（岩土工程专业论文）南京地区基坑开挖变形控制和基坑支护设计软件的研究.pdf

南京地区基坑开挖变形控制和 基坑支护设计软件的研究 岩土工程专业研究生：金雪莲指导教师：蒋永生教授、卫龙武教授 东南大学土木工程学院 摘要 本文对目前基坑开挖的研究和应用现状进行了简单的回顾总结，明确指出：在 城市的基坑工程中，以前以强度控制为主的方式逐渐被以变形控制设计为主的方 式所取代，因此结合南京地区地基基础设计规范的修订，开展基坑的变形分析和 控制变形的理论研究是十分必要的。 通过搜集南京地区带撑式支护结构工程实例的数据资料，分析了基坑变形与 开挖深度、坑底抗隆起稳定安全系数、整体稳定性抗力分项系数、m 值以及周围 地表最大沉降之间的关系，得到了一些有关基坑变形的规律性认识，并得出一些 有益的控制变形的设计与施工方法。 利用a n s y s 有限元分析软件，模拟了实际工程在开挖过程中的变形，并将 模拟计算结果与实测值进行了比较分析，取得了比较满意的结果，得出了有必要 将基坑工程作为三维问题分析的结论；对墙体刚度、墙体入土深度、支撑刚度、 支撑位置、基坑几何尺寸以及基坑底面以下土层条件等影响基坑变形的主要因素 进行了系统的分析，提出了基坑开挖变形控制的支护设计概念和建议。 与基坑开挖变形控制方法相配套，本文用m i c m s o f t s u a lb a s i c 语言编制了 南京地区地基基础设计新规范中基坑支护的设计程序，作为新规范的附件。该程 序可计算排桩、地下连续墙、水泥土墙、土钉墙、s m i v 工法等多种支护结构，可 进行多方案比较，具有强大的计算功能，精度较高，达到可资应用的程度。 【关键词】 基坑开挖变形支护结构有限元影响因素地基基础设计规范程序 s t u d yo nd e f o r m a t i o nc o n t r o l o ff o u n d a t i o np i ta n d d e s i g ns o f = i m a r eo ff o u n d a t i o np i tp r o t e c t i o n i nn a n j i n g a r e a s p e c i a l t y ；g e 0 i o g i c a le g i e e r i n g g u a d u a t es t u d e n t s ： j nx u e a n s u p e r v i s o r ：p m j i a n gy 0 n g s h e n g p r 0 w e il o g w u c o e g eo fc i v i le n 垂n e e r i n g ，s o u t h e a s tu i v e r s i t y a b s t r a c t i nt h i sp a p e b o t h 巾j d yo nf o u n d a t i o np i ta n di t sa p p l i c a t i o ns i t l l a t i o nw e r es u m m a r i z e d a s w ea l lk n o w ，d e s i g no ff o u n d a n o np i te n g i n e e r m gi nc i t yi s m a i n l yc o n n d l l e db yd e f o m a t i o n i n s t e a do fb yi n t e n s i t yn o wt h e r e f o r e ，t o g e t h e rw i t ht h er e v i s e sa i l dd e v e l o p m e n to nf o u n d a t i o n d e s j g l lc o d emn 越j i n ga r e a j ti sn e c e s s a 叮t os t i l d y0 nd e f o n l l a t i 蚰柚a l y s i sa n dc o n t r o lo n f o u n d a t i o np n b a s e do nt h ec o l l e c t e df a c t l l a li n f 0 皿a t i o na b o u tf o u n d a t i o np i tp r o t e c o nw 油b m c ei n n a n j j n ga r e a ，r e 】a t i o n s h i pb e n 坩e nd e 岛r n l a t i o no ff o u n d a t i o np i t 锄ds u c hf a c t 0 话嬲e x c a v a t i o n d e p 吐l ，s t e a d ys a f e t yf a c t o ri nr e s i s t i n ga p o p h y s i sa t 也eb o t f o mo f p i h o l i s t i cs t e a d ysa l f e t yf 砬t o l d a t a0 f “m ”a n dm a ) 【i m a ls e t e m e m a r o u n df o u n d a t i o np tw e r ea 1 1 a l y z e d s o m el a w so n d e f o m a t i o no ff o u n d a 廿0 np i tw e r ed e d u c e d f u r m e r m o r e ，s o m eu s e 向ld e s i g na n dc o i l s 缸u c t i o n m e t h o do nd e f o m l a t i o nc o n t m lw e r eg i v e n a n s y sw a se m p l o y e dt os i m u l a t et h ed e f o r m a t i o ni i lt h ep m c e s so fp m c t i c a le x c a v a t i o n c o m p 棚n gt h es i m u l a t i n gr e s u i tw i t i lt h et e s td a 诅，s 砒i s f k t o r yr e s u i 乜w e r em a d e a c c o r d i n gt o a b o v e a 1 1 ， s u c hc o n c l u s i o nt l i a tf b u l l d a t i o n p i te n g i n e e r i n gs h o u l db e a n a l y z e d a s t h r e e d i m e n s i o n a lp m b l e mw a sa l s od e r i v e d b ya n a l y z i n gt h em a i nf 如t o r st h a ta 丘b c tt h e f o u n d a t i o np np r o t e c t i o nd e f o r m a t i o n ，s u c ha sf o u n d 撕o np i tp r o t e c o nr i g i d i 吼f o u n d a i i o np n p m t e c t i o nd e p t hu n d e rm eb o n o mo ff o u n d a t i o np i b m c e g j d i 吼b r a c es 删o n ，f o u n d a i i o np i t g e o m e 研c a ld i m e i l s i o na 1 1 d s o i lc o “n i o nu n d e rt h eb o n o mo ff o u n d a t i o np n ，t 1 1 er “o n a l c o n c e p t i o n sa 1 1 ds u g g e s t i o n so nd e f o r m a t i o nc o n t r o lo f f o u n d a t i o np i tw e r ep o p o s e d t bm a t c hw i t hm e t h o d s0 nd e f o m a t i o nc o n t r o lo ff o u n d a t i o np i t ，p r o g r a m 衄f o u n d a t i o np t p r o t e c t i o nd e s i g nw a sc o m p i l e da sa na c c e s s o r yo ff o u n d a t i o nd e s i g nc o d ei nn a n j i n ga r e 扎t h e p r o g r a i l lc a l ld e s i g nm a i l i f o l df o u n d a t i o np i tp r o t e c 廿o n s ，s u c ha sp i i e ，u n d e r 可o u n ds 甜a t ew a l l ， n a i l e ds o i lw a l l ，s m w 卸ds oo n m o r e o v e lt h ep r o g r a mc a nb eu s e dt oc o m p a r ed i v e r s i f i e d p r o j e c t s w i t hp o w e r f u lc o m p u t ef h n c t i o na i l dh i g hp r e c i s i o n ，协ep r o g r a mm a yb ea p p l i e dt 0 e n g i n e e r i n gd e s i 粤1 【k e y w o r d s 】f o u n d a 廿o np l td e f o m a 廿o nf o u n d a t i o np i tp r 0 钯c t j o nf i l l i t ee l e m e n t l n n u e n c ef a c t o r f o u n d a t i o nd e s i g nc o d e p r o g r 啪 i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南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。 研究生签名锈涉，日期：2 1 ：主：之i 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：厶z 鳖： 导师签名：、莎喾飘f日期：口4 职7 第一章绪论 第一章绪论 1 1 前言 随着我国城市对地下空间的进一步利用和开发，地下构筑物的埋置深度和覆盖面积日趋 增大，这就使得基坑支护结构的稳定和安全成为土木工程界十分关注的问题。一方面，基坑 平面尺寸和开挖深度的增大引出了许多有关支护结构与相邻地层新的复杂难题；另一方面， 城市环境，如相邻构筑物、地下管线以及地面交通等对基坑开挖期间产生的不利影响的限制 越来越严格。 基坑开挖是基础工程和地下工程施工中的一个古老的传统课题，同时又是一个综合性的 岩土工程难题，它既涉及到土力学中典型的强度和稳定问题，又包含了变形问题，同时还涉 及到土与支护结构的共同作用问题。正是由于基坑工程本身的复杂性，再加上基坑的工程 勘察、工程设计、工程施工、工程监测中可能出现的一些意想不到的问题，都有可能导致支 护结构的过量变形和局部失稳，带来难以挽回的经济损失和社会影响。 目前，我国对基坑支护设计方法及变形问题的研究己取得了较大的成果，然而，值得深 入探索的问题仍然较多。一方面，在城市的基坑工程设计中，以前以强度控制设计为主的方 式逐渐被以变形控制设计为主的方式所取代，因此基坑的变形分析和控制变形的理论研究是 十分必要的：另一方面，由于与基坑工程相关的岩土工程具有地区性的特点，因此在各地区 进行大量的工程实践与试验研究的基础上，应不断完善本地区基坑支护设计规范，同时推出 与其相配套的便于设计的软件，这项工作具有很强的工程意义和实践价值。据此，本文对变 形问题及本地区规范的软件开发做一较为详尽的研究与分析。 1 2 国内外研究概述 本节重点对基坑开挖中的变形问题和基坑支护设计软件开发分别作一些回顾。 1 2 1 基坑工程变形研究 对于深基坑开挖中的变形问题，目前国内外进行了很多的研究，取得了丰富的研究成果。 其研究手段、方法多种多样：有理论分析，包括各种数值模拟计算法：实验研究，包括室内 模拟实验和室外现场实验；以及根据已有的工程数据提炼总结出来的一些经验方法。本小节 就国内外学者有关变形问题的研究内容做一简要汇总。 1 、支护结构计算理论及选型分析 对基坑开挖这一传统课题，最早提出计算方法的是t e r z a g h i 和p e c 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力法。这一理论原理一直延用至 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 ”1 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仪器进行了监测，此后大量的 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。从8 0 年代 开始我国逐渐涉入深基坑设计和施工领域。为了总结我国深基坑支护设计与施工经验，武汉 第一章绪论 市、广东省、上海市、深圳市等地区和北京( 国家行业标准) 开始编制深基坑支护设计与施 工的有关法规，经过十几年的研究发展，我国深基坑技术有了长足的进步，分析与计算方法 也日益丰富，有限元等现代分析技术已成功应用在基坑工程中。 ( 1 ) 土力学理论和计算技术的发展，以及支护型式的多样化，使得支护结构的设计计 算发展了多种方法，具体见表卜1 “1 。 ( 2 ) 由于基坑工程的地区性及复杂性，选择支护结构的类型应根据地质情况、基坑开 挖深度等条件综合考虑而因地制宜地选择。本节仅介绍南京地区的支护结构选型概况，详见 表卜2 “。 由于目前“深”、“大”、“周围环境条件复杂”的基坑工程存在的问题较多，故本文以 带支撑式支护结构为例进行分析。 支护结构设计计算方法 表卜l 计算理论及方法方法的基本条件方法名称举例 较古典的钢板桩计算 土压力己知 等值梁法( 固定端支承法) 不考虑墙体变形 静力平衡法( 自由端支承法) 理论二分之一分割法 不考虑支撑变形 太沙基法 支撑轴力、墙体弯矩 土压力己知 弹性法 考虑墙体变形 不变化的计算方法 塑性法( 山肩邦男法) 不考虑支撑变形 支撑轴力、墙体弯矩随 土压力已知杆系有限单元法 考虑墙体变形 日本建筑基础结构设计规范 之变化的计算方法 考虑支撑变形的弹塑性法 土压力随墙体变位而变化 有限单元法( 包括土体介质) 共同变形理论( 弹性) 考虑墙体变形 森重龙马法 考虑支撑变形 考虑土体为非线性介质 考虑墙体变形考虑分部开挖的非线性 非线性变形理论 考虑支撑变形有限单元法 考虑施工分部开挖 支护结构形式及适用范围 表卜2 结构形式适用范围 排桩结构 稀疏排桩( 人工挖孔桩、干挖桩、 土质较好，地下水位低或降水效果好 ( 附有各种 静挖桩等) 连续排桩、静压桩、灌注桩、钢 地质差，地下水位高或降水效果差，单排桩刚度 降水措施) 板桩、框架式排桩或双排桩不能满足变形要求 组合排桩 排桩加压密注浆止水 排桩承重，压密注浆止水有一定防渗作用，用于 结构，排桩粘性土层 可以是平排桩承重，水泥搅拌桩互搭成平面或拱形，具有 面直线型 排桩加水泥搅拌桩 较好的防涌防渗效果，适于软土、砂性土 或平面拱排桩承重，旋喷桩( 混凝土防渗墙) 止水，适于 珏! | 排桩加水泥旋喷桩 软土、砂性土 2 第一章绪论 地下水位较高的软土、砂性土，用射水法旎工的 排桩加薄壁混凝土防渗墙 薄壁连续墙、开挖深度在6 m 以上 排桩和内支撑承重，采用各种止水措施防渗，而 排桩或组合排桩加内支撑结构 用悬臂桩刚度无法满足 适合于排桩和组合排桩强度刚度无法满足要求， 排桩或组合排桩加锚杆结构 开挖深度在8 m 以上 地下连续墙( 薄壁或厚壁) 用钢内支撑或逆作 与地下室结构墙体合一，防渗性强，施工场地较 法施工 小，开挖深度大，在8 m 以上 开挖深度一般在6 5 m 以内，适合于软土，地下有 深层搅拌桩格栅式挡土止水结构 障碍物不宜使用 适合于圆形或平面规则的形状，适用于软土。地 沉井结构 下室墙与沉井可以合而为一 2 、支护结构变形分析 在城市基坑工程设计中，基坑变形控制要求越来越严格，以前以强度控制设计为主的方 式逐渐被以变形控制设计为主的方式所取代“1 ，因而基坑的变形分析成为基坑工程设计中的 一个极其重要的组成部分。 基坑变形包括围护墙的变形，坑底隆起及基坑周围地层移动。 ( 1 ) 围护结构变形是由于在水平方向上基坑外围土体原始应力状态的改变而引起的， 该变形发展引起墙后及坑底土体剪力增大，产生塑性区，出现地表沉降及坑底隆起。 ( 2 ) 坑底隆起是垂直向卸荷而改变坑底土体原始应力状态的反应。随着开挖的进行， 坑底隆起由弹性隆起发展为塑性隆起。若塑性隆起发展到极限状态时，基坑外侧土体便向坑 内产生破坏性的滑动，使基坑失稳。 ( 3 ) 土体隆起和围护墙的位移是引起基坑周围地层移动的主要原因，它的宏观表现为 基坑周围地表的沉降，沉降值的大小对周围环境产生至关重要的影响。 由此可见，基坑变形的三种宏观表现是互相联系、紧密相关的。 制约基坑变形分析的因素很多，不但有支护体系本身及周围土体特性的原因，在很大程 度上还受到施工因素的影响，因此基坑变形分析可从以下几点着手： ( 1 ) 采用能考虑支护变形的设计方法，如弹性地基粱法，有限元法： ( 2 ) 应考虑基坑的时空效应； ( 3 ) 变形预测的反分析法等岩土分析新方法的应用。 3 、支撑结构计算及选型分析”1 为施工需要而构筑的深基坑各类支撑系统，既要轻巧又需具有足够的强度，刚度和稳定 性，以保证施工的安全、经济和方便，因此支撑结构在整个支护系统中显得尤为重要。 ( 1 ) 支撑结构的分类 在深基坑的施工支护结构中，常用的支撑系统按其材料分可以有钢管支撑、型钢支撑、 钢筋混凝土支撑，钢和钢筋混凝土的组合支撑等种类。按其受力形式分可以有单跨压杆式支 撑，多跨压杆式支撑，双向多跨压杆式支撑，水平桁架式支撑，水平框架式支撑，大直径环 梁及边桁架相组合的支撑，斜撑等类型。 ( 2 ) 支撑结构计算 钢筋混凝土支撑体系按平面封闭框架结构设计其外荷载由围护体系直接作用在封闭框 第一章绪论 架周边与围护体系连接的围檩上，对于这个封闭框架，需计算它在最不利荷载作用下，产生 的最不利内力组合和最大水平位移。 ( 3 ) 支撑结构选型 由于支撑系统按材料可分为钢支撑和钢筋混凝土两大类，因此根据这两类支撑系统的形 式和特点以及周围环境条件、施工要求、土层情况进行合理选型。见表卜3 “1 。 支撑体系的形式和特点表卜3 支撑形式截面形式布置形式特点 可根据设竖向布置有水平撑；平面 变形小，强度大，安全可靠性强，施工 现浇钢筋计要求确布置有对撑，边桁架，环方便，但浇制和养护时间长，围护结构 混凝土定截面形梁组合边桁架等，形式灵处于无支撑的暴露时间长，软土中被动 式和尺寸活多变。区土体位移大，拆除困难。 单钢管、双竖向布置有水平撑、斜撑；安装、拆除施工方便，可周转使用，支 钢管、h 型平面布置一般有对撑等。撑中可加预应力，可调整轴力而有效控 钢结构钢、槽钢等制围护墙变形：施工工艺要求较高，如 节点和支撑结构处理不当，施工支撑不 及时不准确，会造成失稳。 现浇钢筋 竖向布置多道支撑时可在可充分发挥钢筋混凝土变形小、强度大 混凝土与 上部设钢筋混凝土支撑， 以及钢管支撑灵活方便的优点，能够达 钢结构组 下部采用钢管支撑；平面到合理控制变位和造价经济的目的。 布置时采用钢筋混凝土角 合式 撑及钢管对撑。 4 、基坑支护坑外地表沉降分析 基坑开挖卸荷打破了力的平衡，造成坑底隆起及墙体侧向位移，使坑外土体发生变形， 并产生墙体侧移位移协调变形，变形的效果逐步传至地面，形成地表沉降，导致开挖过程中 基坑周边建筑物倾斜、开裂、相邻地下管线渗漏及断裂等严重后果，不仅在施工过程中，甚 至施工完成后相当一段时期内，周围地表沉降变形都是一个不容忽视的问题。 文献”1 认为基坑开挖时影响地表的重要因素有下列二十种：土层状况；开挖深度；开挖 面积和形状；开挖顺序：开挖时间长短；开挖区内施工活动；开挖前后辅助施工的影响；开 挖区内外的振动；开挖区周围的结构；构筑挡土结构的施工方式；挡土结构的贯入深度；挡 土结构的形式和刚度；挡土结构的完整性；架设支撑形式及施工方法：挡土结构的间距；挡 土结构的刚度；支撑预加荷载的大小；预加载的时机；地下水位与水压；开挖区周围的超载 重等。 因此地表变形的问题是极其复杂的问题，也是一个亟待解决的实际问题，目前对这一问 题研究的主要方法是有限元法和经验法。 5 、控制基坑变形的加固措施 按一定地质条件和基坑开挖施工参数所设计的支护结构体系达不到控制基坑变形要求 时，如增加支撑道数不可行，则要考虑合理提高支护墙体被动区抗力或减少主动区压力的方 法，使基坑变形符合要求。一般在支护墙被动区加固土体是可行而合理的方法，另在遇到管 涌、承压水问题时，如因环境条件不能采用降水法处理则可用地基加固解决。具体加固方式 4 第一章绪论 有以下几种”1 ： ( 1 ) 采用高压三重管旋喷注浆法或化学注浆法加固基坑周围地下墙墙底平面的不透水 层，防止坑底承压水因开挖卸载而顶破发生涌砂及隆起； ( 2 ) 在基坑外侧或内侧以深井点降低地下水位，使坑外土层固结，减少支护墙体侧压 力，同时在附近建筑物旁边地层中用回灌水法控制地层沉降； ( 3 ) 采用搅拌桩、旋喷桩、水泥土或化学注浆法在坑外做成防水帷幕，减少因支护墙 体渗水引起的基坑变形： ( 4 ) 采用水泥搅拌桩、旋喷桩、或分层注浆法对支护墙体被动区软土进行加固，可有 效控制挡墙侧向位移。 1 _ 2 2 基坑支护设计软件开发 目前国内具有基坑支护设计计算功能的软件有：理正基坑支护设计软件，同济启明星基 坑支护设计软件等。 理正软件：该软件可进行支护结构设计中的简单计算，采用国家规范，其界面和图库有 可借鉴之处，但在结合南京地区实际情况灵活运用上有不便之处，而且缺少经济比较和方案 初选的功能。 同济启明星软件：是国内应用较多的基坑支护计算软件，但也没有引入经济效益比较功 能，不能生成施工图。 1 3 本文所作的主要工作 1 、搜集南京地区十余个成功基坑工程实例的数据资料，分析了基坑变形与开挖深度、 坑底抗隆起稳定安全系数、整体稳定安全系数、m 值以及周围地表最大沉降之间的关系，掌 握围护结构的变形规律，并得出一些有益的控制变形的设计与施工方法，另外对的取值方 法进行了探讨； 2 、采用有限元法对基坑开挖中支护结构的水平变形进行分析，研究基坑支护空间变形 性状，并通过南京市某基坑开挖的工程实例验证了有限单元模式的合理性； 3 、利用a n s y s 软件对基坑开挖各工况变形进行分析，研究影响支护结构变形的主要因 素，并提出了控制变形的设计原则； 4 、与基坑开挖变形控制相配套，用m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c 语言编制南京地区基础设 计规范中基坑支护设计程序。 第一章绪论 参考文献： 1 l 齐法特难处理地基的基础工程 m 北京：水利出版社，1 9 8 8 2 p e c k ，d e e pe x c a v a t i o na n dt u n n e l i n gi ns o f tg r o u n d 7 t hi n t c o n f s o i lm e c h a n i c s a n df o u n d a t i o ne n g i n e e r i n g v 0 1 3 ， s t a t eo f t h ea r tr e p o r t s m m e x i c oc i t y 1 9 6 9 3 a a o k i g r o u n dd i s p l a c e m e n tc a u s e d b ye x c ”a t i o nw o r k s m t a k e n a k ac o r p o r a t i o n g t o k y oj a p a n 4 龚晓南，高有潮主编深基坑工程设计施工手册 m 北京：中国建筑工业出版社，1 9 9 8 5 南京市建设委员会南京地区地基基础设计规范( d b 3 2 1 1 2 9 5 ) s ，1 9 9 5 6 刘建航，侯学渊主编基坑工程手册 蜘北京：中国建筑工业出版社，1 9 9 7 7 丁文胜软土地区深基坑开挖的变形及变形控制的研究 d ： 硕士学位论文 南京：东 南大学土木工程学院1 9 9 8 8 杨俊炜深基坑工程中的变形问题研究 d ： 硕士学位论文 南京：东南大学土木工 程学院 1 9 9 9 9 孙钧，汪炳鉴地下结构有限元解析 m 上海：同济大学出版社，1 9 8 8 6 第二章南京市基坑支护结构变形的调查分析 第二章南京市基坑支护结构变形的调查分析 2 1 引言 本节收集了南京市数十个成功基坑工程实际监测资料，按照具有可比性和代表性原则， 确定1 1 个工程作为分析研究的对象，其主要数据见表2 1 。通过对这些资料数据的分析， 得出了基坑变形与开挖深度、坑底抗隆起稳定安全系数、整体稳定抗力分项系数、值以及 周围地表最大沉降的关系，并提出了控制变形的施工及设计方法，希望对南京地区的基坑支 护结构设计有所裨益。 南京市若干基坑工程实例的基本数据表2 1 工程 工程名称 h h dy口 c 挡土结构支撑结构 y 。( ) 编号( )( )( k n m 3 )( 。) ( k p a ) z ( m ) 华威新世界钻孔灌注桩一道钢筋 l 9 58 5 1 8 51 4 5 72 4 5 74 6 1 0 7 0 中心0 9 0 0 1 0 5 0砼支撑 钻孔灌注桩一道钢筋 2 蓝天科技城 8 38 81 9 02 3 8 11 1 7 22 5 2 4 4 o 中8 0 0 1 0 0 0 砼支撑 泰和名仕花钻孔灌注桩一道钢筋 37 87 81 8 51 6 0 61 8 9 73 3 1 2 7 5 园中8 0 0 l 1 0 0砼支撑 天狮百盛城人工挖孔桩一道 4 ( 北侧) 8 08 o1 8 91 4 3 82 6 7 5中8 0 0 1 0 0 0 钢筋砼支撑 1 7 3 8 0 ( 南侧)8 05 51 9 52 2 7 l4 2 4 9中7 0 0 1 1 0 0一道钢管撑2 0 7 8 0 江苏省肿瘤一道钢筋砼 58 59 51 9 12 z 5 41 2 6 7钻孔灌注桩2 8 6 0 2 o 医院病房楼 支撑 南京市国土 6 资源管理局 9 07 01 8 51 4 02 9 4 3 钻孔灌注桩 一道钢筋砼 2 2 7 6 4 6 档案库 中9 0 0 11 0 0 支撑 薛家巷办楼 人工挖孔桩 ( 坳沟区)一道钢筋砼 71 0 09 01 9 11 9 1 81 8 5 31 0 0 0 1 5 0 01 8 9 6 5 ( 非坳沟支撑 1 0 07 42 1 7z 1 9 02 4 5 31 0 0 0 2 3 0 01 6 2 6 5 区) 南京市中级 钻孔灌注桩一道钢筋砼 1 1 1 7 1 0 5 8人民法院档 1 0 1 590 51 9 1 2 2 9 8 2 0 1 1中9 0 0 1 0 5 0 支撑( 局部两 1 65 3 8 5 1 029 51 8 91 9 0 41 8 6中8 0 0 1 0 0 0 道，第二道为 案综合楼 8 2 5 1 0 0 1 1 79 01 9 42 1 3 32 6 4 7巾9 0 0 1 1 0 0 钢管撑) 玄武湖隧道 9西段陆地隧 1 1 2 61 l _ 5 41 9 22 1 4 71 5 1 0 钻孔灌注桩一道钢筋砼 3 2 2 2 l o 5 1 0 0 0 1 2 0 0支撑 垣 南京市新易钻孔灌注桩一道钢筋砼 1 07 07 01 8 92 2 6 l1 1 51 3 ，7 4 50 发大厦 中8 0 0 1 0 0 0 支撑 南京大学研人工挖孔桩局部设钢筋 1 15 0 55 51 9 4 72 1 6 42 9 9 01 1 2 6 2 3 5 究生公寓楼中9 0 0 1 5 0 0砼角撑 注：h 一基坑开挖深度；h r 桩墙入土深度；y 一土层平均重度：口一土层平均内摩擦角； c 一土层平均粘聚力；y 。一实测墙体最大水平位移； z 一最大水平位移所在深度。 本章将以工程编号代替工程名称。 7 第二章南京市基坑支护结构变形的调查分析 2 2 支护结构相对变形与开挖深度的关系 6789l ul ll z 开挖深度h ( m ) 图2 1 支护结构的y m “h h 关系散点图 图2 1 中所示为支护结构的y 。h h 关系散点图( 其中y 一一实测墙体最大水平位移， h 一基坑开挖深度) ，从图中可以看出，支护结构开挖深度为8 5 时变形晟大，开挖深度小 于8 5 m 时，随着开挖深度的增加，支护结构的变形不断增加；开挖深度大于8 5 后随开挖 深度增加变形增大的趋势不是很明显。同时，由表2 1 可见，开挖深度小于8 5 m 时，支护 结构的支护桩选用巾8 0 0 或中7 0 0 的桩径，当开挖深度大于8 5 m 时，支护桩均选用9 0 0 或中l 0 0 0 甚至更大的桩径，使得支护结构的刚度增大，支护结构变形减小。因此，可以近 似的认为8 5 m 是南京地区基坑支护结构选用大小桩径的分界开挖深度。由支护桩的刚度变 化引起变形变化的规律将在第五章进行探讨。 2 3 支护结构最大位移点位置系数与抗隆起稳定安全系数的关系 支护结构的最大位移点位置系数是最大水平位移所在的土层深度与桩长的比值，即 f - z h ( z 一最大水平位移所在深度，h 一支护桩桩长) 。坑底隆起程度与支护结构最大位移点 的位置有密切的关系，通过对f 值与坑底抗隆起稳定安全系数的关系，可以研究减少变形的 方法。坑底抗隆起稳定安全系数计算采用同时考虑c 、中的曲线滑动法。1 ： k 。：堑墼堕( 2 一1 ) n s 一一 l 一1 ，打( + d ) + g 。= t 矿( 4 5 + 妒2 ) e ”+ m 5 ( i v 。一1 ) t g p 式中：c 、p 一坑底土体的粘聚力、内摩擦角； y d 一支护桩入土深度范围内土体重度； ，h 一支护桩桩长范围内土体重度； d 一支护桩入土深度； 向一基坑开挖深度； 8 6 5 4 3 2 ， 0 一e_。_)hgl替烈靛罂 第二章南京市基坑支护结构变形的调查分析 g 一地面超载。 在表2 2 中，列出了表2 1 中1 1 个工程的实测f 值和k 。计算值( 表中同时给出了y 珂。h 实测值) 。 实测f 、y 一h 值及k 。计算值 表2 2 工程 编号 l 234 5678g1 01 1 f = z 。h0 3 8 90 2 3 40 4 8 1o0 1 1 10 2 8 9o 3 7 4o 5 4 70 4 6 1o 3 5 70 2 2 2 y 。h 4 8 5 33 0 4 14 2 4 62 1 7 32 8 6 71 9 1 61 8 91 6 2 12 8 6 11 9 6 3 1 7 8 k 。 2 9 0 73 7 6 3 22 2 9 84 1 6 43 2 3 43 9 8 l2 7 5z 8 3 42 0 2 82 8 5 83 8 0 8 辅0 - 鬣。 髭。 静 蓑o 蜡0 1 _ 5 2 2 533 544 5 抗隆起稳定安全系数 图中：y 表达式为横轴与纵轴关系拟合趋势线函数方程； r 2 表示相关指数( 下同) 图2 2 支护结构最大位移点位置系数与抗隆起稳定安全系数的关系图 图2 2 所示为支护结构最大位移点位置系数f 与抗隆起稳定安全系数k s 的关系散点图 及拟合曲线图。由图可见，虽然散点较分散，但大体体现了随着抗隆起稳定安全系数的增大， 支护结构的最大位移点位置系数呈减小的趋势，即最大水平位移点向上移动。这也说明坑底 抗隆起稳定安全系数越高，坑面处刚性越强，支护结构在基坑面以上大致呈刚性变形，导致 墙体上部位移较大，近而使基坑周围地表沉降增大，因此在基坑支护结构设计时，应合理控 制使抗隆起稳定安全系数增大的因素。 另外，从坑底处土性考虑，对于软粘土，坑底抗隆起稳定安全系数较小f 值较大；对 于砂性土，坑底抗隆起稳定安全系数较大，相应f 值较小；对于硬粘土，其坑底抗隆起稳定 安全系数在前两种土性中间，f 值也位于两者之间。这也较好的验证了根据国内外基坑实 测资料的统计结果，即f 值变化范围为o 3 3 3 0 6 7 5 ，软粘土f 值取上限，硬粘土取中间 值，砂性土取下限值“1 。 2 4 支护结构相对变形与坑底抗隆起稳定安全系数的关系 根据表2 2 中y m a x h 实测值及k s 计算值，可绘制出如图2 3 所示的支护结构相对变形 与抗隆起稳定安全系数关系的散点图及拟合曲线图。由图可知，随着坑底抗隆起稳定安全系 数的提高，支护结构的变形随之减小，因此，为了有效控制支护结构的变形，提高坑底抗隆 起安全系数将是行之有效的办法。如坑底土体为软土时，可考虑对坑底土体采取加固等措施。 9 第二章南京市基坑支护结构变形的调查分析 图2 3 支护结构相对变形与抗隆起稳定安全系数的关系图 2 5 支护结构相对变形与整体稳定性抗力分项系数的关系 整体稳定性抗力分项系数采用条分法进行计算“”。对所调查的1 1 个工程，计算出的实 际整体稳定分项系数ys s 列于表2 3 。 整体稳定性抗力分项系数yn 计算值表2 3 i 工程编号 1234567891 0 1 1 y 盼2 0 5 3 2 l 1 61 9 1 82 8 3 51 6 8 92 3 2 41 9 923 2 41 8 0 42 2 7 22 8 3 5 1 61 822 22 42 62 83 整体稳定性抗力分项系数k s 图2 4 支护结构的相对变形与整体稳定性抗力分项系数的关系图 图2 4 给出了支护结构的变形与整体稳定抗力分项系数的关系，从图中可知，随着整体 稳定抗力分项系数的提高，支护结构的变形随之减小，其减小的趋势比增大坑底抗隆起稳定 安全系数要明显，因此，可在设计时采取将桩体嵌固深度增大等措施提高支护结构的整体稳 定性。由支护桩的嵌固深度变化引起变形变化的规律将在第五章进行探讨。 2 6 支护结构相对变形与土体m 值的关系 2 6 1m 值的确定 m 值作为地基基床系数随深度变化的比例系数，是由假定土的水平向基床系数随深度按 l o 6 5 4 3 2 1 0 一-0h一h霉漤制麓罂 第二章南京市基坑支护结构变形的调查分析 直线增大且地面处水平基床系数为o 为前提而提出的，即k = m y ，式中k 即为土的水平向基 床系数，y 为土体深度。r i c h a r dj w o o d w a r d 等人指出，通常非粘性土和正常固结的粘土 可取水平向基床系数随深度按直线增大。b b b r o m s 还指出，粘性土的基床系数与无侧限抗 压强度近似成正比。由于正常固结的粘土和淤泥的无侧限抗压强度随深度大致按直线增长， 所以正常固结的粘土和淤泥的基床系数也可以认为随深度按直线增长。我国铁路与公路部门 曾作过一些研究工作，研究成果也证明采用基床系数随深度成直线增长的变化规律与一般土 的实际情况是比较符合的。采用这一假定便于计算，且误差不大，因为假定基床系数随深度 呈直线增长，挡士结构的横向变位随深度增加迅速减小，深度越深，变位越小，这与实际工 程情况是比较符合的”。 目前确定m 值的方法主要有以下几种： l 、静载试验法 根据建筑基坑支护技术规程“1 中的规定，可根据单桩静载实验成果推算出m 值。 ( 2 2 ) 式中：m 一地基水平抗力系数的比例系数( m n m 4 ) ，该数值为基坑开挖面以下2 ( d 十1 ) m ( d 为桩径) 深度内各土层的综合值； 日。一单桩水平临界荷载( 删) ，根据建筑桩基技术规范( j g j 9 4 9 4 ) 附录 e 方法确定； x 。，一单桩水平临界荷载对应的位移( m ) ； 匕一桩顶位移系数，可按表2 4 采用( 先假定m ，试算a ) ； “一计算宽度( m ) 。 桩顶位移系数y ：表 表2 4 l 换算深度a | l d 4 0 3 5 3 0 2 82 62 4 k 2 4 4 12 5 0 22 7 2 72 9 0 53 1 6 33 5 2 6 该方法存在的问题是： ( 1 ) 由于试验条件的限制，试样的扰动，仪器的精度不足，土体性质具有可变异、不 均匀等不确定性，通过试验方法确定的m 值往往带有很大的误差； ( 2 ) 由于条件限制，在实际工程设计时，不可能做到对指定基坑工程均进行单桩水平 静载试验； ( 3 ) 值应为基坑开挖面以下2 ( d + 1 ) m 深度范围内各土层的综合值，这对嵌入均质地 层的长桩应可行，但对坑底下为厚层软土及桩底嵌入硬土一定深度的情况，该硬层的m 值无 法准确确定，也不能分层确定值。 2 、经验公式法 根据建筑基坑支护技术规程“中的规定，当无试验或缺少当地经验时，第i 层水平 铲堕 毒 第二章南京市基坑支护结构变形的调查分析 抗力系数的比例系数m t 可按下式计算： 1 研。= ( o 2 妒盎一妒l 女+ c 1 i ) ( 2 3 ) 凸 式中：吼。一第i 层土的固结不排水( 快) 剪内磨擦角标准值( o ) ； c 。i 一第i 层土的固结不排水( 快) 剪粘聚力标准值( k p a ) ； 一基坑底面处位移量( 1 i l i ) ，按地区经验取值，无经验时可取1 0 。 该方法存在下列问题： ( 1 ) 式中的取值按地区经验取值，具有不确定性： ( 2 ) 对于饱和粘性土而言，基坑外侧土体处于正常固结状态，而其内侧土体由于坑底 以上土层卸荷而使该侧土体处于超固结状态，而上式中仍沿用固结不排水指标，使计算结果 偏于安全。 3 、经验取值法 当无试验资料时，可参考有关建筑部门提出的表2 5 所列数值“。 地基土水平抗力系数的比例常数m表2 5 地基土类别m ( 艟n 4 ) 淤泥、淤泥质土、饱和黄土2 5 5 5 流塑和软塑的一般粘性土、松散粉细砂、松散填土和相当的粘土5 5 1 4 可塑的一般粘性土和湿陷性黄土、稍密和中密的填土和相当的粉土1 4 3 2 硬塑和坚硬的粘性土和湿陷性黄土、中密的中粗砂、密实老填土 3 2 1 0 0 中密和密实的砾砂和碎石类土 1 0 0 3 0 0 当桩侧由n 层土组成时，应求出主要影响深度2 ( d + 1 ) m ( d 为桩径) 范围内的丽作为计 算值。 由于上表所列数值是根据全国各地1 0 2 根灌注桩水平静载试验资料的统计结果，用式 ( 2 2 ) 计算得出的，故同样存在试验方法存在的不确定性的问题；尽管上表各数据是根据 多根不同直径的灌注桩试桩结果统计而得，具有一定的可靠性，但对于同一种土，m 值的上 下限相差很大，如果没有其它土质性能指标供参考，势必在运用时造成较大的任意性，从而 影响计算结果“1 。 4 、位移反分析法 位移反分析法是根据基坑施工监测资料，以位移量测信息的输入为基础，选择确定的支 护结构和土体的力学模型，通过非线性优化方法反演地基土的m 值，从而使地基土的m 值的 确定建立在更合理可靠的基础上。由于此法可提高计算分析的精度，有助于工程经验的积累， 故越来越多的应用于工程实践。 本章结合调查资料分析用此法确定m 值进行较为深入的探讨。 2 6 2m 值位移反分析法 1 、反分析方法的建立： ( 1 ) 首先确定支护结构和土体的力学模型，因弹性支点法又称杆系有限元法能同时模 1 2 第二章南京市基坑支护结构变形的调查分析 拟和计算基坑工程中支护结构的内力和变形“2 “”“，并具有计算模式明确，计算过程简单 的优点，本章采用此法进行分析； ( 2 ) 根据土的类别或地区经验确定地基土水平抗力系数的比例系数m 初值，由此初值 计算某一工况下支护结构的水平位移； ( 3 ) 由计算得到的水平位移j 和相应的实测水平位移j j 建立两值相差最小为目标的目 标函数( 2 4 ) 式“。 j _ m i n ( s 。一s ( 2 4 ) j - 1 式中：n 一实测值总数； s 一支护结构上测点i 的位移计算值( m ) ； s