定验算方法，太沙基佩克法等，不再赘述。 3 、基坑开挖后必然会产生回弹现象，支挡结构变形而产生的基坑隆起。同济大学 通过模型试验，数据统计研究了基坑隆起量与地表超载、地表沉降、土性、支挡结构入 土深度、基坑开挖深度的规律，其结果之一隆起量6 与基底平面荷重q 的关系为： 一 7 一 西安建筑科技大学工程颂p 学位沦丈 6 = 0 0 1 1 1 + 3 0 ，5 8 7 q ( 6 m ，a 1 0 2 k p a ) 由上式可见基底隆起量与基底平面处的荷重成正比。 4 、在土性方面，对土的御荷再加荷和蠕变应力松驰的特性已有一些研究报导。 5 、利用数值方法计算基坑各部分变形及塑性区范围 尽管取得了一定进展，但实际上整体基坑开挖设计施工处在边干边学、边提高， 边总结，边积累资料的过程。仅仅形成了许多定性的经验，与定量的要求还有一定距离。 尤其对基坑工程周围地层的位移、沉降与塌陷，以及坑底土体的隆起与失稳进行计算分 析，做出定量的预测，这方面的理论工作至今尚未取得满意的效果。 要保证深基坑工程的安全可靠且尽量较少地影响旧的建筑物与地下构筑物( 包括 地下管线) ，就必须从以下几个方面继续加以研究。 1 地基土御荷再加荷的变形特性，以及土的蠕变，应力松驰特性。 2 支挡结构的变形机理。 3 基底隆起规律。 4 基坑的失稳现象及验算方法。 5 支挡结构变形、基底隆起和地表沉降之间的关系。 6 地基加固的效应。 同时从失败或成功的工程中吸取经验教训，用以弥补计算理论和方法的不足也是 十分重要的。 1 4 基坑开挖出现的问题及解决措旌 1 4 1 基坑开挖常见问题 目前，由于深基开挖深度越来越大，确保基坑的安全稳定成为施工的关键问题。 一旦基坑变位滑动，可能导致难以弥补的灾难。如基坑底部施工人员伤亡，邻近建筑物 由于不均匀沉降开裂破坏等。基坑开挖常出现的问题归纳如下： 1 ，深基开挖时支撑断裂或板桩变形大，使土体滑动，路面开裂，危及周围道路、 水管、电缆、电讯设施，煤气管线的安全。 2 基坑降水使一定深度内的地下水位降低，土体固结，地面沉降，导致砖木结构 民房产生不均匀沉降，山墙破裂，地坪开裂和门窗开启、关闭困难等。 3 挡土壁渗水或基底出现流砂、管漏等。 4 挡墙入土深度不够，引起基坑过大隆起等。 1 4 2 解决问题的措施及对策 1 对深基坑施工，分别采用地下连续墙，钢板桩和内支撑预压轴力或拉锚结合， 加大挡土板桩入土深度，以确保基坑稳定性，对基坑稳定性设计要有足够安全系数，除 了考虑边坡土质不均匀、施工扰动、旌工水管泄漏，坡上堆放建筑材料等不利因素外， 一r 一 暨塞竺玺型兰盔兰三釜：竺：竺竺鲨兰 还有不可预见的偶然因素，应适当地增大。当然在保证基坑稳定性设计中，不能任意加 大安全系数，以致造成资金的浪费。 2 降水对环境影响的防护技术，目前采用两种：一、坑内降水，坑外采用并点回 灌水，用以观察井信息控制，定时灌水，使坑外水位保持不变；另一种是利用挡土壁隔 水，由于上海地基为粘性土，渗透系数极小，采用拉锚钢板桩和地下连续墙作护壁，只 要坑内井点高于挡土壁一定距离，坑内井点降水就不致影响坑外的水位，可以有效防止 坑外地基圃结沉降使建筑物开裂。 3 为防止挡土壁渗水，挡土壁外侧可施工道搅拌桩幕墙隔水，对基坑底部用灌 浆法加固。 基坑稳定性设计时，对基坑抗隆起进行验算，保证其安全。 4 努力做到信息化施工。旌工过程中监测挡土结构物和土体的位移，随时预报， 对可能危及的建筑物采取保护措施。 【因此可以看出，在工程实践中发现问题，设法采取合理措施，既解决了工程实际 的问题，又促进了深基坑开挖与围护理论的研究与发展。 1 5 研究的意义与内容 大量的工程资料及实践表明，基坑开挖与围护理论的发展目前还很不成熟，造成 施工设计理论也有许多不足： 1 围护结构设计，一味追求安全度，不考虑具体实际情况，造成材料的大量浪费。 以上海某深基坑工程为例，其围护结构( 钻孔灌注桩排桩外加两道搅拌桩隔水围幕，内 设两道钢筋混凝土支撑) 的冒梁宽2 i m ，高o 9 m ，水平位移从始到终( 挖至地表下l l m ) 仅3 r n m 左右，沉降几乎未发生。 又如：上海某饭店6 8 x 2 0 m 深基坑，挖土深6 2 m ，拉森钢板桩围护。先撑后挖， 分三步开挖。支撑压力，理论计算与实测值比较，见表1 5 1 。 地表括高+ 2 9 m单位k n 表1 5 1支撑系统安全可靠性分析表 f支撑 压力实测最大值支撑压力 支撑压力允许值 位移实测最大值 允许值( 1 州) 压力实测塌大值 3 6 8 k n i第一道支撑 1 4 0 5 o3 8 2 0 8 6 c m 1 0 0 4o k n 第二道支撑2 施0 2 2 5 0 4 s c r n l第二道支撑 3 6 0 0 l 洲1 4 0 5 03 9 这些工程设计是成功的，但由实测分析可知安全度较大。 2 工程事故频频发生，1 9 9 8 年9 月期间上海某深基开挖，其最大深度为地表以下 1 0 m 左右，围护结构为灌注桩围护幕墙加两道钢筋支撑。支撑突然断裂造成附近路面 一 9 一 【 ：l | 蜜建筑科技大学1 氍硕l 学位论文 坍塌，管线破裂，交通阻塞，损失近8 千多万元。 3 基抗开控御荷引起基底隆起。地表沉降随基坑开挖不断加大，导致基坑附近砖 木结构民房产生不均匀沉降及墙体破裂，地面出现水平裂缝。 4 目前有关实测资料表明，基坑附近民房及路面沉降( 见附表f 。f 8 测点) 是内 因和外因同时综合的反映。它是随机的又是确定的，内因有确定性一面，而施工中意外 变化，如渗水、降雨等都使沉降发生非规律变化，所以又是不确定的、随机的。 综上所述，市区深大基坑开挖采用多种围护形式，施工产生的环境危害，主要是 缺乏对坑外附近地表土层不均匀沉降正确预测而采取有效防治措施。因此，本文试图通 过研究土层变位随基坑的开挖变化规律，并根据工程的特点和施工的环境，注重随机因 素、不确定因素影响沉降的考虑，以便在设计中通过分析计算就可预测未来的土层变位， 并采取可靠有效的防护措施，避免工程引起的环境危害的产生。 本文拟以上海某医院基坑开挖工程为例，对软土深基开挖与围护理论，进行深入 探讨，根据本工程的特点及现场观测材料所进行的推断结果是否可靠还需要再拿到工程 实践中去验证，与其它同类工程对比确定其适用性。 一 l0 一一：兰坚墨銎鎏銮兰0 ：生竺： ：兰生笙兰 2 深基坑开挖经验规律 2 1 土层及围护结构变形规律 市区进行深基开挖，尤其是深大基坑开挖，必须在保证工程安全的基础上，同时 确保周围环境安全。而有效的设计预测、合理的施工工艺与关键性施工细节是使环境保 护问题得以成功实施的必要条件，同时施工过程中配合量测监控，不断为工程师提供反 馈信息，工程师结合经验做出正确判断。这种理论、监测、经验有机的结合。( 所谓的 信息化施工) ，是确保施工安全行之有效的方法。因此，要及时了解土层及围护结构的 变形规律，以为信息化施工提供基础资料。 2 1 1 围护结构随开挖的水平位移变化曲线 位移( m m ) f r j j， ，o f堕 | 一、? 一 、一7 一 旺 1 5 1 0 。1 52 0w3 0 j 5 、 q ，蚯，5 0 5 5 斗_ + 一 7 一 箜逸篷三连。8 间( d ) 图2 1 1 s 4s 8 冒粱测点位移变化曲线 图2 1 1 是上海某医院基坑围护结构冒梁的水平位移变化曲线。 图中9 月6 日9 月7 日第一次开挖，基底距地表5 3 m ，如图2 1 2 。 1 0 月5 同1 0 月8 日( 浇注的第二支撑养护强度达到设计要求时) 开始第二步开 挖，冒梁位移从始至终仍保持一定数量级，说明第一步基坑开挖，围护结构的支撑体系 受力即趋稳定，下一步开挖，上层支撑位移不受影响。由此可以得出，下层支撑受力后， 上层支撑受力即已稳定。 两安建筑科技火学下j = ! = i ! 颈十学位论文 图2 1 2 第一步开挖剖面图 又如，上海某饭店预压先撑后挖，分步开挖各阶段支撑压力与其变化规律表( 见表 2 1 1 ) 。 基坑6 8 2 0 m ，挖深6 2 m ，拉森钢板桩围护加h 型钢工具式支撑。 十2 9 0+ 2 8 5 。_ 。一。一 、 + 2 0 5 _ 1 f u _ - _ _ _ _ _ _ _ 一 ；j1 j ， + o 6 5 _ _ _ _ _ _ _ _ r f 一 一0 4 0 、 多j ? f j j ，“ 第一次挖土 开挖1 8 5 m 深 实际8 0 c m ) 图2 1 3 上海某饭店深基开挖剖面图 p q 安建筑科技大学：槲硕。 ：学位沦文 表21 1 各阶段支撑压力与其变化规律表 支撑内力挖至第二挖至第三 挖至垫层 钡r k n ) 第一道支第二道支第三道支 席 撑预压力 道支撑标道支撑标标高时压最大压力 高压力 撑预压力撑预压力 高压力力 1 11 1 0 o 3 0 8 02 2 8 01 9 5 01 8 9 01 8 4 03 6 8 0 第 1 29 6 o 2 9 1 02 1 7 01 8 5 o1 9 6 02 1 903 1 1 o 道 1 31 2 412 8 2 o1 9 9 02 1 6 02 3 6 01 7 4 03 6 5 0 支 1 _ 41 2 4 o2 8 9 02 0 6 01 9 6 02 1 7 o1 9 7 03 6 40 撑 1 51 1 2 03 2 5 02 4 1 02 2 7 02 1 6 02 0 603 1 1 o l 。61 2 9 o2 8 4 02 3 2 02 2 2 01 9 9 o1 0 0 40 2 13 0 5 09 8 6 09 1 9 09 2 608 1 6 o 第 2 - 22 8 9 08 0 2 07 9 5 。07 9 6 09 6 6 0 一 一 2 ，32 7 2 09 2 2 o9 2 4 09 6 6 09 3 2 0 道 支 2 43 9 3 08 1 2 09 0 8 0 9 3 2 08 6 9 0 撑 2 。54 0 6 o8 1 8 0 7 5 7 07 8 4 08 1 9 0 2 63 7 4 06 9 6 07 3 2 08 1 9 0 3 11 9 0 0 3 3 0 0 第 3 21 2 0 0 3 7 0 0 = 3 3 1 7 0 o3 4 0 0 道 支 3 4 “0 01 2 0 0 撑 3 5 8 0 03 6 0 0 3 - 6 8 0 o - 根据数据分析，可看出支撑压力的变化规律： 1 预加荷载，使支撑顶紧围檀，然后板桩开始受力。 2 随着开挖进行，支撑压力逐步增加，直至该支撑一定范围内的土体挖去，该支撑 压力接近其最大值。 3 以后，该支撑受相邻支撑压力变化的影响，而不断调整其压力值。 4 经过该层土全部挖至设计标高后的一段时间，各支撑压力得到稳定。 5 预顶下道支撑时，因下道支撑压力陡增，上道支撑压力减小，即开始压力“分担”。 6 在下层土开挖过程中，下道支撑压力逐步增大，而上道支撵压力变化不大，这时 挖去的土体所产生的压力基本由下道支撑承担。 2 1 2 围檀位移呈中间大，端头小变化趋势 图214 为上海某医院基坑围护围檀实测位移( 南墙) 龋安建筑科技大学 + 程砸 j 学位论文 8 7 6 5 4 ； 3 2 】 1 l o 位移( m i l l ) 一一一一 。：，一 南墙测点 ( 1 0 月1 5 日测得) 图2 1 4 南墙围檩位移变化 图2 15 为上海某熔窑地下连续墙，北侧前后墙墙顶实测水平位移曲线。 北侧前墙 l 8 j l s 2 一、 一 o 矿1 r 飞一面_ 面专一铡后墙 幽2 1 5 由图可知，每面围护墙开挖后的位移呈抛物线，中间大端头小，说咀躇体受力较中间 大，端头角点应力集中，变形较小。 2 。l 。3 桩体深层倾斜曲线 【捌护桩体变形呈中间大，两头小抛物线型，最大位移总是在基底下2 4 m 处，随 着开挖加深，中间大趋势加剧a 图2 16 如z 3 0 0 桩第一次开挖后和第二次开挖后深层倾斜位移。 l4 一 一一一 兰耋兰釜型垫查兰三兰丝三兰竺垒兰 0 6 7 f1 8 l 9 l 1 0 深度( m ) 第二次开挖面 位移( m m ) 图2 1 ，6 上海某医院深基围护桩体深层倾斜位移 图2 1 7 如上海某熔窑地下连续墙围护开挖，地下连续墙原位测试变形曲线。 ! r 一面一 4 l 1 ， 6 - 8 。：a ：b ： 1 0 1 4 1 6 1 8 2 0 l 深度( m ) 位移( m m ) 5 1 l ，2 5 5 1 2 1 3 图2 1 7 南北内侧土层水平位移曲线 此测试是从1 9 9 5 年九月份开始的，在基坑土方开挖前，土层的水平位移较小，当基 坑内土方开挖至结束之前一段时间内，北面的水平位移比南面大，北面的土层实测最大 水平位移达到1 0 r n m 左右，而实测的地下连续墙底附近的土层水平位移约2 c m 。可以 认为：北侧测点埋设在这一格形时已经整体向南移动了2 c m ，在南面实测的土层水平位 移达到6 c m ，南北两侧的土层水平位移速率约7 - - 8 m r n d 。当基坑内土方开挖至标高 7 5 m ，并安装好暂设钢支撑后，土层水平位移的速率明显下降，地下连续墙下部的土 层水平位移逐渐趋向稳定。但是，墙体顶部的土层水平位移继续发展，但速率显著减少， 约为1 5 - - 2 m m d 。至浇注完钢簸砼底板后，最后也趋向稳定。可以看出，开挖卸荷的 作用，基抗软土蠕变相当可观，而及时支撑是避免其发展必要前提。 每步丌挖基坑挖至设计标高后，深层桩体位移向坑内凸，并不断加剧，变化约一星期， 然后不断回弹，向回凸时间约5 d ，最后又向坑内凸，约一星期后趋向稳定，如图2 1 8 。 、?、 西安建筑秘技大学 j 狴硕。 + 学位沦文 5 是1 5 2 02 53 0 位移t 7 u , a 口) 1 ；o 位移j 1、 一，i 0 ：幽。 j。2 1 0 l 小、 k 溢、 深度( m )深度( m ) p i一7 p 2 2 = 1 一 j _ j p3 a 大肚形加剧 图2 1 8 墙体横向挠曲曲线 萨 b 踢脚出现 plp2 痧毫鲁雩雾警昔 p3 c 桩体受力稳定 图2 1 9 围护墙扰曲变化 墙体挠曲随开挖深度的变化从图2 1 8 所示看出，主要表现为： a 挠曲峰值始终保持在开挖面以下2 3 m ，而不是如通常想象的发生在开挖面标 高。 b 每次开挖，大肚形会一天天加剧，约7 d 。然后基底以下桩体逐渐出现踢脚现象， 大肚形又有回弹现象，约5 d ，最后逐渐稳定。上述变化可以用一简支梁挠曲变化表示。 ( 如图2 19 ) 。 墙体受力可简化为下列模型反映。 l6 曲安蛙筑科技大学l 程硕 一学位论文 a p 3 b p 3 图2 1 1 0 围护墙体受力模型图 a 第一步开挖后，p i 、p 2 不断增大逐渐趋于稳定，接着p 2 、p 3 递增最后p l 、p 2 、 p 3 组成平衡力系。 b 第二步开挖后，p l 、p 2 增数一星期后，p l 、p 2 稳定，p 4 仍递增，直到基底垫层 做好，逐渐稳定。 图2 1 1 1p l 、p 2 、p 3 、p 4 变化原因是因为软土发生流交 2 1 4 基坑附近路面及建筑物沉降一时间曲线 1 。基坑附近建筑物沉降、变化呈双曲线或指数变化，如图2 1 1 1 ，由于超载不同， 变化稍有差异。 沉 期( d m ) 图2 1 。1 1 上海某医院f 2 、f 3 、f 5 测点沉降时间曲线 又如图2 11 2 上海某宾馆深基开挖邻近建筑物沉降记录图。 宾馆为建筑总面积3 8 4 0 0 m 2 ，总高1 0 4 3 0 m 的高层建筑，挖土深度5 4 m 。测点2 3 、 2 4 分别是基坑附近锅炉房、变电站测点。 总之随开挖变化总趋势如图2 1 1 3 a w l7 两囊建筑科技大学：程颤 j 学位论文 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 n2 64 25 87 58 91 0 31 1 7 坩 、 出 壹 g a 、 | 2【 j与 - 、 、 匕 ( 日) 沉降( 衄) 图2 1 1 2 亚洲宾馆邻近建筑物沉降记录图 总之随开挖变化总趋势如图2 1 1 3 。 t时间 f 卜节躺籼线 i开挖、 s 沉降 图2 1 1 3 沉降以双曲线或指数曲线变化 2 。地表沉降距基坑5 6 m 处沉降最大，基坑每角点处沉降较小，例如附表中f l 、 f 2 、f 角点：第一步开挖后沉降仅5 m m 和4 m m 。其它点达2 0 3 0 m m 。基坑边沉降中 间大两边小，如图2 1 1 4 ，沉降影响区约为2 3 倍基坑深a 测点 沉降( i i l i l l ) 图2 1 1 4 成都北路上r l 、r 2 、r 3 、r 4 测点 2 1 。5 基坑围护结构受力集中现象 正如基坑软土地表沉降中间大两头小一样，国内某些基坑刚性支护结构的位移实 测，反映了同样的规律性，即开挖面中间位移大，两端位移小，这说明基坑支护与库仑、 朗宁关于挡土墙的平面问题理论是不同的，它是一个空间问题，基坑边的滑动面受相邻 边的约束作用，在支护结构上的压力，在开挖中间最大，而两边则小a 基于以上分析， 一 1r 一 龋安建筑科技大学。i - 蹦硕 学僦沦殳 当基坑的深度比在1 ：4 范围内，可对两边每1 ，4 长度内将计算弯矩折减2 0 2 5 来 配置钢筋。 2 2 监测沉降经验公式 由绘制的基坑附近地表沉降变化曲线图比较分析可以看出，各测点沉降量的大小， 曲线发展的快慢，不同的点有不同形状，但曲线形状很相似。沉降的大小与下列因素有 关： 1 与地表超载大小有关系，如交通荷载，周围建筑物。 2 与一次开挖深度和基坑尺寸大小有关。 3 与离基坑距离有关。 4 与板桩刚度和入土深度有关( 入土围护桩长围护桩长) 。 5 与土体和地下水条件有关。 6 与施工工艺有关：如分段开挖，加支撑滞后时间，基坑暴露时间。 利用数理统计中的多因素方差分析，可考虑以上因素，给出比较实用的经验公式。 假设某点沉降为标准值s o ，其它点与之对比，确定其影响系数的大小。 1 面超载大小影响系数k ，是超载q 的函数 k 1 2 f 1 ( q ) 2 下支撑点距基底入土深度为影响系数k 2 ，是l a v h o 函数。 k 2 = f 2 ( h l h o ) 3 。不同远近影响系数k 3 ，是距基坑距离x 的函数 k 3 = f 3 ( x ) 如果排除渗水、降水、环境变化的影响。 任意点沉降经验公式s = 幻- k 2 k 3 s 。 若再用概率统计的方法，就可求出沉降发生的概率分布。 2 2 1 用建筑物沉降监钡j 数据推算最终沉降量经验公式 在软土区上进行深基坑开挖，为防止基坑附近建筑物或构筑物的开裂和损坏，保 证正常使用，控制地表沉降和不均匀沉降是非常重要的。当前，解决这个问题的较为现 实的办法是将大量的建筑物沉降观测资料与各种曲线的计算值对比，以确定地区性的沉 降计算公式。 根据软土区的监测资料，如附表f l f 8 点可以看出，实测曲线一般近似双曲线或 指数曲数的形式。 1 双曲线经验公式 l j t f 安建筑科技人学i ：挂硕 ：学位硷殳 曷 ! 81 - 双曲线方程，x y = k x ：a + t 图2 2 1 ( a ) y = 一s 当x = a 时，y = 所以a 如k代入( a ) x y = a 矗 ( a + t7 ) ( 良一s ) = a s - s 7 2 毫 式中a 待定常数 最终沉降毫，将上式变为： t ，= t ( 乓) 一a ( b ) 一x 上式是一个线性方程，按实测资料( t ，s ) 值作t 一- ：t 图，再用一根直线代 替各点，该直线斜率即为砖或用最小二乘法求各系数。 驴薪i i 最终沉降s 。= s o + s 。 2 指数曲线径验公式 西安建筑科技大学1 样硕 ：学位论文 三 指数曲线y = e ， b 点纵横坐标关系为如= e 、， r 型! 、 ，( ! 生) 三( ! 蔓) s = s ：一) r = p y b 2 e 7 图2 2 一l 式中e 自然对数的底 r 一一待定系数 最终s 。沉降 采用指数曲线经验公式，式中可以写成 ，一 一垫 s 一如一如# s s o ：( s 。s o ) ( 1 一口y ) s = 5 。( s 。一s 0 ) p y 对上式微分，得 d s d t = 1 2 良( 1 一e ，) 并以增量代替微分，t 值代以相应的平均值，t m 如下图所示( 图2 2 3 ) 2j 一 蛹盎建筑张技大学i 槔硕 一学位论文 取常用对数 s lg(里)219等一面tm-toal 23 0 3 砘堕y + 盎2 一志3 0 3 y ( f )。vy 一 3 0 3 ，2 t 上式是i g ( 詈) ，t m 的直线关系式，即在单对数上( 堕a t ) 、t i n - - 条直线。在这一直线上 取二点( t m 】，( 告) 1 ) ；( k ，( 詈) 2 使k ( 詈) l - i g ( 告) z = l ，也就是相差“一级对 数”即得下式： y = 等= o 4 3 4 ( t r y - t i n l ) 将这直线在t 。= t 。的截距以( 詈) 。表示，则( i ) 要变为s ：= y ( 詈) 。，s 一2 s 由( 告) 0 利用以上近似的公式可给出基坑最终沉降计算公式。表2 2 4 列出了沉降观测资料 和采用指数曲线