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基于开挖卸荷效应的基坑共同变形与动态支护理论 基于开挖卸荷效应的 基坑共同变形与动态支护理论 专业：工程力学 博士生：宋明健 指导教师：汤连生教授 摘要 基坑工程的变形分析和变形控制是确保基坑安全稳定的重要内容之一。但是， 由于开挖卸荷效应和不确定性因素的影响，基坑的变形分析及其控制显得尤为复杂， 至今理论上和实践上都还存在大量尚不能给予很好解决的课题。在变形分析与计算 方面，目前仍较多采用的是以c o u l o m b 和r a n k i n e 等经典土压力理论为基础的极限 平衡原理，基本上没有考虑开挖卸荷后所出现的一系列与基坑变形和稳定性极其相 关的力学效应。在变形控制方面，很少针对开挖卸荷效应和不确定因素进行计算和 调控，基本都是根据最初的岩土特性一次性地进行设计与支护，不仅对已有变形不 具有恢复能力，而且适应不确定因素影响的能力较差。 本文围绕开挖卸荷后基坑的变形及其控制这一主题，对基坑的开挖卸荷效应、 共同变形特征、动态控制技术依次展开了讨论。取得的主要研究成果为： 1 、在基坑工程领域，引入了支护能力可以随坑壁变形发展而调节变化的动态支 护理念。以此为基础，提出了一种以拱形结构为支撑的动态支护技术和一种由千斤 顶、支柱、两个或多个拱形支撑组成的、支撑能力可以复加的双拱自稳支撑。 2 、提出了扰动后基坑变形的平面分区概念模型，用非线性弹簧件和非线性摩阻 件，来分别表示弹性区域和塑性区域的应力应变随距离的变化关系，建立了考虑距 离因素影响的流变力学模型，并推导出了相应的本构方程。在此基础上，推出了基 坑周围卸荷拱的轴线方程、跨度和矢高的表达式。 3 、建立了坑周岩土弹性变形问题的平面力学模型，推导出了弹性应力场、位移 场的解析解。根据k a s t n e r 方程，给出了塑性区域应力位移场解析分析的基本过程， 摘要 提出了基坑周围塑性应力场和位移场的一种解析计算方法。以此为基础，建立了坑 壁土压力和坑壁位移之间的一一对应的关系式，给出了一种新的描述土压力与位移 之间非线性关系的方法。 4 、把坑壁位移量分解为支撑施加前的初始位移量、支撑压缩变形所引起的位移 量、围护结构柔性变形所引起的位移量三部分，建立了一种考虑基坑一支护系统共 同变形的简化计算方法，并给出了算例。 5 、考虑开挖卸荷效应的影响，建立了直线形支撑的轴力和变形随坑壁位移变化 而变化的关系式，结合算例，分析了坑壁初始位移、支撑点高度、土压力作用点高 度、外摩擦角等因素对直撑力学特性的影响。同时，对拱形支撑动态支护作用下， 三铰拱支撑和无铰拱支撑的内力、变形和坑壁位移的关系进行了分析，建立了坑壁 位移和支撑变形之间的耦合关系。 本文的研究，对把握基坑的开挖卸荷效应和分析基坑一支护系统的共同变形特 征具有重要的理论意义，同时对受开挖卸荷效应和不确定因素影响显著的基坑变形， 具有很好的控制效果。 关键词：基坑；支护；支撑；开挖卸荷效应；共同变形；动态支护 基于开挖卸荷效应的基坑共同变形与动态支护理论 m u t u a ld e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dd y n a m i c s u p p o r tt e c h n o l o g y b a s e do ne x c a v a t i o nu n l o a d i n ge f f e c t si nf o u n d a t i o np i t m a j o r ：e n g i n e e r i n gm e c h a n i c s n a m e ：s o n gm i n g - j i a n s u p e r v i s o r ：p r o f t a n gl i a n - s h e n g a bs t r a c t a n a l y z i n ga n dc o n t r o h i n gt h ed e f o r m a t i o na r es i g n i f i c a n tt oi n s u r et h es a f e t ya n d s t a b i l i t yo ff o u n d a t i o np i ti ne x c a v a t i o ne n g i n e e r i n g b u t ，d u et oe x c a v a t i o nu n l o a d i n g e f f e c t sa n ds o m eu n s u r ef a c t o r s ，i ti sa l s oc o m p l i c a t e dt oa n a l y z ea n dc o n t r o lc o r r e c t l yt h e d e f o r m a t i o ni ne x c a v a t i o ne n g i n e e r i n g n o wt h e r ea r em a n ya c a d e m i ca n dp r a c t i c a l p r o b l e m st h a t c a nn o tb e e x p l a i n e dr e a s o n a b l y i na n a l y z i n g a n dc a l c u l a t i n gt h e d e f o r m a t i o n , t h ec l a s s i ce a r t hp r e s s u r et h e o r i e s ，s u c h 雒c o u l o m ba n dr a n k i n ee a r t h p r e s s u r et h e o r y , a n dt h el i m i te q u i l i b r i u mt h e o r y , p a yn oa t t e n t i o nt oe x c a v a t i o nu n l o a d i n g e f f e c t s i nc o n t r o l l i n gt h ed e f o r m a t i o n , e x c a v a t i o nu n l o a d i n ge f f e c t sa n ds o m eu n s u r e f a c t o r sa r ea l s oi g n o r e d i ti sr o u t i n et od e s i g na n dc o n s t r u c tb a s i n go ni n i t i a lg e o t e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t i c sf o ro n et i m e t h er e s u l t sa r et h a tt h eh a p p e n e dd e f o r m a t i o nc a nn o tb e m a k e nb a c k ，a n dt h ei n f l u e n c eo fs o m eu n s u r ef a c t o r sc a nn o ta l s ob er e s i s t e d t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so na n a l y s i sa n dc o n t r o l l i n gt h ed e f o r m a t i o na l t e re x c a v a t i o n t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t si n c l u d e ：t h er u l e so fe x c a v a t i o nu n l o a d i n ge f f e c t s ，m u t u a l d e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，d y n a m i cs u p p o r tt e c h n o l o g y , e t c c o n c l u s i o n sc a nb ed r a w n 勰 f o u o w s ： 1 i ne x c a v a t i o ne n g i n e e r i n g ，t h ei d e ao fd y n a m i cs u p p o r tt h e o r yi sp r o p o s e d t h e e s s e n t i a lo fd y n a m i cs u p p o r tt h e o r yi st h a tt h es u p p o r tf o r c eo fs u p p o r ts y s t e mc a nb e a d j u s t e dw i t ht h ed e f o r m a t i o nd e v e m p m e mo fp i tw a l l b a s e do nt h ei d e ao fd y n a m i c s u p p o r tt h e o r y , o n ed y n a m i cs u p p o r t i n gt e c h n o l o g yb yt h ec h a r a c t e ro fa r c hb r a c ea n d a d j u s t a b l el o a di sp r e s e n t e d a n do n ek i n do fb r a c e ，n a m e dd o u b l ea r c h e ss e l f - s t a b i l i z e d b r a c e ，w h i c hb r a c ef o r c ec a nb ea d j u s t e di sp r o p o s e d 2 t h i sd i s s e r t a t i o nu s e sn o n l i n e a rt a p e rs p r i n gt oe x p r e s st h er e l a t i o n so fs t r e s sa n d s t r a i nc h a n g i n gw i t hd i s t a n c ei ne l a s t i ca r e a , a n dn o n l i n e a rf r i c t i o ne l e m e mt oe x p r e s st h e r e l a t i o n so fs t r e s sa n ds t r a i nc h a n g i n gw i t hd i s t a n c ei np l a s t i ca r e a t h ec r e e pm e c h a n i c s m o d e lc o n s i d e r i n gt h ed i s t a n c ei se s t a b l i s h e d a n dc o n s t i t u t i v ee q u a t i o no fd i s t a n c ec r e e p m o d e li sb r o u g h tf o r w a r d b a s e do nt h en o n l i n e a rr e l a t i o n sa n dd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s i ne a c ha r e a , t h ee x p r e s s i o n so fa x e se q u a t i o n , s p a na n dc a m b e ro fu n l o a d i n ga r c hi n v a b s t r a c t f o u n d a t i o np i ta r eo b t a i n e d 3 t h em e c h a n i c sm o d e lf o re l a s t i cd e f o r m a t i o na r o u n df o u n d a t i o np i ti se s t a b l i s h e d t h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n tf i e l da r o u n df o u n d a t i o np i ta r ea l s oo b t a i n e d b e s i d e s ，b a s e d o nt h ef a m o u sk a s t n e re q u a t i o n , o n em e t h o dt oc a l c u l a t et h ep l a s t i cs t r e s sa n dp l a s t i cs t r a i n f i l e di np l a s t i ca r e aa r o u n df o u n d a t i o np i ti sb r o u g h tf o r w a r d b a s e do nt h et h e o r e t i c a l s o l u t i o n so fs t r e s sa n ds t a i nf i e l da r o u n df o u n d a t i o np i t t h er e l a t i o no fe a r t hp r e s s u r ea n d d i s p l a c e m e n to fp i tw a l la r ef o u n d o n en e wm e t h o dt od e s c r i b et h en o n l i n e a rr e l a t i o no f e a r t hp r e s s u r ea n dd i s p l a c e m e n ti sp u tf o r w a r d 4 t h ed i s p l a c e m e n t so fp i tw a l la r ec l a s s i f i e di n t ot h ei n i t i a ld i s p l a c e m e n to c c u r r e d f r o me x c a v a t i n gt ob r a c i n g ，t h ed i s p l a c e m e n tb yt h ec o m p r e s s i v ed e f o r m a t i o no fb r a c ea n d t h ed i s p l a c e m e n tb yt h ef l e x i b l ed e f o r m a t i o no fr e t a i n i n gs t r u c t u r e a n daf o r m u l at o c a l c u l a t et h et o t a ld i s p l a c e m e n to fp i tw a l li se s t a b l i s h e db ys u p e r i m p o s i n gt h et h r e e d i s p l a c e m e n t s a n da l la p p l i c a t i o ne x a m p l ei sp u tf o r t e 5 c o n s i d e r i n gt h er o t a t i o no rm o v e m e n to ft h es i d eo ff o u n d a t i o np i t ，o n en e w f o r m u l a so fa x i sf o r c ea n dc o m p r e s s i n gd e f o r m a t i o no fs t r a i g h tb r a c ea r ep r e s e n t e d t h e c u r v e sa n dr u l e so fa x i sf o r c ea n dc o m p r e s s i n gd e f o r m a t i o no f s t r a i g h tb r a c ec h a n g i n gw i t h s o m ef a c t o r sa l eo b t a i n e d b a s e do ne x c a v a t i o nu n l o a d i n ge f f e c t s ，t h er e l a t i o n so fi n n e r f o r c e ，d e f o r m a t i o no fa r cb r a c ea n dd i s p l a c e m e n to fp i tw a l lu n d e rt h ef u n c t i o no f t h r e e - h i n g ea r c ha n dn oh i n g ea r c hd y n a m i cs u p p o r tt e c h n o l o g ya l eo b t a i n e d t h ec o u p l i n g e x p r e s s i o n sb e t w e e nd i s p l a c e m e n to fp i tw a l la n db r a c i n gd e f o r m a t i o no fb r a c ea r e f o u n d e d t h e s ec o n c l u s i o n si nt h i sd i s s e r t a t i o nh a v ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c et o a n a l y z ee x c a v a t i o nu n l o a d i n ge f f e c t sa n dm u t u a ld e f o r m a t i o ni nf o u n d a t i o np i t a n dt h e s e c o n e l u s i o n sh a v eb e r e re f f e c tt oc o n 仃o lt h ed e f o r m a t i o no ff o u n d a t i o np i t k e yw o r d s ：f o u n d a t i o np i t ；s u p p o r t i n g ；b r a c e ；e x c a v a t i o nu n l o a d i n ge f f e c t s ； m u t u a ld e f o r m a t i o n ；d y n a m i cs u p p o r t i n g 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导 下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的 内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过 的作品成果。对本人的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确的方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果 由本人承担。 签名：覃嘏馥 日期：2 0 0 8 年6 月5 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送 交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的 少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有 权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复 印、缩印或其他方法保存学位论文。保密的学位论文在解密后 使用本规定。 学位论文作者签名：辱枫( 易 日期：2 0 0 8 年6 月5 日 导师签名： 日期：2 0 0 8 年6 月5 日 基于开挖卸荷效应的基坑共同变形与动态支护理论 第一章绪论 经济的快速发展，城市化建设和地下空间的大量开发，产生了大批的基坑工 程【1 - 5 , 9 1 】。 基坑工程是指为了减小沉降、确保上部结构的安全稳定，从地表向下挖取一 定大小的空间，进行施工降水和周边围挡，同时要对基坑本身及其围挡结构、坑 周一定范围内的构筑物进行监测和维护，确保正常、安全施工的一系列综合性工 程的总称1 ，引。由于岩土的流变等特性，加之基坑及其支护系统的一些复杂影响因 素，使得基坑工程成为岩土届的一个热点研究领域【2 ，5 9 1 毋3 】。 1 1 基坑工程的组成和特点 1 1 1 基坑工程的组成 基坑工程由基坑坑体、支护结构及周围环境组成。基坑坑体包括向地下延伸的 空间坑体、坑周坑底土体，支护结构包括围护结构、支撑、土钉、锚索、喷网、 圈梁等；周围环境包括基坑施工作业影响范围 3 6 j 内的道路、城市共同沟、建筑等 各种形式构筑物和河流、树木、植被等自然生态环境等。 1 1 2 基坑工程的特点 概括而言，基坑工程具有了以下一些特点。 基坑工程的服务面越来越广。基坑工程的服务面几乎涉及所有土木工程领域， 如高层建筑、人防、水利、港口、路桥、地铁、地下停车场、地下商场、地下储 槽以及近海工程等。这些领域都必须进行一定规模的深开挖，进而促进了基坑工 程技术的大力发展和广泛应用。 基坑工程不断向深大方向发展。基坑工程不仅数量越来越多，而且逐渐向深大 方向发展。在i 茎l # l - ，日本某圆形基坑深度己达7 4m ，法国某基坑深达地下9 层1 4 】。 文献【1 4 】、【9 】统计了国内部分高层的发展情况，这些高层的地下深度几乎都超过 1 0m 。宝钢某炼铁炉基坑深达3 2m 【1 1 ，润扬大桥南汊桥北锚锭开挖深度达5 4m 【1 4 1 ， 被誉为“神州第一锚 的阳逻长江大桥南锚锭深基坑深6 1m 【1 4 】。基坑平面尺寸也 在不断增加，如上海金茂大厦，基坑平面尺寸为1 7 0m 1 5 0m 【3 1 ，上海恒隆广场 第一章绪论 基坑面积达2 5 0 0 0m 2 【8 】，上海另一工程基坑开挖面积达5 1 0 0 0m 2 【1 1 。 基坑工程涉及的学科越来越多。基坑开挖涉及土力学中典型的变形、强度、稳 定、土与支护结构的共同作用等问题【9 1 1 。研究这些问题，需要涉及工程地质、水 文地质、岩土力学、弹塑性力学、结构力学、流体力学、流变理论、测试技术、 施工技术、环境科学、信息科学、数据库技术以及人工智能等多门学科【1 , 3 - 5 , 8 - 9 】。 基坑工程的区域性强。岩土在形成和存在的整个历史过程中都经受了各种复杂 的地质作用，有着复杂的地质应力和构造应力场。我国地域辽阔、岩土类别多、 分布广。不同地区不同类型的岩土，由于经历的地质作用过程不同，其工程性质 具有很大的差别，由此引起基坑工程具有较强的区域性和个性【9 l 】。 基坑工程是临时性工程。一般说来，基坑工程存在于整个工程的某一特定时期， 一旦地下室底板和墙体浇筑完成，基坑工程就结束了。基坑生存期间所用的大量 临时性支护设施，相当一部分都报废埋置于地下。所以，出于快速施工和降低成 本的考虑，早期的基坑工程并未引起工程技术人员的高度重视。 基坑与临近构筑物的距离越来越近。随着城市化的发展，空间资源显得愈发 宝贵，在密集的城市环境中进行建设，基坑与邻近建筑物的距离越来越近，如上 海汇京广场基坑，围护结构与相邻建筑的最近距离仅4 0c m 1 4 】。广州市某基坑紧靠 交通要道滨江路的路缘，滨江路另一侧则是高水位且常年川流不息的珠江。 基坑工程的不确定影响因素极多。基坑工程是一个典型的不确定性系统。勘 测点的代表性、试样选取和试验测试的局限性、岩土特性和地下水状态的不确定 性、施工过程的不确定性、交通振动等环境状况的不确定性、不确定的气候因素 以及设计施工人员的阅历和主观意识等，使得基坑问题显得非常复杂。 基坑工程存在时空效应。基坑开挖是一个“时”变体系，开挖卸荷等施工过程 均是时间的函数m ，9 6 1 。同时，基坑变形受空间影响显著，开挖的空间区域、顺序 和规模的不同，形成的荷载效应和边界条件便不同。不同时间不同空间的岩土相 互抑制和约束，使得基坑变形在时间空间上存在较大的差异。 基坑工程需要专门性的支护措施。绝大部分基坑都位于密集的城市环境之中， 基坑周围存在一些不能受到较大扰动的建筑、地下管线、交通设施等。另一方面， 基坑开挖后，由于岩土的流变特性，都会出现一定程度的坑底隆起、坑壁侧移等 变形，由此引起坑周岩土和构筑物发生不同程度的变形甚至破坏。故为了确保基 2 基于开挖卸荷效应的基坑共同变形与动态支护理论 坑及其周边构筑物的安全与稳定，使用必要的支护措施则是必然的事。 目前基坑工程理论落后于实践，事故发生率较高。当今我国的深基坑工程，无 论是在规模、复杂性方面，还是在设计施工技术方面，都处于世界前歹l j l 9 7 1 ，但纵 观国内外，基坑工程领域仍有大量有待进一步完善的地方。据有关资料【3 9 】统计， 基坑工程的事故率高达1 4 ，在软土环境和其他特殊工程地质条件的基坑工程，事 故率甚至高达1 3 。 基坑工程出现事故后的损失一般都较大。基坑的安全与稳定，不仅关系着基 坑本身的安全，而且对其周围一定范围内的功能设施和构筑物都有巨大影响，由 此引起的社会效应往往也是巨大的。2 0 0 5 年7 月2 1 日1 2 时左右，广州海珠区某 基坑挡土墙坍塌，引起工地附近宽约6m 的水泥路出现整体下陷，导致工地附近 的3 栋高层建筑发生不同程度的倾斜、开裂甚至局部坍塌，致使距离事故现场较 近的地铁二号线中大站至市二宫站区段停运。据初步分析，事故引起的经济损失 不小于2 亿元人民币，其造成的社会影响更是不可估价的。 基坑工程的上述特点，使得基坑方面的研究成为岩土领域的一个热点，也给 岩土界提出了大量新的更为紧迫的研究方向和任务。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 基坑工程的发展 基坑工程的历史悠久，远古时代就有放坡开挖和使用简易木桩围护等不同形式 的“基坑”活动【5 】。但基坑工程的大规模发展却是近几十年的事，在国外基坑工程 兴起于第二次世界大战以后，国内的广泛应用始于2 0 世纪8 0 年代 3 1 。以高层建筑 的发展为例。1 9 8 4 _ 1 9 9 4 年我国共建成1 0 层以上建筑物6 9 7 6 栋。据不完全统计， 截至2 0 0 2 年底，上海已建成高层建筑4 9 1 6 幢，2 0 0 5 年全国高层建筑共建成约7 0 0 0 幢【3 l 。高层建筑的飞速发展，涌现了大量的基坑工程。 基坑工程的大力发展，促进了大批新技术新工艺的出现和应用【1 , 5 , 8 , 9 8 - 1 0 6 】。在支 护方面，出现了s m w i 法、s p r 排桩、拱形支护、预应力支护、u 型钢可缩性支架 支护等一些新的支护形式；设计方面，成功应用了反分析、动态设计、增量法等 设计理论：施工方面，出现了盾构法、半( 全) 逆作法、沉井( 管) 施工法、时空效应 施工法等；监测方面，出现了远程监控系统、自动监测技术等；环境保护方面， 第一章绪论 提出了一系列坑内外加固、变形预测、降水纠偏等技术和理论。 1 2 2 支护技术的发展 基坑支护形式的合理选择，是基坑支护设计的重要工作，也是确保基坑安全 稳定的保障。 常见的围护结构有【1 - 5 , 8 - 9 , 1 4 ，3 0 , 9 6 , 1 0 2 - 1 0 7 】：地下连续墙、拱形围护结构、钻孔灌注 桩、s m w i 法、s p r 桩、钢板桩、挖孔桩、搅拌桩、旋喷桩和钢筋混凝土板桩等； 常用的顶撑结构有：直线形支撑、角撑、斜撑、桁架、圈梁、平面圆拱支撑等及 其组合；常用的拉锚结构有：土钉、锚杆、锚索、加筋土等及其组合。 本文总结了目前基坑工程中常用的各种支护形式【1 0 7 d 2 7 1 ，并对它们的优缺点和 适用范围进行了分析，结果如表1 1 所示。 由于施工作业条件的复杂性，加上技术人员多才多艺的设计风格，支护形式 的选择是多种多样的，一些支护及其组合形式是很难统一界定其类属的。如谢适 安等【1 8 1 人在广东珠江电厂某基坑工程中，设计的新型基坑支护形式“带桩腿悬空 式地下连续墙”，在连续墙底部增加了向下延伸的桩体，充分利用了桩基的承载能 力和连续墙的抗弯防渗优点，受力合理，节省投资。福建岩土工程师为了减少开 挖深度，将锚杆作为围护桩长的延伸，发展了桩底岩石锚杆技术【9 9 1 。诸如此类的 基坑支护技术及其结构形式都不能完全符合表1 1 中的任何一类属。 1 2 3 基坑工程的理论体系 基坑的理论体系主要包括对岩土特性【1 , 9 1 , 9 4 1 和开挖卸荷效应 2 1 - 2 3 , 4 5 , 8 5 2 1 2 】的认 识、水土力学效应的分析8 6 - 8 8 ，2 1 4 之1 6 1 、支护结构的设计 2 , 4 6 4 7 2 1 7 。2 1 引、基坑共同变形 分析【2 1 9 。2 2 1 1 、基坑变形的控制1 。2 ，8 9 2 2 2 1 、环境效应评估和保护1 2 2 3 1 等。这里主要围绕 岩土流变特性、土压力分析计算、开挖卸荷及卸荷拱效应、基坑一支护系统共同变 形等方向的现状进行概括和总结。 1 2 3 1 岩土流变理论的研究和应用 对岩土流变特性的认识，起源于一些较早的、因流变而引发事故的岩土工程实 践【3 7 瑚1 。后来，更多与岩土流变相关的工程问题【3 9 , 1 2 8 - 1 2 9 】，进一步促进了流变学科 的发展。 4 基于开挖卸荷效应的基坑共同变形与动态支护理论 表1 - 1 基坑常用的支护形式 结构形式优点不足适用范围 不做任何支护，节约材挖土量大，暴雨易塌方，土质较好，地下水较低，开 放坡开挖 料，机械效率较高。 墙模支设困难。挖深度较小。 取材容易，成本低，施工截面较大，工程量较大，土质较好、开挖深度不宜超 重力式挡土墙 简单，地下水影响不大。地基沉降较大。过6 m 。 施工振动小、噪声低，刚槽壁易坍塌，成本高、 砌体、地下连续墙 适用于多种地基条件。 度大，防渗性好。废浆处理麻烦。 旌工快、止水效果较好，抗弯剐度小，变形大，小靓模、土质较软、对变形 钢板、混凝土板 可重复使用。拔除时易带土要求不高的基坑。 悬 稀疏桩排 可利用土拱效应、较节约 降水效果较差 土质较好，地下水位较低。 臂成本、对周边影响小。 式 排桩 降水效果差，不能形成 支 结构 连续桩排 刚度较大。土质较差，地下水位高。 土拱。 护 土质软弱，地下水位高，开 各种桩的组合 视组合类型而定。 挖较大 板桩结构排桩加挡板整体刚度较大，兼有板、桩的优缺点。 桩堵排桩加挡墙 整体刚度较大，兼有墙、桩的优缺点。 对变形和防渗要求较高、开 组合板桩墙的组合整体刚度大，兼有板、墙、桩的优缺点。 挖较深的场合 支 单层桩，榭墙 侧向变形较小，受力合挖土和支模不便 理易于控制，兼桩、板、 开挖深度和侧向变形较大， 撑 多层桩板墙挖土和支、拆模不便。适合桩、板、墙的环境。 墙优缺点。 成本低，能利用岩土自 拉锚单独用 承能力，操作方便，对环 除深厚软土层外，基本均可 境干扰小，施工快。 使用，开挖深度较小 单层 施工简便快捷，面层保护 除深厚软土层外，基本均可， 锚网支护 好，整体性较好，造价低。 开挖深度不大。 带 整体性较好、止水好，兼 可能占红线外的地下空 侧向变形要求较高，开挖深 支拉 桩树墙 有桩、板、墙优缺点 间，可能对将来邻近的 度较大。 点 锚 成本低，能利用岩土自 地下空间开发有影响， 支拉锚单独用 承能力，操作方便，对环可能受腐蚀。 除深厚软土层外，基本均可， 护 境干扰小，施工快。 基坑深度较大。 多层 施工简便快捷，面层保护 变形控制较高、开挖深度较 锚网支护 好，整体性较好，造价低。 大除深厚软土层外的环境。 整体刚度较大、止水好， 桩栅墙 基坑深大，侧向变形要求高。 兼有桩、板、墙优缺点。 整体刚度较大、成本较 梁 桩榭墙支模浇筑较麻烦。 侧向变形要求高，基坑较深 低。 支撑、圈梁、拉整体性好、刚度大，兼有所用的各支护形式的优整体变形控制要求高的环 组合 锚的组合形式缺点。 境。 简便安全，挖土少，变形 土质较软或水下作业等施工 沉管施工 施工空间和环境有限。 小，稳定，承载大。环境。 节省工时，变形小，经济 全、半逆作法施工对协调控制要求高适用大多土质。 合理。 5 第一章绪论 1 9 2 2 年b i n g h a m 流动和塑性一书的出版以及1 9 2 8 年流变协会的成立，标 志着流变学成为了一门独立的学科【1 2 】。1 9 4 8 年荷兰的g e u z e 4 0 】和我国学者陈宗基 【9 1 1 开始对土的流变特性进行研究。1 9 5 3 年h a e f e l i 4 1 1 在第三界国际土力学和基础工 程会议上指出，蠕变研究将影响土力学将来的发展。此后各国的学者开始对土的 流变进行系统的研究8 3 - 8 4 , 9 3 , 1 2 9 - 1 3 3 】，并取得了大量的成果，使土的流变问题成为了 一个新的研究方向【12 1 。 建立流变本构模型在流变研究中是至关重要的。任何一种材料的本构模型都必 须是能充分表达材料内部结构的物理力学特性，这样才能保证由模型所推导出来 的本构方程能正确反映材料的特性【1 2 , 1 5 】。因此，如何建立岩土的流变本构模型成 为岩土流变研究中的关键所在。国内外学者在这方面做了大量的工作，建立了反 映各类岩土流变的多种模型【1 2 , 1 5 , 3 7 - 3 9 , 8 3 - 8 4 , 9 3 , 1 3 4 1 3 9 1 ，如m e x w e l l 模型、k e l v i n 模型、 b i n g h a m 模型、陈宗基模型、西原模型、m e r c h a n t 模型、f o l q u e 模型等。 近年来，非线性化是流变模型理论发展方向之一【1 2 】。非线性流变模型更适合于 描述岩土材料真实的非线性应力应变特性。非线性化是指用非线性弹簧系数的弹 簧、非线性粘滞系数的粘壶、非线性摩阻系数的摩阻件，分别描述材料的非线性 弹性、黏性和塑性。这方面的模型主要有v y a l o v 模型、m u r a y m a - s h i b a t a 模型、 b a r d e n k e e d w e l l 模型等。 1 2 3 2 土压力的分析与计算 土压力的分析计算是基坑设计的重要内容之一【4 4 】，其度量的准确性是确保基坑 安全可靠的根本前提。同时，土压力的研究是一个古老的课题 4 2 - 4 3 , 9 2 】，以r a n k i n e 和c o u l u m b 理论为代表的经典土压力理论，假定岩土呈弹性、围护结构绝对刚性、 滑裂面为平面，仅考虑静止状态、主被动极限状态下的情形，计算所得的土压力 竖直上呈三角形、水平上呈直线分布，理论结果和实际情况之间存在一定的差异。 土压力的非线性特征主要指土压力空间分布的非线性和土压力变化的非线性。 土压力空间分布的非线性，是指土压力在坑壁上的分布并不如经典土压力所描述 的为“竖直上为三角形、水平上为直线 ，而是呈一定的空间曲面形状。土压力变 化的非线性指坑壁土压力将会随着施工作业的时间性和空间性、围护结构的变形、 岩土流变等因素的影响而出现非均衡的变化【4 5 舶4 8 1 。 由于岩土问题的复杂性，以及经典土压力简洁方便等原因，使得经典土压力理 6 基于开挖卸荷效应的基坑共同变形与动态支护理论 论仍旧是目前岩土设计中的主流依据，但对与实际情况更为符合的非线性土压力 的研究和探讨却从未停止过。 在对非线性土压力的认识和试验研究方面，t e r z a g h i 首先对经典土压力理论提 出质疑。通过一系列大规模的模型试验【4 9 啦】，r e r z a g h i 认为只有土体水平位移达到 一定水平，且土体发生剪切破坏时，c o u l u m b 、r a n k i n e 理论才适用，而且墙体不 同的转动形态会直接引起土压力分布的非线性。 b a n g m 】认为土体从静止状态到极限主动状态是个渐变的过程，指出土压力 计算应同时考虑墙体变位的模式和变位的大小。f a n g 5 3 - 5 4 、b r o s 5 5 1 、j a m e s 5 6 1 等对 墙体平动、绕墙底转动和绕墙顶转动三种变位模式下的土压力进行了模型试验研 究，试验表明三种情况下的土压力分布形状及大小均不相同，且受变位模式的影 响很大。k a t s u h i b oa r a i 5 7 】用有限元方法研究了重力式挡墙的主动土压力，研究表 明，主动区侧压力的分布与挡墙的尺寸和重量密切相关。 在国内，徐日庆1 4 1 1 、周应英n 蜊等研究表明，在墙体不同变位模式下土压力的 差异很大，土压力的计算应考虑墙体的位移模式以及位移量的大小。邓子胜【1 4 3 】指 出建立在古典土压力理论基础上的深基坑侧土压力计算理论和方法没有考虑围护 墙的变形过程。龚慈等【l 删研究认为，采用经典土压力理论计算主动土压力时，只 对平动的刚性挡墙且土体全部达到主动状态时是严格正确的。王保建等1 4 5 1 认为围 护结构的变形模式、土体性质、墙土间的摩擦特性以及墙后填土随位移增大产生 的变形和强度变化等因素，都对围护结构所受土压力的大小和分布产生影响，而 经典的土压力理论无法考虑以上除土体性质之外的诸多因素的影响。 朱彦鹏等【1 4 6 】利用在钢筋笼上贴应变片的方法对悬臂桩的受力状态进行了测 试，利用反分析手段给出了黄土中的土压力分布图，发现小于r a n k i n c 土压力。郭 竞宇等【1 4 7 1 对某大桥地下连续墙上的土压力测试表明，土压力并不是介于静止土压 力和主动土压力之间，而是远小于主动土压力。何昌荣等【1 4 3 】对两种支挡结构上的 土压力进行了实测，发现实测土压力均比r a n k i e 土压力理论值小，填土土压力的 大小和分布取决于墙或面板的刚度、位移大小和方向、填土性质和应力状态。 应宏伟等【1 4 9 】对基坑开挖过程中土压力的变化规律进行研究后指出：随开挖深 度的增加，挡土结构后的土压力逐渐减小，但在支撑范围内出现较明显的土拱作 用；被动区土压力在最终开挖面附近逐渐减小，在开挖面下较深处则逐渐增大。 7 第一章绪论 邢肖鹏1 5 0 】利用逐级增加单元的有限元方法，模拟重力式挡墙的施工过程，发现位 移大小和模式对土压力分布和总土压力有很大影响。何颐华【l 矧对粘性土和砂土两 种填料的悬臂式挡土桩进行模型试验。研究表明，开挖后主动侧土压力随开挖深 度及桩体位移的增加而减小，且小于r a n k i e 主动土压力；被动侧土抗力随挖深的 增大桩底部土抗力有减小的趋势。 在对非线性土压力的分析方法和计算理论方面，经典土压力所描述的岩土静 止、主被动极限三种状态，即暗含了土压力随位移而变化的思想，可惜的是在具 体分析中，经典土压力理论公式不含有体现“位移”这一影响因素的参数。 在考虑位移影响时的土压力计算方法方面，c h a n g 4 1 】改进了c o u l u i n b 土压力理 论，对不同变位模式下挡土墙主动土压力分布进行了研究。r o s e n f a r b 5 8 1 研究了多 种破坏机理下的主动与被动土压力。f i n n t 5 9 1 、c h e n ( 6 0 1 等曾用极限分析方法研究了 c o u l o m b 直线破坏机理问题。杨光华【1 5 4 1 利用增量理论对多支撑挡土结构的土压力 分布图式进行了研究，与t e r z a g h i 和p e c k 的经验土压力较为一致。张云军等【1 5 2 1 根据 现场实测指出，采用考虑时间和位移效应的土压力模型和基于现场实测资料的反 分析来分析岩土受力特性，是简单且行之有效的。曾国熙【”5 1 分别对土体在卸荷和 再加荷等过程中的性能进行了室内试验研究，并提出了非线性模量的表达式。孙 大庆1 5 6 1 假定土体滑裂面为平面，利用变分原理推导了粘性土挡墙上主动土压力的 计算公式。 陆陪毅等【1 5 刀利用室内模型试验对粘性土层中挡土结构上的土压力作了研究， 发现实测主动和被动土压力均小于r a n k i n e 土压力，并给出了悬臂挡墙的土压力分 布模式。胡敏云等【1 5 8 1 5 9 1 、夏永承等【1 6 0 1 根据护壁桩实测资料，利用反分析手段， 推算出了桩侧的土压力分布模式。 胡敏云等【l6 1 】根据被支护土体中的成拱作用，将排桩后的土压力分为直接土压 力和间接土压力，用小主应力拱分析计算直接土压力，用大主应力拱分析计算间 接土压力，由此得到的土压力呈曲线分布，成为土压力研究的新思路。蒋鹏等【1 6 2 1 提出了一种基于弹性地基理论的土压力计算方法，分析指出作用于支护结构上的 基坑外侧土压力，将产生与支护结构挠曲变形相协调的重分布现象，其值介于静 止土压力与主动土压力之间，在极限状态下，土压力分布图形一般与传统土压力 理论的三角形分布不相吻合。蒋波等【1 6 3 】考虑墙土摩擦角的影响，用莫尔应力圆求 基于开挖卸荷效应的基坑共同变形与动态支护理论 解得到了对应不同内摩擦角和墙土摩擦角的侧土压力系数，将其用于水平微分单 元法求解挡土墙主动土压力，得到了挡土墙主动土压力强度、土压力合力和合力 作用点的理论公式。钟小春【1 6 4 1 取支护桩后水平土条进行力学分析，认为无穷远处 土体以及土条周围均承受均布压力，推导了考虑土拱效应的桩间土体的水平侧向 土压力理论计算式。王渭漳等【1 6 5 1 通过理论分析和推导提出了适合任意土质、任意 墙背倾角、任意斜度填料面的墙背主动土压力非线性分布的通用表达式。叶晓明【1 嗍 提出了水