（岩土工程专业论文）深基坑桩锚支护侧土压力反分析及现场监测研究.pdf

摘要 曼! 詈! ! ! ! ! 曼! ! 曼曼! ! ! ! ! ! ! ! ! 曼曼曼曼曼蔓! ! 曼! i： 一i i 一 二 一i ! ! ! ! 曼曼! ! ! 曼 摘要 土压力是土力学中最基本的研究内容之一，它能促进土力学中许多领域的 发展。随着高层建筑和地下空间的利用和发展，我国的深基坑工程日益增多。 在北京地区桩锚式支护结构越来越普遍的得到了运用，其主要受力构件一护坡 桩的受力特点尚不十分明确，护坡桩桩侧土压力的分布和取值是工程中急需解 决的问题。而以实际监测数据为基础的土压力反分析理论研究很少，更值得进 一步分析研究。 本文研究的主要内容和方法为：( 1 ) 系统阐述了基坑支护的基本形式和适 用范围，并对支护结构的破坏形式和原因进行了分析，指出基坑监测的重要性。 ( 2 ) 对基坑工程中支护结构承受的土压力理论以及现行土压力计算方法进行了 分析总结。( 3 ) 提出基于现场监测数据的土压力反分析理论，对桩锚支护侧土 压力反分析方法进行推导。并结合中石油大厦和亚奥广场实测资料，通过实测 值与理论值之间的比较，对本文反分析方法的合理性进行了验证，对反分析结 果进行了分析。( 4 ) 运用f l a c 软件对两个工程的支护和开挖过程进行数值模 拟，并对护坡桩所受弯矩的实测、计算和模拟值进行了分析对比。( 5 ) 通过两 个工程的监测数据分析了支护结构的工作性能，并总结了经验及教训。 本文的主要成果及结论有：( 1 ) 首先推导出了适合于桩锚支护的土压力反 分析方法，通过本文土压力反分析方法可以得出实际作用在桩身上的土压力大 小及分布模式。( 2 ) 结合中石油大厦和亚奥广场基坑实测资料，把从钢筋应力 求得的弯矩作为其实测值，由本文理论分析所得的土压力产生的弯矩作为其理 论值，通过实测值与理论值之间的比较，验证了本文分析方法的合理性。 ( 3 ) 本文理论分析所得的土压力与经典土压力进行了比较，其结果表明，坑底以上 桩侧的土压力，无论从大小与分布都与经典土压力理论有显著差距。( 4 ) 计算 及数值模拟分析表明，冠梁对护坡桩有很大的约束作用，在对冠梁与护坡桩的 连接处设计时应引起重视。桩身弯矩的实测、计算及模拟值都表现出：在设置 锚杆处桩身弯矩出现凹点，弯矩的反弯点出现在坑底以上桩身的3 4 处左右。( 5 ) 工程监测结果分析表明：护坡桩内的钢筋受力很小，仅为设计值的1 0 左右， 锚杆张拉过程中预应力损失很明显。第二道锚杆的张拉对第一道锚杆的受力几 乎没有影响。 关键词：桩锚支护；现场监测；土压力；反分析；数值模拟 a b s t r a c t 量! ! ! ! ! ! 曼曼曼! ! 曼皇! 曼曼! 曼曼! 皇苎曼曼曼! 曼曼曼mm - - - - 一- - 鼍苎曼曼苎皇皇! 曼曼! 曼曼! 蔓曼曼皇曼舅 a bs t r a c t e a r t hp r e s s u r ei so n eo fb a s i cc o n t e n ti ns o i lm e c h a n i c s ，a n di tc a np r o m o t e m a n yd e v e l o p m e n t so fr e a l m si nt h es o i lm e c h a n i c s a l o n gw i t ht h ee x p l o i t a t i o na n d d e v e l o p m e n to fh i g h - r i s eb u i l d i n ga n du n d e r g r o u n ds p a c e ，t h ed e e pf o u n d a t i o np i t e n g i n e e r i n gi n c r e a s e sg r e a t l yi n o u rc o u n t r y p i l e a n c h o rr e t a i n i n gi sa p p l i e dv e r y w i d e s p r e a di nb e i j i n g b u tt h es t r e s sc h a r a c t e r i s t i co fr e t a i n i n gp i l ew h i c hi st h e m a i ns t r e s s e dm e m b e rr e m a i n su n c l e a r t h ed i s t i l b u t i o na n dv a l u eo fr e t a i n i n gp i l e s l a t e r a le a r t hp r e s s u r ea r eu r g e n tp r o b l e m si np r o je c t s t h eb a c ka n a l y s i so fe a r t h p r e s s u r eb a s e do nm o n i t o r i n gd a t ah a sd o n el i r l er e s e a r c h ，a n di t i sw o r t ht od o f u r t h e ra n a l y s i sa n dr e s e a r c h t h em a i nm e t h o da n dr e s e a r c hc o n t e n ti nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ：( 1 ) t h e b a s i cf o r ma n da p p l i c a t i o ns c o p eo ff o u n d a t i o np i ts u p p o r ta r ee x p o u n d e d t h e r e a s o na n df a i l u r em o d eo fs u p p o r t i n gs t r u c t u r ea r ea n a l y z e d ，s oi ti si m p o r t a n tt o c a r r yo nf o u n d a t i o np i tm o n i t o r i n g ( 2 ) t h ee a r t hp r e s s u r et h e o r y o ns u p p o r t i n g s t r u c t u r ea n de x i s t i n gm e t h o d so fe a r t hp r e s s u r ea r es u m m a r i z e da b o u tf o u n d a t i o np i t e n g i n e e r i n g ( 3 ) t h eb a c ka n a l y s i so fe a r t hp r e s s u r eb a s e do nm o n i t o r i n gd a t a i s p r o p o s e da n dt h eb a c ka n a l y s i sm e t h o do fp i l e a n c h o r l a t e r a le a r t hp r e s s u r ei s d e d u c e d w i t ht h em e a s u r e dd a t ao fz h o n g s h i y o ua n dy a a o g u a n g c h a n gp r o j e c t ，t h e r a t i o n a l i t yo f b a c ka n a l y s i sm e t h o dh a sb e e nv e r i f i e da n dt h eb a c ka n a l y s i sr e s u l th a s b e e na n a l y z e da c c o r d i n gt ot h ec o m p a r i s o no ft h em e a s u r e dv a l u ea n dc a l c u l a t e d v a l u e ( 4 ) t h ec o m p a r i s o no fr e t a i n i n gp i l e s m o m e n ta m o n gm e a s u r e dv a l u e ， c a l c u l a t e dv a l u ea n ds i m u l a t i o nv a l u ei sa n a l y z e da f t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o no i lt w o p r o j e c t sw i t hf l a c ( 5 ) t h ew o r k i n gp e r f o r m a n c eo fs u p p o r t s t r u c t u r ei sa n a l y z e d b a s e do nm o n i t o r i n gd a t a t h ee x p e r i e n c ea n d1 e s s o n sa r es u m m a f i z e da tl a s t t h e p r i n c i p a lc o n c l u s i o n so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w ：( 1 ) f i r s tt h em e t h o do f b a c ka n a l y s i sw h i c hi ss u i t a b l et op i l e a n c h o rr e t a i n i n gi sd e r i v e d t h ev a l u ea n d d i s t r i b u t i o np a t t e mo fe a r t hp r e s s u r ec a nb eo b t a i n e dw i t l lb a c ka n a l y s i sm e t h o do f e a r t hp r e s s u r ei nt h i sp a p e r ( 2 ) w t ht h em e a s u r e dd a t ao fz h o n g s h i y o ua n d y a a o g u a n g c h a n gp r o j e c t ，t h ep i l em o m e n tw h i c hi sd e r i v e df r o ms t e e ls t r e s sc a n b e s e e ma sm e a s u r e dd a t a a n dt h em o m e n tw h i c hi sc a l c u l a t e db yt h et h e o r yo fb a c k a n a l y s i si ss e e ma st h e o r e t i c a lv a l u e a c c o r d i n gt ot h ec o m p a r i s o no ft h em e a s u r e d v a l u ea n dt h e o r e t i c a lv a l u e ，t h er a t i o n a l i t ya n da p p l i c a b i l i t yo fb a c ka n a l y s i st h e o r y a r ev a l i d a t e d ( 3 ) w i t ht h ec o m p a r i s o no fe a r t hp r e s s u r ei nt h i sp a p e ra n dc l a s s i c a l e a r t hp r e s s u r e ，t h er e s u l t ss h o wt h a tw h e t h e rt h ev a l u ea n dd i s t r i b u t i o np a t t e r nh a v e t t i 硒蛐嘞s ：鼍i l e - a n c h o r r e t a 础g ；e 砷p r e s s u r e ；b a c ka n a l y s i s ；n u 删c a l s l m u l a t i o n ；f i e l dm o n i t o r i n g i v 独创性声明 本人声明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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 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了谢意。 始衅吼塑列 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、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、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：础日期：叫 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 随着我国国民经济高速发展，建筑业作为国民经济的支柱之一，发展速度很 快。而且随着我国城市化进程的推进和不断加快，同世界上许多国家一样，土地 资源紧张的矛盾也日益突出。这种矛盾在一些大中城市里变得更为突出，特别是 在城市的中心区域，土地特别稀缺，为了有效的利用土地，建筑不断地向高空， 向地下发展以争取更多的建筑空间。高层建筑、地下工程已经成为城市建筑发展 的一个趋势，而且其规模和深度不断加大。 深基坑工程的实践和研究在我国开展得较晚，2 0 世纪7 0 年代以前的基坑都比 较浅，北京、上海等地的高层、多层建筑的地下室均为4 m 左右的单层地下室， 其他城市的基坑工程发展更慢。改革开放以后，高层建筑物开始在我国兴起，也 带动了深基坑工程的发展。2 0 世纪8 0 年代以后，各大城市深基坑工程陆续增加。 据1 9 9 5 年初的不完全统计，我国高层建筑高度超过1 0 0 m 的己有1 0 0 多栋，超过 1 5 0 m 的己有6 0 多栋，正在设计和加紧兴建的2 0 0 m 以上的高层建筑有6 0 栋，其中6 栋超过t 3 0 0 m 。正在兴建的上海环球金融中心，地上1 0 1 层，地下3 层，高4 9 2 m 。 由于高层建筑物的基础必须有足够的埋深以满足建筑物抗震及整体稳定的要求， 同时为了充分利用地下空间，建筑物基础的埋置深度越来越深，这就使得深基坑 工程也越来越多。基坑的面积越来越大，深度越来越深。北京c c t v 新台址基坑 工程建筑用地面积总计1 7 8 0 0 0 m 2 ，总建筑面积5 9 7 万m 2 ，最高建筑高度2 3 4 m 。其 基坑长约2 6 7 m ，宽约2 2 0 m 。基坑最深处深度达2 7 4 m 。北京的京城大厦地下开挖 深度为2 3 5 m 口1 ，北京国家大剧院基坑局部最深处达3 2 5 m 。 2 0 世纪4 0 年代欧美一些国家提出了“深基坑 的概念，即指为进行建筑 物( 包括构筑物) 基础与地下室的施工而开挖的地面以下的空间，基坑工程界 一般将开挖深度大于或等于7 m 的基坑称为深基坑口1 。随着我国深基坑的增多， 深基坑工程的设计理论和施工技术日益进步，不断涌现了多种符合我国国情的 实用的基坑支护方法，而且使得基坑工程的设计理论、计算方法得到不断改进， 施工工艺得到长足发展。但由于经济高速发展和城市化进程，城市高层建筑， 地下工程( 如地铁、地下商场、地下仓库、地下停车场、地下人防等) 一般是 建在建筑物较密集、人口较稠密的地区，致使深基坑工程常处于密集的既有建 筑物、道路工程、地下管线、地铁等地下工程的近旁，导致基坑开挖的场地十 分狭小、紧凑，有时基坑边缘距周边设施仅1 2 m 左右。在如此狭窄的场地上 开挖基坑，对近邻建筑物及各种设施自然会有不同程度的影响，若设计、施工 不当或保护措施不力，就会产生过量的地面沉降变形，引起近邻建筑物、地下 北京工业大学工学硕士学位论文 管道及电缆的破坏，从而造成巨大的损失。 建筑和地铁深基坑开挖都是岩土工程施工中一个综合性岩土工程难题，既 涉及土力学中的强度与稳定问题，又包含变形问题，同时还涉及到土体一支挡 结构的共同作用。基坑的开挖及超载势必会扰动土体的原有应力平衡，并使作 用在支挡结构上的土压力发生变化，而土压力大小及分布规律的确定，关系到 支挡结构设计，从而直按影响支挡结构的安全性、稳定性和合理性，同时又直 接影响着建筑物的工程造价。近年来，与基坑工程数量增多和基坑开挖深度增 加发展趋势不协调的是基坑事故时有发生，造成了巨大的经济损失和严重的社 会影响。根据王曙光n 1 、唐业清怕1 、曾宪明嵋1 和余志成口1 等人的计资料，对引发 事故原因进行统计，统计表明，造成基坑事故发生最主要的原因是设计和施工 问题，二者占统计总数的8 0 以上，而设计问题又占到了近5 0 。为此，对建 筑和地铁基坑工程加强理论研究，进一步认识和掌握作用于支挡结构上的土压 力大小、分布模式及变形的规律、影响因素及确定方法，这对提高基坑支挡结 构的设计水平和减少事故率具有相当重要的实际意义阳叫训。 深基坑工程涉及到深基坑本身的安全、地下工程使用功能对基坑的具体要 求，基坑周围已建建筑物、城市道路和地下管线的安全及正常运转也是必须考虑 的因素。基坑事故一般表现为支护结构位移过大、基坑塌方或者滑坡、基坑周边 的道路开裂或者塌陷、基坑周围的地下管网线路因位移过大而破坏、相邻的周边 建筑因不均匀沉降等原因而开裂甚至倒塌等等。因此对基坑工程的施工监控及其 环境监测变的越来越重要，通过监测可以对施工过程提供及时的反馈信息，以便 在最短的时间内调整施工参数并采取必要的工程措施确保基坑的安全。对整个基 坑施工过程进行监测取得的实测数据为分析基坑工程中的土压力大小、分布模式 以及支护结构的变形提供了反分析方法的依据。通过对一个地区多个工程监测数 据的反分析并结合数值模拟方法，则能够可以总结出本地区的土压力分布模式， 为以后的设计和施工提供重要的指导作用。首先应该对基坑的支护形式，破坏原 因及模式和监测过程进行一个充分了解，才能更好的运用已有的支护结构土压力 计算方法通过实际工程监测数据进行反分析理论研究。 1 2 基坑支护基本形式及适用范围 1 2 1 基坑支护的基本形式 基坑支护是为了保证地下结构施工及基坑周边环境的安全，对基坑侧壁采 取的支护、加固与保护措施。随着支护技术在安全、经济等方面要求的日益提 高和支护技术的不断发展，在实际工程中采用的支护结构形式也越来越多。对 基坑支护选择的影响因素也逐步增多，目前可以归纳为以下几点： 2 第1 章绪论 1 ) 基坑平面的几何尺寸，开挖深度，防水抗渗要求； 2 ) 地下工程的类型、特点，建筑物基础结构及上部结构类型： 3 ) 基坑所处位置的工程地质及水文地质条件； 4 ) 基坑围护结构所受的土压力、地面超载等因素。 为了在基坑支护工程中做到技术先进，经济合理，确保基坑边坡、基坑周 边建筑物、道路和周边地下设施的安全，应综合施工现场工程地质与水文地质 条件、地下结构的质量要求、基坑开挖深度、降排水条件、周边环境和周边荷 载、施工季节、支护结构使用期限等因素，充分考虑这些条件对基坑施工的影 响结果，因地制宜地、科学地选择合理的支护结构形式。目前可应用到基坑支 护工程中的常用施工方法有：混凝土桩、地下连续墙、锚杆、钢筋混凝土和钢支 撑、土钉和喷射混凝土护面、搅拌桩、旋喷桩、逆作拱墙、钢板桩等。这些方 法有的可以单独使用，也可以根据需要结合在一起使用。到目前为止，在实际 工程中已被采用的单独或组合型式已有十几种。根据这些支护形式各自不同的 受力特点，可以将其划分为以下四种基本的支护形式。 ( 一) 地下连续墙和排桩 实际工程中常采用的桩或墙结构型式主要有：排桩一锚杆结构、排桩一内支 撑结构、地下连续墙一锚杆结构、地下连续墙一内支撑结构等。桩的类型包括 各种工艺的钻孔桩、冲孔、挖孔桩、沉管桩等，适用于基坑等级为一、二、三 级。 在基坑开挖前，沿基坑边缘施工成排的桩或地下连续墙，并使其底端嵌入 到基坑底面以下。随着基坑的分层向下开挖，可以在墙表面设置支点，支点形 式可以采用内支撑，也可以采用拉锚杆形式。侧壁在土压力的作用下，桩或墙 结构的受力形式相当于梁板结构，内支撑可根据具体结构型式进行结构计算， 锚杆则单独进行承载力的设计计算。这种结构不设置支点时，为悬臂结构，但 悬臂结构只适用于基坑深度较浅，同时周边环境对支护结构水平位移要求不高 的情况下采用。 ( 二) 土钉护坡墙结构 与护坡桩和地下连续墙相比，土钉护坡墙工程造价明显降低。近年来出现 的复合土钉支护技术，将土钉与搅拌桩、喷桩或预应力锚杆结合起来，使得土 钉护坡墙技术在深基坑中应用及垂直土钉护坡墙中成为现实，并改善了土钉护 坡墙支护形式变形较大的缺陷。最常用的土钉护坡墙结构是在分层分段挖土的 条件下，分层分段做土钉和配有钢筋网的喷射混凝土面层，挖土与土钉安装施 工交叉作业，并保证每一施工阶段基坑的稳定性。其受力特点是通过斜向设置 的土钉对基坑边坡土体的加固，增加边坡的稳定性，以满足基坑边坡稳定的要 求。适应与基坑侧壁的安全等级宜为二、三级的非软土场，基坑深度不宜大于 北京丁砒大学工学硕士学位论文 1 2 m 。当地下水位大于基坑地面时，应采取降水或截水措施。这类结构一般采 用钻孔中内置钢筋，然后孔中注浆的土钉施工方法，坡面用配有钢筋网的喷射 混凝土形成的土钉墙。也有采用打入式钢管再向钢管内注浆的土钉，或者采用 土钉和预应力锚杆等联合实施的土钉墙结构。 ( 三) 重力式结构 重力式结构类似与边坡设计中的重力式挡墙形式的受力原理是相似的，都 是在基坑侧壁形成一个具有相当厚度和重量的刚性实体结构，以其重量抵抗基 坑或边坡土侧壁压力，满足该结构的抗滑移和抗倾覆要求。这类结构一般采用 水泥土搅拌桩，有时也采用旋喷桩，使桩体相互搭接形成块状或格栅状等连续 实体的重力结构。 ( 四) 拱墙结构 拱墙结构是将基坑开挖成圆形、椭圆形等弧形平面，并沿基坑侧壁分层逆作 钢筋混凝土拱墙，利用拱的作用将垂直于墙体的土压力转化为拱墙内的切向力， 以充分利用墙体混凝土的抗压强度来保证基坑的稳定性。由于墙体内力主要为压 应力，因此墙体厚度可作得较薄，很多情况下不用锚杆或内支撑就可能满足承载 力和稳定的要求。这种结构一般采用分层分段施工的现浇钢筋混凝土拱墙结构， 适应与基坑侧壁的安全等级宜为二、三级，在淤泥土场不宜采用，拱墙轴线的矢 跨比不宜小于1 8 ，基坑深度不宜大于1 2 m ，且当地下水位大于基坑地面时，应采 取降水或截水措施。 1 2 2 影响基坑支护工程主要因素 由于基坑深度及周边建筑管线的复杂性，使得基坑支护工程的设计施工过程 是一个既综合又复杂的过程，在基坑支护工程方案设计、措施制定和施工之前， 设计、施工、监理和建设单位等有关施工人员都应对工程地质与水文地质条件、 基坑周边建筑管线情况，进行全面、的详细的了解，应对地下室结构、基础及建 筑结构施工的相关要求、相关技术规范、规程、标准和当地管理部门的有关规定 认真学习，全面掌握。 ( 一) 工程地质和水文因素 ( 1 ) 在基坑支护工程中，工程地质和水文情况对支护工作是至关重要的， 这也对地质勘察单位的现场勘察工作提出了严格的要求。根据基坑支护结构设计 的要求，一般勘察孔深度应为基坑深度的两倍以上，遇有软土地层应穿越软土层， 当地层分布均匀时，勘探点间距一般可在1 5 3 0 m 之间。地层变化起伏较大时，则 应增密勘探点，以查明土层分布规律。地质勘察单位在现场勘察、室内试验和编 制勘察报告工作中，除满足主体结构的勘察要求外，还应针对基坑支护工程的特 殊要求进行勘察工作。勘察范围应根掘开挖深度及场地的岩土工程条件确定，除 4 第1 章绪论 环境限制无法实施外，应在挖边界外按开挖深度的1 - 2 倍范围内布置勘探点，软土 层的勘察范围应更大。当开挖边界外无法布置勘探点时，应通过调查取得相应地 质资料。 ( 2 ) 当有地下水时，应查明各含水层的性质、水位分布及含水层的补给、 排泻条件和水力联系。应由试验得到各式各样含水层的渗透系数和影响半径，分 析施工过程中水位变化对支护结构和基坑周边环境的影响，并提出应采取的措施 和建议。应提供可供基坑支护和地下水控制进行各种计算验算内容所需要的岩土 工程测试参数，包括各种土的常规物理力学指标、土的抗剪强度指标、渗透系数 和影响半径，遇有特殊地质条件或特殊情况应根据实际情况的要求，增加适宜的 试验方法并提出所需参数。 ( 3 ) 粘聚力c 和内摩擦角是决定土压力大小的主要土性指标，可通过室内三 轴试验或直剪试验得到。采用不同的试验强度指标计算出的土压力值有时相差很 大，因此试验指标的误用会使计算土压力造成偏差，在选取这些指标时事先一定 要弄清是用哪种试验方法得到的，不能随意选取，以防参数误用。建筑基坑支 护技术规程规定一般应选择三轴试验或直剪试验确定的固结不排水指标，在一 般情况下固结不排水指标和实际基坑开挖过程的固结排水条件是比较接近的。 ( 二) 施工环境因素 随着城市建设的加速发展，房屋密集度越来越高，旧城改造过程中的新建楼 房也是见缝插针，常常缺乏施工范围内旧有市政地下管线、地下设施的档案资料， 不易查找。而基坑支护工程又受周边建筑和地下设施的影响很大，往往这些情况 在支护结构设计施工和基坑开挖前无法准确查明，有时场区内勘察钻孔也无法探 明局部特殊的地质情况或不能准确反映场地周边的地质差异。这些因素的不确定 性给基坑支护结构方案制定和设计施工带来了很大难度。在基坑支护结构施工或 基坑开挖过程中，有些事先不明、无法预料的周边条件和地质条件的变化会使基 坑支护工程出现突发的工程事故，甚至造成灾难性后果。 同时，基坑开挖、降水和支护结构位移引起的地面沉降和水平位移也会对周 边建筑物、道路和地下管线造成影响，周边建筑物地下室和基础、地下管线也会 对支护结构施工带来一定的影响，如锚杆或土钉成孔前，要对其涉及范围内可能 遇到的各种设施与地下管线进行详细的调查，采用合理的施工方案和施工措施， 以避免支护结构与周边环境、既有设施的相互影响。对周边环境的调查应包括以 下内容： ( 1 ) 支护结构范围影响内建筑物的距离、结构类型、层数、基础形式和埋 深、建筑物荷载和结构使用状况。 ( 2 ) 基坑周边各类地下设施，包括电力、电信、供水、雨污水、热力、燃 气等公用管线的规格、平面位置、高程以及占用空间与运行状况。 北京工业大学工学硕十学位论文 ( 3 ) 施工区域周边范围内地表水汇流、排放情况，旧有地下管线渗漏情况 等；基坑距相邻周边道路的距离及车流量及载重情况。 1 3 支护结构破坏形式和原因分析 基坑支护结构的破坏形式有多种，在施工过程中任何一个控制条件不能满足 都有可能造成支护结构的整体破坏或支护功能的丧失。只有充分了解支护结构的 破坏形式和原因才能对现行的土压力计算理论以及施工技术进行完善改进。通过 对破坏的分析，才能总结经验，明确以后其它工程监测的重点。支护结构方案制 定时应全面考虑这些破坏因素，施工过程也要观察和监测各种不同的破坏迹象， 一旦发现问题后及时采取有效措施，避免在某一个环节上处理不当而造成通盘失 败。这些破坏和失效形式和原因归纳起来主要包括以下几种： 1 3 1 整体失稳破坏和土的隆起破坏 整体失稳是在松软的地层中，当基坑平面尺寸较大时，由于作为支护结构的 桩或墙的埋入基坑底部的深度不够，或施工时基坑的几何形状和相互连接不符合 要求，支撑位置不当，支撑与围墙系统结合不牢等原因，造成桩或墙的位移过大， 导致桩或墙体的前倾或后仰，致使基坑外的土体大滑坡，支护结构系统整体失稳 破坏。基坑隆起是在软弱的粘性土层中开挖基坑，当基坑内的土体被不断挖去， 板桩墙内外土面的高差等效于在墙外基坑开挖水面上作用一个附加荷载挖深增 大，荷载也增大。若墙体及入土深度不足，则会使基坑内的土体隆起，基坑外的 土体过量沉陷支撑系统应力陡增，导致支撑结构整体失稳破坏。根据不同的支 护形式的特点，其整体失稳的破坏类型分为以下几种： ( 1 ) 当桩或墙一一锚杆结构滑动面向外延伸发展时，使其滑动面以外的锚杆 固长度减小，或最危险滑动面出现在锚杆以外，造成滑动面以内土体和支护结构 一起滑移失稳； ( 2 ) 对于各种支护结构，由于支护结构下土体的承载力不够，产生沿支护 结构底面的滑动面，土体向基坑内滑动，基坑外的土体下沉，基底隆起； ( 3 ) 重力式结构自身的抗倾覆或抗滑移能力不够，使重力式结构倾覆或向 基坑内水平滑移； ( 4 ) 土钉护坡墙的滑动稳定能力不足，土钉拔出，产生边坡整体滑动或滑 动面发展到土钉和土体一起滑移。 1 3 2 支护结构水力学破坏 管涌与流沙含水沙层中的基坑支护结构，在基坑开挖过程中，板桩墙内外形 成水头差，当动水压的渗流速度超过临界流速或水梯度超过临界梯度时，就会引 6 篼1 章绪论 起管涌及流沙现象，基坑底部和墙体外面大量的砂随地下水涌人基坑，导致地面 塌陷，同时使墙体产生过大位移，引起整个支护系统崩塌。有时开挖面下有一薄 层的不透水层，薄不透水层下是一层有承压水头的砂层，当薄不透水层抵挡不住 水头压力，在渗流作用下被切割成小块脱离原位，也会造成支护结构的崩塌破坏。 支护结构平面变形超过限度，由于支护结构平面变形过大，或是降水造成周 围土体沉降，使基坑外围的土体发生垂直或水平位移。这种变形对支护结构有时 本身尚未带来妨碍和危害，但会对邻近建筑物或地下设施、地下管线造成有害影 响，可能造成建筑物下沉、倾斜、开裂，或造成上、下水管、煤气管和通讯电缆 变形、张拉或断裂，总之在城市中开挖深基坑，这个问题越来越突出，引起施工 人员的高度重视。 1 3 3 支护结构构件的承载能力及位移破坏 根据支护结构形式的不同，其构件承载能力包括： ( 1 ) 护坡桩或地下连续墙的抗弯、抗剪力； ( 2 ) 支撑和支撑立柱的承载能力； ( 3 ) 锚杆或土钉的抗拔承载力； ( 4 ) 受力支撑梁的受弯、受剪力； ( 5 ) 结构各连接件的受压、受剪。 在支护结构设计和施工时，这些构件应严格满足有关的设计规范和施工质量 要求。支护结构的设计一方面要满足其结构承载力的要求，另一方面也要满足变 形的要求，这是地基基础问题共同的设计原则。过大变形的承载能力极限状态和 妨碍地下结构施工的正常使用极限状态下支护结构变形的限值相对比较容易确 定，但对影响基坑周边环境的正常使用功能的支护结构变形的限值则不太容易把 握。因为不同周边环境，如建筑物、道路和各种地下管线的适应能力和要求各不 相同。如建筑物至基坑的距离，建筑物及基础的型式、管线和种类等都会影响到 对支护结构和对地面沉降变形的要求，针对这些问题要应根据具体情况和实际经 验做出判断。 为了避免因为基坑工程中支护结构破坏而引起的巨大损失，就需要在土压力 及支护理论上进行进一步研究，对现行的土压力计算理论加以总结和改进，使其 更加完善以符合实际工程需要，从而从理论方面降低事故的发生率。并且同等重 要的是在施工过程中应该进行施工监控和周边环境监测，认识到监测的重要性， 才能更好的指导施工的整个过程，并取得重要的实测数据为后面的反分析计算提 供依据，从而得出更贴近实际的反分析结果，更好的指导工程设计。 7 北京工业大学工学硕十学位论文 1 4 基坑工程施工监控及其环境监测 1 4 1 建筑基坑监测方案设计的原则及内容 在深基坑开挖的施工过程中，基坑内外的土体将由原来的静止土压力状态向 被动和主动土压力状态转变，应力状态的改变将引起土体的变形，即使采取了支 护措施，一定数量的变形还是难以避免的。这些变形包括：深基坑坑内土体的隆 起，基坑支护结构以及周围土体的沉降和侧向位移。无论哪种位移的量值超出了 某种容许的范围，都将对基坑支护结构造成危害。深基坑开挖往往在繁华的市中 心进行，施工场地四周有建筑物和地下管线，基坑开挖所引起的土体变形过大时 会造成邻近结构和设施的破坏。同时，基坑相邻的建筑物又相当于较重的集中附 加荷载，基坑周围管线常引起地表水的渗漏，这些因素又是导致土体变形加剧的 原因。在深基坑施工中，只有对基坑支护结构、基坑周围的土体和相邻的构筑物 进行综合、系统的监测，才能对工程情况有全面的了解，确保工程顺利进行。因 此，对基坑监测系统进行研究是很有必要的，其对动态设计及信息化施工具有重 要的意义1 。 1 4 1 1 方案设计的原则 由于监测方案对基坑设计、施工和运行都起着相当重要的作用，因此基坑 监测方案应综合分析各种有关资料和信息进行精心设计。方案设计的原则如下： ( 1 ) 可靠性原则 可靠性原则是监测设计中所要考虑的最重要原则。为此，必须做到：系统需 采用可靠的仪器设备：应在监测期间内保护好测点 ( 2 ) 多层次原则 在监测对象上以位移为主，但也考虑其他物理量监测。 在监测方法上以仪器监测为主，并辅以目测巡视的方法。 在监测仪器选型上以机测式仪器为主，并辅以电测式仪器。 为保证监测的可靠性，监测系统应采用多种原理不同的方法和仪器。 考虑分别在地表、基坑土体内部及邻近受影响建筑物与设施内布点，以 形成具有一定的测点覆盖率的监测网。 ( 3 ) 重点监测关键区原则将易出问题而且一旦出问题将会造成很大损失的部 位列为关键区进行重点监测，并尽早实施。 ( 4 ) 方便实用原则 为减少监测与施工之间的相互干扰，监测系统的安装和测读应尽可能地做到 方便实用。 ( 5 ) 经济合理原则 在系统设计时应尽可能选用实用而价廉的仪器，以降低监测费用。 r 第1 章绪论 ( 6 ) 以位移为主的原则 变形监测是边坡监测的主要手段，也是变形破坏的基本依据。 ( 7 ) 整体控制原则 保证监测系统对整个边坡的覆盖。 ( 8 ) 遵照工程需要原则 监测系统的布置要充分考虑工程的特点和工程建筑对边坡的要求n 引。 1 4 1 2 方案设计的内容 由于基坑监测不仅仅是一个简单的信息采集过程，而是集信息采集及预测于 一体的完整的系统，因此，在施- r f i ；f 应制定严密的监测方案。一般来讲，监测方 案设计应包括下述几个方面： ( 1 ) 确定监测目的 根据场地工程地质和水文地质情况、基坑工程围护体系设计及周围环境情况 确定监测目的，监测目的主要有以下三类： 通过监测成果分析预估基坑工程围护体系本身的安全度，保证施工过程中 围护体系的安全。 通过监测成果分析预估基坑工程开挖对相邻建( 构) 筑物的影响，确保相邻 建( 构) 筑物和各种市政设施的安全和正常工作。 通过监测成果分析检验围护体系设计计算理论和方法的可靠性，为进一步 改进设计计算方法提供依据。不同基坑的监测目的应有所侧重。当用于预估相邻 建( 构) 筑物和各种市政设施的影响，要逐个分析周围建( 构) 筑物和各种市政设施 的具体情况，如建筑物和市政设施的重要性，可能受影响程度、抗位移能力等， 确定监测重点。 ( 2 ) 在制定基坑监测方案时应根据监测目的和方案设计原则合理选择现场测 试的监测项目。 ( 3 ) 确定侧点布置和监测频率 根据监测目的确定各项监测项目的测点数量和布置。根据基坑开挖进度确定 监测频率，原则上在开挖初期可几天测一次，随着开挖深度发展，提高监测频率， 必要时可一天测数次。 ( 4 ) 建立监测成果反馈制度 应及时将监测成果报告给现场监理、设计和施工单位。达到或超过监测项目 报瞥值应及时研究、及时处理，以确保基坑工程安全顺利施工。 ( 5 ) 制定监测点的保护措施 由于基坑开挖施工现场条件复杂，测试点极易受到破坏，因此，所有测点务 必做得牢固，配上醒目标志，并与施工方密切配合，以确保其安全。 ( 6 ) 监测方案设计应密切配合施工组织计划 9 北京t 业大学t 学硕士学位论文 监测方案是施工组织设计的一个重要内容，它只有符合施工组织的总体计划 安排才有可能得以顺利实施m 1 。 1 4 2 建筑基坑监测项目的内容 1 4 2 1 选择监测项目应考虑的因素 每个基坑都必须监测，但监测项目的选择不但关系到基坑的安全，也关系到 费用的多少。任意增加监测项目会造成工程费用的浪费，但盲目减少监测项目很 可能因小失大，造成严重后果，因此，在选择监测项目时应考虑下述因素： ( 1 ) 基坑工程等级 ( 2 ) 邻近建筑( 构) 物及地下管线的重要程度，距基坑的距离 ( 3 ) 工程费用。 1 4 2 2 建筑基坑监测项目 建筑基坑监测项目，主要包括围护结构体，土体系统、水力系统和周围环境 4 i , - 方面的监测引。一般在建筑基坑监测中，坑壁土体位移、支护结构位移、周 边建筑物( 构筑物) 及道路的沉降及地下水位的监测是必测项目。 1 4 2 3 支护结构体监测 重点在于验证设计计算的合理性，必要时反推出计算参数或计算结果的修正 系数，根据预先确定的破坏报警值的数据界线准确报警，及时采取应急措施，确 保在基坑施工中围护结构体的总体完全，监测内容、项目和监测仪器如下： 表1 1 基坑工程现场监测内容 序号监测对象监测项目监测元件与仪器 ( 一) 支护结构 ( 1 ) 桩或墙顶水平位移和沉降经纬仪、水准仪、全站仪 ( 2 ) 桩或墙深层挠曲测斜仪 1 支护桩或墙 ( 3 ) 桩或墙内力钢筋应力计、频率仪 ( 4 ) 桩或墙土压力土压力盒、频率仪 2 水平支撑轴力钢筋应力计、频率仪 ( 二)相邻环境 ( 1 ) 分层沉降分层沉降仪、频率仪 l 相邻地层 ( 2 ) 水平位移经纬仪、全站仪 ( 1 ) 垂直沉降水准仪 2 地下管线 ( 2 ) 水平位移经纬仪、全站仪 ( 1 ) 垂直沉降水准仪 3 相邻房屋( 2 ) 倾斜经纬仪、全站仪 ( 3 ) 裂缝裂缝观测仪 1 0 第1 章绪论 1 4 2 4 土体系统监测 监测内容为围护墙体外侧和内侧主动土压力及被动土压力，坑外土体水平位 移与沉降，坑内土体的隆起。沿基坑的周边布置土压力监测点，垂直于基坑的开 挖面。埋设土压力盒，位置最好选择在同基坑开挖深度相当的坑外土体中。土体 系统的水平位移监测可用围护墙体的位移替代，沉降监测应布置在基坑周边土的 中间部位，最佳测点距基坑开挖面应不小于围护土体的入土深度。另外，基坑隆 起的监测点则应按基坑形状和基坑面积均匀布置。 1 4 2 5 水力系统监测 基坑开挖中地下水的监测是指对地下水的水位、水量、水质、水温及流速流 向等在人为降低地下水位、疏干基坑漏水以及采取的基坑支护、回灌等工程措施 影响下，随时间的变化规律的监测。具体内容如下： ( 1 ) 降水过程中地下水的水位升降变化和平面扩展趋势。 ( 2 ) 被疏千含水层的地下水与其它含水层及地表水间的水力联系。 1 4 2 6 周围环境监测 一般包括相邻房屋、地下管线和相邻地层的沉降、位移和裂缝，以及周围环 境的水位，地貌和其他变化的监测。基坑开挖对邻近建筑物及管线影响的监测内 容主要为：建筑物及管线的平面位移及垂直位移、建筑物裂缝、建筑物主体倾斜 等等。监测范围应从基坑边起至开挖深度约2 0 3 0 倍的距离，监测周期应从基坑 开挖开始至地下室施工结束。 通过对基坑工程的施工监控及其环境监测，不但能够在施工过程中提供实时 反馈信息，更重要的是得到宝贵的实测数据，为以后的反分析研究打下良好的基 础。 一 1 5 本文研究的目的、方法和内容 北京地区的深基坑开挖较普遍地采用桩锚式式支护结构，多年的实践表明， 这种支护结构在本地区的适用性较好，并且已经积累了一定的实际应用经验。但 是，对桩锚式支护结构的工作机理和设计计算方法还缺乏必要的研究，设计中在 很大的程度上要凭借经验而难免带有盲目性。 现行的排桩式支护结构设计中普遍采用的方法是，对基坑开挖面以上的桩侧 土压力按经典的朗肯或库仑主动土压力计算：对无锚撑的情况，采用假定下端自 由的平衡法结构计算模型，对有锚撑的情况，采用等值梁法结构计算模型；设计 桩身截面时，将排桩式支护按截面刚度相等的原则换算为连续墙进行内力计算和 配筋设计。 许多工程监测和模型试验的结果分析表明，设计护坡桩时采用的土压力分布 与实际情况有很大的差别，作为柔性或半柔性支护的桩排式支护结构的变形及由 北京工、i k 大学工学硕士学位论文 曼! 曼! 曼! ! 曼! ! ! ! ! 曼曼曼曼! 曼! ! 曼曼曼! ! ! 曼曼! 曼! 曼! ! ! ! ! ! 曼! 曼! ! ! 曼! ! 鼍ii i ；i ! 曼曼! 曼曼曼曼! 曼! 曼! 曼曼曼! ! ! ! 曼! 曼 此产生的桩土之间的相互作用将对支护结构的受力产生很大的影响，而现行的护 坡桩计算模型无法反映这种影响。而且，该计算模型也未反映桩顶冠梁对护坡桩 受力的影响，现行设计方法也因此具有一定的不合理性。在实际学术研究中以实 测结果为基础的土压力计算理论的反推分析却很少。针对这种情况，本文通过实 际工程监测数据，通过反分析方法并配合数值模拟方法对桩身受力以及土压力进 行研究。 本文将着重讨论以下几个方面的内容： 1 对各种土压力理论以及各种土压力计算方法进行分析，为对桩锚支护桩侧 土压力反分析计算合理假设土压力分布时打下基础； 2 根据北京地区两个桩锚支护基坑工程的实际桩身主筋应力监测数据，分析 护坡桩的受力性能，推导出桩身截面弯矩； 3 对护坡桩桩侧的土压力分布模式以及取值进行假设，根据护坡桩受力情况 推导出在土压力作用下桩身截面弯矩计算方法进行反分析计算，同时对护坡桩的 变形状态和冠梁约束力进行分析； 4 对两个基坑工程进行数值模拟分析，通过对桩身弯矩的模拟值、反分析计 算值以及实测值进行对比分析，进一步验证反分析理论的合理适用性； 5 通过数值模拟分析，对支护结构实际受力情况与模拟值进行分析对比。 6 对反分析值、经典土压力值和规范值进行对比分析，为以后的基坑工程 设计提供一定的指导作用。 7 通过基坑监测实测数据，对支护结构中的护坡桩及锚杆受力特性进行分 析，并总结其经验及教训。 1 6 本章小结 本章首先对深基坑工程的基本形式和适用范围作了概述，介绍了深基坑支 护结构的破坏形式及其原因，了解了基坑工程施工监控及其