（岩土工程专业论文）南京地区基坑工程的环境效应分析初步研究.pdf

摘盟 摘要 随着高展建筑和地下工程的大艇涌现，基坑工程越来越多，基坑工程的环境效应问题已 成为澎翻鏊翡热点强莲之一。本文在总缕莲坟王程研究戒栗靛基疆土，络台亵裘地区鹣遗 质情况，对基坑工程的环境效应问蹶以及基坑的士雁力计算方法进行了探讨。主要内容如f ： f 1 ) 磅究了南京辘区工程遣霞条锌特熹疆及基圭竟工羁静臻袄，分耨了辩豪建漱备静爨警 基坑的变形模式以及环境效应的特点，并提出处理环境效廊的对策。 ( 2 ) 磺究深基坑拜挖；| 熬周嚣琏罄位移场移动棍理、影响强素帮计算方法，建立基坑开 挖的有限元模型，编制了分析基坑于f 挖位移场性状的二维有限元程序，土体可以采用线弹性 本秘模壅和弹塑性的d - p 本构模鹜，在与结构接触嚣主采用g o o d m a n 擎元，在并挖方式上 模拟基坑的分步和分块开挖。利用编制的有限元程序分析越坑在分部开挖过程中周围环境位 移场的变化情况和髋律，讨论了基琉本身的尼俺与物理力擘指标及歼挖方式等因索对位移场 的影响，这媳因素包括：支撑刚度、围护结构的刚度、基坑的深度、基坑的宽度、下卧层土 体的弹性穰蹩等优化基琥设计方案，提i i j 有益的建议。 ( 3 ) 为了模拟基坑开挖过程的蜜际应力路径的情况研究土体在竖向卸载状态下的强度 变化规律的问题，进行卸载应力路径室内试验并岛常规菠剪试验结果作阮较。利用直剪试 验，在相同的固结鹰力下卸载，并在不同的卸载压力下剪切，结果是卸载状态f 的f 一盯关 系不再是线性关系。同时还对卸载后滞留不同时间进行了抉剪试骏，用来模拟基坑开挖后强 度与暴露时间的关系，研究应力松弛对土体强度的影响。 ( 4 ) 对作用在基坑支护结构上的土压力的计算方法做些探讨和改进，在考虑土与结构 豹棚互作用的基础上，剥用s i g m o i d 函数来描述作用于挡墙上压力与墙体位移的相甄关 系，提出考虑位移效应的土压力计算公式，把该方法应用到改进的弹性地基梁法中，用来计 算 撮照状态下鳇压力。 ( 5 ) 结含地铁南京站基坑支护工程现场监测工作，采用改进的考虑位移效应土压力的计 算方法，对麓撬支护筵穆遗蠢了变形和蠖力诗舞，共与实测数撰进行比较。根据现场赛测 数据对周围环境问题作了评价与分析，优化支撑施工方案，实现信息化溅工，总结出合理的 薤王方案莠楗邀了保护周灏建筑尚遣下罄线豹对繁靼方法t 为城夺豹涤基坑工程提供偻撩和 参考。 关键词：深基坑歼挖有限单元法信意化施= c 环境散应 垄里查兰堡点堂竺婆墨 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i d d e v e l o p m e n t o ft h et a l l b u i l d i n g a n d u n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g t h e e n v i r o n m e n t a lp r o b l e m o f d e e p e x c a v a t i o nh a sb e c o m eo n eo f t h e c h a l l e n g et o p i c si ng e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n g f i e l di nr e c e n ty e a r s b a s e do nt h es u m m a r yo f h er e s u l t so f d e e pe x c a v a t i o nr e s e a r c h a n dt h e g e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fn a n j i n g ，t h ee n v i r o n m e n t a le f f e c t sa n de a r t h p r e s s u r e c a l c u l a t i o nm e t h o do fd e e pe x c a v a t i u nh a v eb e e nd i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h em a i nc o n t e n ta r e l i s t e db e l o w ： ( ) t h eg e n e r a lg e o l o g i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dt y p i c a ld e e pe x c a v a t i o n si nn a n j i n ga r es t u d i e d a n dt h ed e f o r m a t i u nm o d e l so fd e e pe x c a v a t i o nj nd i f i e r e n t g e o l o g i c a ls i t u a t i o n a n dt h e i r c h a r a c t e r i s t i c so fe n v i r o n m e n t a le f f e c ta r ea n a l y z e d ，a c c o r d i n g l yt h em e t h o dd e a l i n gw i t ht h e e n v i r o n m e n t a le f f e c t sa r ep u tf o r w a r d 稼) t h o 如f 0 1 t u a t i o nm e c h a n i s m ，l n f l u e n c ef a c t o r sa n dc o m p u t a t i o nm e 氇o d so ft h e d i s p l a c e m e n tf i e l d c a u s e d b ye x c a v a t i o n a r e a n a l y z e d t h e r e f o r et h ef e mm o d e lo fd e e p e x c a v a t i o nl sf o u n d e d ，a2 - df e mp r o g r a mi s p r o g r a m m e dt oa r i a l 3 z et h eb e h a v i o r so f d i s p l a c e m e n tf i e l do f g r o u n dd u r i n ge x c a v a t i o n i nt h i sp r o g r a mt h es o i lc a nb ea n a l y z e db yl i n e a r e l a s t i ca n de l a s t o - p l a s t i cd pc o n s t i t u t i v em o d e la n dt h eg o o d m a ne l e m e n tl s a d o p t e do nt h e i n t e r f a c eo ft h es o i ja n ds t r u c t u r e t h ep r o g r a mc a r ls i m u l a t et h es t a g e dc o n s t r u c t i o na n d c o n s t r u c t i o n w a y so f d i g g i n gs t e pb ys t e p w i t h t h ep r o g r a m t h ev a r i a t i o n t a wo f t h ed i s p l a c e m e n t f i e l da r o u n dt h ep i ti sa n a l y z e d t h ei n f l u e n e e so fm a n yf a c t o r so i lt h ed i s p l a c e m e n tf i e l da r e d i s c u s s e ds u c ha st h eg e o m e t r i ca n dm e c h a n i c a ii n d e xa n dw a y so fc o n s t r u c t i o n t h e s ef a c t o r s i n c l u d es t i f f n e s so f r e t a i n i n gw a l la n ds t r u t ，e x c a v a t i o nw i d t h a n dd e p t h ，a n dt h ee l a s t i cm o d u l u s o f s u bl a y e r se t c ， ( 3 ) i no r d e rt os i m u l a t et h er e a ls t r e s sp a t hd u r i n gd e e pe x c a v a t i o na n ds 抛d y v a r i a t i o nl a wo f s o l is t r e n g t hu n d e re r e c t e du n l o a d e dc o n d i t i o n 1 曲o r a t o r yt e s t sa r ec o m p l e t e d t h et e s tr e s u l t sa r e c o m p a r e dw i t ht h en o r t h a ls h e a r i n gt e s t i nt h ed i r e c ts h e a rt e s t st h es p e c i m e na r ec o n s o l i d a t e d u n d e rt h es a m ep r e s s u r ea n dt h e ns h e a r e du n d e rd i f i e r e n tp r e s s u r e i ti sf o u n dt h a tt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e ns h e a rs t r e n g t ha n dn o n l l a ls t r e s si sn o n l i n e a r a tt h es a m et i m e 。i no r d e rt os i m u l a t et h e s h e a rs t r e s sr e l a x a t i o no fs o i lw h i c hi su n c o v e r e df o fa l o n gt i m ea f t e re x c a v a t i o n ，t h ef a s ts p e e d s h e a r i n g t e s to f s t a t i n gf o rd i f f e r e n tt i m ea l t e ru n l o a d i n gi sc o n d u c t e d ( 霹) c o m p u t a t i o nm e t h o d so f # e a r t hp r e s s u r ea c t i n go i l t h es t r u to fd e e pe x c a v a t i o ni s d i s c u s s e da n di m p r o v e d + c o n s i d e r i n gf o rt h ei n t e r a c t i o no ft h es o i la n ds t r u c t u r e ，t h es i g m o i d f u n c t i o ni sa d o p t e dt os i m u l a t et h er e l a t i o n s h i po f t h ee a r t hp r e s s u r ea n dd i s p l a c e m e n to f r e t a i n i n g w a l l t h ec a l c u l a t i o nf o r m u l ao fe a n hp r e s s u r ec o n s i d e r i n gf o rt h ee f f e c t so fd i s p l a c e m e n th a s b e e np u tf o r w a r d ，i t ；sa p p l i e di nt h em e t h o do fe l a s t i cf o u n d a t i o nb e a mt oc a l c u l a t et h ee a r t h p r e s s u r eu n d e r u n l i m i t e dc o n d i t i o n ， ( 5 ) a c c o r d i n g t ot h es u r v e y i n gd a t ao f s u b w a ya tn 删i n gs t a t i o nd e e pe x c a v a t i o np r o j e c t ，t h e m o d i f i e dm e t h o do fe l a s t i cf o u n d a t l o nb e a mi sa d o p t e dt oc a l c u l a t et h ed e f o r m a t i o na n de a r t h p r e s s u r eo f t h es t r u to f d e e pe x c a v a t i o n t h er e s u l t sa r ec o m p a r e d w i t ht h ed a t ac o l l e c t e di nt h e f i e l d b a s e do nt h ed a t ai ns i t et h ee n v i r o n m e n tp r o b l e mi se v a l u a t e da n da n a t y z e dw h i c hc a n o p t i m i z et h ec o n s t r u c t i o nm e t h o d s t or e a l i z ei n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o n s or e a s o n a b l ec o n s t r u c t i o n m e t h o d sms u m m a r i z e d ，强em e t h o d sp r o t e c t i n gt h ea r o u n db u i l d i n g s ，u n d e r g r o u n dp i p e sa n d c a b l e sc a nb er e f e r e n e e db yt h es i m i l a rd e e pe x c a v a t i o nj nn a n j i n g k e y w o r d ：d e e p e x c a v a t i o n , f i n i t ee l e m e n tm e t h o d , i n f o r m a t i o nc o n s t r u e f i o n ，e n v i r o n m e n t a l e f f e c t u 学位论文独创1 i 生声明 本人声明所呈交的学位沦文足我个人在导师指导下进行的= | i _ h 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人学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材祠。与我一同t 洚的同志列本研究所做的任何贡献均 已在论文- 1 】1 - 了明确的说明并表示了谢意。 签名：邋日期：逊f 扩 关于学位论文使用授权的说明 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一致。除在保密期 j 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。 签名 绪论 0 1 研究目的和意义 绪论 随着高层和超高层建筑的发展，以及地铁、地下隧道、地下商场和地下车库等各类地f l 程人量涌现，地下室层数与基坑开挖深度都有增多的趋势，同时，深基坑开挖又往往发生 在商业繁华区，场地局限，临近建筑、道路和地下设施密集，经常会引起工程问题，对周同 环境产生影响。因此深基坑开挖支护研究引起了各方面的重视。 深基坑工程研究包括支护结构的设计理论、监测技术和信息化施工等内容，是一项复杂 的系统工程。支护结构的设计是保证整个深基坑工程顺利进行的关键，而选取的设计参数是 否切合工程的实际情况，又是重中之重。近年来我国深基坑工程事故时有发生，不但延误了 工期，而且造成巨大的人员和财产损失，引起了国内外学者的广泛关注。 深基坑工程存在的问题主要有：支护结构变形及稳定性、基坑整体稳定及坑底隆起和 地面变形( 即环境问题) 。事故的发生也主要由这三个方面所引起，表现形式主要有：支护 体系崩溃、坑壁大面积滑坡：支护结构严重倾斜、水平位移过大：支护结构和被支护士体己 达破坏极限状态：基坑周边的交通道路、地下管网设施变位、开裂和塌陷；周边土体变形过 大；邻近建筑物、构筑物开裂甚至倒塌；锚杆抗拉拔失效：流砂、管涌造成工程破坏；承受 水头压力的防水结构发生超过允许的渗漏；基坑回弹、隆起过大等。其中支护结构的变形与 稳定性对工程的安全影响最直接，事故发生率也最高，通过对近年来国内倒塌或出现较大事 故的6 5 个深基坑工程实例分析，直接因土压力计算不当使支护结构产生较大变形的占 1 5 4 ，锚杆及内支撑失效占1 0 7 ，降水不当占l o 7 ，整体失稳、坑底隆起仅占6 1 t 环境破坏占9 ，2 ，其它原因占4 7 9 。因此，支护结构的变形、稳定问题解决不当是当前 支护失效频率居高不下的一个主要原因。所以，如何正确反映深基坑开挖过程中作用在不同 支护结构上的水、土压力，并由此引起的支护结构体的受力和变形( 包括由此引起的环境问 题) 仍然是目前深基坑研究的重要问题。 o 2 基坑工程研究现状 基坑开挖是基础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士 工程问题，既涉及土力学中典型的强度与稳定问题，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。对这些问题的认识及其对策的研究，是随着土力学理论、计算技术、 测试仪器以及施工机械、施工工艺的进步而逐步完善的。 最早提出计算方法的是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力法，这一理论一直沿用至今，只不过有了许多改进和修正a5 0 年代a j e r m m 和e i d e 给出了分析深基坑底板隆起方法。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“1 。 基坑支护设计计算方法大致可分为三类：第一类是常规设计方法( 静力平衡法) ；第二 类称为弹性抗力法；第三类是有限元方法。 常规设计方法是最常用的方法其要点是在选择一定的入土深度以满足整体稳定、抗隆 起和抗渗要求的前题下。用经典士力学理论计算主动土压力和被动土压力，计算柔性挡墙( 悬 臂式或有支锚结构) 的内力，对墙身和支锚结构进行设计。这种方法对于普通挡土墙或开挖 深度不深的钢板桩是比较成熟的。但对深基坑，特别是软土中的深基坑支护结构设计该法 就难以考虑更为复杂的条件，难以分析支护结构的整体性状。例如支护结构与周围环境的相 查堕查兰堡圭兰些堡兰 互作j = j ，墙体变形对侧压力的影响，支锚结构设置过程中墙体结构内力平位移的变化，内侧 坑底土加固或坑内、外降水对支护结构内力和位移的影响，压项圈梁的作用与设计，复合式 结构的受力分析等等，这些问题往往成为控制支护结构性状的主要因素。 弹性抗力法针对常规方法中挡墙内侧被动土压力计算中的问题提出了改进。其概念是由 于挡墙位移有控制要求，内侧不可能达到完全的被动状态，实际上仍处在弹性抗力阶段，因 此，引用承受水平荷载桩的横向抗力概念，将外侧主动土压力作为施加在墙体上的水平荷载， 用弹性地基梁的方法计算挡墙的变形与内力，土对墙体的水平向支撑用弹性抗力系数来模 拟，支锚结构也用弹簧模拟。这种方法可以视为对常规方法的改进，但它仍没有解决前一种 方法的其余问韪。计算与实际符合与否取决于基床系数的选取，通常用m 法计算，即基床 系数r 随深度比例增长，比例系数为m 。 有限元方法提供了一种较为合理的设计计算方法，它可以从整体上分析支护结构及周围 土体的应力与位移性状，且可进行动态模拟计算。从原理上说，常规方法存在的问题在有限 元方法中都可不同程度地得到解决。除了数值分析方法本身的问题以外，用有限元方法的关 键是正确选用计算模型和设计参数；另一个需要研究的问题是安全系数的定义及如何与常规 设计的安全系数相匹配。如果后一个问题不解决，有限元方法仍然只停留在辅助手段的水平 上而不能成为一种可供应用的工程设计方法。 常规设计方法仍然是目前支护结构设计的主要方法，但需对它存在的问题加以研究改 进，发展有限元方法使之实用化、系统化，成为支护结构计算机辅助设计软件，供设计与施 工管理采用。目前国内外围护结构的计算方法如表0 1 所示。 表0 - 1 深基坑工程支护结构计算理论 类别计算理论及方法基本假定计算方法 土压力已知等值粱法 l 古典的方法不考虑墙体变形二分之一分割法 不考虑支撑变形太沙基法 土压力己知 横捧轴力墙体、山肩邦男法 2 不考虑墙体变形 弯矩不变化的方法弹性法 考虑支撑变形 土压力已知日本建筑结构基础设 横捧轴力墙体、 3 考虑墙体变形计规范的弹塑性法 弯矩变化的方法 考虑支撑变形有限单元法 土压力随墙体变位而变化 森重龙马法 4 共同变形理论不考虑墙体变形 杆系有限单元法 不考虑支撑变形 考虑非线性介质土体 考虑墙体变形考虑分部开挖的非线性连续 5 非线性变形理论 考虑支撑变形介质有限单元法 考虑施工分部开挖 2 绪论 o 2 1 基坑工程环境效应研究现状 渫基坑开挖不仅罄保涯基坑本身的安全与稳定，两且骥寿效控制基坑周姻地层移动以保 护周围环境。尤其是在地基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、公共改施、道路、铁路、管线、机器设备簿的正 常傻蠲，甚至危及其安全。基坑殍挖对雳溺环境掰带来斡影响或熬害就是环境效应。 从j 。义上讲，基坑开挖不双包捶搜穆对周围环境的影响，还应包撼啭音、振动帮j 其它污 染的影响，本文所指环境效应是指位移对周围环境的影响。 1 基坑变形现象 基坑的变形是由于基坑内土体的掩除打破了原来的平衡所造成的，其变形可以分为再f 护 结构变形、基坑底部的隆起和墒围区域圭l | 表的沉降与水平位移三部分。基坑的典型变形形状 如图o 一1 辑示。 、q 幺砭基生幺j 多 u ( 嬲景至。勰影b ) 图o l 基坑交形形状 ( 1 ) 爨护结构熬变缮 土体开挖赠，围护结构在背部土压力的作用下，将产生水平位移，未设置支撑前的水平 变位怒上太下小的，设簧支撵并继续开挖盾，两往围护缩构将产生向坑内的三角形位移袋平 行的鞠体位移，磊鬃性疆护结构一般产生疆部淘坑内突出熬移动。 ( 2 ) 基境底郝的隆起 在开挖深度不犬时，基坑底产生中部大两边小的弹性隆起，当开挽达到一定深度时，基 坑开始出现塑性隆起，最大隆起位置向两边移动，低对予狭窜的纂坑最大隆起位置街将在基 撬中部。 ( 3 ) 地袭沉降与水平位移 长期工程实践发现：地表沉降主骚有两种分布形式，三角形和凹糟形。如瞬0 - - 2 所示。 圈( a ) 的情况主要发生在悬臂式围护结构；囤( b ) 发生在地层较软弱而髓墙体的入深度 不大辩，墙赢娃显示春较太浆承平位移，紧靠壤髂豹地表出现较大撬降；圈( c ) 、( d ) 则 主要发生在有良好的支撑，璇且围护结构插入较好土层戏固护结构足够长时，这时她表最大 沉降点离基坑边有定距离。 在基坑开挖过程中周围地表不仅鼙茇生沉降，黼时述俸醚着承平位移，而藏这种东平位 移的丈枣陡基垸透弱距离不阑露年羁，这藏傻锝其髑围豹保护对象可# g 受到出平拉 枣或压缩 作用，从丽产生不利影响。 东南夫学硕士学位论j i 【= 1 f 一一，习| 孓二。 川 川，f l ， 一 )7 ； ，j h j ! ， ， ：t 、t 一一， r ( 磅( c )( d ) 强o 一2 綦坑变形援式图 2 佶算基坑变形翻方法 掇撂嚣太研究成果熬惑结，可以番出嚣募基坑变形量她方法大致有三静，g p 经验方法、 试验方法和数值分析方法。 ( 1 ) 经验方法 在倍箨遗表沉降的所有方法中最有影旃静是p e e k 提出静经验越线，翔蛋0 3 掰示，羯 归一睨圈描述了挡壤饕后发生鲍沉降沿横向分毒的范嘲，可以得到沉降的数量级和沉降分布 曲线。该曲线认为沉降大小主要受地区条件的控制，考虑因素简单，沉群的曲线宽度可作为 工程参考。 对于阉o 一2 ( a ) 、( b ) 情揽，胃采嬲p e c k 逸寝沉洚与距离荚系霉进行话舞。麸鼙g 一3 霹番出p e c k 认为牙挖 起始她褒沉踌影昀范疆在4 倍弦挖深度融内。 _ | 蜷 罐 距挡墙距离 最大开挖深度 圈一3 遣袭淀降与嚣挖深度鹣关系 p e c k p l 认为纂坑开挖 i 起酌焉辫氇袭沉降是多种阁素综台作餍的结聚，这些瓣素懿括圭 熬蛙质、毋挖澡度、瓣积、匿护形式及溅工工艺秘质爨等，这其中还有一些偶然因素，使得 通过室内模型试验或理论计算来估钡4 地袭情况变得很滩。图0 - - 3 兵是相对垒面的考虑了以 上备因素，在具体工程中还应当结合具体情况来灵活应用，才能得到褶对襁确的结栗。 夏萌罐介绣了秘本的一种经验方法，它是建立在p e c k 滋降翳基继土的，对它作了修 正，绘滋了计算地表沉降燕的经验公式； 地袭沉降：艿= l o x k ，口h ( 姗) 4 一 一 j 一 ， 一 yt 缝避 式中：彤，修正系数，对于壁式嗣护墙k = 0 3 ，托列式嗣护墙k i2 0 7 ， 板墙k = 10 碍基坑开挖深发( m ) d 地袤鑫冬沉醛量与鏊坑拜挖深皮之浅，醢( ) 表示 根据0 u c y 等人的硪究，汗挖日l 起的地袭沉降有两种类型：抛物线删和三角型t 如幽 0 - - 4 所示，取决于挡土墙的变形大小及形式，沉降的影响范围为4 - - 5 倍的基坑开挖深度， 在距汗挖区i 倍捎土墙开挖深度范围内为主要影响区，在距开挖区1 2 倍的挡土墙深度范 溺肉为次璎影响医。 ，+ 抛韵线型 图o 一4 地震沉降类型 鑫本道路溉藏l 给出墙律铡囱霞咎与连表流酶之阂舱经验关系式，菇图0 - - 5 掰录，该 法假定基坑厨围地表演降曲线围成的嚣积与墙体侧移庚围或的戳积棚等，可掇据土压力计算 出的墙体侧移来预估地表沉降n 螽 降 藿0 - - 5 墙体铡翔位移与她表沉拜之淹的经骏关系 颓饶鲁等秘簌萋坑抗淹起安全系数爨发，错蹬最大戆嚣沉降s 一臻下式表达： s 。产86 。 式中，占。为支护结构最大变形；口是与抗隆起嶷全系数有关的系数，当胗1 5 时 一舣粘性土：a = o 3 0 5 ：软弱土层：a 2 0 5 1 1 5 东南人学硕上学位论文 候学渊等口】从有限元分析方法着手，假定地表沉降曲线与支护墙侧移曲线形状相似，提 出了两种沉降模式，即三角形模式和抛物线模式，前者适用于悬臂式支护，后者适用于有撑 锚支护。行导出了地面沉降的表达式，但由丁计算式繁琐，不太实用。 地面沉降范围的估算公式： 在实际1 程中，不仅仅要知道最火地面沉降，还耍知道地面沉降的影响范围以及离基坑 边缘不同距离及离地面不同深度处的沉降值。 一般认为，地面沉降影响范围工可表示为+ 的内摩擦角和开挖深度或支护桩民 功，的晒数。如候学渊提山：x = h p t g ( 4 5 0 一罢) ； 4 r 1 3 文献 1 0 给出计算公式：x = 1 5 h p t g l ( 4 5 。一詈) i l 2j 这些公式都是半经验、半理论，考虑因素较少。尤其是一些重要的参数，如土的性质、 挡墙刚度( 或不同的支护结构型式) 等未能在公式中体现出来，因而影响了公式的推广使用。 ( 2 ) 试验方法 在对基坑开挖引起的位移场的研究中广泛应用的试验方法主要有两种：模型试验和原位 试验。 b r a n s b y i ”1 利用模型试验方法研究了砂土中板桩的受力和变形特性，同时模拟了不同的 土性及土与板桩之间相互作用。 离心模型试验方法是研究基坑开挖问题的有效方法，最近几年来在国内取得了广泛的应 用。夏明耀、张师德、陈永福等人均用该方法进行了研究，模拟了土的性状、结构性及重力 场等因素对开挖性状的影响。 与模型试验方法相比，原位试验可以克服尺寸效应等因素对实验结构的不利影响，但其 成本相对较高，试验周期长，难度大，易受各种难预料因素的干扰，但是它提供的结果一般 是可信的。 ( 3 ) 数值分析方法 在深基坑开挖性状的理论研究中，6 0 年代末引进了数值分析技术。近年来，这一方法 的应用越来越广泛，这主要是由于数值分析技术特别是有限元法，能够模拟土与结构的复杂 力学性质，考虑基坑土体与围护结构的相互作用，模拟基坑开挖的施工顺序以及进行固结分 析等，据此可以得出一些有益的、定性的结论，对全面了解基坑开挖过程中土与结构的应力 和位移分布，起到了很大作用。 c h a n 2 和d u n c a n 1 2 1 将有限元法用于边坡开挖的稳定性分析，通过现场实测资料和有限 元分析结果的比较，认为边坡开挖的性状可以很好地用有限元预测。 c l o u 曲和h a n s a n i t 3 1 利用有限元法分析了土层各向异性对土体、墙体位移分布的影响， 结果显示：若考虑土体各向异性的影响，则计算出的墙体位移和地表沉降会显著地增加，破 坏区域也会显著地增大。指出土层各向异性对设计的安全度，土体、墙体位移以及土压力分 布的影响在设计中必须予以充分考虑。 d m p o t t s 等针对传统的极限平衡理论进行挡墙设计时，无法考虑支撑类型的缺点， 用有限元法分析3 n 种支撑形式( 5 i 端内支撑和锚杆) 的受力和变形特征。研究表明，采用 极限平衡理论设计挡墙尽管给了一定的安全系数，但并不能严格限制挡墙及土层变形在可 接受的范围内。 y a n “l e e 等、陈永福i 、刘国彬1 1 7 增都用t 3 l o t 固结理论对基坑的开挖过程用有限 元进行了数值模拟。 6 绪论 有限元法可以分析许多因素的共同作用，也可以处理非常复杂的边界条什，适应性很强， 它的主要困难在于选用恰当的本构模型和计算参数。 常用于深基坑开挖分析的十体本构模型主要有几种，如m o h r c o u l o m b 准则的线弹性模 型和非线性b r i c k 模型i ”l 、邓肯一张双曲线模型、修正剑桥模型1 2 0 1 等。深基坑开挖中，十 体有其独特的应力一应变关系，许多学者针对这一特点及具体深开挖_ 1 = 程条件提山或引心了 不同的计算模型。如较早开展深基坑土体非线性研究的m u r p h y 川，用非线性准弹性模型模 拟带状粘十- 在不排水条件f 的开挖性状。 文献 2 2 采用m 1 卜e 3 有效应力模型结合d r u c k e r - p r a g e r 公式及不相关联的流动法则 假定弹性模量和体积模量与平均有效侧压力成正比，以便考虑土的性质随深度的变化。该模 型可考虑应力一应变及强度的各向异性。经研究表明，对超固结土层的深开挖，用此模型效 果较好。其他学者也曾用它对b o s t o n 粘土( 种超固结土) 进行计算模拟。j a r d i n e 等”通 过野外及室内试验研究，提出一种类似于邓肯一张双曲线模型的土体本构关系，采用完全塑 性的t r e s c a 破坏准则。但它仪是经验性的，不能反映土体的弹塑性、非线性、剪胀性等， 且用于开挖分析的效果很不理想。 文献 2 4 建议采用邓肯一张双曲线模型和m o h r c o l u m b 破坏准则，该模型应用于土体 数值分析已很成熟，实践中积累了不少经验，模型中有关参数可由常规三轴试验求得。 c h a n g y uo u 等口5 1 通过对大量实例分析认为，粘土可用修正剑桥模型，而砂土则宜采用 邓旨一张双曲线模型，不同土层可采用不同的模型。 对硬粘土开挖问题的研究，文献 2 6 3 采用两种本构模型即：m o h r - c o l u m b 准测的线弹性 模型和非线性b r i c k 模型。 0 2 2 应力路径 在深基坑开挖过程中土体各区域应力路径是不同的。因此结合几种主要的应力路径 做适量的室内试验，以模拟现场施工条件是必要的。 曾国熙等人2 7 i 在对土体应力路径的研究过程中，将开挖区分为两部分，分别用一种典 型的应力路径表示。把饱和软粘土的应力一应变曲线，按固结应力进行归一化，建立了模量 方程。 张鸿儒口8 1 用主应力比来定义应力路径，并根据k 值与开挖深度的关系，将深基坑分成 四个应力路径区。根据室内三轴试验，建立了应力路径对修正剑桥模型两个强度参数村和 尸r 的影响关系。 b j e r r u m l 2 9 1 l ：ll a d d t 3 0 l 推荐了考虑挖方的受荷历史的土工试验和数据整理方法；l a m b e l 3 i j 和h e n k l e l 3 2 1 描述了被挖方支撑挡墙所挡住的和在挖方支撑挡墙前面的土单元所遵循的应力 路径：t s u i i ”】阐述了用预加荷载挡墙体系支撵的土的应力路径。 o 2 3 土压力随位移的变化规律研究 土压力及其分布形状不仅与土质有关，在相当程度上，取决于支护结构的类型和支护墙 体的变位状况。不同的支护结构和墙体变位，对应于不同大小及不同分布形状的土压力。而 目前土压力的计算理论很不可靠，计算方法也不统一。 常规设计方法( 如朗肯一库仑主动及被动土压力、静止土压力、太沙基佩克理论、日 本铃木法、g b j 7 8 9 规范等) 均不能考虑土压力位移的协调关系。 弹性抗力法以较粗糙的形式来反映这种协调关系，即： 主动区：p f 尸。一足y p 。 被动区：n = p 矿j “y 7 东南大学硕十学位论文 式中，p 。和p 为计算点的主动区与被动区的土压力强度( n c m 2 ) ； n 为计算点的静止土压力强度( n c m 2 ) ； p 。为计算点的朗肯主动土压力强度( n c m 2 ) ： k 为地基反力系数( n c m 3 ) ： ，为计算点的墙体位移( c m ) 。 有限元法可以较全面地反映土压力随位移的变化规律，但有限元法很不直观也不实用。 鉴于以上原因，许多学者对土压力随位移变化规律进行了广泛的研究，主要可分为三大 类：模型试验、t 程实测和理论探讨。 1 模型试验p ” 由于土压力变化规律的研究是以刚性挡土墙的研究开始的，且其研究成果可借鉴用于支 护结构设计。y - 在二十世纪三十年代，太沙基”就对刚性挡土墙六种不同变位方式下的土压 力分布作了定性研究，表明： ( 1 ) 墙板绕上端向外移动时，呈抛物线型； ( 2 ) 两端固定，中央向外鼓出时，呈马鞍型( r 型) ； ( 3 ) 向外平移，呈抛物线型： ( 4 ) 绕下端转动，呈三角型； ( 5 ) 墙体不动，为静= 土压力； ( 6 ) 向墙外平移，为被动土压力。 y s f a n d 。6 1 研究了砂性土填料的墙体在三种基本变位形式( 绕墙底转动、绕墙顶转动以 及平移) 下的主动侧土压力分布，认为三种情况下的土压力分布形状及大小均不相同，同时 还得出以下研究成果： ( 1 ) 不同密度砂的土压力位移关系曲线； ( 2 ) 不同位移状态及不同位移大小的侧压力系数及总土压力作用点位置。 通过分析发现：主动侧土压力的分布是非线性的，并非经典土力学理论假定的线性分布。 平移时土压力呈抛物线状，与太沙基的结论基本一致，但墙底土压力很复杂。随着转角的增 大，土压力减小，上部减小的快，而墙底减小的慢，很难达主动状态。绕墙顶转动时，砂土 拱效应很明显，随转角增大，逐渐趋于主动状态，但这仅是在墙高的1 4 1 2 范围内。 文献 3 7 】对粘性填土的主动侧土压力随墙体位移变化规律作了研究，并与砂土比较，发 现其规律性与后者基本一致。 顾慰慈1 等从挡墙后滑裂体形状的试验进行土压力分布规律研究，结论与太沙基等 人的结论基本一致。 y s f a n g 3 9 研究了墙体在两种转动状态( 绕墙底转动、绕墙顶转动) 下的被动侧土抗力 的分布规律。认为；绕墙底转动时被动土压力明显小于朗肯一库仑被动土压力，比太沙基的 理论值也小。作用点大致距离墙底o 1 8 处，为墙高度：而绕墙顶转动时土压力呈明显的 非线性，且墙体中部被动土压力较大总被动土压力随位移增大而增大。 b r o s l 4 ”和j a f f l e s l 4 1 1 除研究了上述三种典型的墙体变位形式下的被动侧土压力变化规律 外，还对绕墙底以下某一点及绕墙顶以上某一点转动情形作了分析研究。表明：被动侧土压 力也明显受位移大小的影响。尤其是位移较大时与太沙基理论相差甚远。 h o 和r o w e 4 2 的离心模型试验表明，土压力基本在朗肯主动土压力附近，随位移变化 不大。 8 绪论 基坑支护结构土压力分布比刚性挡墙的要复杂得多。何颐华等【4 ”对粘性土和砂土两种 填料的悬臂式挡土桩进行模型试验。研究表明：开挖后，桩后( 主动侧) 十压力随开挖深度 及桩体位移的增加而减小，且小于朗旨主动土压力。靠近桩顶处土压力减小的幅度最大，当 桩体位移达一定程度时可接近于零。随开挖深度及位移的进一步加大土压力接近零的范 围也随之向下扩展。被动侧土压力也不同于朗肯被动十压力。随挖深的增大，桩底部土抗力 有减小的趋势。 金鸣等1 4 4 】用天津软土进行了支护结构模型试验研究。研究表明：悬臂式挡土桩的土压 力呈三角形分布，且接近静止_ 十压力。而有支撑支护结构二l 压力分布和人小均与支撑位置有 关，土压力呈曲线分布。单撑时，最大土压力在支撑下某一位置，土压力量折线分布。多撑 时，最_ 人士压力出现在第二道支撑处其值为0 , 4y h ( r 为容重，h 为墙高) 。对于刚度人 的连续墙，土压力呈矩形分布，土压力一般为0 3r 。 周顺华等4 5 1 采用离心模型试验研究水泥搅拌桩与灌注桩复合围护结构的极限破坏性 状，同时对这种复合式围护结构进行静力模型试验，以观测水泥土与灌注桩的承载分担情况。 结果表明：水泥土与灌注桩结构可以作为复合式的基坑围护结构，共同承担开挖荷载的作_ j ， 且在一定的开挖深度范围内，水泥土先发挥其挡土作用，承受更多的初期开挖荷载。 2 工程实测 何颐华等h 6 1 对北京、上海、杭州、深圳等地的十几个悬臂式工程实例进行现场实测， 表明主动区土压力仅为朗肯主动土压力的1 ，3 1 2 。土抗力也仅为被动土压力的1 2 - 钢筋的 麻力也仅发挥不到设计值的一半。测试结果与其模型试验结论基本一致。 欧章煜、廖瑞堂1 4 7 1 对台北一海相沉积的软粘土基坑开挖进行孔压测试。结果表明，随 着开挖深度增加及支护结构位移增大，孔隙水压力逐渐减小，开挖完毕后仅为静水压力的 l 3 1 ，2 ，与上海隧道公司【4 8 1 对上海软粘土测试所得结论一致。后者的平均水压力不足静水 压力的l ，3 ，不到整个侧压力的2 0 。而o r o u r k e l 4 9 】的b o r o n 软粘土水压力观测值仅比静 水压力稍小一些。 柔性挡墙墙背土压力的分布则更复杂，很难用简单的公式来描述。柔性墙各点位移的大 小和方向不完全相同，墙侧土体所处的状态与侧压力的大小也会不同当开挖深度变化时， 同一点的土压力也会发生变化，甚至会发生从主动到被动状态的变化。 3 理论探讨 陈书申s 0 1 对经典土压力理论作了一些修正，以考虑小变位支护结构的土压力。文献 5 1 则用变分法对土压力计算式重新推导。z h o u i ”1 和c h i n g i s 3 1 用变侧压力系数法，确定土压力随 位移的变化规律。 徐炳锋【5 ”根据森重龙马的共同变形理论，并假定墙体变位由上而下逐渐减小，对主动 和被动土压力作了修正。但由于共同变形理论认为土体位移与土压力( 或土抗力) 呈正比，这 与土的实际变形不符。况且土的侧向抗力系数也较难确定。c h a n g i s s l 用离散元法，o l i p h a n t ” 用模糊判别法，h a z a r i k a ! ”1 用剪切破坏带理论，对土压力的变化规律作了研究a 0 3 本文的主要工作 在总结前人研究成果的基础上，本文主要做了以下几方面的工作： i 结合南京地区的地质情况，简述该地区基坑工程的现状，对基坑开挖引起的环境问题 作了分析，介绍南京地区各类基坑工程的变形特征以及环境效应特点，并提出了相应的对策。 9 东南大学硕士学位论文 2 对基坑工程的卸载效应作了研究，为探讨竖向卸载状态f 土体强度变化特性，进行竖 向单向卸载的固结直剪试验，并与常规加载状态下的强度指标进行比较。同时进行了卸停不 同时间后的土体卸载直剪试验，得出不同