（地质工程专业论文）深基坑施工引起周围土体位移监测分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 论文以成都天府广场下穿隧道为工程背景，从深基坑施工引起土体位移变形 的因素及机理入手，主要通过基坑降水、基坑丌挖及围护结构三个方面分析r 基坑周围二 二体变形的特点，提出了施工i l 矗测的必要性和重要性：剥隧通玎挖j | 起的地表沉降、地中倾斜和边坡水平位移等做了研究分析，并用扶色系统方法、 双曲线拟合法、指数曲线拟合法及皮尔曲线拟合法进行了预测和评价，提f i5 了 指数平滑法预测，且比较了这几种预测方法的适用性及其特点；并根据某。断 面进行数值模拟分析，总结了基坑变形的规律。 经过对大量的监测数据研究分析，结果表明：在基坑丌挖初期，地表沉降、 地中倾剁和边坡水平位移值均较大，随着支护工作的完成，变形逐渐平缓趋j 稳定，暴附天气会引起变形的陡然加剧；在基坑丌挖初期，地中倾斜与深度之 问存在较好的一元线性关系，随着基坑的开挖呈现出抛物线和对数关系；地表 位移以沉降为主。在基坑监测中，由于该工程的特殊性，使得灰色系统预测力 法受施j 1 二工序和时间因素影响较大，随着预测唰间的推移，其预测精度彳i 所降 低，建议采用指数甲滑法及其它疗法预测。 通过对深基坑k o + 5 0 0 断而的数值模拟分析，结果表明：基坑在边角处的空 问效应较强，而在中部空问效应较弱：基底中间区域的回弹量较大，鉴坑坑底 的晟大隆起量不在基坑中心点处，而在基坑中心点一环形区域内，表现 l j 明品 的空州效应：随着士体的不断丌挖，基坑边坡水平位移逐渐增大，并迅速超过 上一工况的位移值：随着开挖深度的变大，水平位移变化也逐渐增大，且从丌 挖开始至整个支护过程结束为止，边坡水平位移最大值的位最逐渐下移，其最 终位移的最大值落在基坑中上部附近位置；基坑周围地表沉降分布呈楷形， 基坑坑边处的沉降并非最大，距坑边3 - 5 m 处沉降最大；且距坑边越远，沉降 越小，到距坑边3 0 m 后仍有沉降，但沉降量相对较小。 关键词狄色系统：双曲线；指数曲线：数值模拟：沉降：指数平滑：基坑降水 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t i a n f us q u a r et u n n e li st a k e na st h ee n g i n e e r i n gc a s e ，s t a r t i n gw i t hf a c t o r s a n dm e c h a n i s mo fs o i ld e f o r m a t i o nc a u s e db ye x c a v a t i o no fd e e pf o u n d a t i o n p i t ，a n a l y s i so fs o i ld e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c si sm a d ep r i m a r i l ya c c o r d i n gt o p i tp u m p i n g ，e x c a v a t i o na n ds u p p o r ts t r u c t u r e ；t h en e c e s s i t ya n di m p o r t a n c e o fm o n i t o r i n gi se m p h a s i z e d ，r e s e a r c ha n da n a l y s i so ns e t t l e m e n t ，t i l ta n d h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to fs l o p ei sm a d e ，f o r e c a s ta n dv a l u a t i o ni sm a d eb y g r a ym o d e l ，h y p e r b o l i cc u r v e ，e x p o n e n t i a lc u r v ea n dp i e rc u r v e ，c o m p a r i s o n w i t hg r a ym o d e l ，e x p o n e n t i a ls m o o t h i n gm e t h o di ss u g g e s t e d ；s u m m a r i z et h e r u l eo fd e f o r m a t i o nb yn u m e r i c a lm o d e l i n g a c c o r d i n gt oaq u a n t i t y o f m o n i t o r i n gd a t a ，t h e r e s u l ts h o w st h a t s e t t l e m e n t ，t i l ta n dh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to fs l o p eh a sal a r g e rv a l u e b u ti ti s e a s yt os t a b i l i z a t i o na f t e rs u p p o r l ，i n t e n s ed e f o r m a t i o nw i l la p p e a r i nr a i n s t o r m b e t t e rl i n e a rr e l a t i o n s h i pe x i s t sb e t w e e nt i l ta n dd e p t h ；s e t t l e m e n ti n c r e a s e si n s o m ep l a c e ；b e c a u s eo fd e e pf o u n d a t i o np i t ，c o n s t r u c t i o np r o c e d u r ea n dt i m e f a c t o r sh a se f f e c to ng r a ym o d e lp r e d i c t i o n t h ef o r e c a s ta c c u r a c yt u r n sl o w e r w i t hi n c r e a s i n go ft i m e ，e x p o n e n t i a ls m o o t h i n gm e t h o di ss u g g e s t e d a n a l y s i so fn u m e r i c a lm o d e l i n go fk 0 + 5 0 0s h o w st h a tt h er i ma n g l eo f d e e pf o u n d a t i o np i th a ss t r o n g e rs p a t i a le f f e c t ，t h em i d d l eo fd e e pf o u n d a t i o n p i ti sn o t ；t h em i d d l eo ff l o o rh a sl a r g e rl i f t ，w h i c hd o e sn o ta p p e a rc e n t r eo f f l o o rb u ta p p e a rc i r c u l a ra r ci nf l o o rt h a ts h o w so b v i o u ss p a t i a le f f e c t ；t h e d e e p e ro fd e p t h h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to fs l o p ei sl a r g e r , a n de x c e e d p r e v i o u sw o r k i n gc o n d i t i o n h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to fs l o p et u r n sl a r g e rw i t h i n c r e a s i n go fe x c a v a t i o nd e p t h t h ep o s i t i o no ft h el a r g e s td i s p l a c e m e n ti s d o w n w a r d sa n ds t o pt om i d d l e u po fd e e pf o u n d a t i o np i tf r o me x c a v a t i o nt o t h ee n do fs u p p o d ；t h ed i s t r i b u t i o no fs e t t l e m e n ts u r r o u n d i n gd e e pf o u n d a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文 第川页 p i tt a k e so ng r o o v e 。t h el a r g e s ts e t t l e m e n ti sn o ts i d eo fd e e pf o u n d a t i o np i t b u ta p p e a r si np l a c et h a ti st h r e et of i v em e t e r sa w a yf r o md e e pf o u n d a t i o np i t ， t h i r t ym e t e r sa w a yd e e pf o u n d a t i o np i t t h es e t t l e m e n ti ss m a l l e r , a n dt h e r ei s s e t t l e m e n ti nac e r t a i nd i s t a n c e ，b u ti ti ss m a l l e rb yc o m p a r i s o n k e y w o r d s ：g r a ym o d e l ；h y p e r b o l i cc u r v e ；e x p o n e n t i a lc u r v e ； n u m e r i c a l m o d e l i n g ；s e t t l e m e n t ；e x p o n e n t i a ls m o o t h i n g ；p i tp u m p i n g ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第】页 第一章绪论 1 1选题意义 基坑开挖是基础工程和地下工程施工中的一个重要课题，又是个综合性 的岩土工程问题。它不但涉及土力学中典型的强度和稳定问题，而且还包含变 形问题，同时还涉及到围护结构与土的相互作用问题。 对岩土体的支挡问题在土力学上并不是一个新的课题。从c o u l o m b 和 r a n k i n e 提出土压力理论到现在也有一两百年的历史了；从t e r z a g h i 和p e c k 对这个问题进行系统研究起也有四五十年的历史了，但时代的发展赋予了这个 课题新的研究意义。 随着城镇建设中高层及超高层建筑的大量涌现，深基坑工程越来越多。9 0 年代以来，基坑开挖与支护问题已经成为我国工程界的热点问题之，基坑越 挖越深、工程地质条件越来越差、围护方法多、基坑工程事故多等等。大量的 基坑工程实践表明，深基坑工程的理论和技术还不成熟，每一种支护技术和设 计方法都以一定的假设条件( 如地层参数、物理模型、边界条件等) 为基础的。 当设计者对这些条件把握准确，计算理论正确，施工质量又能得到保证，基坑 支护就容易得到保障。但实际上，地层条件复杂多变，支护机理又并非一个模 式，施工过程中存在许多不确定性因素，随着时间的推移，部分因素还在不断 的变化。因此，仅仅依靠理论分析和经验估计难以完成经济可靠的基坑支护设 计施工，施工监测就显得十分重要。 1 2 国内外研究现状 稳定和变形是深基坑开挖工程的主要课题，稳定是首要的，否则就是失败； 但过大的变形也必然导致周围环境的破坏。与其它工程一样，基坑开挖的研究 工作不外乎3 种手段：理论研究、实验研究( 包括室内模型和现场足尺实验) 和工程经验。下面就基坑开挖问题的研究内容及常用分析方法作一简单的回顾， 其变形机理将在下一章作详细的论述。 在基坑开挖过程中，由于土体的卸荷作用，使围护结构和基底产生变形， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 并进而引起地表沉降。在预估地表沉降的所有方法中，最有影响的是p e c k 教授 提出的曲线，如图卜1 ( a ) 所示。p e c k 发现，当在密砂或相当硬的土层开挖时， 在标准的施工条件下，产生的沉降较小，而在软塑性粘中，仅由于施工工艺 或施工顺序的改变，都可能产生这样的位移。 候学渊( 1 9 8 9 ) 采用非线性b l o t 固结理论为基础的有限元分析及无限元的耦合 计算，并借鉴前人的研究成果，指出了估算基坑侧边地基土沉降的方法。作者 假定，地表沉降曲线与支护物侧移形状相似，大致分为两种类型：一种为三角 形：另一种为抛物线形，如图卜1 ( b ) 所示，地表沉降面积与支护侧移面积大 致相等，地表沉降范围可取支护结构背后滑动棱体的宽度。 t ( a )( b ) 图卜1地表沉降曲线 为确保基坑开挖安全，基坑底部的回弹和隆起量不得超过容许值。p e c k ( 1 9 7 4 ) 提出月下式来判断粘性土隆起的可能性： m 2 等 式中 y 一土的容重； 爿一开挖深度； 瓯一基坑底面下土体底不排水抗剪强度。 p e c k 认为，当n c 略小于6 时，则支撑系统的移动及基坑底面下方粘土的隆 起甚小；当n c 接近于8 时，虽使用良好的支撑系统，但其移动亦大得无法接受； 当n c 超过8 时，由于嵌入部分内侧粘土致使向内位移过大，因而无法控制开挖 氐 ，叫，。、k 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 下方粘土的向上隆起，支撑可能崩坏。 基坑开挖分析的本构关系大致分为四大类：线弹性模型、非线弹性模型、 弹塑性模型和粘弹性模型。 刘国彬( 1 9 9 1 ) 采用修正剑桥模型；夏彬( 1 9 9 4 ) 采用流变模型来分析基 坑开挖性状，但这些模型所需计算参数较多，且部分参数难以通过常规实验确 定，而土工问题中的参数选择对计算结果影响很大。相比之下，非线弹性模型， 尤其是d u n c a n - - z h a n g 模型在基坑开挖分析中占主导地位。研究表明，对于临 时开挖，非线弹性模型有足够的精度，而且模型采用的参数资料各地都比较丰 一 目。 由于基坑开挖工程的复杂性以及数值模拟方法的灵活性，使得数值分析在 研究基坑性状中占相当的地位。目前常用的数值方法有：差分法、边界元法、 有限元法以及有限元与无限元耦合法。 有限元法由于节点配置方法比较任意，因此对具有复杂性状的分析域，可 以使边界完全落在区域边界上；而对于多种不同性质材料组合而成的分析域， 也可以通过将一部分节点取在分界面上而取得较好的处理。所以有限元法是基 坑工程乃至岩土工程中较为常见甚至可以说是必不可少的数值分析方法。一般 来讲，可以采用有限元法来分析基坑开挖问题，据此得出一些有益的定性结论， 再与其它方法比较，对基坑开挖做出可靠判断。 严格地讲，基坑开挖是个三维问题。李佳川( 1 9 9 2 ) 曾用三维有限元分析 了上海地铁徐家汇站的基坑开挖。但三维问题程序很大，费机时，一般用平面 应变加以简化。 k k y r o u ( 1 9 7 3 ) 采用有限元法对l o n d o n 软粘土一个无支撑窄坑的开挖性 状及其对地下管线影响进行了三维分析，分析结果与现场实测吻合得很好，采 用三维分析和平面应变分析得出的位移不仅形式相似，而且数值十分接近，其 误差在1 0 以内。t s u i 和g w c h e n g h ( 1 9 7 4 ) 曾研究了假定锚定墙为平面应变 条件的精确情况，研究表明，平面应变分析所得压力同三维分析所得压力最大 差值仅为1 5 ，并认为，在一般情况下，墙体刚度越大，支撑越小，土体越软， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 则平面应变条件越精确。从弹性力学角度来看，对于足够长且沿长度方向没有 物理和力学条件变化的问题，可以简化为平面问题。 深基坑监测系统的设计原则一般考虑以下五个原则： 1 3 r 原则 朱小林教授提出了3 r 监测原则，即精度( r e s o l u t i o n ) 、可靠性 ( r e ll a b i l i t y ) 、坚固性( r u g g e d n e s s ) 。 毫无疑问，可靠性原则是监测系统设计中所要考虑的最重要原则，为保证 其可靠性，必须做到采用可靠的仪器和在监测期间保护好测点。 2 多层次监测系统 在监测对象上以位移为主，也考虑其他物理量的监测；监测方法上以仪器 监测为主，辅以巡视的方法；监测仪器上以机测式仪器为主，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方法和仪器，在地表、基 坑土体内部及邻近受影响建筑物与设施布点形成一定测点覆盖率的监测网。 3 重点监测关键区的原则 深基坑的不同部位其稳定性是不同的，地质条件差的部位，地下水位浅的 部位，回填土层厚的部位，靠近管线及临近建筑物的部位易失稳塌方，应列为 关键区重点监测。 4 方便实用原则 为减少监测与施工之间的互相干扰，监测系统的安装和测读应尽量做到方 便实用。 5 经济合理原则 大多数深基坑工程是临时性工程，监测时间较短，监测的范围也不大，监 测人员容易达到监测点，因此监测系统应尽量选用实用而价低的仪器，不必过 分追求仪器的“先进性”，以降低监测费用。 1 3 本论文研究的主要内容 在系统总结本课题国内外有关研究成果基础上，针对目前深基坑数值模拟 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 及优化理论研究的需求和发展现状，以成都天府广场下穿隧道基坑施工为背景， 应用并融合了有限元分析、灰色理论、数理统计等理论和技术，对基坑开挖进 行了以下几个方面的研究。 1 针对基坑开挖的施工工序，对基坑降水、基坑开挖和基坑护等方面所引 起的土体位移做系统的分析。 2 基坑变形监测内容、方法及原理的研究，重点介绍测斜仪的工作原理。 3 通过监测，做出基坑开挖所引起的地表沉降、边坡位移、地中倾斜、建 筑物沉降等位移时程图并进行分析，用灰色系统及其它预测模型进行预测分析 和评价。 4 取开挖某一断面，用有限元法对基坑开挖过程进行了数值模拟，总结了 基坑开挖位移变形规律。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第二章深基坑施工土体变形机理 2 1 基坑降水 2 1 1 基坑降水的目的 降低基坑地下水水位，一方面能保证基坑开挖在干燥的环境下进行，改善 人们的劳动强度，为机械化进场施工创造了良好的环境，缩短工期又降低了成 本造价；另一方面基坑边坡地下疏水| 三l 及含水量的变化会影响岩土体的c p 值， 从而增加了基坑边坡的稳定性保证施工的顺利进行。 2 12 基坑降水引起地表位移 深基坑开挖绝大多数情况都需要进行人工降低地下水，即在深墓坑开挖前， 预先在丌挖四周埋设一定数量的滤水管( 井) ，利用抽水设备，将开挖区域内地 下水降低开挖地面以下标高，同时在施工丌挖期间仍不断抽水。人工降低地下 水位，一方面能使基坑开挖施工在干燥的环境中进行，从而进行机械化施工， 达到多块好省的目的；另一方面能够增加深基坑边坡的稳定性。 一般来讲，土体是由土粒、孔隙水和气体所组成的三相体，对于饱和含水 的土层，土体中的孔隙完全枝水充满，可以认为是由固相的土粒和液相的孔隙 水组成的两相体。由抽水引起的地面沉降，机制较为简单，一般机理由有效应 力原理解释，即： p = 口+ “。 ( 2 - 1 ) 式中p 一土体承受的总应力；“。一孔隙水承担的压力。 口一士粒承担的应力，即有效应力： 人工降水前，十体所受荷载由土粒和孔隙水承担，降水完成后，土休中的 孔隙水被疏干或者部分疏干，土体内孔隙水被排出，孔隙水所承担的应力减小 u ，由于总应力p 保持不变，土粒所承担的应力增加，即土的有效应力增加了 t - ，由于总应力p 保持不变，士粒所承担的应力增加，即土的有效应力增加了 u f ，即： 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第二章深基坑施工土体变形机理 2 1 基坑降水 2 1 1 基坑降水的目的 降低基坑地下水水位，一方面能保证基坑开挖在干燥的环境下进行，改善 人们的劳动强度，为机械化进场施工创造了良好的环境，缩短工期又降低了成 本造价；另一方面基坑边坡地下疏水以及含水量的变化会影响岩土体的c ，p 值， 从而增加了基坑边坡的稳定性，保证施工的顺利进行。 2 1 2 基坑降水引起地表位移 深基坑开挖绝大多数情况都需要进行人工降低地下水，即在深基坑开挖前， 预先在开挖四周埋设一定数量的滤水管( 井) ，利用抽水设备，将开挖区域内地 下水降低开挖地面以下标高，同时在施工开挖期间仍不断抽水。人工降低地下 水位，一方面能使基坑开挖施工在干燥的环境中进行，从而进行机械化施工， 达到多块好省的目的；另一方面能够增加深基坑边坡的稳定性。 一般来讲，土体是由土粒、孔隙水和气体所组成的三相体，对于饱和含水 的土层，土体中的孔隙完全被水充满，可以认为是由固相的土粒和液相的孔隙 水组成的两相体。由抽水引起的地面沉降，机制较为简单，一般机理由有效应 力原理解释，即： p = 盯+ 甜。 ( 2 一1 ) 式中p 一土体承受的总应力；“。一孔隙水承担的压力。 盯一土粒承担的应力，即有效应力； 人工降水前，土体所受荷载由土粒和孔隙水承担，降水完成后，土体中的 孔隙水被疏干或者部分疏干，土体内孔隙水被排出，孔隙水所承担的应力减小 u ，由于总应力p 保持不变，土粒所承担的应力增加，即土的有效应力增加了 u f ，即： 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 p 2 ( 盯+ “，) + ( “。一叶) ( 2 2 ) 从而使土体产生固结压密，应力变化如图2 1 所示。降水范围内的土体固结压 密向上传播，反映到地面上，便在地面上产生了地表变形。土体固结压密向上 传播，反映到地面上，便在地面上产生了下沉和水平位移，不均匀的地表移动 产生了地表变形。 参_ 熬睦舔 【! l 坐i 竖i j _ 上i 图2 - 1降水应力变化 2 1 3 地层疏水后岩土的固结压密 由土粒、孔隙和气体所组成的天然土体都具有孔隙，土的松散程度可用土 的孔隙比e 或者孔隙率n 表示： 。：丘 圪 ”：，：丘( 2 3 ) 巧+ 瑶 y 式中e 一孔隙比： 月一土体孔隙率 k 一土体中孔隙的体积，由孔隙水和空气体积组成 略一土粒体积；v 一土体总体积。 很明显，孔隙比或孔隙率越大，土体中孔隙体积越大，土体越松散，在压 力作用下，土体所产生的压密变形也越大。 人工降水疏干了开挖区域的地下水后，由于疏水排出了孔隙中的水，在上 覆土体压力作用下，孔隙体积将减少，土体产生压缩。若含水层为饱和土，即 土体中的孔隙完全被水充满j 并且土粒和孔隙水均不可压缩，这样土体的压缩 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 主要由于土中的孔隙比减少造成的。 土的压缩性可用土的压缩系数仉表示，图2 - 2 ( 1 ) 为土的压缩曲线( p p 曲线) ，a 。为压缩曲线的割线坡角的正切，即： 口：刍二垒：一丝 ( 2 4 ) p 2 一且卸 式中，巳、e 2 分别是压缩曲线上与a 、见相对应的孔隙比，p 、卸分别 为孔隙比和应力的增量。压缩系数越大，压缩曲线越陡，土的压缩性愈高，但 是压缩系数吼不是一常量，它将随着压力的增加以及压力的增量取值的增大而 减小。 土休的压缩性还可以用土的压缩指数q 表示，从土的e l o g p 曲线图2 2 ( 2 ) 可以看出，在较高的压力范围内，土体的p l o g p 曲线近似为一直线，此 时土的压缩指数e ，定义如下： c c 2面而ei-e2=一二五ae甄(2-5)gp2 。i o l o g b 1 0 9 ( 盟些望) p 1 图2 - 2 土的压缩性 2 2 基坑坑底回弹和隆起变形 ( 2 ) 基坑开挖是一种卸载过程，开挖越深，深层应力状态的改变越大，这样不 可避免会引起基坑地面土体的变形回弹，此变形不仅影响基坑自身的维护 端、一 味 精苄l岛 f 一 一 吼llll1lllll“1上銎 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 体系，而且对拟建的建筑物都产生较大影响。开挖卸载的坑底面回弹在空间上 表现为以基坑为中心的倒盆地形状( 凸起) ，距支护结构较近处，曲率较大，越 靠近基坑中心，曲率越小，距中心一定距离后地面隆起为一定值，如图2 3 所 示。 基坑底部的隆起变形，通常是由基底土体侧向承载力不足而引起底剪切破 坏变形。当侧向荷载较小时，侧向压力和隆起变形基本成直线关系，属于线性 变形阶段；当荷载增加到一定程度时，支护结构边缘处的坑底土体开始发生剪 切破坏，随之荷载底增加，剪切破坏区或称塑性变形区逐渐扩大，这时土体承 受底压力与其变形呈曲线关系，属于弹塑性变形阶段。如果支护结构上的侧向 荷载继续增加，剪切破坏区进一步扩大，最终在基坑底部土体形成一个连续的 滑动面，基坑侧壁土体急剧下沉，支护结构向内侧倾倒，同时引起基坑底面支 护结构邻近的地面隆起。 基坑底部的隆起只有在基坑底部靠近支护结构的一定距离出现，即仅在被 动土压力的影响范围内，一般呈抛物线形状，如图2 4 所示，距支护结构较近， 隆起较小，曲率越大，一定距离后底面隆起量达到最大值，随着距支护结构的 距离的增加而尖灭。 图2 3 地面回弹曲线形态图2 4 地面隆起曲线形态 基坑开挖后，回弹和隆起主要由四个方面引起：由于土体开挖，自重应 力释放，致使基底土体回弹；有承压水存在时，由于基坑内土体自重减少而 使底部土体产生隆起：粘性土基坑积水时，因粘性土吸水使土体体积增大而 出现隆起；基坑开挖后，支挡结构向基坑内侧变位，推挤前面的土体，造成 基底的隆起。前三种变形形态如图2 3 表示，第四种如图2 4 表示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 有的工程基坑隆起量不大未造成基坑失稳，仍处于正常的稳定状态：有的 工程在施工中，基坑底部发生较大的隆起量，可能导致基坑失稳。实践表明， 对于土质基坑，基坑底部的隆起量与基坑开挖后搁置时间的长短有关，由于土 体具有流变性，当基坑开挖深度较浅时，因土体蠕变引起的隆起量并不显著， 不会危及基坑的稳定性；随着基坑开挖深度的增加，土体蠕变引起的隆起量比 例就会增加，必将引起基坑侧壁土体地基的不稳定性，因此，基坑开挖后因尽 量减少基坑搁置时间。 2 3 围护结构的位移 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基坑周围土体的位移。 首先，位移的产生离不开力学的行为。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。 ( 4 ) 支护结构的插入深度对土压力也有影响，由于受侧土压力后发生刚性 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 转动或挠曲变形，在基坑地面以下某深度将出现转动点或反弯点。因此在支护 结构设计中有最小插入深度的计算。 土体位移除与支护结构上承受的土压力有关以外，与支护结构自身的刚度、 制造工艺、旌工管理和施工工序等密切相关，在施工过程中周围环境条件的变 化也有着不可预见性和不合理性，如雨季、地下管漏水、地面堆载、堆料、临 时建筑物等都会引起土水压力的变化而导致诱发基坑事故。因此，基坑工程是 一个多方面因素相关的边缘学科，是一项系统工程，勘察、设计、施工和监测 是四个密切联系的环节，现场监测和信息化技术在深基坑施工中正发挥着巨大 作用，它不仅弥补了经典理论的不足，而且确保了施工的安全，指导正确施工。 2 4深基坑工程时空效应分析 深基坑工程中，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，即深基坑开挖过程中存在明显的空间效应。 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。 2 4 1深基坑空间效应规律 ( 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，其三维空间效应越显著，限制坑底隆起和围护结构位移的能力更强。 ( 2 ) 深基坑坑壁中央范围内的土压力和位移值均要大于两坑壁一定范围内 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 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 不起什么变化，呈环形分布，而且二者之间呈双曲线关系收敛变化。 ( 4 ) 深基坑开挖的不断进行，不但是基坑尺寸和土压力都在不断的变化过 程，而且二者相互影响，相互作用。开挖施工改变基坑尺寸、深度，深度的变 化引起位移及其分布，水平位移的变化最终引起土压力的变化。 2 4 2 考虑时空效应的土压力计算 随着基坑的不断开挖，基坑的几何空间要素要逐步发生改变，而土体材料 又具有蠕变的特性，即土体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，加之降水环境的复杂化，使得空 间效应复杂化。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， 计算土压力时应考虑基坑施工过程中的时间和空间因素。 ( 1 ) 考虑开挖深度的主动土压力 围护结构的侧向变形及分布与基坑的开挖深度、围护结构的刚度、土质、 地质状况等有关。当土体产生侧向位移时，其挤压或偏离会造成静止土压力的 松弛或增长，直到土体达到主动或被动状态，张燕凯”一个反映开挖深度的函 数来表示土体侧移移动的函数，得出了考虑开挖深度的土压力计算公式： 枰l = + s i n ( 等) ( - c t o ) ( 2 6 ) z 】 式中，c r n 一初始应力； 一当前开挖深度； h 一基坑最终深度；仃。一标高为h 处的土压力。 该计算公式较为合理的反映了基坑开挖时的土压力分布情况，但只对某些 土质适用，选用时应注意其使用范围。 ( 2 ) 考虑时间效应的主动土压力 时间效应对土压力计算的影响，主要考虑土体的流变特性。对于粘性土的 流变主要考虑两个方面：一是在剪应力作用下土体长期位移形式出现的剪切蠕 变；另一方面是土骨架蠕变引起的土体变形，随着时间的增长，主动土压力逐 渐增大而被动土压力逐渐减小。综合以上两个方面，可将考虑时空效应的主动 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 土压力计算公式表示为 o i = o o + p 了( 一吼) ( 2 7 ) 式中，r 一当前施工时间：r 一施工总时间； o t - - t 时刻的土压力。 ( 3 ) 考虑空间和时间效应的主动土压力 考虑到土体位移与基坑开挖深度的关系及土体位移与时间效应的关系的耦 合作用，两对关系既对土压力有各自的影响，又可能相互存在影响，因此将式 2 - 6 和式2 7 结合起来考虑，得出考虑时间和空间效应的主动土压力计算公式： 口= k a o + e - 笋) s i n ( 百z h ) ( 一) 】( 2 - 8 ) 式中，口一经验系数，0 口1 ，当h = h ，= t 时，口= 0 ； k 一深基坑空间效应影响系数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第三章基坑开挖的变形观测 3 1邻近建筑物及管线的变形量测 深基坑开挖过程中对邻近建筑物及管线的变形观测的主要目的是：根据观 测数据，及肘调整开挖速度及位置，保护邻近建筑物及管线不因土体底面位移 的过量而遭受破坏，保证施工顺利进行。 深基坑一经开挖，基坑开挖面就进入卸载的过程。卸荷引起土体产生以向 上为主的位移( 即基坑底部的隆起) ，同时在支护结构两侧土体内产生压力差， 基坑内部土体亦产生由边缘向中心的水平位移。同时支护结构的变形也使墙外 侧土体产生位移，带动管线位移。一般情况下，观测得到的位移数据往往是相 适应的，即水平位移指向基坑，垂直位移向下。若数值变化较大或发生异常时， 除应向施工单位报警外，应加强观测次数，绘出相应的位移曲线图，以利于分 析管线变形情况。 平面位移观测一般采用经纬仪，基座都有光学对中器，以提高对中精度， 平面位移观测方法较多，较常用的是小角度法。该方法适用于观测点凌乱，不 在同直线上的情况，如图3 一l 所示，在离基坑两倍开挖深度距离的地方选测 图3 1 小角度法 站点a ，若测站至观测点t 的距离为s ，在不小于2 s 的范围之外，选后设方向b 。 一般选建筑物的棱边或避雷针等作为固定目标b ，用以级经纬仪测定卢角，角 度测量的测回数可根据距离s 及观测点的精度需要进行决定，般用2 4 测回 测定，并丈量a 至t 点的距离。为保证口角初始值的正确性，需要两次测定， 弋 一堕壹奎望奎耋堕主堕窒竺堂焦堡窒 篁! ! 里 每次测定p 角的变动量，按下式计算_ r 的位移量： 丁= 堂s( m m ) p 式中卢一卢角的变动量( “) ； p 一换算常数，p = 3 6 0 0 x 1 8 0 a t = 2 0 6 2 6 5 ( 3 1 ) s 一测站至观测点的距离( m m ) 。 垂直位移观测方法，主要使用精密水准仪，在一个测区内应设3 个以上基 准点且应设置在距基坑开挖深度3 倍距离以外稳定的地方。由于基坑开挖监测 周期比建筑物的沉降监测周期短得多，因此可采用1 5 m m ，长1 o 1 5 m 的钢 筋打入地下，地面用混凝土加固，作为基准点。 由于路线较短各项限差应严格控制，每测站读数高差不宜超过5 ：0 3 r a m ，水 准路线闭合差不宜大于o 3 、r n ( 柳川) ( n 为测站数) ，水准路线可按测站数进行 平差以求得各点的高程。 3 2 基坑侧向变形观测 肉眼巡检为有经验的工程师按期进行的一项工作，许多影响基槽侧向位移 的因素，如支护结构的旌工质量和条件的改变、槽边堆载的变化、管道渗漏乃 至气候变化等。此外，某些工程隐患，如地面裂缝、支护结构工作失常、邻近 结构及设施的裂缝以及流土或局部管涌现象等，通过巡检早期发现，使问题早 些解决，大大减少可能出现的事故。 光学仪器观测就是工程测量方法，采用精密水准仪和经纬仪，用视准线法 较为简单。采用视准线法测量时，需沿待测槽壁设置一条视准线，在该线两端 设置工作基点，再在此基线上按需要设置若干测点。 测量时用小角度法用经纬仪测出各点的横向位移，但一般只能测到支护结 构和基槽顶端的位移量，若需了解测点位置垂直方向的位移分布情况，可与测 斜仪配合使用，得到该点沿槽深的总体变形情况。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 倾斜仪是一种测量滑坡引起的钻孔弯曲的装置，由此可有效了解滑动面的 深度。倾斜仪有两种形式：一种是由地面悬挂一个传感器放到钻孔中，测量预 定深度的弯曲；另一种是钻孔中按深度装置固定的传感器，如图3 2 、图3 - 3 所示。 倾斜仪一般由测头、导向滚轮、连接电缆及读出仪器等部分组成。测量时， 将测头沿埋于槽边的垂直柔性管放下，使导向滚轮置于管内的纵向定向槽中， 沿槽滚动，由此可以测到一定距离内柔性管与垂直方向的倾斜角。 如果柔性管的下端已经伸入到位移为零的稳定土层中时，如图3 - 4 所示， 位移便可根据倾斜角和测读点间的距离换算出来。设测头上下两组滑轮间的距 离为标距l ，测头感应元件测得的测头与垂线间的夹角为a ，则两测点相应的水 平位移为l o s i n a ，用测头连续量测的总位移为l o s i n c e ，但这样的测定有一定 的基础，实际水平位移应以起始值为准。为了便于计算，目前测头两滑轮组间 距为0 5 m 。 自动记录 黛撇 。可变形1 连# , 钻孔 二电缆 i 禧i ；主f e 日 读数装置 图3 - 2 固定型倾斜仪测量 图3 - 3 放入型倾斜仪测量 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 原 准 线 图3 4 测斜仪测量原理图 当被测土体产生变形时，测管轴线产生挠度。用测斜管确定管轴线各段长 度，便可计算出土体的水平位移。测斜仪自基准点管顶或管底逐段向下( 或向 上) 每经5 0 0 r a m ( 仪器标距长) 测出管轴线x 及y 方向的倾角口；及口，。 设基准点为0 ，并设o 点的坐标为( x o ，r o ) ，则测管轴线各测点的平面坐 标由下列两式确定： x ，：x o + 杰皿i n ：x o + 上明建 ( 3 2 ) ：k + 杰三睦i i l 口，：f o + l d t 蓬a 勺( 3 - 3 ) r = ir _ l 式中：f 一测点序号，i = 1 ，2 ，哑圃，；工仪器标距或测点间距( m ) ，一z ，y 方向第f 段正反测应变读数差之半。 ，一测斜仪率定常数； 为消除量测装置零漂引起的误差，每一测段两个方向的倾角都应进行正、 反两次量测，正测是指测斜仪正方向( 测斜仪的上导向轮都标有一个正方向的 标志) 指向被测轴正向，反测是仪器正方向指向被测轴负向。式( 3 2 ) ( 3 3 ) 中的s 。都是从每段上正、反两次量测得到的应变读数其差值之半算得的， 即： 堕塑奎堡查兰堡主竺塞竺兰堡笙窒堕! ! 戛 峨：篷乓蚣( 3 训 峨：盟掣盟 ( 3 吲 当毛或s 。 o 时，表示向z 或y 轴吲句倾斜；q ，或s 。 oi 付，表示阳x 或y 轴负向倾斜。由式( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 - 3 ) ( 34 ) 可算出测管轴线各测点水平位移， 比较不同测次各测点的水平坐标便可知道土体的水平位移。 3 3 工程观测成果分析与评价 基坑j i = 程监测在获得准确数据之后，应重视定量分析和评价，及时进行险 情预报，提出合理的措施与建议，并进一步检验处理结果，直至解决问题。如 果没有做好仔细深入的监测分析工作，就不能起到指导施工进程和实现信息化 管理施： 的作用。 工程观测成果的分析和评价主要包括下列几个方而： ( 1 ) 对沉降和沉降速率进行计算分析，沉降要区分是1 1 支护结构水平位移 引起，还是地下水位变化引起的。一般出支护结构水平位移引起相邻地耐的最 大沉降j 水平位移之比在o 6 5 1 o o ，且沉降发生时间比水平位移发生时删滞 后5 l o d 左右；而地。卜水位降低会引起较大幅度的地面沉降，应予以重视。 ( 2 ) 绘制位移随时间变化曲线，对引起位移速率增大的原因( 如丌挖深度、 超挖、支撑不及时、暴雨、积水等) 进行准确记录分析。 ( 3 ) 对各项监测结果进行分析并相互验证和比较，判断现有设计和施工方 案的合理性。 ( 4 ) 用数值模拟分析基坑施工期间位移变化规律，预测后续丌挖工程实践 可能出现的新行为和新动态。 ( 5 ) 根据舱测结果，全面分析基坑开挖对周围环境的影响和支护效果。通 过分析，查明事敞原因。 3 4 报警临界值和险情预报 一堕堕奎堕查兰堕主竺窒竺兰竺堡壅 笺! ! 至 监测项目的报警值和险情预报是一个极其严肃的技术问题，必须根据具体 情况，考虑各种因素，及时做出决定。目前，报警标准国内尚未统一，一般认 为应考虑设计容许值和变化速率两个控制指标。当基坑工程出现下列情形之一 时，应考虑报警“： ( 1 ) 支护结构水平位移速率连续几天急剧增大，如达到2 5 5 f i m m d 。 ( 2 ) 支护结构水平位移累积值达到容许值，如最大位移与开挖深度的比值 达到0 3 5 0 7 0 。 ( 3 ) 任一项实测应力达到容许值。 ( 4 ) 邻近地面及建筑物沉降达到容许值，如地面最大沉降与开挖深度的比 值达到0 5 o ，7 ，且地面裂缝急剧扩展。建筑物差异沉降达到有关规定的 沉降极限。 ( 5 ) 地下煤气管、水管等设旌的变位达到设计容许值，开挖基坑邻近的煤 气管局部沉降达到3 0 r a m 时，可能出现漏气事故。 ( 6 ) 肉眼巡视到各种不良现象，如邻近建筑物的裂缝不断扩大、严重的基 坑渗漏、管涌等。 上海地区制定了基坑变形的报警值与设计值，见表3 1 所示，可供参考。 表3 - 1一二级基坑变形设计和监测控制 墙顶位移墙体最大位移地面最大沉降变化速率 工程 ( 唧)( 唧)( 唧)( 咖d ) 等级 监控设计监控设计监控设计监控 一级3 05 05 08 03 05 0 2 二级 6 01 0 08 01 2 06 01 0 03 根据建筑地基基础设计规范( g b j 7 8 9 ) 规定，基坑坑底隆起允许值见表 3 2 ，建筑物及地表沉降允许变形值见表3 - 3 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 0 页 表3 - 2 坑底允许隆起量 环境条件 坑底容