（水利水电工程专业论文）采用排桩支护结构的基坑开挖对邻近船闸的影响研究.pdf

摘要 随着我国内河航运事业的发展，为改善航道的通航条件，内河航道上兴建了 大量的低水头水利枢纽，而船闸作为船舶用来克服集中水位落差的建筑物，其通 过船舶能力的大小直接影响到内河航运。近年来区域经济合作加强，许多航运干 线货运量节节攀升，运输船舶向大型化发展，很多船闸的通航能力接近饱和甚至 已经处于饱和状态，促使了水利枢纽的多线船闸的兴建。 为便于运行管理，同时减少征地，提高土地使用率，很多预留船闸位于已建 船闸附近，它们与已建船闸的位置较近。在新建船闸基坑丌挖施工时可能会引起 一系列问题：船闸闸首发生了侧移，致使闸门可能关闭不紧，影响船闸正常运行； 闸坝上游水位与船闸基坑形成较高的水位差，可能会形成管涌，发生渗透破坏， 不能保证施工安全；基坑开挖时如何确保船闸上下游导航墙稳定等问题。因此， 为确保已建船闸正常运行，选择合理的基坑开挖方式、基坑与邻近船闸的距离、 采用何种防护措施就显得尤为重要。 目前，我国针对基坑开挖对邻近船闸的影响研究较少，本文将采用物理模型 试验与数值模拟相结合的方法从以下几个方面对其进行研究： ( 1 ) 通过查阅国内外文献归纳总结基坑开挖对邻近建筑问题的研究现状。 ( 2 ) 以株洲航电枢纽拟建二线船闸为工程背景，采用室内模型试验方法建立 概化模型，研究分析了基坑开挖采用排桩支护时，邻近船闸闸室墙位移及支护桩 的位移变化规律。 ( 3 ) 探讨岩土工程参数反演分析的方法，基于正交设计对邻近船闸的基坑开 挖的材料参数进行位移反分析，为后续的基坑开挖对邻近船闸的影响有限元分析 提供准确的参数。 ( 4 ) 采用有限元数值模拟方法，系统分析船闸在检修工况及高运行工况时， 基坑丌挖过程引起的邻近船闸闸室墙位移、墙后土压力以及地基反力等变化规 律，并对基坑丌挖对邻近船闸的影响因素进行研究，为工程的设计及施工提供参 考。 关键词：船闸；基坑开挖；物理模型；数值模拟；土压力；地基反力；横向位移 a bs t r a c t c o o p e r a t i o n ，t h ev o l u m eo ff r e i g h ti sc l i m b i n gi nm a n ys h i p p i n gl i n e s ，t h et r a n s p o r t s h i pd e v e l o p sl a r g e s c a l e s ，al o to fb u i l tl o c k sa r ea p p r o a c h i n gs a t u r a t i o no ne v e nh a s s a t u r a t e d ，t h e s ep r o m p t et h ec o n s t r u c t i o no fm u l t i - l i n el o c k s f o rt h ee a s eo fo p e r a t i o na n dm a n a g e m e n t ，r e d u c i n gl a n da c q u i s i t i o n ，a n d i m p r o v i n gl a n du t i l i z a t i o nr a t e ，a l o to fr e s e r v el o c k sa r el o c a t e dn e a r b yt h eb u i l t l o c k s t h e ya r ec l o s e re a c ho t h e r t h i sm a y c a u s ear a n g eo fi s s u e si nt h et i m eo fn e w l o c kb r a c i n ga r r a n g e m e n t ，s u c ha sl o c kc h a m b e rs i d e s w a yd u et ot h es o i lp r e s s u r e ， c a u s i n gt h eg a t el o o s e ，i m p a t i n gt h en o r m a lo p e r a t i o no fl o c k t h eu p s t r e a mw a t e r l e v e la n dl o c ke x c a v a t i o nf o r mah i g h e rw a t e rl e v e ld i f f e r e n c e ，a n dm i g h t l e a dp i p i n g ， g i v er i s et os e e p a g ef a i l u r e ，c a n tg u a r a n t e ec o n s t r u c t i o ns a f e t y a n dh o w t oe n s u r et h es t a b i l i t yo fu p s t r e a ma n dd o w n s t r e a mn a v i g a t i o n l o c kw a l lw h e n e x c a v a t i o n t h e r e f o r e ，s e l e c t i n gar e a s o n a b l ew a yo fe x c a v a t i o na n dt h ed i s t a n c eo f f o u n d a t i o na n da d j o i nl o c k ，a n dd o p t i n gw h i c h tk i n do fp r o t e c t i v em e a s u r e s a r e p a r t i c u l a r l yi m p o r t a n tt oe n s u r et h en o r m a lo p e r a t i o no fl o c k a tp r e s e n t ，f o ut h er a r er e s e a r c ho ft h eb r a c i n ga r r a n g e m e n i m p a to na d jo i n i n g l o c ki no u rc o u n t r y ，t h i sa r t i c l e w i l l s t u d yt h ef o l l o w i n ga s p e c t su s i n g t h e c o m b i n a t i o no ft h ep h y s i c a lm o d e lt e s ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d ： ( 1 ) s u m m a r i z et h ea p p l i c a t i o n sa n dr e s e a r c h o fa d j o i n i n gl o c ke x c a v a t i o n ， g e n e r a l i z et h es i t u a t i o no ft h ei m p a c tb r a c i n ga r r a n g e m e n to nt h ea d j a c e n tb u i l d i n g t h r o u g hr e f e r r i n g t ot h eli t e r a t u r eb o t hh o m ea n da b r o a d ( 2 ) s e tt h es e c o n d t i e rs h i p l o c kz h u z h o uc o n s t r u c t i o ne n g i n e e r i n g a s b a c k g r o u n d ，u s e i n t e r i o rm o d e lt e s tm e t h o d t oe s t a b li s h g e n e r a l i z e d m o d e l a n a l y s i s i n gt h ee x c a v a t i o nw i t h r o wo fp i l e st os t u d yt h ed i s p l a c e m e n tl a wo f a d ia c e n tl o c kc h a m b e rw a l la n ds o l d i e rp i l e ( 3 ) i n v e s t i g a t i n gt h em e t h o do fp a r a m e t e r sb a c k 。c a l c u l a t i o n o fg e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n g ，b a c ka n a l y s i s i n gt h em a t e r i a lp a r a m e t e r sb a s e d o no r t h o g o n a ld e s i g no f i i t h ea b u t t i n gs h i pl o c k o ft h ee x c a v a t i o n ，t op r o v i d ea c c u r a t ep a r a m e t e rt o f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i so ft h es u b s e q u e n ts t u d yo ft h ee f f e c to fe x c a v a t i o no nt h ea d ja c e n t l o c k ( 4 ) u s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o do ff i n i t ee l e m e n t ，s y s t e ma n a l y s i s i n g t h el o c ki nn o n o p e r a t i n ga n do p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，t h a tt h ev a r i a t i o nl a w so ft h e d i s p l a c e m e n to fa d j a c e n tl o c kc h a m b e r ，s o i lp r e s s u r eb e h i n daw a l la n ds u b g r a d e r e a c t i o nc a u s e db ye x c a v a t i o n s t u d y i n gt h ef a c t o r so ft h ee f f e c to fe x c a v a t i o no n a d j a c e n tl o c k ，i no r d e rt op r o v i d er e f e r e n c et op r o j e c td e s i g na n d c o n s t r u c t i o n k e yw o r d s ：l o c k ；e x c a v a t i o n ；p h y s i c a lm o d e l s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；s o i l p r e s s u r e ；f o u n d a t i o nr e v e r s ef o r c e ；t r a n s v e r s ed i s p l a c e m e n t l l i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成采作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：焉宦f 刁 日期：沥7 。年，月沙日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：铬互吻 日期：m 。年岁月枷日 导师签名：烈 、j 日期：汐肜年岁月矽日 1 1 研究的目的及意义 第一章绪论弟一早z 百v 匕 随着我国内河航运事业的发展，为改善航道的通航条件，内河航道上兴建了 大量的低水头水利枢纽，而船闸作为船舶用来克服集中水位落差的建筑物，其通 过船舶能力的大小直接影响到内河航运。近年来区域之间经济合作的加强，许多 航运干线货运量节节攀升，运输船舶向大型化发展，很多船闸的通航能力接近饱 和甚至已经处于饱和状念，促使了广西长洲水利枢纽三线四线、淮河三线、皂河 三线等船闸兴建1 1 - - , l ，用以提高通航能力。 为便于运行管理，同时减少征地，提高土地使用率，很多预留船闸位置与已 建船闸较近，如皂河三线船闸工程，其闸位布置于皂河一、二线船闸之间，三线 船闸中心线距一线船闸中心线9 0 m ，距二线船闸中心线7 0 m 、拟建株洲航电枢 纽二线船闸与一线船闸中心线距离为8 0 m 。在新建船闸基坑开挖施工时可能会引 起系列问题：船闸闸首发生侧移，致使闸门可能关闭不紧，影响船闸正常运行； 闸坝上游水位与船闸基坑形成较高的水位差，可能会形成管涌，发生渗透破坏， 不能保证施工安全；基坑丌挖时如何确保船闸闸室墙的稳定等问题。因此，为确 保已建船闸正常运行，选择合理的基坑开挖方式、基坑与邻近船闸的距离、安全 可靠且经济的防护措施就显得尤为重要。 1 2 国内外研究现状 基坑开挖是一项古老工程技术l3 1 ，纵观国内外土木工程发展史，基坑工程 几乎涉及土木工程所有领域，如建筑工程、水利、港口海岸工程、公路桥梁、市 政等工程领域f4 1 。目前，基坑开挖方法可以分为无支护开挖与有支护开挖，其中， 无支护开挖主要是指放坡开挖，适用于地质条件较好，以及施工现场有足够的放 挖场所；有支护开挖主要适用于开挖场地较小或是要求对周边建筑影响很小。对 于基坑开挖工程中，不仅要对支护结构的稳定性和强度进行研究，同时还要对周 边建筑物的安全及变形进行监测控制。研究的方法主要有：理论分析、数值模拟、 室内模型试验、现场监测等方法。本节将对基坑开挖问题研究进行简要的综述。 1 2 1 理论分析 2 0 世纪4 0 年代，t e r z a g h i 和p e c k 等学者开始对基坑开挖的稳定及支护结构 的内力等进行研究并提出了相应的计算方法。尤其是1 9 6 9 年p e c k l 5 6 】通过对大 量工程实测资料统计分析，认为基坑沉降量的大小受到区域地质条件的限制，并 给出了( 地表沉降基坑最大深度一离基坑距离基坑最大深度) 的关系曲线，具体 公式如式( 1 1 ) 下： 地表沉降： 6 1 0 xk a h ( 1 1 ) 其中：k 一修正系数，壁面围护墙取k 一0 3 ，柱列式支护结构取k 一0 7 ，板 墙取k = 1 0 ； 日一基坑开挖深度( h ) ； a 一地层沉降量与基坑挖深之比( ) 。 该曲线未考虑到支护结构形式等因素对基坑沉降的影响。 1 9 8 1 年，m a n a 和c l o u g h 等1 7 】为估算支护墙体的最大位移及墙后地表最大沉 降量，提出了稳定安全系数法。该方法基于支护墙的最大水平位移、墙后地表最 大沉降量与坑底抗隆起安全系数存在的函数关系，利用有限元进行分析，假设一 定的条件( 如已知墙体刚度、基坑尺寸、支撑结构刚度、土体弹模等) 得到了墙体 水平位移、墙后地表沉降与坑底抗隆起安全系数只的函数关系，即： b f ( 6 胁，6 y 一) ( 1 2 ) 其中：6 一为墙体最大水平位移； 6 一为墙后地表最大沉降量。 只要得到了b 即可得到6 胁埘、6 ，需要说明的是该函数关系式具有一定 的局限性，对于其它类型基坑等情况需要做一定的修正。 我国学者刘建航院士等总结大量国内深基坑施工实践经验( 尤其是上海地 区) 及试验研究成果，他认为i s j ：在深基坑开挖和支撑过程中，基坑变形量与分 布开挖的空间几何尺寸及基坑支护开挖部分无支撑暴露时间有关系，简称基坑开 挖的时空效应。方法之一为基坑开挖的时间效应采用粘弹性有限元法，空间效应 采用三维有限元法。粘弹性本构模型的参数则用单剪蠕变试验或三轴剪切蠕变试 验结果拟合。基坑开挖初始阶段的土体的流变参数采用反演分析法求得，在以此 推算下一步开挖基坑周围土体的位移，并依此确定下一步控制变形的施工参数。 另外一种简便方法则是归纳统计分析工程实测支护结构的位移量，得到在一定地 质条件及确定开挖支撑施工条件下，支护墙体与利用弹性或者弹塑性理论所计算 出来的位移差值，利用此法统计出某地区各种施工参数对基坑变形的定量值，以 供类似工程设计参考，此种方法即为时空效应的经验估算法。该方法在许多实际 工程中得到了应用1 9 - 1 3 】，并取得了良好的效果。 地层损失法利用地表沉降时相应的地层移动面积与墙体水平位移引起的相 应地层移动面积的相互关系，并根据经验假设得到地表沉降曲线，从而由已知墙 体的水平位移得到地表沉降量。相应的墙体水平位移由有限元法解得。该方法在 2 实际工程中也得到较好的应用1 1 4 j 。 刘国斌等i l5 j 通过对大量基坑开挖模拟等试验的应力路径进行总结，研究了 上海地区几种典型的软土卸载变形模量与应力路径的关系表达式，该计算式不仅 适合于一般支护结构的变形计算还适合于数值分析。 1 2 2 室内模型试验 物理模型试验研究不论是普通小比尺模型试验还是离心模型试验，都可以帮 助人们认识基坑工程支护结构及土体变形的基本规律。2 0 世纪3 0 年代， k t e r z a g h i 1 6 。7 j 采用砂土作为模型土，首先进行了基坑工程问题研究的模型试 验，模拟了刚性挡土墙在6 种不同的变位情况下墙后土压力的分布规律。此后还 进行了大量的模型试验，使模型试验用于基坑问题的研究的经验得到不断的丰 富。m d b o l t o n 和r s s t e e d m a n 等1 18 j 采用室内模型试验研究了基坑失稳前地下 连续墙的工作性能、土体与支护结构相互作用方法以及孔隙水压力的变化规律 等。1 9 8 6 年，f a n g 和i s h i b a s h i 1 9j 通过模型试验研究了砂性填土刚性挡墙的主动 土压力，试验结果表明，主动土压力为非线性分布，分布规律与挡墙的位移模式 有关，土压力大小及作用点也存在不确定性。不同挡墙位移模式达到极限主动状 态时所需的位移量基本一致，土压力的作用点随填土的密实度的增大而往上移。 m f b r a n s b y 等【2 0 j 对砂土中的悬臂式板桩进行模型试验，得到了基坑开挖过程中 板桩与土体的受力及变形规律，同时分析了土体的性质、土与墙体的接触光滑度 对基坑周边土体的沉降和挡墙的侧移的影响。 我国在基坑开挖模型试验研究方面起步相对较晚，基坑工程试验先于理论研 究。1 9 9 0 年，周应英、任美龙【2 1 】利用物理模型试验研究了刚性挡土墙在平移、 绕墙底转动以及绕墙顶转动工况下主动土压力的分布规律及其对它的影响因素。 试验结果表明：当墙体平移时或绕墙顶转动时，土压力分布规律为非直线分布， 与理论计算值相差较大；当墙体绕墙底转动时，土压力近似为三角形分布。白云 张忠胜( 1 9 9 4 ) 1 2 2 1 ，采用1 ：1 0 0 的模型比例模拟了上海地铁深基坑开挖工程，研究 分析了不同的施工参数对坑外侧地表变形的影响，为减少周边土体沉降应及时进 行支护，同时当土体的刚度增加时可以有效的降低坑外土体的沉降量。刘润、严 驰等【2 31 ( 1 9 9 9 ) 对考虑土体中裂缝的存在时饱和粘性土中的柔性板桩进行模型试 验，分析得到了基坑开挖时板桩的变形及其前后土压力分布规律，传统的朗肯土 压力理论不能反映土压力的实际情况，随着桩土之间裂缝的开展主动侧土体上部 土压力将减少，而被动侧开挖面周边土压力将增加；板桩顶部的位移随着丌挖深 度的增大而不断增加，而在板桩的后侧由于土层表面出现了拉应力区导致土体丌 裂，引起土压力的作用点不断的下移，主动土压力变小，而被动土压力增大。徐 少曼、李树华等1 2 4 】采用1 ：2 0 的比例模拟了多层土的深基坑开挖过程，分析可知 3 坑外地表最大沉降、支护桩顶侧移以及坑底最大隆起量随支护墙体的相对入土深 度d h 增加而减小，当d h 1 2 时，该作用将减弱；试验结果还表明，当支护结 构的最佳第二道支撑的位置为距离坑底约h 3 处。陆培毅、严驰等f 2 5 。2 6 】采用粘性 土为材料，研究发现悬臂支护的基坑开挖时，实测主动区土压力值比朗肯土压力 计算值小1 1 ；被动区在坑下( 1 1 5 0 2 ) 倍开挖深度范围内，实测土压力值与理 论计算值相接近，但小于理论值，再往下，总被动区实测土压力值比朗肯土压力 计算值小2 4 。随后又对以砂土为材料，模拟了以悬臂、单支撑支护的基坑开挖 模型试验，与朗肯理论计算值对比可知，总的实测主动土压力比理论计算值小约 2 0 ，被动土压力比计算值小约2 7 ，并总结出一种新的土压力分布形式。罔静 成【2 7 1 分别对无邻建情况下及有高层邻建并且邻建的基础为刚性桩复合地基的情 况下的基坑开挖工程中支护桩受力及位移变化特征、复合地基沉降变化规律进行 模拟研究，结果表明：基坑在无高层邻建时，支护结构的位移以水平位移为主， 而在基坑有邻建的情况下，支护结构的位移以垂直方向的为主；基坑丌挖过程中， 复合地基对支护结构作用进行了自上而下的调整，使得支护结构的荷载数值在减 小，并且沿桩身分布更加均匀；复合地基将支护结构的应力向支护桩底持力层转 移，而持力层通过变形来抵消这些应力。 1 2 3 现场试验 在基坑开挖工程现场监测方面，j s s h a r m a 2 8 j 等对邻近两个公路隧道的基坑 开挖时的隧道变形监测，研究可知：在邻近基坑开挖下隧道衬砌的刚度大小对隧 道的变形及位移的影响较大，当隧道的衬砌刚度大时隧道的变形及位移将较小， 但可能扭矩会增大。c l o u g h g w 2 9 】分析得到了土体位移与施工过程的相互关系、 基坑周边土体位移与挡土墙侧移之间的关系以及地层损失与不同施工阶段对土 体位移的影响。r i c h a r d 3 0 】通过对台北隧道施工过程的监测资料分析得到了施工 过程与地表沉降之间关系。 我国学者蒋洪胜等【3 1 】结合某基坑开挖工程对邻近地铁隧道位移及变形的现 场监测试验分别从隧道的垂直沉降、水平位移及其横向变形研究基坑丌挖对邻近 隧道的影响。研究者认为：基坑开挖后将改变支护结构后的位移场，土体主要以 垂直沉降为主。由于隧道在本身刚度作用下，将会对基坑丌挖引起的变形产生抵 制作用，而这种抵制作用同时会增大隧道的偏差应力，促使隧道发生横向变形。 王利民等【3 2 j 通过对上海某深基坑工程施工监测资料，研究分析了基坑丌挖对周 边环境沉降变形的影响范围、沉降量与基坑的距离的关系、支护结构与土体水平 位移之间的相互关系、周边土体沉降与支护结构水平位移之白j 的关系；同时还就 如何确定基坑的监测范围、测点位置选定、监测频率给予具体建议。薛丽影1 3 3 l 针对土钉墙作为支护结构的基坑开挖工程进行现场试验，结果表明：土钉墙后的 4 地表沉降与土钉墙的整体水平位移有关，当墙体的水平位移沿深度分布的现状不 一样，其对墙后的地表沉降的影响范围及大小都不一样，墙体的整体位移越大墙 后的地表沉降也越大；墙后土体的沉降量与墙体水平位移具有相关性，地表沉降 地层转动面积与土体侧向变形相应地层移动面积的关系是：a 地表沉降- ( 0 7 0 8 5 ) a ；对于基坑开挖后对墙后邻近建筑物的影响范围可以用土体的沉降 量与沉降曲线的斜率进行分析研究。袁聚云1 3 4 j 结合上海某基坑工程对施工过程 中引起的支护结构的变形以及邻近建筑物的沉降量进行监测分析，结果表明：逆 作施工法中基坑楼板形成的支撑体系具有较强的抗变形能力；邻近建筑物的部分 沉降产生于地下连续墙的成槽阶段；同时还对邻近建筑物的沉降自身基础类型影 响及施工过程中局部区域超载也可能对支护结构产生不利变形等问题进行讨论。 纪广强【”j 通过对南京某深基坑开挖对周围环境的监测资料分析，探讨了深基坑 丌挖对邻近建筑物和土体变形及裂缝、地下水水位下降等问题，认为即使基坑的 地质条件较好并且基坑开挖时支护系统满足安全条件，其对周边环境的影响仍然 较大。丁勇春【36 】通过对某邻近地铁隧道的的深基坑施工进行全程动态监测，实 时对不同工况下基坑支围护结构的变形、支撑体系的轴力以及立柱回弹的变化， 研究分析了基坑施工对邻近地铁隧道的影响。结果表明：围护结构的变形主要发 生在土体开挖初始阶段；围护结构侧向变形越大，相对应位置的支撑轴力也越大； 坑底土体的卸载隆起将带动立柱的回弹；基坑开挖卸载将会引起周边一定区域范 围内地表的沉降以及深层土体的隆起，从而带动邻近地铁隧道上抬；基坑开挖对 邻近地铁隧道竖向变形大于对水平变形的影响。王德刚【3 7 】通过对上海某深基坑 施工对周边管线变形监测分析，系统分析了基坑施工对周边管线的影响，并提出 了合理的处理措施。 1 2 4 数值方法 m a r t ad o l e z a l o v a l 3 8 】为研究深基坑开挖卸载时对邻近隧道的影响建立了二维 有限元模型，模型的初始状态考虑为隧道建设后的状态，文中从地下结构的抗渗、 抗压及变形等方面分析了基坑开挖对邻近隧道的影响，并提出了在深基坑丌挖卸 载时应考虑开挖速度并结合现场监测。f i n n o 等为研究基坑开挖对邻近桩基础的 影响，利用平面有限元法模拟了某深基坑开挖引起邻近桩基的破坏实例。b e l l l 3 9 】 为研究基坑开挖施工时引起周边土体的位移分别建立了二维及三维有限元模型， 并得到了较好的结果。 俞建霖【4 0 】等人采用有限单元法建立了软土地基上基坑丌挖施工模型，结果表 明：引起基坑周围地表发生沉降的主要因素有：基坑丌挖的深度及宽度、下卧土 层的性质以及支护结构的入土深度和刚度；对基坑被动区进行加固处理可以有效 的减少地表沉降量以及支护结构的侧向位移：同时加固区的加固效果与加固区的 5 宽度有关，只有当加固区的宽度大于0 5 倍基坑宽度时，方可取得较好效果。张 治国等人1 4 l j 结合上海某邻近地铁隧道基坑工程实例建立了弹塑性有限元模型， 分析了基坑开挖过程中对邻近软土地铁隧道的影响，并提出相应的预防及保护措 施，计算分析结果与工程实测资料吻合较好。陈东杰【4 2 】对某邻近铁路南站的深 基坑工程建立了有限元模型并结合现场监测资料，认为基坑的开挖方式变形影响 了“相对公平 。变形影响与基坑丌挖面大小成正比关系；土体的加固对控制建 筑物的变形有显著作用。姜忻剐4 3 l 对某基坑工程进行三维有限元分析，分别从 基坑渗流场的等势线、流量以及流速矢量等渗流要素来分析其对基坑开挖及周围 环境的影响，并对其在不同的条件下的规律进行总结，在一定程度上弥补了对渗 流场研究的不足。匡希龙1 4 4 睫；用f o r t r a n 9 0 编制了模拟基坑开挖下墙体一桩体一 土体体系相互作用的平面有限元程序，文中将桩土相互作用的概念引入到了被动 桩土模型中，分析了基坑丌挖对邻近桩基的影响，计算结果与实测值吻合较好。 姚燕明【4 5j 就既有车站与基坑共用连续墙工程建立了三维有限元模型，分析了深 基坑丌挖对已建车站结构内顶、中、地板的内力影响，并得到了内力变化规律。 计算结果表明：基坑开挖过程中，已建车站的顶、中及底板将产生拉应力，在基 坑内，已建车站底板位置处及时设置支撑将有效的减少了车站整体结构所受到的 横向拉力。段绍伟【4 6 j 首次提出用三点弯曲模型模拟混凝土路面断裂型式，采用 非线性有限元法建立路面沉降模型，分析基坑开挖引起的地表沉降量与沉降速度 的关系。研究成果表明：基坑开挖引起的地表沉降对混凝土路面断裂影响较大， 当地表沉降度达到极限值时，路面裂纹将会扩展，最终导致路面断裂。杨敏【4 7 j 为研究基坑开挖对邻近建筑物桩基的影响，建立了三维弹塑性有限元模型，模拟 了无支撑基坑开挖与邻近建筑桩基础的相互作用关系，对比分析了基坑开挖引起 的土体位移场对邻近桩基础的影响，同时很系统的讨论分析基坑空间效应、开挖 的深度、支护结构刚度、桩基与基坑的距离、桩基刚度与桩头约束等因素对邻近 桩基附加侧向位移、桩身应力和弯矩的影响。陈颖文【4 8 j 通过建立深基坑开挖有 限元模型，分析了不同开挖工况下邻近深基坑建筑物的变形以及基坑与建筑物之 阃土体加固后对变形的影响，结果表明土体的加固能够有效的减少邻近建筑物的 水平位移。许胜1 4 9 j 利用有限元法分析了基坑渗流问题对周边环境的影响，基坑 开挖后将会对桩后地面的沉降影响较大，沉降范围也将扩大，因此，基坑开挖施 工时需要对渗流问题引起重视。 1 3 本文研究主要内容 目前，我国针对基坑开挖对邻近船闸的影响研究较少，本文将采用物理模型 试验与数值模拟相结合的方法从以下几个方面对其进行研究： ( 1 ) 通过查阅国内外文献归纳总结基坑开挖对邻近建筑问题的研究现状。 6 ( 2 ) 以株洲航电枢纽拟建二线船闸为工程背景，采用室内模型试验方法建立 概化模型，研究分析基坑开挖采用排桩支护时，邻近船闸闸室墙位移及支护桩的 位移的变化规律。 ( 3 ) 探讨岩土工程参数反演分析的方法，基于正交设计对基坑开挖的材料参 数进行位移反分析，为后续进行基坑开挖对邻近船闸的影响有限元分析提供准确 的参数。 ( 4 ) 采用有限元数值模拟方法，系统分析船闸在检修工况及高运行工况时， 基坑开挖过程引起的邻近船闸闸室墙位移、墙后土压力以及地基反力等变化规 律，并对基坑开挖对邻近船闸的影响因素进行研究，为工程的设计及施工提供参 考。 7 第二章基坑开挖对邻近船闸影响的模型试验研究 2 1 工程背景 株洲航电枢纽工程，位于株洲市区上游2 4 公罩处的湘江干流的空洲滩。株 洲航电枢纽由大坝、船闸、电站和坝顶公路桥四部分组成，正常蓄水位为4 0 5 m ， 相应库容4 7 4 3 亿m 3 ；水库死水位为3 8 8 0 m ，相应库容3 4 8 9 亿m 3 ；调节库容 1 2 5 4 亿m 3 ，它以航运为主，航电结合，并兼有交通、灌溉、供水与养殖等综合 利用水资源的工程。主体工程2 0 0 2 年8 月丌工建设，2 0 0 7 年工程正式竣工。 株洲航电枢纽船闸为i i i 级船闸，设计年通过能力l2 6 0 万吨，按通航一顶四 艘1 0 0 0 t 级驳船船队标准设计，船闸最高通航水位时通航净高l o m 。自2 0 0 4 年 通航以来，过闸船舶数量稳步增长，为湖南经济发展作出重要贡献。近年来，船 闸日开闸次数较多，船舶等待时间较长，船闸通过能力接近饱和，其中2 0 0 8 与 2 0 0 9 年月最大过闸次数已达4 7 8 次，负荷率也已达6 6 。而随着下游湘江长沙 综合枢纽和湘江( 衡阳城陵矶) 2 0 0 0 吨级航道整治项目的建设，湘江运量和过 闸船舶将会明显增长，2 0 15 年船闸将满足不了船舶过闸的需要。为了与航道规 划建设配套，确保大吨位船型从衡阳直接通航至城陵矶，必须考虑在株洲航电枢 纽( 及大源渡航电枢纽) 建设二线2 0 0 0 吨级标准的船闸。株洲航电枢纽二线船 闸的兴建将缓解一线船闸超负荷使用的现状、船舶航道等级将得到提高、降低了 货物的运输成本，水路运输的竞争力得到提高，促进了湘江航运开发，进而带动 了沿岸地区的经济发展。因此，启动株洲航电枢纽二线船闸建设已迫在眉睫。 受场地限制，株洲航电枢纽拟建二线船闸预留位置与一线船闸中心线位置距 离仅为8 0 m ，船闸基坑开挖深度为2 5 m ，在进行二线船闸深基坑丌挖时可能会影 响一线船闸的安全运行，二线船闸施工作业场地较小，只能采用有支护的基坑开 挖方式。本文以拟建株洲航电枢纽二线船闸为背景，针对采用排桩支护结构的基 坑开挖建立了概化物理模型，模型比尺为1 ：5 0 ，其中已建船闸轴线和二线船闸 轴线距离为5 0 5 m ，模型尺寸为1 0 1 m 。模型具体尺寸如图2 1 所示。研究深基 坑开挖对邻近船闸的影响，为工程设计及施工提供参考依据。 + 蒈l 旦 0 圈2 1 模型示意圈 22 试验基本内容 通过本次物理模型试验拟得到以下几个方面的数据及曲线： ( 1 ) 基坑开挖采用捧桩支护时，闸室墙墙顶横向、竖向位移及其随开挖深度 变化的关系。 ( 2 ) 基坑开挖采用捧桩支护时，支护桩项端的竖向位移和桩身横向位移及其 随开挖深度的变化关系。 23 模型基本设置 2 31 模型箱及模型土 ：一。一旦生生_ j 2 2 模型槽示意图2 3 嵌周钢板 tf圳叫l上 本次试验横型槽边墙为砌体结构，模型槽的长度为1 2 m ，宽度为o 6 m ，深 度为1 2 m ，如图2 2 所示。其中一侧采用玻璃制作的观测槽便于观察试验现 象。模型槽边墙处设置两块钢板用于安装磁性表座用以固定测量仪器，如图 2 3 。模型土采用砂土。 23 2 模型桩与闸室墙 模型桩为有机玻璃桩，桩长为8 0 c m ，桩长为8 0 c m ，桩的内径为1 5 c m 外 径为2 o c m ，支护桩为密排桩。桩间距为o c m 。支护桩之白j 无相互约束。 闸室墙由p v c 材料制作，也假设其为刚性体墙体不发生变形。 232 模型安装制作 首先在模型箱中铺一层砂卵石垫层高度为2 0 e r a ，安装步骤图如图24 所示。 随后将排桩安放到准确的位置，井将桩底端位于砂土挚层处。将砂土装入模型箱， 装砂时应沿桩的两侧对称加砂，并且每次装砂高度不直过高，装砂石应从模型边 角处开始，井慢慢将砂土铺至支护桩周边处以避免扰动支护桩，直至加高至 3 2 c m 。将一线船闸闸室墙模型安放到准确位置，闸室墙顶与支护桩的相对距离 为4 0 c n l ，同样在排桩两侧对称填砂至闸室墙顶平齐位置处，模型制作完毕效果 图如图2 5 所示。 f 雾 图2 , 4 模型安装步骤囤图2 5 模型制作完毕效果图 23 3 试验测试装置 本次试验结合试验实际情况采用百分表及位移计就闸室墙的顶端位移和水 平位移、支护桩的顶端位移和侧向位移进行测量。百分表的量程为l o m m ，其允 许误差为0 o l m m ，如图2 6 所示：位移计的量程为l o o m m ，其允许误差也为 0 o l m m 如图2 7 。在安装位移百分表之前，需要对它们进行调零。 _ 1 1 坐 ，；00。k。拉一爿 o 、号 玲一一 蹦26 卣分表 在闸审墙顶端及侧面靠置测试仪器 鼹 用以测量闸室墙顶的横向位移及轻向位 移。对r 史护桩桩身横向位移测点唧置分别为距桩顶o c m 、l o c m 、2 0 e r a 、3 0 c m ， 并在桩顶位置处枷置测点用束测量竖向位移，如图28 及图29 所示。利用磁性 表座将百分表及位移计固定在相应的位置上，测杼顶住测点，并使测杆与测点保 持乖直。 百分表及位移讨安装完毕后，随后记录相应测点的初始位移。 测 削2 8 闸室墒位移测试装置图2 9 支护桩位移测试装置 24 基坑开挖步骤 本次试验模拟4 步丌挖工况第一阶段丌挖深度为2 0 c m ，第一阶段丌挖深 度至3 0 c m 第三阶段jr 挖深度至4 0 c m ，第四阶段开挖深度至5 0 c m 。待每一阶 段开挖读数稳定后，分别记录百分表、位移计的读数。船闸基坑开挖韧始状畚及 开挖步骤圈如图2l o 2 1 1 所示。 强黪黟一 群。i r 盯可_ f i 卜1 i f 一 l r 丽广1 向! ! ! ：，7 r 1 石1 _ _ 移! 生 睦 图2 1 0 基坑开挖初始状态幽图2 1 1 船闸开挖步骤圈 5 结果分析 251 闸室位移分析 由图2 1 2 可知，基坑丌挖时闸室墙墙顶( 如图2 1 1 中a 点、横向位移的变化 情况，当基坑开挖深度为2 0 c m 时，闸室墙后土体向坑内移动，闸室墙顶背离闸 室发生倾斜此时横向位移量较小，仅为0 0 0 8 m m 。随着开挖深度的增加，闸室 墙的横向位移将继续增大。当基坑开挖深度至5 0 c m 时，闸室墙的墙顶的最大横 向位移选到了0 7 1 7 m m ，相比基坑开挖初期位移量增加了0 7 0 9 m m 。一线船闸 闸室墙顶的横向位移随基坑开挖深度的增加而不断的增加，并且基坑增加相同开 挖深度时基坑的深度越太，横向位移也越太。 o 一i ， _ ? jj 二一；逸童 + ，it 多辱； i - 7 。 j 图21 2 闸室侧向位移曲线图图2 1 3 阐室竖向位移曲线图 图21 3 为基坑开挖时船闸闸室墙墙项( 如图2n 中a 点) 的竖向位移变化曲 线图。基坑开挖初期，闸室墙地基发生沉降，竖向位移达到了0 3 7 4 m m ；随着 开挖深度的增加，闸室墙发生倾斜，墙项向上移动，位移量大于由于整体沉降引 起的位移量因此，闸室墙顶端的沉降值逐步减小。当基坑开挖深度达刊5 0 c m 时墙顶的位穆量减少至达0 3 1 4 m m 。 2 5 2 桩身位移分析 ，：l 图2 1 4 为基坑开挖到不同深度时，支护排桩沿桩身的横向位移变化情况， 支护桩沿桩身的横向位移距离坑底的位置越远，其位移就越大；随着基坑丌挖深 度的增加，其桩身横向位移变化也越来越大。当基坑开挖至5 0 c m 时，支护排桩 的位移最大值达到2 8 0 6 m m 。 由表2 1 可知，对于距桩顶不同位置处，不同开挖深度下，桩身横向位移增 长值量。对于桩顶位置处，它们的增长倍数分别为1 8 6 5 7 、4 1 8 5 7 、8 0 1 7 1 ；距 桩顶l o c m 处，相对增长倍数分别为3 6 5 1 、6 3 1 5 4 、1 4 9 5 9 7 ；而在距桩顶2 0 c m 处，它们的相对增长倍数分别为3 5 2 1 3 、9 3 2 9 8 。可见基坑丌挖时支护排桩桩身 侧向位移成非线性增加。 一- 鼹i 鬟； | 卜 一6 - 一- 一厶；一； i 盔童荔 + 开挖2 0 c m 十开挖3 0 c m 扣) i ：挖4 0 c m + 外挖5 0 c m 图2 1 4 桩身侧向位移变化图 图2 1 5 桩顶( b 点) 竖向位移变化图 表2 1 桩身横向位移增长倍数表 由图2 1 5 可知，支护排桩桩顶( 如图2 1 1 中b 点) 竖向位移的变化情况，基 坑丌挖初始阶段，桩顶的竖向位移相对较大。随着开挖深度的增加，竖向位移继 续增大，此时的位移量主要是由于桩身侧移引起的沉降。当基坑开挖深度达到 5 0 c m 时，桩项的侧向位移达到了0 4 9 4 m m 。 综合分析可知，基坑丌挖引起的支护排桩的横向位移变化与竖向位移变化， 在相同丌挖深度情况下，桩顶的位移并非成线性关系变化。 1 3 o 占 侣 巧 gv删逍球辑 2 6 小结 本章针对船闸基坑丌挖对邻近已建船闸的影响进行了物理模型试验，文中对 模型试验设计工程背景、模型的基本装置、试验的基本步骤进行了的阐述，并详 细的分析了模型试验的结果。 ( 1 ) 邻近船闸的基坑丌挖后，闸室墙后方土体向坑内移动，闸室墙开始背离 船闸方向倾斜。随着丌挖深度的增加，闸室墙的横向位移逐步增大，直至基坑开 挖完毕，变形稳定为止。 ( 2 ) 对于闸室墙墙顶a 处的竖向位移最初阶段主要是由于模型填土不密实引 起的，随着丌挖深度的增加，竖向位移量的变化规律表现为先增大后减少。 ( 3 ) 对于支护排桩位移而言，基坑开挖后排桩开始向坑内移动，开挖深度越 大，其横向位移量也越大；而桩顶的竖向位移初期沉降主要是由于模型填土不够 密实所致，随后的位移主要是由于桩身的侧移引起。 ( 4 ) 通过分析闸室墙与桩身的横向位移可知，当基坑开挖深度增加相同时， 其位移增加量并非按线性关系增加。 通过本次模型试验得到了闸室、支护排桩的侧向及竖向位移及变化规律，为 第三章的参数反演分析提供了特征点反演值。 1 4 第三章船闸基坑开挖参数反演分析 准确的参数是基坑开挖对邻近船闸影响有限元分析的重要基础。为获取准确 的材料参数，本文基于正交设计理论的位移反分析法，反演材料相关的物理力学 参数。 3 1 位移反演分析基本理论 岩土工程反分析1 5 0 l 起源于2 0 世纪7 0 年代，由于其具有较强的使用性，广 泛的得到了国际专业人士的关注，经过近4 0 年的发展已逐步成熟。在我国反分 析发展相当迅速，并在实际工程得到应用，取得较好的效果。 岩土工程反分析根据现场获得的测试内容不同，可以分为位移反分析、应力 反分析、应变反分析等几种方法。其中位移测量简单，数据精度较高，因此位移 反分析在实际工程中得到广泛应用，本文将以位移反分析基本方法对基坑开挖对 邻近已建船闸所涉及的参数进行反演。 1 9 7 1 年k a v n a g h 等提出了反算弹性量的有限单元法以来，反演分析得到了 迅速的发展；随后h a d k i r s t e n 提出了由实测岩体变形反演得到岩体的弹性模 量；1 9 7 9 年d s a k u r a i 等人提出了平面应变问题中弹性问题位移反分析以及弹塑 性问题的位移反分析，并将其作为地下工程设计的一项技术，随着研究的深入并 开始对边坡位移反分析问题进行研究；意大利学者g c i o d a 教授先后采用单纯形 法、拟梯度等方法研究了弹塑性问题的反分析问题，并取得了价值较高的研究成 果，但在弹