（地质工程专业论文）基坑监测技术的研究与应用.pdf

lf一r，、 分类号 udc jj u f l llrfi iii ir f l l f li i ijiif y 17 18 6 2 6 密级 编号 硕士学位论文 基坑监测技术的研究与应用 t h e s t u d ya n da p p l i c a t i o no f t h em o n i t o r i n gt e c h n i q u eo f f o u n d a t i o np i t 作者姓名： 学科专业： 学院( 系、所) ： 指导教师： 副指导教师： 蒋窟平 地质工程 地学与环境工程学院 隆威教授 杨传德教授级高工 论文答辩日翌乒删 答辩委员会主 中南大学 2 0 1 0 年4 月 原创性声明 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。尽我所知，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 嗍丝年物绰 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 、 储签獭导师签名丝邀嗍坠卫月斗 中南大学工程硕士学位论文摘要 摘要 基坑工程是地下工程施工中内容丰富且富有变化的领域，是土木 工程中最为复杂的技术领域之一。它是集地质工程和结构工程等多学 科于一体的系统工程，具有强烈的地域性、综合性、实践性和风险性。 如何有效地控制基坑变形，使基坑工程既安全又经济，是人们一直探 索的课题。 论文首先对降水、围护桩施工、土方开挖、止水帷幕等四个因素 对周边环境的影响和基坑开挖引起的土体变形现象进行了深入分析， 指出基坑开挖具有一定的时空效应。 接着对基坑监测方案设计的各个方面进行了较详细的论述并提 出了自己的看法，指出在基坑监测中应根据基坑的实际情况多方面考 虑后选取合适的监测项目及监测报警临界值，并采用多种数学方法对 监测数据进行分析与评价，以便更好的指导工程施工。 最后根据上述研究成果，对广州市珠江新城一基坑项目设计了监 测方案，并对监测数据进行了分析与评价，为该基坑的安全施工提供 了可靠的保障。 关键词：基坑、土体、变形监测、工程应用 中南大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r c t f o u n d a t i o np i te n g i n e e r i n gi sar i c ha n dv a r i o u sf i e l di nu n d e r g r o u n d e n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n ，w h i c hi sa l s ot h em o s tc o m p l i c a t e dt e c h n i q u e f i l e d ：i v i 。 f o u n d a t i o np i te n d 。t h erstematicled i nc i v i le n g m e e n n gf o u n d a t i o np i te n g l n e e n n gi sm es y s t e m a t i c e n g i n e e r i n gw i t ht h eg e o l o g ye n g i n e e r i n ga n ds t r u c t u r ee n g i n e e r i n gi ni t ， w h o s ec h a r a c t e r i s t i ci n c l u d e st h es e v e r er e g i o n a l i t y , c o m p r e h e n s i b i l i t y , p r a c t i c a l i t ya n dr i s k yc h a r a c t e r i t i sas u b j e c tm a n yp e o p l eh a v es t u d i e d t h a th o wt oc o n t r o lt h ed e f o r m a t i o no ft h ef o u n d a t i o np i t ，t om a k et h e f o u n d a t i o ns a f ew i t hl o wc o s t i ti sa n a l y z e di nt h ep r e s e n tp a p e l t h a tt h ee f f e c to ft h ef a c t o r so f p r e c i p i t a t i o n ，r e t a i n i n gp i l e ，s o i le x c a v a t i o n ，a n dw a t e r p r o o f c u r t a i nt ot h e s u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n ta n dd e f o r m a t i o no fs o i ld u et ot h ef o u n d a t i o n e x c a v a t i o n t h ea n a l y s i sp o i n t so u tt h a tt h e r ee x i s tt h et i m ea n ds p a c e e f f e c td u r i n gt h ef o u n d a t i o ne x c a v a t i o n t h ed e t a i la n a l y s i sa r ed o n et ot h em o n i t o r i n gs c h e m e so ft h e f o u n d a t i o np i t ，a n dt h ea u t h o r s p e r c e p t i o n sa l ep r e s e n t e d ，p o i n t i n go u t t h a tt h ea p p r o p r i a t em o n i t o r i n gs c h e m e sa n dm o n i t o r i n gw a r n i n gv a l u e s h o u l db ec h o s e na c c o r d i n gt ot h er e a ls i t u a t i o no ft h ef o u n d a t i o n t h e n t h ea n a l y s i sa n de s t i m a t i o nf o rt h em o n i t o r i n gd a t ao ft h ef o u n d a t i o np i t c a nb ed o n eb ys o m em a t h e m a t i c a lm e t h o d ，w h i c hw i l lg i v es o m e g u i d a n c ef o rt h ec o n s t r u c t i o no fe n g i n e e r i n g i nf i n a ls t a g e ，t h em o n i t o r i n gs c h e m ef o rt h ef o u n d a t i o np i tp r o j e c t i ng u a n g z h o uz h u j i a n gn e wc i t yi sp r e s e n t e da c c o r d i n gt ot h ea b o v e s t u d yr e s u l t s ，t h ea n a l y s i sa n de s t i m a t i o n a led o n et ot h em o n i t o r i n gd a t a ， w h i c hc a ng i v et h eg u a r a n t e ef o r t h es a f e t yc o n s t r u c t i o no ft h ef o u n d a t i o n p i t k e y w o r d s ：f o u n d a t i o np i t ，s o i l ，d e f o r m a t i o nm o n i t o r i n g ，e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n i i 1 中南大学工程硕士学位论文 目录 目录 第一章绪论l 1 1 前言1 1 2 基坑工程研究进展2 1 3 基坑监测技术研究现状3 1 4 本文的主要研究内容6 第二章基坑施工引起的土体变形机理研究7 2 1 基坑施工对周边环境的影响分析7 2 1 1 基坑降水对周边环境的影响分析7 2 1 2 围护桩施工对周边环境的影响分析8 2 1 3 土方开挖对周边环境的影响分析9 2 1 4 止水帷幕对周边环境的影响分析9 2 2 基坑开挖引起的土体变形现象1 0 2 2 1 地表沉降1 0 2 2 2 基坑回弹与隆起1 2 2 2 3 围护结构位移1 3 2 3 基坑工程的时空效应1 5 2 4 本章小结1 5 第三章基坑变形监测技术研究1 6 3 1 监测目的1 6 3 2 监测系统设置原则1 7 3 3 监测项目的确定1 7 3 4 监测系统的布设2 0 3 4 1 基坑支护结构变形监测网的布设2 0 3 4 2 基坑支护结构监测点的设置2 0 3 4 3 沉降监测网的设置2 0 3 4 4 沉降监测点的设置2 1 3 5 监测方法与仪器2 1 3 5 1 支护结构水平位移与沉降位移监测2 1 3 5 2 基坑周边沉降位移监测2 2 3 5 3 围护结构深层侧向变形监测2 3 3 5 4 土压力和孔隙水压力监测2 4 3 5 5 围护结构内应力监测2 6 i i i 南大学工程硕士学位论文 目录 3 5 6 地下水位监测2 6 3 6 监测数据处理2 7 3 7 监测成果分析与评价2 8 3 8 监测报警临界值2 9 3 8 本章小结2 9 四章工程应用3 0 4 1 工程概况及周边环境3 0 4 2 场地工程地质与水文地质条件3 0 4 3 基坑监测方案设计3 2 4 3 1 监测依据3 2 4 3 2 监测目的3 3 4 3 3 监测内容3 3 4 3 4 监测点布置及监测方法3 3 4 3 5 投入本项目的监测仪器3 6 4 3 6 监测项目的警戒值3 6 4 4 基坑监测结果分析3 7 4 4 1 支护结构桩顶水平位移监测3 7 4 4 2 支撑立柱沉降监测3 9 4 4 3 渠箱沉降变形监测3 9 4 4 4 土体侧向变形观测4 0 4 4 5 支护结构不同深度侧向变形观测4 3 4 4 6 地下水位测试4 5 4 4 7 混凝土支撑轴力监测4 7 4 4 7 锚杆拉力监测4 9 4 5 基坑监测结果评价5 0 4 6 本章小结5 1 第五章结论与建议5 2 5 1 结论5 2 5 2 建议5 2 参考文献5 4 致谢5 9 攻读学位期间主要的研究成果6 0 i v 中南大学工程硕士学位论文第一章绪论 1 1 前言 第一鸯绪论 近十年来我国深基坑工程得到迅猛发展。随着工程规模、难度、质量的不断 提高，基坑已不再局限于单纯的施工结构、国防战备设施或是小规模的地下室等， 其在城市建设、道路交通、水利水电方面发挥着越来越重要的作用1 1 2 】。在我国 的大中城市，近年来高层和超高层建筑发展迅速，据不完全统计我国已有高层建 筑7 0 0 0 幢以上，仅上海市就已有2 0 0 0 幢以上。这些高层建筑多有较深的地下室， 有的平面尺寸已达数万平方米，深度最深达2 5 m 以上【3 】。 深基坑工程是地下工程施工中内容丰富且富有变化的领域，是土木工程中最 为复杂的技术领域之一m 】。它是集地质工程和结构工程等多学科于一体的系统 工程，具有强烈的地域性、综合性、实践性和风险性。基坑工程不仅存在基坑本 身的安全与稳定问题，而且还存在因土方开挖引起的周围地层移动而危及相邻建 筑物、地下管线网和城市市政设施的正常使用等问题。近年来，在基坑工程中发 生工程事故的概率往往高于主体工程，据不完全统计，一般的发生率约占基坑工 程数量的2 0 左右，有的城市甚至占3 0 左右，基坑工程事故的频频发生，造 成了重大的经济损失和严重后梨9 。1 2 】。以上海市为例，近十多年来因基坑失稳影 响施工的事故已多达上百起，造成经济损失达几亿元。基坑工程事故后果严重， 给国家经济和人民生命财产造成不同程度的损失，8 , n 虚惊一场，大到造成的直 接经济损失达数百万甚至数千万元，造成人员伤亡、延误工期、追加造价以及影 响周围居民生活等负面效应，加大了投资方的负担，同时也给城市建设和企业形 象造成了不良影响。引起这类事故的原因有多种，如支护类型选择不当、对水 土压力及施工荷载估计不足，施工方法不当或施工过程受到外界因素的干扰等， 都可成为引发事故的主要原因。 基坑工程是面对各种各样的地基土和复杂的环境条件进行施工作业，其存在 诸如外力不确定性、变形不确定性、土性不确定性和一些偶然变化所引起的不确 定因素。因为存在以上这些不确定因素，很难对基坑工程的设计与施工订出一套 标准模式，或用一套严密的理论计算方法来把握施工过程中可能发生的各种变 化。目前只能采用理论计算与地区经验相结合的半经验、半理论的方法进行设计。 基坑工程定量计算不能很精确，计算结果只能给设计者提供一个大概可能的数 值，所以工程原型监测就显得十分重要了，只有这样才能最有效地防止或减少基 坑工程事故的发生【1 3 1 6 1 。对于大型复杂工程，原型监测是保证基坑工程的关键。 底板隆起的方法。6 0 年代开始在奥斯陆和墨西哥城软粘土深基坑中使用了仪器 进行监测，此后的大量实测资料提高了预测的准确性，并从7 0 年代起，产生了 相应的指导开挖的法规。 基坑工程在我国的广泛出现，起于8 0 年代初期，随着十一届三中全会的召 开，改革开放热潮在全国兴起，高层、超高层建筑在量出现，相应基础埋深不断 增加，开挖深度也就不断增加，特别是到了9 0 年代，大多数城市都进入了在规 模的旧城改造阶段，在繁华的市区进行深基坑开挖给人们提出了新的课题。那就 是如何控制深基坑开挖的坑壁稳定及其环境效应问题，这一现实需要推动了我国 深基坑开挖技术的研究与发展，产生了许多先进的设计计算方法，众多的施工工 艺也不断付诸实施，出现了许多技术先进和成功实例【3 2 - 3 8 】。但由于基坑工程的复 杂性、地带性、时效性以及设计、施工的不当，工程事故的概率仍然偏高。 从8 0 年代初开始我国逐渐涉入深基坑设计与施工领域，在深圳地区的第一 2 中南大学工程硕士学位论文 第一章绪论 个深基坑支护工程率先应用了信息施工法，大大节省了工特别严重造价。进入 9 0 年代后为了总结我国深基坑支护设计与施工经验，开始着手编制深基坑支护 设计与施工的有关法规，并于1 9 9 9 年9 月1 日开始施行建筑基坑支护技术规 程( j g j l 2 0 - 9 9 ) ( 中国建筑科学研究院主编) 。 与分析、计算方法的进步相对应的是基坑开挖与支护技术的发展，出现了许 多新的支护结构形式与稳定边坡的方法。维护边坡稳定，传统的做法是板桩支撑 系统或板桩锚拉系统。这些方法的优点是支撑材料可以回收，但却存在许多致命 弱点，诸如支撑往往是在开挖之后施加的，以致变形难以避免；拔出板桩时仍1 日 会引起边坡体的进一步变形等。因此，在建筑物密集的城区周围有建( 构) 筑物 及地下设施的场地，选用传统方法受到许多限制，处之不当还常会酿成事故。 目前深基坑工程支护型式主要分为两大类，即支挡型和加固型。其中支挡型 结构主要有桩排支挡结构、地下连续墙以及内支撑或锚杆结合的复合型结构如锚 蛮桩等；而加固型结构主要有水泥搅拌桩、高压旋喷桩、网状树根桩、以及新近 发展并广泛应用的喷锚结构、土钉墙结构等。 近年来，随着国内外旧城改造工程的推进，对基坑开挖技术提出了更高、更 严的要求，即不仅要确保边坡的稳定，而且要满足变形控制的要求，以确保基坑 周围的建筑物、地下管线、道路等的安全。为了准确估计由于开挖引起的土体和 支护系统的变形，一方面依赖于成功应用有限元等现代分析工具，一方面依赖于 土的计算参数选取的正确性。常规的室内试验方法已不足以确定预估位移的关键 参数一土的刚度，只有把室内试验与原位测试技术结合起来，并通过现场实测变 形数据，运用反分析方法计算和修正岩土力学参数，真正实现动态设计与信息化 施工才能解决这个问题【3 叫5 1 。 1 3 基坑监测技术研究现状 本世纪初以前的基坑工程一般具有工程小，开挖面积少的特点且那时的监测 仪器尚不发达，基坑工程极少采用仪器监测基坑的开挖及运行情况。本世纪初以 来，在国外由于超高层建筑及高层建筑的大量涌现，部分基坑工程开始采用仪器 进行监测，在2 0 世纪6 0 年代初期，已开始在奥斯陆和墨西哥软土深基坑中使用 仪器进行全方位的监测。经过近3 0 年的发展，国外2 0 世纪9 0 年代已出现了监 测电脑数据采集系统，实现了监测自动化。我国的深基坑工程的全方位监测于 2 0 世纪9 0 年代才开始起步。经过多年来大量的研究工作，基坑工程监测技术得 到了很大的进步和发展【4 o j 。 ( 1 ) 监测方法及仪器本身的进步。 安全监测工作的蓬勃开展在国内外带动了一大批监测仪器研制生产部门的 陷监测就其技术优势与存在问题对几个相关问题进行了讨论。姚黔爿1 8 】介绍了 城市深基坑变形监测的意义、内容、监测点的布设、数据观测等，通过深基坑变 形监测的实施，指出须依靠变形监测的动态信息反馈来保证深基坑施工安全和优 化设计。张维正【1 5 】以实际深基坑支护及降水工程在密集建筑群中施工为例，介 绍了支护工程的设计与施工，阐述了该工程变形监测方法并对其结果进行了分 析，总结了在密集建筑群中进行基坑开挖的设计与施工经验。黄小明 5 6 j 等通过 某基坑施工的监测实践，提出如何在密集的已有建筑中对深基坑开挖施工进行全 过程监测，及时反馈监测信息，实行动态管理和信息化施工，以保证围护结构稳 定及周边建筑物的安全。任丽刊，7 】等从基坑安全监测的角度对深基坑的监测项 4 中南大学工程硕士学位论文 第一章绪论 目、监测方法和研究现状进行阐述，并在此基础上对深基坑监测今后的研究方向 进行展望，指出信息化施工以及建立完善的险情预警系统的重要性。钟正雄 s s 】 研究建立了基坑工程监测数据库管理系统，该系统能全面的将基坑监测信息的各 种信息按数据库格式输入，其中包括一些不确定的信息，并能客观的评价监测项 目的稳定状态，设置含报警及相应的规程和规范指标等窗口。 ( 3 ) 相关规范逐渐完善 为了在基坑支护设计与施工中做到技术先进、经济合理、确保基坑边坡稳定、 基坑周围建筑物、道路及地下设施安全，近年相继颁布实施几部有关基坑工程的 技术规程。如建筑地基基础设计规范( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) ) ) ，建筑基坑支护技术 规程( j g j1 2 0 9 9 ) 和建筑基坑工程技术规范( y b 9 2 5 8 9 7 ) ) ) ，同时各地也针 对当地地质性质的具体情况发布了一些地方规程，如上海基坑工程设计规程、 深圳地区建筑深基坑支护技术规范，这些规程已经成为基坑工程施工中必不 可少的组成部分。这些规范对基坑监测各方面也有一些具体的要求。 ( 4 ) 基坑变形预测预报技术不断发展 近年来，由于动态设计及信息化施工技术的提出，国内外学者对基坑工程变 形预测预报技术进行了更深入的研究。由于基坑结构、组成物质的物理力学性质、 外力作用的复杂性和不确定性，建立合适的确定性模型困难，因此，通过揭示变 形监测数据序列的结构与规律，建立动态预测模型，反映变形特征，推断变化趋 势，就成为一种有效的方法。近年来，用数学模型来逼近、模拟和揭示变形体的 变形和动态特性成为新的研究方向，其中比较有代表性的模型是：确定函数模型、 回归分析模型、时间序列分析模型、灰色系统模型、卡尔曼滤波模型、神经网络 模型、马尔柯夫模型和尖顶突变模型。现在常用的基坑工程预测预报分析方法有 神经网络预测预报方法、实时建模时序分析预测预报法、模糊数学预测预报分析 法及灰色系统预测预报法。 许多学者在变形的预测方面进行了研究，取得了一些成果。倪立峰【5 9 】根据 基坑变形的特点，提出应用动态递归神经网络实时建模预报，并采用一种改进的 在线学习算法，较好的描述了基坛的动态特性。贺可强【6 0 根据深基坑变形的基 本特征，用神经网络建立了深基坑变形的实时预报模型，编制了用于预报的神经 网络程序。刘学增、柳荣华1 6 1 针对软土深基坑开挖具有明显的流变特性，利用 m a x w e l l 模型对深基坑的墙体变形进行了预报，效果良好，从而为软土深基坑开 挖墙体变形的及时预报提供了新的方法。潘洪科、饶运章f 6 2 】提出了基坑工程施 工过程中地表沉降预测的人工神经网络分析方法，并结合具体工程实例进行了分 析和程序应用，结果是令人满意的。袁金荣、赵福勇【2 1 】在分析灰色系统与神经 网络基本原理的基础上，结合前人研究成果和实测分析，提出灰色系统用于基坑 5 了受施工扰动卸载作用下土体的变形，建立了基坑开挖过程中土性参数位移反分 析模型。在此基础上建立了正反分析优化算法和预报方法。杨林德 6 7 1 通过将现 场信息采集，优化反支护位移和安全性监测建立了动态预报技术，提出了分析理 论和方法。张伟丽【6 8 l 根据灰色系统理论，建立了基坑变形的g m 预测模型，根 据现场位移观测值对后续旋工中的变形值进行预测。荣延祥【6 9 1 利用灰关联分析 研究基坑边坡位移数列与基坑周围边公寓位移数列之间的关系，并将二者迭加生 成一新的位移数列，而后利用灰色预测模型分别对以上三个数列进行预测。王坚 例讨论了g m ( 1 ，1 ) 沉降预报模型的建立以及应用问题，并使用建立的预报模 型对沉降控制点沉陷量进行预报。邓跃进r 7 1 】介绍了地质北方气候突发因素等不 同影响因素与位移量的模糊近似推论，在此基础上应用模糊人工神经网络进行位 移量预报。 1 4 本文的主要研究内容 在基坑工程实践中，工程的实际工作状态与设计预估值相比往往存在一定的 差异，设计预估值一般不能全面而准确地反映工程的各种变化，进行现场监测保 障基坑工程的安全就显得十分重要。本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 对基坑施工对周围环境的影响、基坑开挖引起的地表变形现象及基坑 工程的时空效应等方面进行比较全面的分析总结，从理论上说明基坑开挖会引起 土体变形，从而验证基坑监测工作的重要性。 ( 2 ) 对基坑监测技术的监测目的、监测项目的确定、监测系统的布设、监 测方法与仪器、监测数据处理、监测成果分析与评价、监测报警临界值的确定等 各个方面进行分析研究。 ( 3 ) 综合上述研究成果，针对具体的工程实例，建立一个具体合理的监测 方案，并对监测数据进行分析与评价，以便更好的指导基坑工程施工。 6 中南大学工程硕士学位论文第二奄基坑施工引起的土体变形机理研究 第二章基坑施工引起的土体变形机理研究 2 1 基坑施工对周边环境的影晌分析 基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 移动以保护周围环境。尤其是在地层土质较差的城市内进行基坑开挖施工时，经 常引起基坑周围土体较大的变形，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。特别是在城市 中心区域开挖基坑时，施工场地狭窄，紧临基坑边上就有建筑物，在这种情况下 进行深基坑开挖，保护环境显得尤为重要。支护结构的任何破坏，都会严重影响 周围建筑物的安全，过大的变形也可能引起周围建筑设施的破坏。从某种意义上 讲，保护周围建筑物、管线的安全比维护深基坑的稳定更重要。在基坑开挖中， 由于施工措施不当，可能引起地面下沉，马路、房屋开裂、煤气主管道折断引起 煤气泄漏等事故，造成严重的后果【_ 7 2 j 。 2 1 1 基坑降水对周边环境的影响分析 排水主要是为了解决上部土层的滞水和降雨积水的疏排【3 1 。基坑降水型式一般 有采用轻型井点，喷射井点和深井井点降水等。降水如果操作不当，则可能引起 地面沉降，对环境造成不良影响。 为了保证基坑工程土方开挖和地下室施工处于水位以上的“干状态，需要 通过降低地下水或配以设置止水帷幕，使地下水位在基坑底0 5 。1 o m 以下。在 地下室施工结束，上部结构尚未施工时尚需通过降低地下水位，克服地下水对地 下室产生浮力。 地下水的不良作用主要包括流砂( 土) 、管涌和基坑突涌。 ( 1 ) 流砂( 土) 地下水在渗流过程中受到土骨料的阻力作用，那么土骨架必然受一个反作用 力，对于单位体积内土颗粒所受到的渗流作用力称之为动水压力或渗透力，用，来 - 一 表不o 基坑开挖后，通常情况设置了止水帷幕，降低基坑内的地下水位后，由于基 坑外地下水位高于基坑内地下水位，则：茁围护墙后地下水流方向侧重向下，动水 压力方向基本向下，此时动水压力的存在增加了土体的有效应力，当地下水流绕 过围护墙体和止水帷幕后，在基坑内其水流方向则变成向上，此时动水压力方向 7 文第二章基坑施工引起的土体变形机理研究 小了土粒之间的压力。当动水压力大于或等于土的浮容重时， ，土的抗剪强度等于零，土颗粒随渗流的水一起流动，产生 下，土中的细颗粒被冲走，使土的孔隙不断扩大，渗流速 的颗粒也相继被水流带走，逐渐形成管状渗流通道，造成 ， 性质的破坏，发生在一定级配的无粘性土中，一般粘性土 无粘性土产生管涌必须具备下列两个条件： 的孔隙直径必须大于细颗粒的直径，这是产生管涌的必要 动水压力能够带动细颗粒在孔隙间流动是发生管涌的水力条件，可用水力 梯度来表示。 通常在含水粉砂等的深基坑中发生流砂的可能性要高于管涌。由于管涌破 坏是渐近性的，因此必须注意在砂层中的基坑有无管涌的可能性。 ( 3 ) 基坑突涌 若基坑下存在承压水，在开挖过程中当基坑底部隔水层的厚度减小到一定 程度时，承压水的水头压力会冲破基坑底板，形成突涌现象，因此当基坑底部 与承压水层相距很近时，应确定足以防止基坑被水冲破的最小隔水厚度。流砂 ( 土) 、管涌、基坑突涌这三种现象一旦发生，则对深基坑产生的破坏是极其严 重的，同时也会对深基坑周边环境造成严重影响。但这三种现象却较易控制。 只需加强勘察工作，在围护结构设计时进行必要的验算即可以避免。 ( 4 ) 降水造成的地面沉降 主要有以下两个方面：a 基坑施工降水使土体有效应力增加，引起土层固结沉 降；b 抽水引起土砂损失造成沉降。 2 1 2 围护桩施工对周边环境的影响分析 围护桩常用的桩型为钻孔灌注桩、沉管灌注桩、人工挖孔桩、水泥土搅拌桩、 钢筋混凝土预制桩等。而深基坑中几乎包括了所有类型的围护桩。 围护桩施工的环境效应比较大，在非挤土桩中要首推人工挖孔桩，由于它主 要是由人工挖掘，地基土层中出现临空面，引起附近土体的侧移。当成排开挖土 层又是软土或花岗岩残积土时，人工挖孔桩筒中涌泥，侧移现象更为严重，往往 8 中南大学工程硕士学位论文第二章基坑施工引起的土体变形机理研究 造成附近既有建筑物沉降、倾斜，上部结构开裂，道路面沉降，地下管道断裂等。 围护桩为预制桩时，也常常带来挤土危害【l 】。 基坑中的基桩施工，特别是采用人工挖孔桩，在软土地区，有时带来的不良 环境效应也是严重的。在城市密集区不宜采用该桩型。基桩采用预制桩，也会对 邻近工程深基坑的围护结构带来危害，但深基坑中的基桩如果数量较多，密布于 墙前时，就会在基坑内形成复合地基，这种复合地基的刚度显然较大，其对减少 支护结构的水平位移又将起到积极的作用。 由上述分析可见，为了有效地减少围护桩，基桩施工所带来的不良环境效应， 应根据基坑的地质情况及基坑周边环境，选择合理的桩型、合适的施工工艺，做 到精心施工是能够降低其带来的不良环境效应的。 2 1 3 土方开挖对周边环境的影响分析 一般的矩形基坑，在没有围护情况下多坍成矩形的外接圆坑。人们曾总结提 出：挖土时四周要留涌土( 使之形成内接圆) ，要盆式开挖，分层分块开挖。在深厚 软土如淤泥、淤泥质粘土中开挖基坑，由于软土的蠕变性，要重视时空效应，做 到随挖随撑。同时，在施打挤土型工程桩时，常引起坑内土体产生很高的超静孔 隙水压，侧移与隆起，故分层从中央有序地开挖非常必要。 目前在深基坑施工中，定量考虑土方开挖的环境效应还很困难。目前只能做 到定性认识，尽量采用分部分块分层开挖，缩短基坑暴露时间和采取合理、高效 的土方开挖施工组织设计，同时加强基坑位移、沉降等的观测，以此来指导土方 开挖等的施工。 2 1 4 止水帷幕对周边环境的影响分析 由前面的分析可知，基坑抽水引起的土砂损失以及砂土通过围护结构挤出都 可能造成基坑外侧地面沉降，而引起砂土的损失的原因之一是由于止水帷幕渗漏 水。众所周知，深基坑中，除了围护结构本身引起挡土作用又起止水帷幕作用， 以及渗透性很小的地基外，都需要布置闭合的止水帷幕( 水平向止水帷幕和竖向 止水帷幕) 。但有时由于基坑止水帷幕本身存在缺陷，如深搅桩搭接不严、地下连 续墙接缝不吻合，以及由于场地的水文工程地质条件不好，或由于基坑开挖深度 大，周围的动水压力和土压力相对增长，使得挡土结构产生较大位移，从而带动 止水帷幕的挠曲或侧移，加之止水帷幕大多为刚性结构，抵抗变形的能力较弱， 在挠曲和侧移时易开裂，使得在地下水压力作用下止水帷幕产生渗漏，当止水帷 幕出现渗漏时，往往来势猛又突然地大量漏水漏砂，可能导致产生边坡失稳、坍 9 2 2 1 地表沉降 变形、坑底隆起和深基坑周围 的来说有两部分，一是由构筑 因为基坑开挖的过程实际上是 土体产生以向上为主的位移， 水平向位移( 基坑开挖打破了 因此随之而产生的墙外侧土体 动变形的主要原因是坑底的隆 ( 1 ) 地表沉降原因 影响深基坑开挖过程中地表沉降的因素是十分复杂的。地表沉降的大小取决 于土层组成结构及物理力学性质，地下水层数和孔隙水压力，空间几何形状( 包 括各工况形状) 和平面尺寸( 长、宽或半径) ，围护结构类型、刚度和入土深度， 开挖尺寸，开挖深度，开挖顺序，无支撑暴露时间，开挖时间，周边静、动超载 情况，地表水和上下水管的渗漏，邻近建筑物的影响，水平支撑施工方法，支撑 或锚杆刚度和间距，水平支撑预应力的大小以及预应力施加时间等等。在深基坑 开挖施工和主体结构施工的过程中有众多的影响基坑周边地表沉降的因素，主要 的、直接的原因不外乎以下几点： a 支护结构变位 此为产生深基坑周围地表沉降的主要原因，随着坑内土体不断被开挖，深基 坑围护结构在基坑内外侧的土压力差作用下发生变位，导致深基坑外侧的土压力 不断减小，使得坑外土体卸荷，导致坑外地表下沉。 b 基坑降水 在地下水位以下进行深基坑开挖施工时，为避免产生流砂、管涌、坑底突涌， 防止坑壁土体的坍塌，保证施工安全和减少基坑开挖对周围环境的影响，当基坑 开挖深度内存在饱和软土层和含水层及下部承压水对基坑底板产生影响时，就需 选择合适的降低地下水水位的方法对基坑进行降水。如降水措施不得力，则可能 引起地面沉降，对环境造成不良影响。 c 止水措施不当 l o 中南大学工程硕士学位论文第二章基坑施工引起的土体变形机理研究 由于基坑的止水帷幕施工质量不可能完全达到理想状况，其止水防渗效果自 然也就受到影响，不完整帷幕对基坑变形的影响是：产生流土、管涌，使土层局 部被掏空，产生变形。 一 ( 2 ) 地表沉降估算方法 当前国内外在深基坑周围土体移动研究中，所采用的主要方法有：物理模拟 法、数值模拟法、半理论解析法和经验公式预测法。物理模拟法是利用相似原理 对基坑的稳定性和变形，进行室内模型试验研究，由于介质模拟及模型土体位移 量测，需要很精密和复杂的技术，此外，室内模型试验很难模拟深基坑开挖施工 中的施工因素，因此，该方法多用于理论研究，而较少应用于实际工程。实际工 程中，常用经验公式预测法、半理论解析法和数值模拟法进行坑周地层移动的预 测。 经验公式预测法和半理论解析法可对横向的墙后地表变形和墙体水平位移进 行预测分析。国内外有关专家对经验估算深基坑开挖引起的地表沉降做过不少研 究，取得了许多重要的研究成果【_ 7 4 j 。美国的g w a y n ec l o u g h 和b i r g e rs c h m i d t 将深基坑开挖释放应力而引起的墙体移动分为“i i i 两种基本形式。当围护 结构有入土深度较小或墙底入土在软弱地层内，此时，墙底处出现较大的水平位 移，墙外地面沉降较大，且墙外地面沉降大时地面最大沉降量发生在紧靠支护墙 顶处，为第“i ”种型式；当围护结构有较大的入土深度或墙底入土在刚度较大的 地层内，此时，墙外地面沉降较小，且最大沉降量发生在墙外一定距离之外，为 第“i i 种型式。他们通过基坑实测结果和有限元模拟，提出了墙体最大水平位 移和最大地面沉降随基坑抗隆起安全系数f 。增大而减小的关系曲线。同济大学侯 学渊教授等研究了上海深基坑开挖中地面沉降规律，参考了盾构法隧道地面沉降 的p e c k 和s c h m i d t 公式，借鉴三角形沉降公式的思路，提出了基坑地层损失的概 念。地层损失法利用墙体水平位移和地面沉降相关的原理，采用杆系有限或弹性 地基梁方法，然后依据墙体水平位移和地面沉降两者的地层移动相关的原理，求 出地面沉降。由于杆系有限元法，在计算时不考虑时间的影响，但在具有流变性 的软土地区，时间对墙体的位移影响非常明显，因此，实际计算时，应对墙体位 移进行修正。刘建航院士根据上海大量软土基坑实践提出了时空效应法，来解决 深基坑整体稳定和坑周地层位移的控制和预测问题。他和侯学渊教授结合上海软 土深基坑工程实践，认为在深基坑施工中，每个开挖步骤和开挖空间尺寸和围护 墙无支撑暴露面积和时间等施工参数，对基坑变形和稳定性具有明显的相关性。 时空效应法一般应用在地层自稳性差，需要支护( 内支撑和锚杆) 的情况，特别适 用于具有流变性的软粘土地层中的基坑。 有限单元法则可以对深基坑开挖中影响坑周地层移动的因素，如地层特性、 支护结构、分步开挖工况及基坑几何形状等进行模拟。从理论上讲，有限元法可 ( 2 ) 基底土回弹后土体的松弛与蠕变的影响加大了隆起；挡土墙在侧水压力作 用下，墙角与内外土体发生塑性变形而上涌；粘性土基坑积水，土吸水使土的体 积增大而隆起； ( 3 ) 基坑隆起是因为基底土压力低于水压力造成的地面上升，这种情况仅发 生于粘性土中； ( 4 ) 在地下工程设计施工手册中的解释：如果基坑底部的不透水层较薄， 1 2 中南大学工程硕士学位论文 第二章基坑施工引起的土体变形机理研究 而且在不透水层下面具有较大水压力的承压含水层时，当上覆土重不足以抵挡下 部的水压力时，基底就会隆起破坏。同时，基坑工程的时空效应也是重要因素， 基坑暴露时间越长，就越易引起基底回弹与隆起。 坑底隆起量的大小是判断基坑稳定性和将来建筑物沉降的重要因素之一。坑 底隆起量的大小除了和基坑自身特点有关外，还和基坑内是否有桩、坑底是否加 固、坑底土体的残余应力等密切相关。有专家研究表明，圆形基坑坑底隆起在直 径与开挖深度之比较小的条件下，由于圆形基坑的支护结构和坑底土体的空间作 用，在隆起形式和幅度上与条形支护的基坑有所不同，但两者的坑底隆起都是随 开挖深度的增加而由弹性向塑性发展的。当支护结构无插入深度时，基坑更容易 在开挖深度较小时就发生塑性隆起并伴随基坑周围地层移动。当其发展到极限状 态时，基坑外侧土体便向坑内产生破坏性滑动，致使基坑失稳，基坑周围地层发 生大量沉陷。 基坑回弹是基坑工程土体位移场的一个重要方面，国内外有不少学者曾做过 较深入的研究，计算基底回弹与隆起的方法虽然很多，但多数方法的计算结果和 现场实测值相差较大。目前的计算方法主要有规范法，理论公式和经验公式等等， 通常采用试验模拟法、分层总和法、经验估算法以及有限元法。 2 2 3 围护结构位移 深基坑开挖引起土体卸荷，为了防止土体产生过大的向基坑内侧的位移，需设 计作用在深基坑壁上的支护结构。土压力、水压力的计算是支护结构设计计算的 前提，而侧土压力是深基坑支护工程的一个重要参数。设计计算的不准确以及支 护结构的施工工艺都会直接影响深基坑周围土体的位移。 深基坑支护设计计算存在的偏差主要有以下几个方面： ( 1 ) 在设计计算作用在支护结构的土压力时，是运用的经典库仑、朗肯理论 计算公式，经典公式针对的是先有墙、后填土的挡土墙结构，而深基坑支护结构 则是先在地面上打桩或筑墙，一开始就存在静止土压力，在挖土的时候，支护桩 墙一面临空，随着挖土深度的加深，桩墙承受的土压力也随桩墙变形逐渐增加， 静止土压力向主动土压力变化。 ( 2 ) 库仑、朗肯理论假定墙后填土均是均质无粘性土，而基坑开挖的土层一 般是固结的层状土( 包括填土、粘性土和粉土等) ，挡土墙与土之间无摩擦力的假 定在实际中是存在的。 ( 3 ) 深基坑工程实际上是空间问题，它与库仑、朗肯理论所解决的挡土墙按 平面问题来处理是不同的。深基坑有所谓的长边效应( 基坑长边中点侧移和内力 最大) ，而且有时间效应，基坑暴露时间越长，问题越多。 其作为一种辅助的计算手段。当基坑周围有重要的建筑物或构筑物时，为保证基 坑附近设施的正常运行，必须对深基坑开挖引起的附近建( 构) 筑物的沉降和倾 斜量加以限制，可采用平面( 或三维) 有限元法计算分析； 1 4 中南大学工程硕士学位论文 第二章基坑施工引起的土体变形机理研究 2 3 基坑工程的时空效应 基坑工程中，随着土体的开挖及支护结构的施工，深度变化时，由于支护结 构的变形而产生土压力的调整。平面上，同一深度处的土压力随平面的位置不同 而存在差异，即基坑开挖过程中存在明显的空间效应【7 2 1 。 由于基坑开挖会引起基坑周围地层和坑内土体的移动，因此基坑开挖是一个 与周围土体密切相关的空间问题。研究表明，小的基坑开挖段，其基坑坑底回弹 较小，影响范围也较小，大的基坑开挖段，其基坑坑底回弹较大，影响范围也较 大，主要是因为小开挖段的土体空间作用强于大开挖段的土体空间作用。可见， 土体的空间作用对于基坑周围地层移动与坑底回弹的影响是显著的。 深基坑空间效应规律有以下几方面： ( 1 ) 基坑土体的空间作用主要取决于基坑的形状、深度、大小等。基坑尺寸 越小，其空间效应越显著，限制坑底隆起和围护结构位移的能力就越强。 ( 2 ) 深基坑坑壁中央范围内的土压力和位移值均要大于两端壁一定范围内的 土压力和位移值，这是因为深基坑两端壁处存在显著的空间效应，抑制了邻近区 域的土压力和位移的发展。目前，基坑支护问题常常忽略了空间效应所带来的问 题。 ( 3 ) 坑底隆起量随开挖宽度的增大而增大，但到一定宽度后，隆起量基本不 再变化。 ( 4 ) 基坑开挖的不断进行，不但基坑尺寸和土压力在不断的变化，而且二者 相互影响，相互作用。开挖施工改变了基坑的深度，深度的变化又引起位移的大 小及其分布的变化，水平位移的变化最终引起土压力的变化。 随着基坑的不断开挖，基坑的几何空间要素在逐步发生着改变，土体材料多 具有蠕变的特性，即土体的应力应变关系受时间因素的影响。土的固结、基坑降 水及土的强度衰减、膨胀等均与时间有关，加上降水环境的复杂性，使得空间效 应更为复杂化。因此，基坑空间尺寸、土体特性和环境因素三者均与时间有关， 即深基坑开挖还具有一定的时间效应。 2 4 本章小结 本章首先阐述了基坑施工对周边环境影响的表现形式，接着分析了基坑开挖引 起的变形现象，并详细地说明了相应变形的研究现状和研究方法，最后对基坑工 程的时空效应及其规律进行了一些介绍，为后续基坑监测