（岩土工程专业论文）基坑工程设计与施工阶段若干问题探讨.pdf

摘要 摘要 本文先从设计阶段探讨基坑工程中有关方案选择与优化、土压力计算和环境 效应等问题。基坑方案选择是一个多目标决策活动，分为确定决策目标、拟定各 选方案和方案选择三个步骤，本文应用模糊数学决策理论进行方案选择；在确定 设计变量、目标函数、约束条件的基础上，建立数学模型，应用遗传进化算法进 行基坑方案的优化；根据基坑围护结构土压力与变形的相互关系，建立考虑变形 影响的土压力非线性计算模型，对水土压力合算与分算的概念和应用条件进行分 析与评价；基坑环境效应主要影响因素分为基坑降水和围护结构变形两方面，由 于围护结构变形计算理论尚不成熟，本文引入概念设计的理念及其措施研究解决 环境效应问题。 其次，本文从实施阶段探讨基坑工程中有关土方开挖、监测和应急措施等问 题。根据软土流变性分析基坑开挖变形特性，应用时空效应原理控制基坑稳定和 变形；明确监测工作在基坑工程实施阶段的必要性、重要性，把握重点，因地制 宜确定监测内容、时间、频率和预警值；应急措施是基坑工程实施阶段的一项重 要内容，应根据基坑工程可能出现的事故性质和原因进行事先确定；基坑工程不 确定因素众多，天然沉积形成的地质条件及其环境条件的模糊化、基坑工程设计 的预测性、实施阶段气候条件的变化，以及多单位合作共事组织协调管理的复杂 性，决定了基坑工程实施阶段动态管理的必然性和重要性，论文通过调查研究和 实例对此进行讨论。 关键词：基坑工程，方案选择，环境效应，土压力，围护设计，基坑稳定，基坑 变形，时空效应，基坑监测，动态管理 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i st h e s i sd i s c u s s e st h es c h e m es e l e c t i o na n do p t i m i z a t i o n ，c a l c u l a t i o no fe a r t h p r e s s u r ea n de n v i r o n m e n t a li n f l u e n c eo ff o u n d a t i o np i t t h es e l e c t i o no ff o u n d a t i o n p i te x c a v a t i o ns c h e m ei sam u l t i o b j e c t i v ed e c i s i o n ，w h i c hi n c l u d i n gc o n f i r m i n g d e c i s i o no b j e c t i v e ，w o r k i n go u ta l t e r n a t i v ed e c i s i o n sa n dd e c i s i o nc h o o s i n g t h i s t h e s i su s e sf u z z i n gm a t h e m a t i c sd e c i s i o n m a k i n gt h e o r yt oc h o o s es c h e m e ；b a s i n go n d e s i g nv a r i a b l e ，o b j e c t i v ef u n c t i o na n dc o n s t r a i n tc o n d i t i o n s ，f i g u r e so u tm a t h e m a t i c m o d e l ，a n du s e sg e n e t i ce v o l u t i o nt o o p t i m i z e t h es c h e m e ；a c c o r d i n gt ot h e c o r r e l a t i o no ft h ee a r t h p r e s s u r eo fe n c l o s i n gc o n s t r u c t i o na n dt h ed e f o r m a t i o n ， f i g u r e so u tan o n l i n e a re a r t hp r e s s u r em o d e lw h i c hc o n s i d e r e dd e f o r m a t i o ne f f e c t ， a n a l y z e sa n de s t i m a t e st h ec o n c e p t sa n dc o n d i t i o n so fw a t e r - s o i lu n i t e dm e t h o da n d w a t e r - s o i lr e s p e c t i v e l y ；t h ed o m i n a t i n ga f f e c tf a c t o r so ff o u n d a t i o np i te n v i r o n m e n t a l e f f e c ta r ed e w a t e r i n ga n dd e f o r m a t i o no fe n c l o s i n gs t r u c t u r e ，a st h er e s u l to ft h e i m m a t u r i t yo ft h ee n c l o s i n gs t r u c t u r ed e f o r m a t i o nt h e o r y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h e c o n c e p t u a ld e s i g nt os o l v et h ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s e c o n g d l y , t h i s t h e s i sd i s c u s s e ss o m e p r o b l e m s a b o u te a r t h e x c a v a t i o n ， m o n i t o r i n ga n dc r a s hp r o g r a mi nf o u n d a t i o np i te n g i n e e r i n g b a s i n go nt h e o l o g i c a l p r o p e r t ya n a l y z e st h ed e f o r m a t i o nd u r i n ge x c a v a t i o n ，a p p l i e ss p a c e - t i m ee f f e c tt o c o n t r o lt h es t a b i l i t ya n dd e f o r m a t i o no ff o u n d a t i o np i t ；d e m o n s t r a t e st h en e c e s s i t ya n d i m p o r t a n c ei nm o n i t o r i n g ；c r a s hp r o g r a mi sa ni m p o r t a n ti t e md u r i n ge x c a v a t i o n ， w h i c hs h o u l db ed e t e r m i n e db e f o r ee x c a v a t i n g ；al o to fu n c e r t a i n t i e sa n dt h ef u z z f yo f t h eg e o l o g i cc o n d i t i o n ，t h ep r e d i c t a b i l i t yo fe n g i n e e r i n gd e s i g n ，t h ev a r i a n c eo f c l i m a t i cc o n d i t i o na n dt h ec o o p e r a t i o no f m u l t i c o r p o r a t i o nm a k ei ti sv e r yi m p o r t a n t t od y n a m i cm a n a g e m e n t ，t h i st h e s i sg i v e st h ea r g u m e n ta b o u ti tt h r o u g ha l le x a m p l e k e yw o r d s ：f o u n d a t i o ne n g i n e e r i n g ， p r e s s u e ，e n c l o s i n gd e s i g n ，s t a b i l i t y , d y n a m i cm a n a g e m e n t s c h e m ec h o o s i n g ，e n v i r o n m e n t a le f f e c t ，e a r t h d e f o r m a t i o n ，t i m e s p a c ee f f e c t ，m o n i t o r i n g ， i i 主要符号与说明 c 粘聚力，k p a ； c 有效粘聚力，k p a ； p 内摩擦角，。； 痧有效内摩擦角。4 ； 气不排水粘聚力，k p a ； 一不排水内摩擦角，。； ，- 土的重度，k n m 3 ； ，一士的有效重度，k n m 3 ； ，。土的饱和重度，k n m 3 ； 凡一水的重度，k n m 3 ； 一一总应力，k p a ： 口_ 有效应力，k p a ； 蚝静止土压力系数； 墨- 主动土压力系数； 民- 被动土压力系数： 磊一静止土压力，k n m ； e 主动土压力，k n m ； 瓦被动土压力，k n m ： 一孔隙水压力系数； b - 孔隙水压力系数。 主要符号与说明 v 基坑工程设计与施工阶段若干问题探讨 1 1 引言 第一章绪论 社会和经济的迅速发展，加快了城市化的进程，兴建高层建筑、开发利用地 下空间已成为城市建设中随处可见的工程项目。在这类工程项目实施过程中，基 坑开挖是其中的必需环节。深度不大的基坑可采取放坡或简易支护即可开挖施 工，深基坑特别是临近已建建筑物、地下管网、地面设施、道路的深基坑和地下 水位较高地区的深基坑，就难以用传统或简易的自然放坡方法进行开挖施工，往 往要采取对基坑进彳亍加固或采用支挡结构支护的措旌之后才能进行基坑的开挖 和地下结构工程的施工。 基坑工程主要内容包挖基坑围护体系设计、施工和土方开挖，与般工程相 比，具有以下特点。 ( 1 ) 基坑围护体系是临时结构，地下结构工程完成后围护体系即可退出工 作，因此其安全标准和使用基准周期与一般永久结构相比是不相同的。一般来讲， 基坑围护体系安全储备较小，具有较大的风险性。 ( 2 ) 基坑工程场地环境一般比较恶劣，建设场地四周通常存在已建的建筑 物和地下管网、市政道路设施，因此在基坑的设计施工中，除了要保证自身的安 全可靠外，还要保证周边环境不因此产生异常变化并仍然处于安全和正常使用的 状态中。 ( 3 ) 基坑工程不仅涉及岩土工程理论，也涉及结构工程理论，其中所涉及 的岩土工程理论不仅包含典型的强度与稳定问题，还包含了变形问题以及土体与 结构的共同作用问题。如支护结构的土压力分布就是一个相当复杂的问题，它与 水、土力学参数和支护体水平位移有关，而水、土力学参数具有较大的不确定性 和离散性，支护体水平位移又与支护体系中的墙体刚度，支撑的刚度和位置、土 体作用、土体开挖的方式和开挖速度等因素有关。所有这些因素基于目前的理论 水平还不能在设计中全部都准确地加以考虑。理论的不成熟必然带来认识的不一 致，对于基坑工程的计算方法，在各地制定的技术规范中也存在差异。目前所有 的基坑支护系统的计算方法，都具有明显的近似性。 浙江大学工程硕士论文 第一章绪论卢新帆2 0 0 7 年5 月 ( 4 ) 基坑工程在施工过程中，遇到的技术难题比较多，如坑壁稳定、坑底 土体稳定、坑外地面变形、地下水位变化等问题，随时可能出现，极易造成工程 事故。其后果不仅对工程业主和施工单位带来生命和财产上的损失，还会对周围 环境造成破坏，产生恶劣的社会影响。 以上特点说明，基坑工程是一项技术复杂、个性独特而理论尚不完善的工程。 多年以来，一方面基坑工程事故时有发生，且危害严重，造成严重的经济损失和 人员伤亡；另一方面事故的发生又常使人们走向另一极端，为了确保工程的安全， 一味地片面提高设计标准，盲目的保守又造成了许多不必要的浪费。产生这种状 况的原因是多方面的，然而，基坑工程设计理论不完善，施工方案不健全以及应 急措施不当，无疑是众多因素中最主要的，也是最致命的。虽然近些年，随着建 设事业的发展进步，基坑工程建设水平得到了很大提高，然而问题并不乐观。2 0 0 7 年3 月2 8 日北京发生地铁l o 号线2 标段苏州街车站施工塌方造成6 人死亡的重 大事故，2 0 0 5 年7 月21 日广州海珠区江南大道一建筑基坑坍塌造成5 人被困 ( 3 人被救出) 、地铁二号线部分区段长时间停运、一多层建筑倒塌、一多层建 筑严重受损的重大事故。各地都发生过基坑事故，绝大部分不在媒体报道。表 1 - 1 统计分析了部分基坑工程事故产生的原因，其中囡设计问题造成事故比例达 4 6 ，施工问题造成事故的比例达4 1 5 ，两者相加高达8 7 5 ，可见完善基坑 工程设计理论，提高施工技术水平对于提高基坑工程的安全性、可靠性和经济性 是多么重要。工程界、学术界责任重大。 表1 - 1 基坑工程事故原因统计表( 唐业清等，1 9 9 9 ) 序号事教发生原因 发生次数占总数的比例( ) l 建设单位管理问题1 0 6 2 基坑工程勘察问题 73 5 3 基坑工程设计问题7 4 4 6 4 基坑工程施工问题 6 64 1 5 5 基坑工程监理问题5 3 据此，本文分别就软土基坑工程设计、实施阶段的若干问题开展研究，并通 过作者亲历的工程实例加以分析说明，总结经验教训，探讨规律性，以利提高基 坑工程建设水平。 基坑工程设计与施工阶段若干问题探讨 1 2 研究应用现状 基坑工程技术与理论自上世纪4 0 年代t e r z a g h i 和p e c k 等人提出预估挖土方 稳定程度和支撑荷载大小的总应力法以来，得到了广泛的发展。上世纪8 0 年代 起我国各地开始兴建高层建筑，带动了基坑工程技术与理论在我国的研究和发 展。从上世纪9 0 年代后，各地开始制订及颁布基坑工程技术标准，开发了一系 列具有较好地区适应性的基坑工程设计软件。迄今为止，现行的基坑工程行业标 准及地方标准有建筑基坑支护技术规程( j g j l 2 0 9 9 ) 、建筑基坑工程技术规 范( y b 9 2 5 8 9 7 ) 、上海地区基坑工程设计规程( d b j 0 8 - 6 1 - 9 1 ) 、武汉地区 深基坑工程技术指南( x h r b j l 7 9 5 ) 、深圳地区建筑深基坑支护技术规程 ( s j g 0 5 9 6 ) 、建筑基坑工程技术规程( d b 3 3 ，r 1 0 0 8 - 2 0 0 0 ) 等等；影响较大的 计算程序有“同济启明星”、“同济超明星( s u p e r - s t a r ) ”、“大连理工 m c a b a s ”、“理正深基坑支护设计软件( f c p w ) ”、“武汉天汉”等等。这些技 术标准和计算软件对我国基坑工程设计与旌工的科学化、标准化，起着重要作用。 早期的基坑工程，开挖一般较浅，常采用放坡形式或者采用木桩支挡。随着 深基坑工程的大量涌现，围护的形式也有了很大的发展。目前常用的围护形式有 悬臂式、重力式、内支撑式、锚拉式、土钉墙、组合式。等等。 对围护形式的选择和优化问题，很多学者进行了广泛和深入地研究。徐扬青 ( 2 0 0 1 ，2 0 0 5 ) 从深基坑工程的整体设计思路上，提出了优化设计的原理和若干 途径，采用多目标模糊决策理论推导出深基坑工程设计方案优化决策与评价模 型。何满潮等( 2 0 0 4 ) 针对深基坑支护方案是一个非线性大变形问题，影响因素 非常复杂，采用神经网络方法建立影响因素与支护方案之间的映射关系，提出了 深基坑工程支护方案优选的神经网络方法。王成华等( 2 0 0 5 ) 将目前应用较普遍的 弹性抗力法和粒子群优化技术进行基坑挡土结构的方案优化设计中，并通过实例 计算证明了方法的可行性和有效性。林海松等( 2 0 0 5 ) 运用遗传算法对基坑桩锚 支护优化设计进行了一系列的研究。赵洪波( 2 0 0 6 ) 提出将支持向量机与微粒算 法结合的深基坑支护优化设计方法，采用支持向量机来表示支护参数与稳定性之 间的复杂非线性关系，用微粒群算法作为优化技术，搜索支护结构的最优参数。 目前，传统土压力理论还广泛应用在基坑工程的土压力计算中，但土压力是 水一土一结构物共同作用的结果，与水的渗流方式、结构的变形和土体本身性质 3 浙江大学工程硕士论文第一章绪论卢新帆2 0 0 7 年5 月 都有着密切关系，传统土压力理论无法考虑这些因素，从而造成计算上的偏差。 近年来，许多学者对此开展了许多有意义的研究工作。陈书申( 1 9 9 7 ) 提出了考 虑变位、强度、开挖深度等影响因素的土压力计算方法。俞建霖等( 1 9 9 9 ) 用三 维空问有限元研究了基坑开挖过程中围护结构变形、土压力的空间分布及基坑的 几何尺寸效应。徐日庆( 2 0 0 0 ) 认为现有基坑工程中，主、被动侧土体通常都处 于非极限平衡状态，采用基于极限平衡状态的土压力理论势必造成误差，应系统 开展非极限平衡状态的土压力理论研究，并采用正弦函数描述土压力与位移的关 系，用指数函数描述土压力随时间变化的规律。宰金珉、梅国雄( 2 0 0 1 ，2 0 0 2 ) 也提出了考虑位移的土压力模型。对于水土压力作用问题，魏汝龙( 1 9 9 5 1 9 9 9 ) 总结了水土合算流行的原因，分析了水土合算的理论缺陷，论证了用总应力强度 指标进行水土分算的合理性。杨晓军、龚晓南( 1 9 9 7 ) 认为水土合算只是一种经 验方法，没有理论依据，建议采用总应力强度指标进行水土分算，并建议采用卸 载强度指标。陈愈炯( 1 9 9 9 ) 则不赞成采用总应力指标进行水土分算，认为应将 水土压力计算分为“施工期”和“运行期”不同的工况区别对待。李广信( 2 0 0 0 ) 、 沈珠江( 2 0 0 0 ) 对此也进行了深入地研究，提出了有关建议和结论以及进一步研 究的方向。 在城市密集的建筑群中建造高层建筑物，基坑环境效应问题非常突出，基坑 设计不仅要满足稳定性的要求，还要满足变形控制的要求。基坑变形计算比较复 杂，也不够成熟，现行设计标准中均没有规定具体的计算方法。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，p e c k 认为开挖引起的地面沉降范围在4 倍开挖深 度以内，并提出影响周围地面沉降的因素包括土的性质、开挖深度、围护形式及 施工工艺等。俞建霖等( 1 9 9 8 ) ，用有限元法分析了影响周围地面沉降的因素， 研究了基坑被动加固区的深度和宽度变化对基坑变形的影响。侯学渊( 1 9 8 9 ) 根 据有限元分析和总结前人研究成果，提出沉降估算的经验公式。徐方京( 2 0 0 2 ) 提出了地表沉降可表示为r a y l e i g h 分布函数的表达式。近年来，变形控制设计理 论引起科研设计人员的广泛重视。该理论是从变形控制目标出发，对变形的整个 发展阶段进行分析控制的一种更加有效的基坑工程设计方法。孙家乐等( 1 9 9 6 ) 提出变形控制设计基本点为：变形预测分析；变形预测分析贯穿动态设计全过程， 即预测、设计优化、信息施工、反馈与决定、再设计，变形控制既存在于设计过 4 基坑工程设计与施工阶段若干问题探讨 程中，同时又贯穿在施工过程中，变形控制目标不仅包含围护结构本身，还包括 周围环境；变形控制设计的时域概念。侯学渊( 1 9 9 9 ) 提出，基坑变形控制设计 的方法是动态的设计方法，即每一工况下的主动土压力与被动抗力是变化的，按 变形控制设计的基本思路就是考虑时空效应规律对计算参数的影响，动态地设计 基坑工程。 基坑工程技术另一个重要进展是信息化施工技术的运用。岩土工程监测技术 被广泛的应用在基坑工程中，为实现信息化施工提供了基础和保障。监测技术本 身也在不断地进步和发展，电子技术的成就广泛地应用于新型监测仪表中，如压 力盒、远视沉降仪、各类孔压仪以及测斜仪等，优化了仪表结构性能，提高了精 度和稳定性。信息化施工的广泛运用，对控制基坑工程施工质量、防止事故发生、 保证环境安全起到了重要作用，从而使基坑工程设计和施工的整体水平得到了飞 速发展。 从上可知，虽然基坑工程理论与技术已开展了较多的研究，也制定有相应的 规程，然而事故还在不断发生，其中的重要原因是，作为一种岩土工程，基坑工 程具有地域性的特点，成功与否不仅取决于理论与技术，还与环境、气候、承建 单位经验、管理水平、各单位的协作等密切相关，可以说基坑工程是- - f q 综合性 的艺术工程，从这个角度看基坑工程存在的问题还不少，为了探讨规律性、指导 工程实践，本文结合浙江东南软土地区建设特点就基坑工程设计和施工阶段的若 干问题开展研究。 1 3 本文主要工作 本文针对基坑工程存在的由于设计和施工问题产生较高比例质量事故的现 状，结合浙江东南软土地区建设特点探讨基坑设计和施工阶段的若干问题。本文 开展以下几方面工作。 ( 1 ) 归纳和评价常见的基坑围护方案及其计算内容，对如何进行基坑围护 方案的选择和优化进行探讨。 ( 2 ) 分析传统土压力理论应用于基坑工程设计存在的问题，对考虑变形影 响的土压力非线性模型进行探讨，并对水土压力的分算和合算的各种方法进行分 析与评价。 浙江大学工程硕士论文 第一章绪论 生新帆2 0 0 7 警三旦 ( 3 ) 对基坑环境效应的问题进行分析，探讨如何采用概念设计的方法解决 基坑环境效应问题。 ( 4 ) 对基坑土方开挖方法进行分析和评价，探讨如何应用时空效应原理进 行基坑土方的合理开挖。 ( 5 ) 对基坑监测的内容和方法进行分析，对监测预警值的确定方法进行探 讨。 ( 6 ) 分析和归纳基坑工程常见的事故及其原因以及应采取的应急措施。 ( 7 ) 提供工程案例说明以上有关问题的实际应用。 6 基坑工程设计与施工阶段若干问题探讨 第二章基坑工程设计阶段若干问题探讨 2 1 引言 设计是基坑工程实旅过程中首要的一环。设计是否合理，是否满足功能需求， 设计方法是否科学，是否反映实际情况，对基坑工程的成败起着非常重要的作用。 基坑工程设计必须满足安全性、经济性和可行性三项基本要求。安全性、经济性 与可行性三者的关系是辩证统一、不可偏废的，因此基坑工程设计的基本原则是： 在满足安全的要求下，使基坑工程的总投资最少。这就要求在基坑工程设计中， 充分了解和分析工程地质情况、场地环境情况、业主的需求等条件，进行多方案 的比较和优化，以确定一个有针对性的最佳设计方案。 设计方案确定之后，合理的确定作用在支护结构上的荷载是基坑工程设计的 前提和关键。作用在支护结构的荷载主要有土压力、水压力、地面超载、温度变 化及材料收缩引起的附加力等，而其中又以水土压力为主要荷载，因此正确地计 算水土压力，是基坑设计的关键一环。 基坑工程是一项技术复杂、理论尚不完善的工程，存在着实践超前于理论的 现象。这种现象一方面体现在一些新技术、新工法的应用，复杂地质条件和环境 条件下的施工，另一方面体现在岩土材料本身存在的不确定性和地域性特点，而 目前的理论和计算方法尚不能正确反映、模拟和解决这些问题。因此在基坑设计 中，概念设计就显得特别重要。概念设计提出的一些手段和措施，对基坑支护系 统可靠性所起的作用可能无法定量的进行描述，但概念设计是基坑设计中必不可 少的一环。 本章将对基坑支护方案的选择及优化、水土压力的计算以及基坑工程环境效 应及概念设计等问题进行探讨。 2 2 基坑支护方案的选择及优化 2 2 1 常用基坑支护方案及其主要设计内容 一、放坡开挖 7 浙江大学工程硕士论文 第二章基坑工程设计阶段若干问题探讨卢新帆2 0 0 7 年5 月 放坡开挖是一种无支护的基坑开挖方式。这种方法中，可以通过选择并确定 安全合理的基坑边坡坡度，使基坑开挖后的土体在无加固和无支护的条件下，依 靠土体自身强度，在新的平衡状态下取得稳定的边坡并维持整个基坑的稳定。一 般来说，这种方案所需的费用最低，施工工期较短，而且从施工内容来看，主要 工序就是挖土，也容易组织实施，因此只要场地环境条件和地质条件允许，选择 设计方案时首先应该考虑放坡开挖。土质放坡的坡度和坡高应符合坡度容许值 ( 高宽比) 的要求，如遇到边坡高度大于5 m 、具有与边坡开挖方向一致的斜向 界面、有可能发生土体滑移的较弱淤泥或含水量丰实夹层、坡顶堆料、堆物有可 能超载时以及各种易使边坡失稳的不利情况，应对边坡整体稳定性进行验算。当 基坑深度范围内为密实的碎石土、粘性土、风化岩石或其他良好土质，基坑土体 有直立开挖条件且基坑较浅时，可不放坡竖直开挖。直立开挖的临界深度可按下 式确定 - = 等协( 三+ 争( 2 - 1 ) 式中，土的重度( k n m 3 ) ； c 、伊土的粘聚力( k p a ) 和内摩擦角( 。) 。 如果条件受到某些限制，基坑不具备全深度放坡开挖时，在采用的非放坡方 案中，在开挖之前可以卸去一定厚度的场地土，往往能有效减少主动土压力，收 到良好的经济效果。 放坡开挖方案从经济的角度出发，虽然应该是设计人员的首选，但在实际工 程中能符合放坡开挖条件的基坑工程并不多，特别是在城市建筑物密集区或软土 地基的基坑工程，往往没有条件进行放坡开挖，而必须采用其他设计方案。 二、水泥土重力式挡墙 如果基坑工程没有条件进行放坡开挖，那就需要考虑对基坑边坡进行支挡。 对于深度较浅的基坑，可采用水泥搅拌桩或高压喷射注浆，对基坑周围土体本身 进行加固处理形成水泥土重力式挡墙，是一种比较经济的支挡方法，适用于基坑 开挖深度在7 m 以内( 对软土地基而言，对非软土地基的基坑开挖深度可达l o m 左右) ，场地比较开阔的基坑工程。 与先筑墙后填土的传统重力式挡墙不同，作为基坑支护结构的水泥土重力式 基坑工程设计与施工阶段若干问题探讨 挡墙除应对墙体的抗倾覆、抗滑动、墙身截面强度进行验算外，还应进行整体稳 定，抗坑底隆起稳定和抗渗流稳定验算。通常，在迸行以上验算前，应先定挡墙 进入基坑底部的插入深度，然后进行以上验算并最终确定插入深度。 整体稳定验算假设土体滑动面是通过挡墙底部的圆形截面，利用条分法进行 验算。 抗坑底隆起稳定验算常采用以下两式进行验算，式( 2 - 2 ) 假定挡墙底面为 基础底面，挡墙背后的土体是基础，其宽度不定，考虑土体荷载向土浅的一侧即 挡墙前挤出，利用浅基础的极限平衡理论进行验算；式( 2 3 ) 假定土体沿挡墙 底部滑动，滑动面为圆弧，并考虑挡墙弯曲抗力作用。 珞：坠丝 “ + f ) + g 一m ，+ l ：f e t d0 “2 百了荔而 式中c 承载力系数； 由十字板试验确定的土抗剪强度( k p a ) ； ，土的重度( k n m 3 ) ； ( 2 2 ) ( 2 3 ) ，挡墙入土深度( m ) ； 栉基坑开挖深度( m ) ； 盯地面荷载( k p a ) ； 毛基坑底部挡墙抗弯弯矩标准值( k n m ) ； r d 分别为挡墙底部和基坑底部土隆起抗力分项系数，r d 1 4 ，吃 1 3 。 水泥土重力式挡墙往往需要多排水泥搅拌桩组成，因此采用此方案时要求基 坑工程的施工场地比较开阔，如果场地太小就不能采用此方案。同时需要注意的 是土体的可搅拌性和土体的有机质含量，对于密实度较高的粉质土、砂质土以及 含有较多障碍物的杂填土，可搅拌性差，土体中有机含量太高，搅拌后形成的土 泥土强度太低，均不能适用于此方案。 9 浙江大学工程硕士论文 第二章基坑工程设计阶段若干问题探讨卢新帆2 0 0 7 年5 月 三、桩墙式支护结构 在基坑工程中，当没有条件进行放坡开挖，也不宣采用重力式挡墙时，则需 要考虑桩墙式支护结构，对于施工场地狭窄、地质条件较差、基坑较深、或需严 格控制基坑开挖引起的地面变形等情况，均适用于采用此方案。 桩墙式支护结构由围护结构及支撑系统组成，按其支撑方式，可以分为悬臂 式桩墙结构、内撑式桩墙结构和锚拉式桩墙结构。围护结构可分为桩排式结构和 墙式结构。桩排式结构常采用钻孔灌注桩、人工挖孔桩、板桩等形式；墙式结构 一股采用现浇钢筋砼地下连续墙，或采用预制的钢筋砼地下连续墙及劲性钢筋的 水泥土挡墙。 悬臂式支护结构依靠桩墙插入基坑一定深度来提供支撑，依靠悬臂部分支挡 坑后土体。悬臂式结构的优点是无需构筑与拆除支撑结构，同时为土方作业提供 比较自由的操作空间。当基坑较浅或被动区土层较好时，悬臂式结构方案是比较 经济的。但当基坑较深或被动区土层较差时，为了减小桩墙的侧向位移，就需要 桩的插入深度较深，桩的直径和配筋也较大，这时悬臂式结构方案可能就不太经 济了。为了改善悬臂式结构抗侧向位移性能，可以将单排围护桩改为双排，并通 过刚性连接双排围护桩组成刚架。 当经验算悬臂式支护结构不合理时，可考虑内撑式或锚拉式支护结构。内撑 式结构或锚拉式结构的支撑形式，一般采用沿基坑深度方向设一道或多道支撑或 锚杆。内撑式结构的支撑按平面布置形式可分为对撑式、角撑式、桁架式及内圆 环式等形式。一般来说，对撑式布置受力比较明确，对各种基坑平面均比较适合， 但对土方开挖的作业面限制较大；角撑式布置传力路线短，材料用量省，能提供 较大的土方开挖作业面，适用于基坑平面面积较小且接近于正方形的基坑；圆环 式空间作用明显，受力比较合理，材料用料省，土方开挖作业自由，适用于平面 为圆形或正方形的基坑。对平面形状复杂的基坑，可以采用对撑、角撑和桁架结 合起来的混合式支撑布置形式。锚拉式结构的锚杆的作用如同内支撑，只不过通 常情况下内支撑是压弯构件，而锚杆是受拉构件。锚杆材料常选用钢绞线、高强 钢丝或高强螺纹钢筋。在一定的工程地质条件下，锚拉式支撑较之内支撑结构具 有土方开挖作业面开阔、工期较短、工程结束后不需拆除锚杆等优点，但也存在 锚杆伸出建筑红线之外，容易引起纠纷，或影响后期开发工程的施工等缺点。 1 0 基坑工程设计与墙工阶段若干问题探讨 桩墙式支护结构的设计主要包括以下内容： ( 1 ) 围护结构插入深度计算； ( 2 ) 基坑底部土体抗隆起稳定性验算； ( 3 ) 基坑底部抗管涌稳定性验算； ( 4 ) 围护墙的抗倾覆稳定性验； ( 5 ) 基坑整体稳定验算； ( 6 ) 围护墙结构的内力及变形计算； ( 7 ) 支撑体系的结构内力、变形及稳定性计算； ( 8 ) 支撑立柱的结构内力、变形及稳定性计算； ( 9 ) 围护墙、支撑、围檩等构件的截面设计； ( 1 0 ) 基坑开挖对周围环境的影响估算。 围护结构的插入深度直接影响基坑支护结构的强度、弯矩和稳定，过小的插 入深度会导致支护体系强度不足、变形过大及稳定性不足，而插入深度过大将使 得基坑工程造价提高，因此合理的插入深度是基坑工程设计中最应关注的问题之 一。桩墙式支护结构的插入深度目前一般采用极限平衡法计算确定，包括静力平 衡法、等值梁法、b l u m 法等方法进行计算确定，即按照土体处于失稳前的极限 平衡状态，土压力在桩墙的相应部位达到主动土压力和被动土压力，根据结构的 静力平衡条件进行计算。 对于悬臂式支护结构，浙江省标准建筑基坑工程技术规程 ( d b 3 3 t 1 0 0 8 2 0 0 0 ) 推荐采用静力平衡法。平衡法理论认为，悬臂式支护结构 在主动土压力作用下，将趋于绕基坑开挖面以下桩墙某一点发生转动，从而使土 压力的分布发生变化，在该不动点以上桩墙的坑外一侧的土压力为主动土压力， 坑内一侧的土压力为被动土压力，而在该不动点以下桩墙上作用的土压力则相 反，坑外一侧为被动土压力，坑内一侧为主动土压力，假定桩墙底部不承受弯矩 和剪力，即可由静力平衡条件，求解桩墙的插入深度。该方法需要求解四次方程， 计算量较大，为此还可以根据b l u m 理论采用简化方法，即将不动点以下桩墙上 作用的被动土压力近似地在其重心处用一个集中力代替，并假设桩墙绕集中力作 用点满足静力平衡条件，由此计算将大大减少计算量，但得到插入深度偏小，应 增加2 0 左右，该方法是建筑基坑工程技术规范( y b 9 2 5 8 9 7 ) 所推荐的计算 浙江大学工程硕士论文第二章基坑工程设计阶段若干问题探讨卢新帆2 0 0 7 年5 月 方法。 对于内撑式或锚拉式支护结构的插入深度，建筑基坑工程技术规程 ( d b 3 3 t 1 0 0 8 2 0 0 0 ) 推荐采用等值粱法进行计算，而建筑基坑工程技术规范 ( y b 9 2 5 8 9 7 ) 则根据桩墙端部的支承条件选定两种计算方法，一种是当端部入 土较深或土体较好时，将端部视为固定支承，按等值梁法计算；另一种是当端部 特别软弱或入土较浅时，可视为自由端，按静力平衡法计算。按等值梁法计算虽 然需要较大的插入深度，但所需的围护结构抗弯强度和支撑力均较小。 桩墙围护结构的插入深度确定后，就可以进行上述2 5 项有关稳定验算的 设计内容。验算方法基本上与水泥土重力式挡墙的验算方法相同或相似。 第6 项设计内容是围护结构的内力与变形计算。与重力式挡墙结构不同，桩 墙式支护结构截面较小，属柔性结构，在土压力等荷载作用下，围护结构将产生 较大的变形，因此为了保证围护结构的强度和变形满足安全和正常使用要求，必 须时对其内力和变形进行计算。有关计算方法的种类比较多，常用的方法按计算 理论分类基本有三种，即极限平衡法、弹性地基梁法和有限元法。 ( 一) 极限平衡法：极限平衡法假定作用在结构前后墙体上的士压力分别达 到被动土压力和主动土压力，在此基础上再作些力学上的简化，把超静定的结构 力学问题作为静定问题求解。由于该方法假定结构承受极限状态的主、被动土压 力作用，不能反映结构的变形情况，同时也由此不能反映多支撑体系中支撑前墙 体的位移，因此该方法仅适用于悬臂式和单支点撑锚式结构的内力计算。 ( - - ) 弹性地基梁法：该方法又称“m ”法、土抗力法等，将围护结构作为 竖直放置的弹性地基梁，支撑对围护结构的作用采用与支撑刚度等效的弹簧模 拟，而土体对围护结构的作用可以采用两种模式，一种是围护结构外侧作用已知 的土压力，内侧土体用土弹簧来模拟；另一种是围护结构内外侧的土体作用均用 土弹簧来模拟。土压力的大小与围护结构的变形有关，由土层水平地基反力系数 与土层所处深度桩墙变形的乘积确定。该方法既能计算围护结构的内力也能计算 变形，能考虑基坑施工过程中各种基本因素和复杂情况对围护结构受力的影响。 ( 三) 有限元法：有限元法是随着电子计算机的广泛应用而发展起来的一种 数值解法，具有极大的通用性和灵活性，在基坑工程计算分析中采用有限元法可 获得整个地基的位移场和应力场随基坑开挖的变化过程，由此可得出围护结构的 1 2 基坑工程设计与臆工阶段若干问题探讨 内力、变形及基坑周围的地表沉降量等。 运用有限元法分析基坑，可以按二维平面问题求解，也可采用三维有限元来 考虑基坑开挖的空间效应。有限元计算模型有线弹性、非线性弹性、弹塑性模型 等。 桩墙式支护结构的7 9 项设计内容可按照结构力学理论计算内力和变形， 按照混凝土结构和钢结构的计算理论进行构件截面设计。 关于桩墙式支护结构最后一项设计内容，即基坑开挖时周围环境的影响估 算，主要包括分析和计算基坑土方开挖引起围护结构变形和基坑底部士体隆起以 及降低地下水位造成基坑四周地面产生沉降和不均匀沉降，避免相邻建筑物、构 筑物及市政管线的不能正常使用、甚至破坏的情况出现。 在地下水位较高的透水土层，例如砂石类土、粉土类土中进行基坑开挖施工， 由于坑内外的水位差大，易产生流砂、管涌等渗透破坏现象，有时还会影响边坡 或坑壁的稳定，因此往往必须要考虑进行人工降水。但是，降水对周围环境会有 不良影响，主要是随着地下水位的降低，在水位下降范围内的土体重度自浮重度 增大至或接近于饱和重度，从而造成建筑物、构筑物和市政管线的附加沉降。为 了减少降水对周围环境的不良影响，一般采取设置止水帷幕和回灌措施进行解 决。 关于围护结构变形和基坑底部土体隆起造成的地面沉降，一般可以采用三种 方法进行估算，即经验方法、试验方法和数值分析方法。数值分析方法使用较多 的是采用有限元法，该方法可以考虑土体与结构之间的相互作用，处理非常复杂 的边界条件，因而适用性很强。采用有限元法的主要困难在于选择恰当的本构模 型来模拟土的实际应力应变关系以及选择能够反映施工工序、应力路径等因素的 土的参数。试验方法目前开展比较广泛的方法主要有两种，即模型试验和原位试 验。模型试验存在尺寸效应等因素对试验结构准确性有影响，而原位试验结果是 从某个特定的工程中得到的，要想得到普遍的结论还有待于经过众多的试验后进 行总结。经验方法的表达式较多，比较有影响的有p e c k ( 1 9 6 9 ) 提出的经验曲 线法，如图2 - 1 所示，适用于地面沉降为三角形分布的悬臂式围护结构。对于地 面沉降为凹槽形分布的撑锚式结构，经验公式借用p e c k 估算隧道地面沉降的指 数函数表达式 浙江大学工程硕士论文第二章基坑工程设计阶段若干问题探讨卢新帆2 0 0 7 年5 月 万( x ) ：讲1 一e x p ( 旦盟一l 】 ( 2 4 ) 而 式中j ( x ) 距离基坑边缘x 处的地面沉降( m ) ； k 最大沉降点与基坑边缘的距离( m ) ； 地面沉降影响范围( m ) ，而= h t a n ( 4 5 。- 罢) 为围护结构长度) ； 口待定的位移常数。 离基坑的距高基坑最大深度( ) 一 簿 一 魁 鹾 k 皤1 螺 张 世 璃2 0 123 4 ， i 图2 - i 地表沉降与开挖深度的关系图( p e c k ，1 9 6 9 ) 注：i 区砂土或硬粘土，一般的施工工艺和施工质量 i i 区( a ) 软至非常软的粘土 1 开挖面以下存在有限厚度的粘土 2 开挖面以下粘土层厚度较厚，但b 0 ( 2 2 4 ) ( 四) 地基承载力条件 g 。( x ) = l 厂卜芦o ( 2 2 5 ) 2 1 浙江大学工程硕士论文第二章 基坑工程设计阶段若干问题探讨卢新帆2 0 0 7 年5 月 9 7 ( x ) = 1 2 l 厂卜p 一0 9 8 ( x ) = p 。0 ( 五) 墙体需满足的变形条件 9 9 ( x ) = j - 8 】0 ( 六) 整体稳定性条件 蜀。( 力= 珞一 硌】0 ( 七) 抗隆起稳定性条件 9 1 ( x ) = 墨一【k 】0 ( 八) 基坑底抗流砂稳定性条件 霸2 0 ) = 瓦一【玩】0 ( 九) 基坑底土突涌稳定性条件 蜀2 ( 功= 一 l o ( 十) 几何约束条件 ( 2 - 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 - 2 8 ) ( 2 - 2 9 ) ( 2 - 3 0 ) ( 2 3 1 ) ( 2 - 3 2 ) 设计变量及吼、a 需要有一定的限制，以免优化结果偏离实际，即有 rg l4 ( x ) = b b m i n 0 lg l5 ( x ) = b m a x b 0 r9 16 ( 工) = hd 一日d m i n 0 t g l7 ( z ) = 日d ma x hd 0 fgi8 ( x ) = a 见m i n 0 t9 1 9 ( x ) = 允m a x a 0 式中 g u 水泥土的无侧限抗压强度； 墨水泥土强度不均匀系数； l 厂】墙体土层按深度修正后地基承载力特征值； 【卅墙体在开挖面处水平位容许值； 【k 卜一抗倾覆稳定性系数容许值； 2 2 ( 2 - 3 3 ) ( 2 - 3 4 ) ( 2 - 3 5 ) 基坑工程设计与施工阶段若干问题探讨 【 0 卜一整体稳定性系数容许值； 【墨卜一抗隆起稳定性系数容许值； 【玩卜一基坑底抗流砂稳定性系数容许值； 【k 】基坑底土抗突涌稳定性系数容许值； 、口m i n 水泥土墙有效宽度上、下限值； 吼。、矾。水泥土墙埋置深度上、下限值； 五。、l 。水泥土墙置换率上、下限值。 以上各物理量的取值详见有关规范。 四、建立数学模型 选取设计变量，列出目标函数，给定约束条件后即可构造优化设计数学模型， 即 jx = h ，x 2 ，x 3 】7 = 【口，h d ，五1 7 使f ( x ) 最小 1s t g i ( 。) o ，i = 1 ，2 19 ( 2 - 3 6 ) 五、优化计算方法 方案优化实际上就是求解数学模型的过程，不同类型的数学模型适用不同的 优化计算方法求解。由于式( 2 - 3 6 ) 是一个高度非线性的非凸规划问题，采用传 统的数值优化方法求解难以取得满意的效果，适合于采用遗传算法进行求解。由 于遗传算法具有较强的全局搜索能力，在优化中不需要函数的导数信息，并且简 单易行，因而可以运用于求解式( 2 3 6 ) 。 遗传算法是基于“适者生存”的一种高度并行、随机和自适应的优化算法， 将问题的求解表示成“染色体”的适者生存过程，通过“染色体”群的一代代不 断进化，包括复制、交叉和变异等操作，最终收敛到“最适应环境”全体，从而 求得问题的最优解或满意解。遗传算法采纳了自然进化模型，如选择、交叉、迁 移、局域与邻域等。计算开始时，将一定数目个体( 父个体1 、父个体2 、父个 体3 ) ，即种群进行随机地初始化，并计算每个个体的适应函数，第一代也 即初始化就产生了。如果不满足优化准则，开始产生新一代的计算。为了产生下 一代，按照适应度选择个体，父代要求基因重组即交叉，而产生子代。所有子代 浙江大学工程硕士论文第二章基坑工程设计阶段若干问题探讨卢新帆2 0 0 7 年5 月 按一