（岩土工程专业论文）深基坑稳定分析方法的对比研究.pdf

深基坑稳定分析方法的对比研究 摘要 基坑边坡的稳定分析是岩土工程中的重要研究课题之一，在近百 年的发展中，许多研究者致力于这一工作。因此，边坡稳定分析的内 容十分丰富。极限平衡法在边坡稳定分析中是一种很重要的方法，作 为传统而古老的方法，一直以来在工程界被广泛应用。其主要原因是： 它的概念清晰，很容易被工程人员理解和掌握；同时通过极限平衡法 分析还能直接给出反映边坡稳定的安全系数的值。由于极限平衡法中 的各种简化方法不同的假定条件，使得安全系数相差较大。 本文论证一种新的深基坑稳定性分析方法一等弧长条分法及其 可视化软件系统的精确性与优越性。该法也属于极限平衡分析方法， 它是在传统条分法的基础上，以土条的弧长代替弦长来减小误差。文 中运用该方法对具体的工程模型和实例进行分析计算，得出结果，然 后用常用的极限平衡法，如瑞典条分法、毕肖普条分法和简布法，也 对同一工程进行分析，并得出各种方法得到的不同的结果。最后根据 各种方法的原理，对运用不同方法得出的结果进行比较，并由此得出 等弧长条分法及其可视化系统的功能特点。 关键词：深基坑，稳定分析，极限平衡法，等弧长条分法，安全系数 1 晤l ec o n t r a s t i v es t u d yo n t h em 删0 di ns 1 a b i l 【t ya n a l y s i s o f d e e pe x c a 咖o n t h es t a b i l i t ) ，a n a l y s i so fs l o p e si st h a to n eo fi m p o r t a n tr e s e a r c h p r o b l e mi ng e o t e c l m i c a le n g i n e e r i n g a b o u tac e n t e n a r yd e v e l o p m e n t ， m a n yp u r s u e r sa r ed e d i c a t i n gt h i sw o r k t h u s ，t h ec o n t e n t so ft h es t a b i l i t y a n a l y s i so fs l o p e sa r ev e r ya b u n d a n t t h em e t h o do fl i m i te q u i l i b r i u mi sn o t o n l yt r a d i t i o n a l ，b u ta l s oi m m e m o r i a l i ti sav e r yi m p o r t a n tm e t h o di n a n a l y s i s o fs t a b i l i z a t i o no fs l o p e i ti sa l l t h r o u g hc o m p r e h e n s i v e a p p l i c a t i o ni ne n g i n e e r i n g t h er e a s o nw h yi si t sv i v i dc o n c e p t i o n i ti s v e r ye a s yt h a tu n d e r s t o o da n dm a s t e r e db yp e r s o n n e lo fp r o j e c t ；a tt h es a m e t i m e ，i tc a nd i r e c t l yg i v e sc o m ei n t os a f e t yf a c t o r so fs t a b i l i z a t i o no fs l o p e t om a k eu s eo ft h em e t h o do fl i m i te q u i l i b r i u m b e c a u s ed i f f e r e n tt h e p r e d i g e s tm e t h o do fl i m i te q u i l i b r i u m ，s oa st os a f e t yf a c t o ri ss i xt oo n ef o r d i f f e r e n ts u p p o s i t i o n a lc o n d i t i o n s t h ea r t i c l ep r o v e st h ea c c u r a c ya n dt h es u p e r i o r i t yo fan e w s t a b i l i t y a n a l y s i sm e t h o 出e q u a la r cm e t h o da n di t sv i s u a ls o f t w a r e t h i sm e t h o d i sb e l o n gt ot h em e t h o do fl i m i te q u i l i b r i u m , i tb a s eo nt h ec o n v e n t i o n a l m e t h o d , i tc a nr e d u c et h ee r r o rb yu s et h el e n g t ho fa r ci n s t e a do fc h o r d t h ea c c u r a c ya n dt h es u p e r i o r i t yc a nb eo b t a i n e de a s i l yb yc o m p a r i n gw i t h d i f f e r e n tm e t h o d ss u c ha st h ef e l l e n i o u sm e t h o da n dt h eb i s h o pm e t h o di n t h es a m ee n g i n e e r i n gp r o j e c t f i n a l l y ，t h r o u g hc o m p a r i n gt h er e s u l t so f d i f f e r e n tm e t h o d s ，w ec a no b t a i nt h ef e a t u r e so ft h ee q u a la r cm e t h o d ( f a m ) a n d i t sv i s u a ls y s t e m k e yw o r d s ：d e e pe x c a v a t i o n ，s t a b i l i t ya n a l y s i s ，l i m i te q u i l i b r i u m , e q u a l a r cm e t h o d ( e a m ) ，s a f e t yf a c t o r 独立完成与诚信声明 本人郑重声明：所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果并撰写完成的。没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学 术规范的侵权行为。文中除已经标注引用的内容外，本学位论文中不包含其他人 或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北水利水电学院或其它 教育机构的学位或证书所使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律后 果由本人承担。 学位论文作者签名： 保证人( 导师) 签名： 永娑悔 似秣 签字日期；厶石。z 签字日期：2 移叩，反参 学位论文版权使用授权书 本人完全了解华北水利水电学院有关保管、使用学位论文的规定。特授权华 北水利水电学院可以将学位论文的全部或部分内容公开和编入有关数据库提供检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文原件或复印件和电子文档。( 涉密的学位论 文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：敢妻皇i 譬 导师签名： 签字日期： z - , 7 _ 签字日期： 掀逐 e 7 y - , 7 。莎t v l 第1 章绪论 第1 章绪论 近年来，我国高层、超高层建筑以及地下设施的不断涌现，深基坑工程越来越多、 越来越复杂。许多高层建筑物在密集的建筑群中施工，由于施工场地狭窄，深基坑开 挖不可能放坡，并且邻近常有必须保护的永久性建筑和市政公用设施，对基坑稳定和 位移控制的要求很高。因此，基坑的稳定性也日益受到工程界的广泛关注，深基坑稳 定分析变成了一个常见又非常重要的问题m 。为此，建设部提出1 0 大新技术啪在全国 推广，其中就包括深基坑支护与稳定分析技术。 基坑的稳定性是基础和地下工程施工中一个传统课题，同时又是一个综合性的岩 土工程难题，是实用性、经验性极强的学科，是随着土力学理论、计算技术、测试仪 器及施工机械、施工工艺的进步与工程实践增加而逐步完善的学科。1 。 1 1 深基坑工程 1 1 1 深基坑工程的发展概况 深基坑工程是集岩土工程和结构工程等专业于一体的系统工程，亦即将挡土、支 护，防水、降水、挖土、监测和信息化施工等作为一个系统工程，针对工程安全、环 境保护、施工队伍与作业时空关系进行周密的施工组织与设计，实行分级审批和施工 监控。它又是一门实用性、经验性极强的学科。是随着工程实践而不断提高的学科。 大量的工程实践经验与教训是我们研究和解决基坑问题的最宝贵的资料，是编写各种 基坑工程标准和实用技术书籍的基础，因此，了解基坑工程的现状并在今后的工程实 践中不断总结、创新，对工程技术人员就显得格外重要。 深基坑的发展基于以下背景“1 ： ( 1 ) 八十年代以来，我国各地高层建筑、超高层建筑大量出现，总数己超过6 0 0 0 幢，随之而来基础埋深也不断增加。 ( 2 ) 随着建设的发展，当前城市地窄人稠、地价上涨，地上可用面积越来越少， 向地下发展又渐成趋势。为提高地下空间利用率，地下停车场、地下商场及机房、仓 库等有关服务设施，日渐增多。 ( 3 ) 人防设置的要求。 华北水利水电学院硕士学位论文 ( 4 ) 城市地铁尤其是多层地铁车站的兴建。 ( 5 ) 地下竖井或工作井的兴建。 ( 6 ) 地下储槽以及污水处理厂抽水站兴建。 在上世纪3 0 年代，t e r z a g h i 等人已开始研究基坑工程中的岩土工程问题。此后， 世界各国的许多学者都开展了研究，并不断地在这一领域取得丰硕的成果嘲。基坑工 程在我国得到广泛的研究始于8 0 年代初，那时我国的改革开放方兴未艾，基本建设 如火如荼，高层建筑不断涌现，相应地基础埋深不断增加，开挖深度也就不断发展， 特别是到了9 0 年代，大多数城市都进入了大规模的旧城改造阶段，在繁华的市区内 进行深基坑开挖给这一古老课题提出了新的内容，那就是如何控制深基坑开挖的环境 效应问题，从而进一步促进了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，众多新的施工工艺也不断付诸实施，出现了许多技术先进的成功实例。但 由于基坑工程的复杂性以及设计、施工的不当，工程事故的概率仍然很高。 深基坑工程在国外称为“涤开挖工程”( d e e pe x e a v a t i o n ) ，这比称之为“深 基坑”更合适。因为为了设置建筑物的地下室需开挖深基坑，这只是深基坑开挖的一 种类型。深开挖还包括为了埋设各种地下设施而必须进行的深层开挖。深基坑工程问 题在我国随着城市建设的迅猛发展而出现，并且曾造成人们困惑的一个技术热点和难 点。 城市中深基坑工程常处于密集的既有建筑物、道路桥梁、地下管线、地铁隧道或 人防工程的近旁，虽属临时性工程，但其技术复杂性却远甚于永久性的基础结构或上 部结构，稍有不慎，不仅将危及基坑本身安全，而且会殃及临近的建构筑物、道路桥 梁和各种地下设施，造成巨大损失。从另一方面讲，深基坑工程设计需以开挖施工时 的诸多技术参数为依据，但开挖施工过程中往往会弓l 起支护结构内力和位移以及基坑 内外土体变形发生种种意外变化，传统的设计方法难以事先设定或事后处理嘲有鉴 于此，人们不断总结实践经验，针对深基坑工程，萌发了信息化设计和动态设计的新 思想，结合施工监测、信息反馈、临界报警、应变( 或应急) 措施设计等一系列理论 和技术，制定相应的设计标准、安全等级、计算图式、计算方法等。 近2 0 年来，我国各大中城市万幢高楼拔地而起，l o 层以上的建筑物已逾1 亿平 方米；其中高度超过l o o m 的建筑物已有约2 0 0 座。上海金茂大厦高4 2 0 5 m ，深圳地 王大厦高3 2 5 m ，广州中天大厦高3 2 2 m ，它们跻身于当今世界2 0 座超级巨厦之列，令 人瞩目。资料表明，我国已建和在建的高楼、超高楼的基坑深度已由o m 8 m ，发展 2 第1 章绪论 至2 0 m 3 0 m 。地下室层数已由1 2 层，发展到3 4 层。基坑平面尺寸最大的达到 2 7 5 m x1 8 2 m ，单项开挖面积5 万余m 2 ( 上海港汇广场大厦) 。这些工程的实施，说明 我国深基坑工程的设计施工技术已取得了长足进步。 1 1 2 深基坑工程特点 深基坑工程具有以下几个方面的主要特点： ( 1 ) 基坑开挖是土力学与基础工程施工中的一个古老的传统课题忉，它涉及土 力学中典型的强度与稳定问题，又涉及变形问题，还涉及土与挡土支护的共同作用闯 题。总之，它是一项综合性的岩土工程难题。加之，基坑深度愈来愈深，基坑开挖面 积大，长度与宽度有的达百余米，更突出了这一课题的难度。 ( 2 ) 随着旧城改造工程的推进，高层建筑大量兴起，对深基坑开挖技术提出了 更严格的要求，不仅要确保挡土支护结构的强度要求和边坡的稳定，还要满足变形控 制的要求，以确保基坑周围的已有建筑物、地下管线及道路等的安全。 ( 3 ) 深基坑工程的造价，在整个工程造价中占有相当高的比例，深基坑工程的 成败是整个工程能否顺利完成的关键。据统计，高层建筑的基础工程造价一般为建筑 物总造价的1 4 1 3 ，工期约占总工期的1 3 ，而深基坑工程造价可占工程总造价的 1 0 以上。 ( 4 ) 深基坑工程有其地域性特点，我国国土资源广阔，不同的地区土质情况也 不尽相同。而且施工对象是自然土，其性质千变万化，不易控制，施工及设计人员必 须对基坑开挖的各种施工技术有了基本认识与了解之后，方能适应现场各种状况，做 到运用自如。 ( 5 ) 深基坑工程包含挡土、支护、防水、降水和挖土等五个紧密相连的环节， 其中某一环节失效或部分失效导致的安全问题和环境问题约占工程总量的l 鹏 1 5 ，高地下水位软土地区可达2 0 。过大位移并导致相邻建筑物倾斜、道路陷裂、 管道断裂错位的实例颇多，在一些省市也相继发生了多起深基坑支护结构倒塌破损事 故。 ( 6 ) 深基坑支护结构( 单支点、多支点和悬臂式) 与一般挡土墙受力机理不同， 其土压力计算、强度计算及稳定验算等计算理论、方法还不完善、不成熟，因此原位 测试技术和信息施工法即显得更为重要。 3 华北水利水电学院硕士学位论文 ( 7 ) 十多年来，在我国深基坑工程综合施工技术已取得重大进展，深基坑挡土 支护技术不仅在类型和品种上有发展和创新，而且得到了综合应用，不少大中城市均 形成了具有本地区特色的深基坑挡土支护新技术。 ( 8 ) 深基坑工程施工前，要求具备有详细的地质勘察资料及土体强度参数，以 计算开挖后支护结构承受的土压力及对周边土体沉降、变形、坑底土体隆起、坑壁渗 透稳定性做出精确预估，以便采取相应措施。另一方面，为了解支护结构体系的稳定 性、可靠性，要求设计人员必须具备建筑结构及结构力学知识，掌握结构体系与土体 之间的相互作用。除此之外，基坑工程也要求设计者与施工者具有各种地基加固、防 水、降水等旌工方法及设备选择的经验。因此，总体上讲，基坑工程要求设计者与拖 工者都需具有较高的专业素质和丰富的施工经验。 ( 9 ) 深基坑工程除保证安全外，还要考虑工期、造价等综合因素。 1 1 3 深基坑工程存在的问题及对策 自2 0 世纪9 哞代以来，基坑工程问题已经成为我国建筑工程界的热点问题之一。 基坑工程数量、规模、分布急剧增加，同时所暴露的问题也越来越多。 综合看来，目前存在的主要问题有以下几个方面阱：一是基坑工程设计质量较低， 导致事故频频发生；二是深基坑技术有待尽快提高，以适应当前需要；三是施工混乱， 管理不力，施工资质限制不严，行业人员素质较低；四是质量检验不到位，缺乏高素 质专业验收队伍；五是对勘察工作重视度不够，以至为设计、施工带来隐患；六是基 坑监测工作执行力度不够，信息化程度低 为了尽量减少工程中的问题。防患于未然，我们应本着严谨求实的科学态度。对 以下事项加以关注。 ( 1 ) 做好基坑勘察工作，特别是现场勘探和测试工作，并尽可能详细化。这将 为基坑工程设计与施工提供重要依据，是做好方案设计与施工的前提。 t，一 ； ( 2 ) 重视基本理论的指导作用。土力学理论与计算方法虽然还不够完善，但成 功的基坑工程所采用的理论与土力学、结构力学所揭示的基本理论是一致的。以研究 软土流变性质与工程经验相结合的时空效应理论及其对工程的指导作用就是成功的 例证之一。 ( 3 ) 基坑工程方案要做到精心设计，确保安全可靠。鉴于基坑工程的复杂性和 4 第1 章绪论 风险性，要求决策者掌握本地区或类似条件下的成功经验和失败教训，根据自身工程 要求和条件综合考虑，做出安全、可靠、经济的包括围护结构、支护体系、土方开挖、 地下水控制、地基加固、监测和环保的整体方案。对于重大复杂的基坑工程还应组织 专家组进行方案论证。 此整体方案一般应重点解决以下几方面的问题：一是确定具体采用的基坑支护形 式。以安全、经济、对环境影响小为指导原则。二是地下水的控制方案。包括降水、 截水、回灌方案的选用和具体操作。三是周围建筑物与地下管线的保护方案。为防止 土体变形，可考虑是否需在基坑与被保护对象问设隔离体以做挡土结构。隔离体可由 钻孔灌注桩、旋喷桩、深层搅拌桩、树根桩等组成。四是软土区的基坑开挖和支撑方 案。此时的基坑开挖和支撑工作，应运用时空效应理论，精心设计安排。这对保证基 坑安全、减小位移有重要作用。 ( 4 ) 设计计算时应全面分析，避免漏项，并应考虑各种不利条件下的情况。土 质指标及抗力系数的选用要以理论和当地经验相结合为准。对可能遇到的雨季等自然 条件变化，尚应考虑强度降低的可能性。对于基坑通过不同方法加固后的计算指标， 可根据实验和当地经验确定。 ( 5 ) 应克服施工管理的盲目性，提高管理质量，做好监督与验收工作，坚决杜 绝“豆腐渣工程”。 ( 6 ) 认真做好施工监测工作。发现异常情况，及时分析原因。研究采取措施， 并做出可靠的补救方案，以防止情况的进一步恶化，消除或减小事故产生的影响。 1 1 4 深基坑工程展望 ( 1 ) 基坑工程规模向更大、更深方向发展。 基坑工程的发展反映在基坑工程本身的规模、支护体系设计理论的发展、施工技 术和监测技术的进步等方面。深基坑工程中的“深”字已经在规模上反映了基坑工程 的发展方向。随着高层和超高层建筑的发展和人们对地下空间的开发和利用日益增 多，深基坑工程不仅数量会增多，而且会向更大、更深方向发展”。 ( 2 ) 土压力的空间效应和时间效应将得到进一步的重视。 深基坑设计理论的发展关键是如何正确计算作用在支护结构上的土压力。常规设 计中土压力一般取静止土压力或极限状态下的主动土压力和被动土压力，而作用在支 5 华北水利水电学院硕士学位论文 护结构上的实际土压力一般介于它们之间。实际土压力是与支护结构位移、支护结构 空间形状有关的，而且还与土体扰动、固结、蠕变有关。人们将重视发展考虑空间效 应和时间效应的土压力理论。另外，在支护结构设计中人们将更加重视考虑土与结构 相互作用，以及土与结构变形的正确估算。 ( 3 ) 人们将更加重视深基坑工程对周围环境的影响研究。 大量深基坑工程集中在市区，施工场地狭小，施工条件复杂，如何减小基坑开挖 对周围建( 构) 筑物、道路和各种市政设旅的影响，发展控制基坑开挖扰动环境的理 论和方法将引起人们迸一步的关心和重视。人们将更加重视深基坑工程对周围环境的 影响研究，包括基坑开挖前周围建筑及市政设施的初始应力场及位移状态的调查评 价，基坑开挖对它们引起的附加应力的计算，以及它们抵抗破坏的能力与受害等级的 划分等。 ( 4 ) 动态设计与信息化施工将得到推广。 动态设计与信息化施工将会得到进一步的重视和推广。普及深基坑工程监测，发 展测试技术，使监测更准确，更及时，更系统，建立并发展实用反演分析数学模型， 实施信息化施工将成为2 1 世纪深基坑工程的发展方向。基坑开挖机械也不断发展， 新工法、新设备将不断出现。 ( 5 ) 为迎接2 1 世纪土木工程的主要舞台将转向东亚而努力学习。 1 9 世纪是西欧的盛世，土木工程的主要舞台在西欧；2 0 世纪美国国富民强，土 木工程的主要舞台也就转移到了北美；展望2 l 世纪，人们预料世界土木工程的主要 舞台将转向东亚。我们学习深基坑工程，作为未来的土木工程高级科技人员，应当抓 住这一机遇，做出自己的一分贡献。 1 2 深基坑支护技术 深基坑支护设计、施工、检测技术是近十多年来在我国逐步涉及的技术难题。深 基坑的护壁，不仅要保证基坑内能正常作业安全，而且要防止基底及坑外土体移动， 保征基坑附近建筑物、道路管线的正常运行。这些难题在具体工程实践中表现方法有 所不同。近年来我国大量兴建的高层建筑深基坑成功施工实例，各地区通过工程实践 与科研，都有了一些行之有效的技术方法，使深基坑支护工程技术水平得到了迅速提 高，取得了可喜的成绩。 6 第1 章绪论 1 2 1 深基坑支护基本理论 1 2 1 1 设计原则 依据建筑基坑支护技术规程( j g j l 2 0 - 9 9 ) “规定，基坑支护结构应采用以 分项系数表示的极限状态设计表达式进行设计。基坑支护结构极限状态可分为下列两 类1 ： ( 1 ) 承载能力极限状态：对应于支护结构达到最大承载能力或土体失稳、过大 变形导致支护结构或基坑周边环境破坏； ( 2 ) 正常使用极限状态：对应于支护结构的变形己妨碍地下结构施工或影响基 坑周边环境的正常使用功能； 基坑支护结构设计应根据表1 1 选用相应的侧壁安全等级及重要性系数。 表i - i 鲞坑倒壁安全等级及重要性系敷 t a b 1 - 1 s a f e t yl e v e la n df u n d a m e n t a l i t yc o e h k - i e n to f t h es i d eo f f o u n d a t i o np 话 安全等级破坏后果 y o 支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境地下结 一级 1 1 0 构施工影响很严重 支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境地下结 二级1 0 0 构施工影响一般 支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境地下结 三级 0 9 0 构施工影响不严重 注：有特殊要求的建筑基坑侧壁安全等级可根据具体情况另行确定。 支护结构设计应考虑其结构水平变形、地下水的变化对周边环境的水平与竖向变 形的影响，对于安全等级为一级和对周边环境变形有要求的二级建筑基坑侧壁，应根 据周边环境的重要性、对变形的适应能力及土的性质等因素确定支护结构的水平变形 限值。 当场地内有地下水时，应根据场地及周边区域的工程地质条件、水文地质条件、 7 华北水利水电学院硕士学位论文 周边环境情况和支护结构与基础型式等因素，确定地下水控制方法当场地周围有地 表水汇流、排泻或地下水管渗漏时，应对基坑采取保护措施。 根据承载能力极限状态和正常使用极限状态的设计要求，基坑支护应按下列规定 进行计算和验算： ( 1 ) 基坑支护结构应进行承载力极限状态的计算，计算内容应包括； 8 ) 根据基坑支护形式及其受力特点进行土体稳定性计算； b ) 基坑支护结构的受压、受弯、受剪承载力计算； c ) 当有锚杆或支撑时，应对其进行承载力计算和稳定性验算 ( 2 ) 对于安全等级为一级及对支护结构变形有限定的二级建筑基坑侧壁，尚应 对基坑周边环境及支护结构变形进行验算。 ( 3 ) 地下水控制计算和验算： a ) 抗渗透稳定性验算； b ) 基坑底突涌稳定性验算； c ) 根据支护结构设计要求进行地下水位控制计算。 基坑支护设计内容应包括对支护结构计算和验算、质量检测及施工监控的要求。 当有条件时，基坑应采用局部或全部放坡开挖，放坡坡度应满足其稳定性要求。 1 2 1 2 支护类型“4 ( 1 ) 钢板桩支护 钢板桩支护是一种施工简单、投资经济的支护方法。它由钢板桩、锚拉杆( 或内 支撑、锚碇结构、腰梁等) 组成。由于钢板桩本身柔性较大，如支撑或锚拉系统设置 不当，其变形会很大。基坑深度达7 m 以上的软土地层，基坑不宜采用钢板桩支护， 除非设置多层支撑或锚拉秆。 ( 2 ) 地下连续墙支护 地下连续墙支护是用特制的挖槽机械，在泥浆护壁的情况下开挖一定深度的沟 槽，然后吊放钢筋笼，浇筑混凝土。地下连续墙的形状多种多样，一般集挡土、承重、 截水和防渗于一体，并兼作地下室终墙。其不足之处是要用专用设备施工，单体施工 造价高。对各种地质条件及复杂的施工环境适应能力较强。施工不必放坡，不用支撑， 国内地下连续墙的深度已达3 6 m ，壁厚1 m 。 ( 3 ) 排桩支护 排桩支护是指队列式间隔布置钢筋混凝土挖孔、钻( 冲) 孔灌注桩，作为主要的挡 8 第1 章绪论 土结构，其结构形式可分为悬臂支护或单锚杆、多锚杆结构，布桩形式可分为单排或 双排布置。悬臂式支护适用于开挖深度不超过l o m 、粘土层不超过8 埘的砂性土层，以 及不超过5 m 的淤泥质土层。 ( 4 ) 深层搅拌支护 深层搅拌支护是利用水泥作为固化剂，采用机械搅拌，将固化剂和软土剂强制拌 和，使固化剂和软土剂之问产生一系列物理化学反应而逐步硬化，形成具有整体性、 水稳定性和一定强度的水泥土桩墙，作为支护结构。适用于淤泥、淤泥质土、粘土、 粉质粘土、粉土、素填土等土层，基坑开挖深度不宜大于6 m 。对有机质土、泥炭质土， 宜通过试验确定。 ( 5 ) 土钉支护 土钉支护是用于土体开挖和边坡稳定的一种新的挡土技术，由于经济、可靠且施 工快速简便，已在我国得到迅速推广和应用“”。土钉是用来加固现场原位土体的细长 杆件。通常采用钻孔，放入变形钢筋并沿孔全长注浆的方法做成。它依靠与士体之间 的粘结力或摩擦力，在土体发生变形时被动承受拉力作用。它由密集的土钉群、被加 固的土体、喷射混凝土面层形成支护体系。由于随挖随支，能有效地保持土体强度， 减少土体的扰动。适用于地下水位以上或经人工降雨后的人工填土、粘性土和弱胶结 砂土，开挖深度为5 m l o m 的基坑支护。土钉墙不适用于含水丰富的粉细砂层、砂砾 卵石层、饱和软弱土层，不适用于对变形有严格要求的基坑支护。 ( 6 ) 锚杆或喷锚支护 锚杆与土钉墙支护相似，将锚杆锚入稳定土体中，外端与支护结构连结用以维护 基坑稳定的受拉杆件，并旌加预应力。支护体喷射混凝土称喷锚支护。锚杆可与排桩、 地下连续墙、土钉墙或其他支护结构联合使用。不宜用于有机质土，液限大于5 0 9 6 的 粘土层及相对密度小于0 3 的砂土。 ( 7 ) 拱圈支护结构 拱圈分闭合拱和非闭合拱，拱圈形式包括圆拱、椭圆拱和二次曲线拱。这种拱圈 挡土能承受水平方向的土压力，因拱的内力以受压力为主，弯矩很小，能充分发挥混 凝土抗压强度高的特性，施工方便，节省工期。施工场地要适合拱圈布置，构造应符 合圆环受力的特点，拱脚的稳定性应予足够重视并有可靠的保证措施。 ( 8 ) 逆作法 逆作法按施工不同程序可分全逆作法、半逆作法或部分逆作法，它以地下各层的 9 华北水利水电学院硕士学位论文 梁板作支撵，自上而下施工，使挡土结构变形较小，节省临时支护结构。适用于较深 基坑，对周边变形有严格要求的基坑。要预先做好施工组织方案，及各结构节点的处 理。 1 2 2 深基坑支护工程的特点与现状 基坑可以分作放坡和支护开挖两大类。目前在城市建设中，由于受周边环境条件 所限，支护开挖为主要形式。支护开挖包括围护结构，支撑系统、土体开挖、基坑加 固、工程监测和环境保护等主要组成部分。一般将开挖深度超过6 m 的基坑称深基坑， 将开挖深度超过1 5 m 的基坑称超深基坑o ”。 现代大城市的高层建筑基坑具有深、大的特点，挖深一般在1 5 m 2 0 m 之间，宽度 与长度达l o o m 。基坑邻近多有建筑物、道路和管线，施工场地拥挤，在环境安全上又 有很高要求，所以过去对基坑支护结构的选型比较单一，基本上均采用柱列式灌注桩 挡墙或连续墙作为围护结构，当用明挖法施工时照例采用多道支承( 多道内支撑或多 道背拉锚杆) 。其他的支护型式如国内外广为应用的钢板桩挡墙或桩板( 分离式工字 钢加衬板) 挡墙由于刚度较弱、易透水以及打桩振动和挤土效应对城市环境的危害， 已很少用于建筑深基坑这类很深的基坑中。但是近年来兴起的土钉支护尤其是复合土 钉支护，在合适的地质条件下有望成为建筑深基坑的选型，而逆作法施工在国内已日 趋成熟。 我们简单回顾一下便不难看出，无论是从理论还是从实践的角度看，基坑开挖技 术都有了很大的进步。最早提出分析方法的是t e r z a g h i 和p e c k 等人，他们早在4 0 年代 就提出了预估挖方稳定程度和支撑荷载大小的总应方法，这一理论原理一直沿用至 今，只不过有了许多改进与修正。5 0 年代，b j e r r u m 和e i d e 给出了分析深基坑底板隆 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 后的大量实溯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。从8 0 年代初开始，我国逐渐涉入深基坑设计与施工领域，在深圳地区的第一个深 基坑支护工程率先应用了信息施工法，大大节省了工程造价。进入9 0 年代之后，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”。 与分析、计算方法的进步相对应的是基坑开挖技术，特别是支护技术的日臻完善， 第1 章绪论 并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：拔出板桩时仍旧会 引起边坡土体的进一步变形等。 1 2 3 深基坑支护工程技术的发展与展望 十多年来，随着改革开放的进展，国家经济建设取得了长足进步，从而带动了岩 土工程包括开挖和支护工程技术的发展和进步，至少在面的方面已是广泛地铺展。目 前，各地基本建设中的各类建筑朝着高、大、深、重等方面的发展势头仍方兴未艾。 可以预料，基坑开挖与支护技术的各个方面军将继续得到全面而深入的应用与推广， 各种支护型式和设计计算方法将会在“点”上更深入而形成“点深面广”的发展势态。 1 2 3 1 深基坑支护技术的发展 基坑开挖支护技术由2 0 世纪7 0 年代以前较浅基坑常采用的放坡和钢板桩支护， 到2 0 世纪8 0 年代广泛采用钢筋混凝土护坡桩加锚杆或内支撑方法，由予这种支护结 构产生的水平变形较小，因此解决了深基坑支护的问题，有效确保了城市市区基坑垂 直开挖和周边既有建筑、地下管线的安全“”。 地下连续墙技术在基坑支护工程中的应用，使得地下连续墙的优点得以充分发 挥，及可以挡土也能够有效截止基坑周边地下水向基坑内的渗流，解决了基坑开挖造 成周边地面和建筑物的下沉问题。地下连续墙同时可以作为地下室结构外墙，可扩大 地下空间的利用范围。 2 0 世纪8 0 年代后期开始普遍采用的土钉墙支护技术，与护坡桩和地下连续墙相 比，工程造价明显降低“”。土钉墙施工与基坑土方开挖同步交叉进行，施工速度较快。 该技术的应用深度从早期的8 m 以内，发展到应用在1 5 m 以上深度的基坑目前也有 基坑深度2 0 m 的工程采用土钉墙支护技术。特别是近期出现的复合土钉支护技术，将 土钉墙与搅拌桩、旋喷桩或预应力锚杆结合起来，使得土钉墙技术在深基坑中应用及 垂直土钉墙成为现实，并改善了土钉墙支护型式变形较大的缺陷。 锚杆技术自应用到基坑支护工程以后，结合基坑支护的特点，其施工工艺也得到 了很大的提高和改进。为了提高锚杆承载力，由常用的一次性注浆发展为二次、多次 重复高压注浆。成孔工艺也出现了机械、水冲、爆破等扩孔方法。施工机械也大量引 1 l 华北水利水电学院硕士学位论文 迸了国外较为先进的设备，使适用地层的范围、成孔速度、锚杆施工长度等方面的能 力都有了明显提高。可拆卸锚杆工艺也在国内一些工程上开始采用，可以在锚杆使用 功能完成后，将锚杆中钢绞线抽出回收，可用于解决对周边地下存在后期施工障碍的 问题，并可提高锚杆的承载能力。 2 0 世纪8 0 年代初期以前。在高地下水位的地层条件下，基坑开挖与支护一般常 与井点降水相结合。旆工期的场地降水，会引起场地周围地下水位的下降，易造成周 围房屋的下沉开裂和危及建筑物安全等严重问题，因此常造成建设方与相邻建筑产权 方的矛盾和纠纷，这类工程事故的发生使人们逐渐重视对周边环境的保护，并成为基 坑支护工程要解决的一个非常重要的问题。旋喷、摆喷、定喷方法的喷射注浆截水帷 幕和搅拌桩截水帷幕在目前的基坑截水中常被采用，化学注浆的方法有时也被采用。 基坑开挖与支护技术的发展水平是从一个侧面反映和衡量一个国家工业水平和 建筑技术高低的重要标志。从国外的发展趋势看来，为适应我国工程建设的需要，还 必须继续深入研究和开发这方面的技术。当然，在基坑开挖与支护领域中，人们已经 应用各种手段和技术措施集中解决了一个又一个工程问题和难题。相信今后在不断完 善和不断认识、提高深化的过程中，必定会将这一工程领域的技术水平推向更新的高 度，为岩土工程总体增添更加丰富的内容。今后深基坑设计施工技术将可能会有如下 发展”： ( 1 ) 根据基坑施工发展需要及我国综合经济水平的提高，将继续充实深基坑 开挖、支护的施工队伍素质及装备，引进国外新技术，增加技术手段； ( 2 ) 大力促进与推广动态设计和信息施工技术，使之在开挖支护工程设计中， 成为设计指导思想的基调，用在变更改革岩土工程的总体设计构思： ( 3 ) 深基坑开挖与支护问题对经典土力学理论提出了新的挑战。此前，大量 的浅挖工程和无需支护的实践，使人们已经习惯于一般常规的“加载”的土力学方法 ( 特别是一次性的单调加载过程) 。土中应力与变形均无需作符合开挖边界的调整， 但是现在不同了，基坑( 特别是深基坑) 开挖与支护的应力、变形分析将把不可忽视 的卸载问题( 还有应力路径的内容) 及其引发的土体应力、强度，变形性质已及其变 化体上岩土工程师的议事日程、提出需要深入研究的课题。于是也可以说，不断发展 中的工程实践对岩土工程和岩土力学得出了新的研究和发展方向与要求。 1 2 3 2 拖工工艺上的发展趋势 ( 1 ) 土钉墙方案的大量实施，使得喷射混凝土技术得以充分运用和发展。为减 第1 章绪论 少喷射混凝土的回弹量以及保护环境的需要，湿式喷射混凝土将逐步取代干式喷射混 凝土。 ( 2 ) 基坑向着深、大、周围环境复杂的方向发展，使得深基坑开挖与支护的难 度愈来愈大。受地下空间所属权的限制，内支撑或新型锚杆( 如可拆式锚杆、抗拔力 较大的全程应力复合型锚杆) 将逐渐得以推广运用。 ( 3 ) 为减小基坑工程带来的环境效应( 如因降水引起的地面附加沉降) ，或出 于保护地下水资源的需要，有时基坑采用帷幕型式进行支护。除地下连续墙外，一般 采用旋喷桩或深层搅拌桩等工法构筑成止水帷幕。目前，有将水利工程中防渗墙的工 法引入到基坑工程中的趋势。 c 4 ) 基坑降水时，为减小因降水引起的地面附加沉降或对邻近建( 构) 筑物造 成的影响，可采取井点回灌技术。 ( 5 ) 在软土地区，为避免基坑底部隆起，造成支护结构水平位移加大和邻近建 ( 构) 筑物下沉，可采用深层搅拌桩或注浆技术对基坑底部土体进行加固，即提高支 护结构被动区土体的强度的方法。 ( 6 ) 为减小坑壁土体的侧向变形，可以通过基坑内外双液快速注浆加固土体； 也可以对支撑( 或拉结) 施加预应力；还可以调整挖土进度以及支撑的施工程序等措 施来限制基坑的侧向变形。 1 2 3 3 设计计算方法和计算应用软件的发展 2 0 世纪8 0 年代国内高层建筑发展高潮的初期，基坑支护结构的设计计算一般仍 建立在土力学极限平衡的经典计算方法基础上。对桩墙结构，最具代表性的计算方法 是静力平衡法和等值梁法，但经典方法不能涉及支撑或锚杆的交形刚度、支护结构嵌 固段的变形、基坑在开挖过程中支护结构已产生的变形等因素，因此很难得出符合工 程实际情况的支护结构的水平位移。由于基坑支护工程中较为流行用弹性秆系有限元 法计算支护结构，弹性支点法作为桩墙结构内力、位移、支点力计算方法已纳入现行 的建设部行业标准建筑基坑支护技术规范内支撑结构计算也普遍采用了杆系有 限元法。作为支护结构计算方法的更深一步研究分析和发展，考虑土与支护结构相互 作用的平面、空间有限元法也在探讨之中。相对桩墙支护结构而言，士钉墙支护结构 的计算方法进展较为缓慢，工程实际应用上，仍广泛采用基于极限平衡理论的计算方 法。 计算机技术突飞猛进的发展给各行各业带来一场技术革命，也为岩土工程计算理 1 3 华北水利水电学院硕士学位论文 论和方法提供了发展变革的契机。以前很多用手算不能解决的繁琐复杂的计算问题， 现在也可以很轻松地通过计算机解决了“”。特别是在w i n d o w s 等操作系统的平台下， 开发出了一些图形用户界面的基坑支护设计计算软件。这类软件运行速度快，操作简 单易学，形象直观，为不同支护方案的优化比较提供了方便工具。提高了设计计算周 期和减少了人为因素的计算出错率。施工图软件也将大大减轻设计人员的劳动强度和 提高其工作效率。 目前，就整体而言，国外水平高于国内。如美国、日本、德国，法国、意大利和 瑞典先后开发了多种深基坑开挖支护的施工技术、专用设备和专门工艺，制定了国家 级的规范和规程。 1 3 深基坑稳定分析 1 3 1 边坡稳定分析的理论基础 深基坑稳定分析方法主要基于土质边坡稳定分析方法，其基础理论是建立在土力 学“”之上的，所以土力学的成就与发展决定了对边坡研究的完善程度。 在土力学中，边坡稳定分析是和另外两个分支即土压力和地基承载力同时发展起 来的。1 7 7 6 年，法国工程师库仑( c 九c o u l o m b ) 提出了计算挡土墙土压力的方法， 标志着土力学雏形的产生。朗肯( w j m r a n k i n e ，1 8 5 7 ) 在假设墙后土体各点处 于极限平衡状态的基础上，建立了计算主动和被动土压力的方法。库仑和朗肯在分析 土压力时采用的方法后来被推广到地基承载力和边坡稳定分析中，形成了一个体系， 这就是极限平衡方法“”。 极限平衡方法是建立在大家所熟悉的摩尔一库仑强度准则嘲基础上的，其表达式 f ，mc + c r t t a n 妒mc f 4 - ( 口一) t a n 妒 ( 1 一1 ) 式中：0 为破坏面上的剪应力；c 为土的有效粘聚力；仃和为破坏面上总应力 和有效法向应力；为土的有效内摩擦角。 从库仑和朗肯两种不同的思路出发，极限平衡方法也逐渐形成了两个独立的分 支。一是通过研究滑裂面上作用的力的静力平衡和确定临界滑裂面求得问题的解，在 1 4 第1 章绪论 此基础上导出了目前广泛采用的稳定分析的条分发；另一是在假定土体内处处达到极 限平衡状态的前提下，用特征线法求解应力场，在一定的简化条件下，获得问题的闭 合解。 极限平衡法的基本特点是，只考虑静力平衡条件和土的摩尔库仑破坏准则。也 就是说，通过分析土体在破坏那一刻的力的平衡来求得问题的解。当然，在大多数情 况下，问题是静不定的。极限平衡方法处理这个问题的对策是引入一些简化假定，使 问题变得静定可解。这种处理，使方法的严密性受到了损害，但是，对计算结果的精 度损害并不大。由此带来的好处是使分析计算工作大为简化，因而在工程中获得广泛 应用。 1 3 2 边坡稳定分析方法简述 边坡稳定分析是一个十分复杂的课题，它关系到工程选址、设计方案等重大决策 问题。稳定性评价要求适宜的分析方法和合理的参数取值。为解决复杂的问题，需将 其适当的简化，即抽象出适宜的模型。模型太简化了则不能反映滑坡的真实情况，太 复杂了则需要确定过多的参数，受参数可靠度的影响，分析结果的可靠性必然降低。 殷宗泽指出，如果片面的追求模型的复杂性，虽然用了非常复杂的应力一应变关系， 考虑的因素很全面，但是列出的方程式过于复杂，不是在数学上难以求解，就是所要 求的有些参数无法取得，从而使理论没有实用价值。 边坡稳定分析的方法比较多，但总的来说可分为两大类嘶1 ，即以极限平衡理论为 基础的条分法和以弹塑性理论为基础的数值计算方法牌1 。 条分法嘲以极限平衡理论为为基础，由瑞典人彼得森( k e p e t t e r s o n ) 在1 9 1 6 年挺出嘲，2 0 世纪3 0 4 0 年代经过费仑纽斯( w f e l l e n i u s ) 叫1 和泰勒( d w t a y l o r ) 等人的不断改进，直至1 9 5 4 年简布( n j a n b u ) 提出了普遍条分法的基本原理，1 9 5 5 年毕肖普( b i s h o p ) 明确了土坡稳定安全系数，使该方法在目前的工程界成为普遍采 用的方法。 条分法实际上是一种刚体极限平衡分析法嘲。其基本思路是：假定边坡的岩土体 破坏是由于边坡内部产生了滑动面，部分坡体沿滑动面而滑动造成的。滑动面上的坡 体服从条件。假设滑动面已知，通过考虑滑动面形成的隔离体的静力平衡，确定沿滑 面发生滑动时的破坏荷载，或者说判断滑动面上的滑体的稳定状态或稳定程度。该滑 华北水利水电学院硕士学位论文 动面是人为确定的，其形状可以是平面、圆弧面、对数螺旋面或其他不规则曲面嗍。 隔离体的静力平衡可以是滑面上力的平衡或是力矩的平衡。隔离体可以是一个整体， 也可以由若干人为分隔的竖向土条组成。由于滑动面是人为假定的，只有系统的求出 一系列滑面发生滑动时的荷载，其中最小的破坏荷载要求的极限荷载与之相应的滑动 面就是可能存在的最危险滑动面。 建立在极限平衡理论基础上的条分法可以归结为求一个有多余未知数的静不定 问题。要使