（岩土工程专业论文）深基坑板桩支护模型试验研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文笫i 页摘要深基坑开挖与支护是一个综合性的岩土工程课题，其中既有土力学中经典的强度和稳定问题，又包含了变形与沉降问题，还涉及到了土体与支护结构的共同作用问题。随着高层和高耸建筑物的发展，深基坑开挖支护技术的应用和研究日益重要，但是，由于深基坑工程的复杂性和不确定性，关于深基坑支护技术至今还未整理出一套系统的理论和设计方法，在设计和施工中还存在很多问题。在深基坑工程设计方法发展的过程中，国内外许多学者都曾进行了较多的研究，包括模型试验、现场实测和理论探讨都有不同的进展。模型试验是研究和解决岩土工程问题的重要手段，其中室内模型试验制作简单、便于操作、可重复性高，己在工程科研、设计及论证中发挥了重要作用。本文是在武汉科技大学俞晓教授及其学生苏晓科设计的室内模型试验装置的基础上设计了加载装置和锚拉装置，优化了其位移测试系统，然后使用此试验装置进行模拟基坑开挖的室内板桩支护模型试验。本文分别探索了悬臂式和锚拉式板桩支护结构在不同条件下在土压力作用下的破坏机理，系统进行了在五级开挖深度、五级荷载组合下悬臂式和锚拉式板桩支护模型试验，着重研究了在不同开挖深度、荷载组合和支护方式下基坑开挖过程中土压力、板桩桩项水平位移、支护侧地表沉降、支护侧土体内部位移以及锚拉力的变化情况，从而为板桩支护结构的内力和变形分析与设计提供依据。关键词：深基坑工程模型试验板桩支护试验分析第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文a b s t r a c td e e pf o u n d a t i o np i te x c a v a t i o na n db r a c i n gi sat o p i ci ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ,i n c l u d i n gs t r e n g t ha n ds t a b i l i z a t i o no fs o i lm e c h a n i c s ，a n dt r a n s m u t a t i o na n ds e d i m e n t a t i o no fd e e pf o u n d a t i o n , a n do d m l t i o re f f e c tb e t w e e ns o i la n ds h o r i n gs t r u c t u r e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g ha n dt o w e r i n gb u i l d i n g , t h ea p p l i c a t i o na n dt h es t u d yo ft h ed e e pf o u n d a t i o np i te x c a v a t i o ns u p i x r t i n gt e c h n o l o g yb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n th o w e v e ri th a sn o th a v eas y s t e m i ct h e o r ya n dd e s i g nm e t h o da b o u tt h ed e e pf o u n d a t i o np i te n g i n e e r i n gb e c a u s eo fi t sc o m p l e x i t ya n du n c e r t a i n t y , i te x i s tal o to f p r o b l e m si nd e s i g n i n ga n dc o n s t r u c t i n g t h es c h o l a ro fi n s i d ea n do u t s i d ed i dal o to fs t u d yi nt h ed e v e l o p m e n to ff o u n d a t i o np i te n g i n e e r i n gd e s i g nm e t h o d , i n c l u d i n gi n d o o rm o d e lt e s t s ，r o a d t e s ta n dt h e o r yd i s c u s s i o n m o d e lt e s tm e t h o di sa ni m p o r t a n tw a yt or e s e a r c ha n ds o l v et h ep r o b l e mo fg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ，t h e r e i nt o , t h ei n d o o rm o d e lt e s th a sg o o dm u n e a v e r a b i l i 魄1 1 i g hr e p e a ta tr e l a t i v e l y , a n di ta l s oh a se x e r t e di m p o r t a n te f f e c ti ns c i e n t i f i cr e s e r r c h ，d e s i g na n da r g u m e n t a t i o no f e n g i n e e r i n g 1 1 忙p a p e rb a s e do nt h ed e s i g na n df a b r i c a t i o no fi n d o o rm o d e lt e s td e v i c eb yy ux i a op r o f e s s o ro fw u h a nu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dh i ss t u d e n ts ux i a o k e ，o nt h eo t h e rs i d e ，i td e s i g n e dt h el o u dd e v i c ea n dt h ea n c h o r e dd e v i c e , a n do p t i m i z e dt h ed i s p l a c e m e n tt e s ts y s t e m s ，a n dt h e nd i dt h ei n d o o rm o d e lt e s to ff o u n d a t i o np i ts i m u l a t ee x c a v a t i o nb yt h i st e s td e v i c e t h i sp a p e rr e s p e c t i v e l ye x p l o r e dt h ed e s t r o ym e c h a n i s mo fc a n t i l e v e ra n da n c h o r e ds h e e tp i l es u p p o r ts t r u c t u r eo nt h es o i lp r e s s u r eu n d e rt h ed i f f e r e n tl o a d s , a n dc o m p r e h e n s i v e l yc a r r i e dt h r o u g hc a n t i l e v e ra n da n c h o r e ds h e e tp i l es u p p o r tt e s tu n d e rf i v e - g r a d e se x c a v a t i o nd e p t ha n df i v e g r a d e sl o a dc o m b i n a t i o n , a n ds p e c i a l l yr e s e a r c h e dt h et r a n s f o r m a t i o no fs o i lp r e s s u r e ，t h ep l a n ed i s p l a c e m e n to ft h et o po fs h e e tp i l e ，t h es u r f a c es e d i m e n t a t i o no fs u p p o r ts i d e ，t h ei n s i d ed i s p l a c e m e n to fs u p p o r ts i d e ，t h et r a n s f o r m a t i o no ft h ea n c h o r e dp o w e ru n d e rt h ed i f f e r e n tl o u do rd i f f e r e n te x c a v a t i o nd e p t ho rd i f f e r e n ts u p p o r tm o d eo nt h ep r o c e s so ff o u n d a t i o np i te x c a v a t i o n , t h e r e b yi to f f e r e dg i s tf o ra n a l y s i sa n dd e s i g no fi n t e r n a lf o r c ea n du a n s m o g n f i c a t i o no f s h e e tp i l es u p p o r ts t r u c t u r e k e yw o r d s ：d e e pf o u n d a t i o np i te n g i n e e r i n g ，m o d e lt e s t , s h e e tp i l es u p p o r t , t e s ta n a l y s i s武汉科技大学硕士学位论文第1 页1 1 基坑工程1 1 1 基坑工程发展简况第一章绪论基坑工程是一项古老的工程技术，又是一门新兴的应用学科“。纵观古今，博览中外，作为基坑工程主要内容的工程地质以及岩土力学与基坑工程，虽说作为一门单项学科是近六七十年间的事，但它作为一项工程技术早已不自今日始。上世纪2 0 年代，k t e r z a g h i 的土力学和工程地质学的先后问世，标志着本学科走向系统和成型，带动了各国学者和工程技术人员对本门学科和技术的各个方面的探索、深入与提高。4 0 年代t e r z a g h i 和p e c k 哪等人就提出了预估挖土方稳定程度和支撑荷载大小的总应力法，这一理论原理一直沿用至今，只不过有了许多改进和修正。5 0 年代b j e r r u m 和e i d e 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了仪器进行监测，此后的大量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。8 0 年代初我国逐渐涉入基坑设计与施工领域，进入9 0 年代为了总结我国基坑工程的设计与施工经验，一些单位开始着手编制基坑工程设计与施工的有关规程和法规“。近年来，随着科技的发展，特别是电子计算机的广泛运用，极大地推动了基坑工程的发展，各种新的设计计算理论和先进的测试技术不断得到利用“。建筑工程的设计原理正从强度破坏极限状态向着变形极限状态控制发展。在法、意、日等国家率先使用的新的基础施工法( 如s 唧工法等) 的相继问世，又极大地发展了软土开挖与支护技术“”1 圳。随着我国城市建设的高速发展，建、构筑物朝着更高、更深发展的同时，基坑也朝着更大、更深的方向发展，基坑工程的设计和施工技术的发展和实践，形成了近年国内岩土工程建设项目的热点。1 1 2 基坑工程主要内容基坑工程是指建筑物或构筑物地下部分施工时，需开挖基坑，进行施工降水和基坑周边的围挡，同时要对基坑四周的建筑物、构筑物、道路和地下管线进行监测和维护，确保正常、安全施工的一项综合性工程，其内容包括勘探、设计、施工、环境监测和信息反馈等工程内容“。基坑工程是岩土工程领域中的重要组成部分，主要包含挡土、支护、防水、降水、挖土等许多紧密联系的环节“”。基坑工程是地下基础施工中内容丰富而富于变化的领域。工程界已越来越认识到基坑工程是一项风险工程，是一门涉及面很广的系统工程，它涉及到工程地质、土力学、基础工程、结构力学、原位测试技术、旅工技术、土与结构相互作用以及环境岩土工程等多学科问题。太沙基“岩土工程与其说是一门科学，不如说是一门艺术”的论述对基坑工程也第2 页武汉科技大学硕士学位论文特别适用 i t o与其它岩土工程相同，基坑支护技术是一门实践性很强的科学，它较桩基工程、地基处理等具有更大难度。基坑支护技术在基坑工程中占有举足轻重的地位，支护结构选取的好坏直接影响到基坑工程的成败“”恤1 。基坑工程的设计与旌工，既要保证整个支护结构在施工过程中的安全，又要控制结构和其周围土体的变形，以保证周围环境( 相邻建筑及地下公共设施等) 的安全叫卜嘲。在安全前提下，设计要合理，又要节约造价、方便施工、缩短工期。要提高基坑工程的设计与施工水平，必须要正确选择土压力、计算方法和参数，选择合理的支护结构体系，同时还要有丰富的设计与施工经验教训1 1 3 基坑工程主要特点基坑工程具有许多特点嘲一嘲，概括起来大致有以下几点：( 1 ) 基坑工程是与众多因素相关的综合技术，如场地勘察，基坑设计、施工、监测，现场管理，相邻场地施工的相互影响等。基坑设计与施工涉及地质条件、岩土性质、场地环境、工程要求、气候变化、地下水动态、施工程序和方法等许多复杂问题。( 2 ) 基坑工程正向大深度、大面积方向发展，有的长度和宽度多达百余米。( 3 ) 随着旧城改造的推进，基坑工程经常在密集的建筑群中施工，场地狭窄，邻近常有必须保护的永久性建筑和市政公用设施，不能放坡开挖，对基坑稳定和位移控制的要求很严。( 4 ) 在软土、高水位及其他复杂条件下开挖基坑，很容易产生土体滑移、基坑失稳、桩体变位、坑底隆起、支挡结构严重漏水、流土以致破损等病害，对周边建筑物、及管线的安全造成很大威胁。( 5 ) 基坑工程包含挡土、支护、防水、降水、挖土等许多紧密联系的环节，其中的某一环节失效将会导致整个工程的失败。( 6 ) 相邻场地的基坑施工，其打桩、降水、挖土等各项施工环节都会产生相互影响与制约，增加事故诱发因素。( 7 ) 基坑工程造价较高，但又是临时性工程，一般不愿投入较多资金。但是一旦出现事故，处理十分困难，造成的经济损失和社会影响往往十分严重。( 8 ) 基坑工程施工周期长，从开挖到完成地面以下的全部隐蔽工程，常需经历多次降雨、周边堆载、振动、施工不当等许多不利条件，其安全度的随机性较大，事故的发生往往具有突发性。武汉科技大学硕士学位论文第3 页1 2 模型试验1 2 1 模型试验的必要性及优势随着高层和高耸建筑物的发展，深基坑开挖支护技术的应用和研究日益重要，但是，由于深基坑工程的复杂性和不确定性，关于深基坑支护技术至今还未整理出一套系统的理论和设计方法，特别是影响深基坑支护的主要因素士压力的研究还不够深入。目前设计中常用来计算土压力的古典朗肯理论或库仑理论的建立条件与支护结构的工作机理存在着很大的差异m 一田，。，深基坑开挖与支护问题是一个综合性的岩土工程问题。卜咖，其中既有土力学中经典的强度和稳定问题，又包含变形与沉降问题，还涉及到土与支护结构的共同作用问题1 。突出地表现在设计和施工完全相互依赖、密不可分：旌工过程中的结构体系、外部作用和力学性状等都在不断变化，它们的变化对设计时工艺参数的选择和对基坑开挖与支护效果的最终结果都有直接的影响。4 。所以，很有必要对深基坑支护工程这样复杂的岩土工程问题，将理论分析、试验研究、数值分析及现场实测等多种方法相结合综合研究，是目前解决深基坑问题的一种有效方法，也是今后指导复杂深基坑问题的长期有效的方法物理模型，不管是离心模型还是其它普通小比尺模型，都能帮助人们认识和探讨岩土工程中的物理现象的内在规律，推进基础研究工作的开展。土工离心模型试验是利用离心机提供离心力场，提高模型土体的体积力，形成人工重力。达到模型和原型二者的重力完全相等，以保持其力学特性的相似性。因此，这神模型试验能够更好的、更真实的反应土体的各种特性，自1 9 3 2 年前苏联的包克罗夫斯基在莫斯科水力设计院土力学试验室内首次用离心机研究土工建筑物的稳定性以来，土工离心机模型试验的技术得到了极大的发展，到上个世纪8 0 年代以后，土工离心模型试验无论是在设备的数量、容量还是在技术和应用领域都有了长足的发展，成为岩土工程学科的前沿和焦点，并解决了不少岩土工程中的重点和难点问题。但是，离心模型试验还存在着一定的问题，而且由于成本太高，技术复杂，并不是任何试验都可以利用离心模型来实现的，目前在我国也仅有十余所院校和科研机构拥有离心模型试验设备。比较面言，普通重力模型由于制作简便，成本低廉，易于操作，同时也能够直接反应岩土工程中的某些规律性，因此，至今仍为人们所采用。对于岩土工程而言，土体的一些力学性质的确定，除理论分析、计算和查询有关的规范外，现场试验常被认为是最可靠的方法，但现场试验不仅费时费钱，而且受工期等诸多因素限制，不宜每个工程都采用，同时由于现场地质条件千变万化，现场试验资料的统计经常出现较大的离散性，因此有必要利用室内模型试验来验证理论计算方法的准确性和分析各种条件的变化对现场试验可能带来的影响“h 。鉴于上述种种因素，室内模型试验方法仍然是解决岩土工程中重要问题的一种有效途径，同时，也为我们进一步研究土压力的分布规律、探讨和发展深基坑支护理论提供了一种行之有效的方法。第4 页武汉科技大学硕士学位论文1 2 2 国内外模型试验研究现状对深基坑支护工程这样复杂的岩土工程问题，将理论分析、试验研究、数值分析及现场实测等多种方法与手段相结合，进行综合研究，是目前解决深基坑问题的一种有效方法，也是今后指导复杂深基坑问题的长期有效的方法。下面简单综述一下国内外学者为解决基坑支护中土压力和支护结构内力及变形问题所做的模型试验研究工作：( 1 ) k t e r z a g h i 等卧脚人首先在二十世纪3 0 年代开始研究基坑工程问题，用砂做填料进行室内模型试验，模型挡土墙的高度大于2 m ，对刚性挡土墙六种不同变位方式下土压力分布规律进行了定性研究。尔后又有不少的模型试验。”。叫，大多用砂为填料，有的试验结果表明，这三种基本位移在土体中所产生的破裂面几乎相同，因而一般只做平移的试验来研究土压力的分布；但也有试验结果证实墙在三种位移时的土压力分布形状及大小都不相同。( 2 ) m e b r a n s b y 等叫对砂土中的悬臂式板桩利用室内模型试验研究了板桩和土体在开挖过程受力和变形特征并研究了土与墙之间的接触面和光滑程度、土的性质对挡墙侧移和基坑周围土体沉降的影响。( 3 ) m d b o l t o n 和r s s t e e d m a n 等“盯用模型试验研究了基坑失稳前地下连续墙的性能，土与围护结构的相互作用以及土体位移墙体位移以及孔隙水压力的分布规律。我国深基坑支护工程的特点是：起步较晚、发展迅速、事故率高、理论落后于实践。我国对基坑工程进行广泛研究始于二十世纪8 0 年代初，虽然经历的时间不长，但取得的成果显著。二十世纪9 0 年代初，许多科研单位和高校学者相继进行了深基坑模型试验研究，对我国深基坑工程支护结构上的土压力计算方法和支护结构的设计计算的研究作出了巨大努力，现就与本文研究课题相关的研究成果综述如下：( 1 ) 长沙交通学院水港与建筑工程系周应英等阍，以砂土为研究对象。采用压力盒量测土压力，对刚性挡土墙主动土压力进行了试验研究。模型挡土墙的高度为1 o _ 1 5 m ，宽度为0 5 - 2 0 m ，组合成不同的高宽比，对砂土进行的墙身平移试验结果说明当墙身的高宽比为1 时，实测土压力随深度增加而增大，实测数据在理论分布线两侧波动，静止条件下的实测土压力最大，随着位移的增大，土压力减小；当墙身的高宽比为1 5 时，实测分布曲线与理论直线的偏离比较大，在墙的上半部实测主动土压力值大于库仑理论值，下部则相反，出现在工程实测时通常出现的r 形分布；五种不同的高宽比( o 5 ，0 6 ，1 0 ，1 5 ，2 0 ) 的墙体试验结果说明，墙身刚度越小，实测的主动土压力分布越偏离库仑理论值。( 2 ) 中国建筑科学研究院地基基础研究所杨斌等m 1 ，通过一定数量的室内模型试验研究，对不同挡土结构位移下，侧土压力由静止土压力逐步向主动土压力发展过程进行了测定，得出挡土结构位移和侧土压力强度值间的关系，提出了一种考虑挡土结构侧向位移的侧土压力简化计算方法。( 3 ) 福州大学土木建筑工程学院徐少曼等“”，结合深基坑开挖课题进行了符合相似武汉科技大学硕士学位论文第5 页律的多土层土工模型试验研究。通过大量配方试验得出了模型土的抗剪强度参数与各原料配比的变化规律；按l ：2 0 的相似比进行了多组多土层的深基坑开挖模拟试验，得出一些十分有用的结论，试验结果表明基坑开挖模拟试验可用作为对基坑开挖问题进行研究的一种经济合理的有效方法。( 4 ) 浙江大学土木工程学系陈页开等旧h 例，通过模型试验和数值分析，对作用于刚性和柔性挡土墙上土压力的大小及其分布规律进行了研究。对于刚性挡墙采用自制的模型箱，进行砂性填土被动土压力的模型试验，研究不同的挡墙变位方式对被动土压力大小及其分布规律的影响。挡墙采用的变位方式为平移、绕墙顶上某点转动和绕墙底下某点转动。当同时考虑土体的力学特性和土与结构接触面上的变形特性时，用有限单元法对刚性挡土墙上的主动土压力和被动土压力进行分析研究，土体采用弹塑性的m o h r - c o u l o m b 本构模型，在土与结构接触面间引入无厚度的g o o d m a n 接触单元，接触面上剪应力和剪切位移采用弹塑性的本构模型。试验研究不同的挡墙变位方式、不同墙面摩擦特性以及土体变形特性等因素对土压力大小和分布的影响。( 5 ) 天津大学建筑工程学院陆培毅等侧，针对朗肯土压力理论与实际相差较大，以粘性土为材料，在室内采用悬臂支护，模拟基坑开挖过程，量测开挖过程中土压力及支护结构位移的变化，与朗肯理论对比，得出总主动土压力实测比理论小约l l ；被动区在坑下( o 1 5 - 0 2 ) 倍开挖深度范围内，实测值与理论值接近，其下小于理论值，总被动土压力实测比理论小约2 4 ；并在试验基础上建议了一种粘性土土压力分布形式。( 6 ) 总参工程兵科研三所张向阳“”等，应用模型试验方法，探讨了在开挖过程中基坑墙面水平位移特点和预应力锚索受力特点，给出了锚固基坑与非锚固基坑的水平位移变化特征、不同的锚索类型对基坑变形的影响和锚索应力的变化特征，提出了合理的锚索结构形式。( 7 ) 石家庄铁道学院孙铁成等“4 ，为深入了解复合土钉支护工作性能和作用原理，进行了室内模型试验研究。深基坑模型按照“相似模型的几何长度与变形时间成反比”的相似法则设计，相似比为1 ：1 0 。在试验中，模拟深基坑开挖与支护的实际步骤分步开挖与支护，进行了3 组模型试验，即复合土钉支护、普通土钉支护和无支护边坡，以便于分析比较。借助位移传感器测量深基坑地表沉降、基底隆起和坡面水平位移，通过布设在模型箱透明玻璃侧面内的观测点，测量边坡内土体的位移。试验表明复合土钉支护的基坑变形与普通土钉支护和无支护的基坑相比，具有不同的分布形态。( 8 ) 武汉科技大学城市建设学院俞晓等删一嘲，首次运用a n s y s 有限元应用软件对深基坑室内模型试验进行了研究，针对悬臂式板桩墙试验模型的长度、宽度、墙体插入深度和墙底保留土厚度等的相对尺寸比列，进行了大量的计算分析研究，给出了确定悬臂式板桩墙室内模型试验中的支护墙位置及模型箱各部分合适的相对尺寸的建议，并自行设计和制作了深基坑板桩墙支护模型试验装置。( 9 ) 广西大学资源与环境学院范秋雁等旧1 ，通过大型室内模型试验研究了土质基坑第6 页武汉科技大学硕士学位论文在开挖和预应力锚杆施工过程中土中应力、锚固段应力及基坑壁侧向位移的变化规律。结果表明在基坑开挖过程中基坑壁附近的土体应力状态变化显著；锚杆锚固段应力呈非线性递减分布；基坑壁侧向位移随施工过程的进行而呈增大的趋势。在模型试验基础上，对土层锚杆的锚固和变形机理进行了探讨，结果表明必须建立一个包括基坑周围土体以及锚杆等在内的完整力学模型，且考虑施工过程，才能较精确地求解基坑周围应力场和位移场。1 3 本文研究的主要内容本文是在武汉科技大学俞晓教授及其学生苏晓科设计的室内模型试验装置嘲“吲的基础上进行试验研究，对加载装置和锚拉装置进行设计与制作，对位移测试系统进行优化，然后使用此装置进行基坑模拟开挖的室内试验，探索悬臂式和锚拉式板桩支护结构在不同荷载条件下在土压力作用下的破坏机理，研究在不同支护方式下基坑开挖过程中土压力、板桩桩顶水平位移、支护侧地表沉降和支护侧土体内部位移的变化，以及锚拉力在基坑开挖过程中变化情况，从而为板桩支护结构的内力和变形分析与设计提供依据。归纳起来，本文研究的主要内容有：( 1 ) 位移测试系统的优化模型试验中的位移测试主要有三个方面：模型板顶端水平位移、支护侧地表面竖向沉降位移、支护侧内部土体的位移。本试验将针对不同位置使用不同方法和仪器进行测量，采用定性和定量两中方法从不同的角度对其进行分析。( 2 ) 加载装置的设计与制作加载装置是对原有试验装置的一种完善。本试验将自行设计及制作加载装置，加载方式的选取、装置结构材料的比较和加载砝码与实际荷载的关系等是论文研究的重点( 3 ) 锚拉装置的设计与制作锚固装置是模型试验装置中一个重要部分，而在锚固系统的过程中锚杆材料的选取是其中的最关键的一个环节。本试验将自行设计和制作锚固装置，涉及到锚杆材料的选取、锚杆长度和截面尺寸及布置方式以及对锚杆内力的测试方法等( 4 ) 板桩支护模型试验研究针对深基坑悬臂式和锚拉式板桩支护结构进行系统的室内模型试验研究，模拟基坑开挖的情况，并对试验过程进行详细的描述及解决在试验过程出现的一些问题。通过对开挖深度、荷载组合及支护方式的控制得到在不同条件下基坑支护侧土体位移、模型板的位移和土压力变化的相关试验数据和关系曲线。( 5 ) 板桩支护模型试验结论与分析通过对悬臂式板桩支护模型试验和锚拉式板桩支护模型试验的试验结果横向及纵向比较分析，得到了一些有意义的结论，从而为建筑基坑板桩支护结构的内力和变形分析与设计提供依据。武汉科技大学硕士学位论文第7 页第二章基坑支护理论与模型试验原理2 1 基坑支护理论2 1 1 基坑围护结构的类型基坑工程的发展往往是一种新的围护形式的出现带动新的分析方法的产生。早期的开挖常采用放坡的形式，后来随着开挖深度的增加，放坡面空间受到了限制，产生了围护开挖。迄今为止，围护形式己发展到数十种；从基坑围护机理来讲，基坑围护方法的发展最早有放坡开挖，然后有悬臂围护、锚拉围护、组合型围护等。放坡开挖需要较大的工作面，且开挖土方量较大，在条件允许的情况下，至今仍然不失为基坑围护的好方法；悬臂围护是指不带内撑和拉锚的围护结构，可以通过设置钢板桩和钢筋混凝土桩形成围护结构；为了挖掘围护结构材料的潜在能力，使围护结构形式更加合理，并能适合各种基坑形式，综合利用“空间效应”，发展了组合型围护形式。按照不同的分类方法，基坑围护结构的类型又可以有不同的分法，归纳起来主要有如下四种啪：( 1 ) 按功能划分对不同功能的围护结构，设计要求和施工方法有很大的差别，因此设计时需要明确其使用功能。围护结构按功能可分为临时性结构和兼有永久性结构功能( 两墙合一) 两类。临时性围护结构的功能比较单一，设计时只要满足施工围护结构的挡土、止水和环境保护的要求。永久性结构除了满足上述施工围护结构的要求外，还应满足作为永久性结构的许多要求，例如传力、协调变形、防渗等。同时还要处理与地下室梁、板、柱的连接构造，对围护结构的变形也有更严格的要求。因此设计标准要按永久性结构的要求，在设计过程中，基坑设计与上部结构设计两部分工作更需要密切配合、互相协调。围护结构直接传递上部结构的荷载，围护结构的变形将会影响结构体系传力的正确性，同时围护结构过大的变形也会影响地下室空间的使用。( 2 ) 按围护结构刚度划分按围护结构材料本身的传力特性可以分为刚性结构和柔性结构两类。刚性结构围护体材料的抗拉强度很低，一般不考虑承受弯矩，其变形的特点主要是平移和转动，当发生挠曲变形时很容易发生开裂；柔性结构围护体材料能承受大的弯矩和拉应力，因此可以容许发生较大的挠曲而结构不出现裂缝。( 3 ) 按围护结构保持稳定方式划分按围护结构保持稳定性的方式，可划分为自立式和支锚式两类。自立式结构可以不依靠支撑或锚杆的传力作用而保持平衡，按照保持稳定的机制可以分为重力式和悬臂式两类。重力式围护结构依靠自身的重力所形成的稳定力矩和摩阻力来抵抗土压力所引起的倾覆和滑移；悬臂式则依靠插入深度范围内土的嵌固作用维持稳定。第8 页武汉科技大学硕士学位论文支锚式围护结构则需要依靠内支撑或土锚才能保持围护结构的稳定。( 4 ) 按围护结构的施工工艺和材料划分按围护结构的施工工艺与材料划分，可分为以水泥稳定土为材料的水泥搅拌桩，以钢为材料的钢板桩和以钢筋混凝土为材料的钻孔灌注桩、地下连续墙或钢筋混凝土板桩。一般来说，围护结构的受力性能与材料密切有关，用水泥搅拌桩做成的坝体是刚性的、自立的；用钢材或钢筋混凝土制成的围护结构是柔性的，一般需要采用支锚体系来维持其稳定。综合上述各种不同分类考虑，表2 1 简单的列出了各类围护结构的特点和适用条件。表2 1 各类围护结构的特点和适用条件类支护方式支护特点适用条件型及结构基坑周围有足够的放坡空间相邻影自稳边坡根据土质条件确定边坡坡度响要求不高，土质较好放采用土钉或螺旋锚加固；坡加挂钢丝网喷浆或抹浆；对坡度有限制或土质相对较差、易风加固土坡土工织物加固坡面；化或完整性较差压力注浆加固深层搅拌桩构成壁式或格栅式挡可兼有止水帷幕功能，基坑外要有一墙；定的空间布置桩体。适用土类范围广，围挡水泥稳定土钉、螺旋锚加筋土挡墙；护高度不宜超过6 m墙土挡墙锚杆压力注浆加固土挡墙；对基坑位移控制要求比较高时不宜稳定性不足时可加灌注桩组成复采用此法合式挡墙钻孔灌注桩、挖孔灌注桩、预制桩、施工场地狭窄，无放坡开挖或重力式钢板桩、钢筋砼板桩；挡墙所需要的宽度，开挖深度不大，土层悬臂式围护结构变形较大的基坑可采用较好，相邻影响要求不高，悬臂长度不宜双排桩或多排桩大于一定数值( 视土质条件而定)锚固式上述桩型加灌浆锚杆( 预应力或非可用于不同深度的基坑，基坑内无施排( 单层或预应力) ，螺旋锚或灌浆螺旋锚，锚定工干扰；锚杆需伸入临近地块，红线以外桩允许占用地下空间；锚固段不宜设在灵敏多层)板，拉锚，锁口梁和围檩度高的淤泥层内，在软土地区慎用上述桩型加钢支撑或钢筋砼支撑可用于不同深度的基坑和不同土质内支撑式( 水平撑，斜撑、角撑或环形撑) ；条件；适用于变形控制要求严格的情况；( 单层或能传递支撑支座力的锁口粱和围支撑对施工有一定的干扰：对于平面尺寸多层)檩；较大、形状较复杂和环境要求较严格的基能限制水平支撑变位的立柱坑宜采用现浇钢筋砼支撑结构地钢筋砼连续墙在平面上做成t 形或可用作永久形结构的墙体，可采用逆下自立式兀形以增加抵抗矩作法施_ 利用地下室梁、板、柱作为内支武汉科技大学硕士学位论文第9 页类支护方式支护特点适用条件型及结构连连续墙加内支撵或锚杆，一般需要撑体系，可用于多层地下室的超深基坑续支锚式墙设置围檩传递支座力圆形、拱形、复钢筋混凝土连续墙可充分利用结构受力特点。径向位移钻孔灌注桩择桩。小，适用于建筑物形状接近于圆形或椭圆合形环形撑梁形2 1 2 基坑工程的失效模式基坑工程设计的目的是为了基坑围护结构能有效地发挥预定地作用，不发生功能地失效，因此研究基坑工程地失效模式对于指导基坑的设计和施工具有重要的意义。从众多的基坑失效的工程实例中可以看出，基坑失效的模式是多种多样的，不同型式的围护结构，不同的施工条件，失效模式并不完全一样。从失效的机理来说，基坑工程主要有如下九种可能的失效模式。小删，虽然在实际工程中有时一种失效模式可能会引发其他失效模式的出现，但就机制而言，这九种失效模式的物理机制是不同的，他们发生的原因和条件是完全独立的( 1 ) 整体失稳整体失稳是指在土体中形成了滑动面，围护结构连同基坑外侧及坑底的土体一起丧失稳定性，一般的失稳形态是围护结构的上部向坑外倾倒，围护结构的底部向坑内移动，坑底土体隆起，坑外地面下陷。整体失稳一般发生在自立式刚性挡墙或悬臂式柔性挡墙中；对多支撑的围护结构，当被动区抗力不足时也会产生整体滑动；在软弱土层上的放坡，如开挖深度过大，则即使坡度平缓，也会因压力过大而发生整体失稳：如在软弱地基中不适当地采用喷锚支护或土钉墙。极易发生包括锚固体在内地整体失稳。( 2 ) 坑底隆起坑底隆起是指坑底土体产生向上地竖向变形。基坑开挖以后，坑底土体发生向上位移地原因有两种，一种是卸载引起的回弹，其数值较小，不会危及安全：另一种是在开挖引起的压力差作用下土体中产生的塑性流动变形在坑底处的表现，这种变形如果数量较大，表示土体中塑流已经比较严重。如果围护结构和内支撑能够形成整体性好的体系，则塑流仅引起坑外地面下沉，影响环境安全；如果是自立式结构或节点强度差的支撑体系，过大的隆起可能是整体失稳的前兆；如果稳定性不能得到有效的控制，就会发生整体性失稳，此时坑底隆起的量可能达到几米。( 3 ) 围护结构倾覆失稳围护结构的倾覆失稳主要发生在重力式结构或悬臂式围护结构重力式结构在坑外主动土压力的作用下，围护结构绕其下部的某点转动，围护结构的顶部向坑内倾倒。抵抗倾覆失稳的力矩主要由围护结构自身的重力构成，坑底的被动抗力也是构成抵抗力矩的因素。关于转动中心的位置有不同的看法，传统的方法是将转动中心放在围护结构的前趾，第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文但也有认为绕前趾上面或下面的某一点转动比较合理，或者绕前趾和后踵之间某一点转动，特别在软土地区由于基底土比较软弱，在力矩作用下前趾有下沉的可能，不可能成为转动的支点。悬臂式围护结构当插入深度较浅时会发生倾覆失稳。有支撑的围护结构，如果因支撑失稳、压曲或断裂而造成支撑体系失效，围护结构也有可能发生倾覆失稳。( 4 ) 围护结构滑移失稳围护结构的滑移失稳亦主要发生在重力式结构中，在坑外主动土压力的作用下，围护结构向坑内平移。抵抗滑移的阻力主要由围护体底面的摩阻力以及内侧的被动土压力构成，当坑底土软弱或围护结构底部的地基土软化时，墙体可能发生滑移失稳。( 5 ) 围护结构底部地基承载力失稳重力式围护结构的底面压力过大，因地基承载力不足而引起失稳。由于在围护结构的外侧还作用着土压力，因此重力和土压力的合力是倾斜的。在倾斜荷载作用下，地基土发生向坑内的挤出，围护结构产生不均匀的沉降，可能导致部分围护结构的开裂损坏。( 6 ) “踢脚”失稳在单支撑的基坑中，可能发生绕支撑点转动，围护结构上部向坑外倾倒，围护结构的下部向上翻的失稳模式，故形象地称为“踢脚”失稳。在多支撑的围护结构中一般不会产生踢脚失稳，除非其它支撑都已失效，只有一道支撑起作用的情况。( 7 ) 围护结构止水帷幕功能失效和坑底渗透变形破坏止水帷幕丧失挡水功能，产生渗漏、涌水、流土或流砂。由于水土流失使基坑外地面下沉、塌陷，导致临近建筑物的开裂和损坏。引起围护结构止水帷幕功能失效的主要原因是施工因素，其次是设计因素和材料的因素。由于施工质量低劣，止水帷幕有空洞或裂缝，或者有“冷接头”，成为漏水的通道是最普遍的现象；止水帷幕设计过浅，没有全部切断透水层也是漏水的可能原因。由于止水帷幕失效产生过大的水力坡降，引起坑底渗透变形破坏，也即经常所说的管涌、流砂或流土。( 8 ) 围护结构的结构性破坏围护结构的结构性破坏是指围护体本身发生开裂、折断、剪断或压屈，致使结构失去了承载能力的破坏模式。结构性损坏的事故很多，应当引起重视，其原因主要有两方面：一是在设计方面，方案选择不合理，材料强度估计过高，荷载估算不准等造成计算与实际不符：另一方面，在施工中由于没有严格控制质量而产生一些薄弱环节，如在钢支撑体系中，节点众多，如果处理不当，就会因局部失稳而引起整体破坏( 9 ) 支、锚体系失稳破坏支锚体系的失稳破坏包括两种不同的破坏模式。锚杆的破坏主要表现为锚杆的拔出、断裂或预应力松弛，土锚的破坏大多是局部的，群锚的破坏实际上是土体的失稳而并非是锚杆的结构性破坏；支撑的失稳很可能是整体性的，其形态因体系不同而不同，支撑体系大多是超静定的，局部的破坏会造成整体的失稳，尤其是钢支撑体系，局部节点的失效概率比较大。武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页2 1 3 基坑工程的分析与计算简介深基坑工程是建筑工程技术的一个重要组成部分，基坑工程的成败事关工程全局。十多年来我国基坑工程的设计和施工已经有了长足的进展，设计思想和观念都有了诸多更新。实践表明，基坑工程技术的复杂性远甚于永久性的基础结构或上部结构，目前来讲，其设计理论并不成熟，设计方法也不统一。并且随着新的结构形式。新的技术的出现，不断推动着设计方法和设计理论的发展和更新。因此在基坑工程的设计中，更加重视结合当地的地质条件和工程实践经验，并在施工过程中随时修正设计中的各种不妥之处。深基坑的设计是一项综合性的设计工作，它与上部结构( 包括地下室) 设计、工程地质勘查、地下室施工方案以及周围的自然环境、工程环境和社会环境等有密切的关系，基坑开挖方案、围护结构形式的选取以及施工方法的不同，基坑的设计方法均有所不同。本节只能对基坑工程设计中的一般问题进行简单的分析和介绍。基坑工程的分析计算主要包括三个部分的内容，即稳定性验算、结构内力计算和变形计算。( 1 ) 稳定性验算稳定性验算是指分析土体或土体与围护结构一起保持稳定性的能力，包括整体稳定性、重力式挡墙的抗倾覆稳定性及抗滑移稳定性、坑底抗隆起稳定性和抗渗流稳定性等，基坑工程设计必须同时满足这几个方面的稳定性。在自然放坡和以重力式围护结构或锚杆支护体系进行支护的情况下开挖基坑，一般都需要进行整体稳定性验算。采用放坡方式开挖时，需要验算边坡的稳定性；采用重力式挡墙时需要验算挡墙连同土体整体抗滑的稳定性；采用锚杆或土钉墙支护时则需要验算锚杆、土钉连同土体整体的稳定性。这三种整体稳定性的验算各适用于不同的条件，但其共同点是滑动面都发生在土体中，是验算滑动力矩和土体中滑动面上的抵抗力所形成的稳定力矩的平衡；只是由于挡墙或锚杆的存在，限制了滑动面的位置，使后两种稳定验算与土坡稳定验算存在一定的差别。本文限于篇幅在此不一一介绍。抗倾覆稳定性和抗滑移稳定性验算主要是针对重力式挡墙的，其中，抗倾覆稳定性验算的关键是转动点位置的选择，对于重力式挡墙倾覆转动中心位置对计算结果的影响以及转点位置的选择，国内曾进行过研究，提出了不同的观点和解决的方法。抗隆起稳定性的验算是基坑设计的一个主要内容，如果坑底发生过大的隆起，将会导致墙后地面下沉，影响环境安全。抗隆起稳定性验算的方法很多，基本假定和思路不完全一样。计算的结果也相差比较大。一般常用的方法有地基承载力验算、踢脚稳定性验算、剪力平衡验算等。各个规范对验算的具体内容也有所不同，如上海市标准基坑工程设计规程将上述地基承载力验算和剪力平衡验算两种方法并列为抗隆起验算的必要内容，而将土压力平衡验算方法作为抗倾覆稳定验算的内容，小圆弧的中心设在第一道支撑处。深圳地区建筑深基坑支护技术规范只采用地基承载力验算方法计算抗隆起稳定性其验算公式采用c a g u o t 公式，适用于砂土，对于粘性土可采用等效内摩擦角的办法处理。建筑基坑工程技术规范将地基承载力验算和剪力平衡验算两种方法并列为抗隆起验算的必要第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文内容，但小圆弧的中心在基坑底面。在基坑工程失效的事故实例中，许多基坑是由于渗透破坏而失稳的。渗透破坏主要表现为管涌、流土( 俗称流砂) 和突涌。其破坏的机理不尽相同，在分析和计算时应区别对待。( 2 ) 围护结构内力计算结构内力计算为结构设计提供内力值，包括弯矩、剪力等。不同体系的围护结构，其内力计算的方法是不同的：由于围护结构常常是多次超静定的，计算内力时需要对具体围护结构进行简化，不同的简化方法得到的内力不会相同，需要根据工程经验加以判断。计算围护结构内力主要是为了确定结构截面尺寸和配筋，在方案设计阶段根据围护结构内力的分布情况，可以有助于分析、比较、判断方案的合理性，作为调整方案的依据。围护结构内力计算是一个比较复杂的问题，墙体的内力与支锚条件密切相关，也是与土体相互作用的结果，现行的计算方法都作了简化，是近似的解答；内力支撑体系更是高度超静定的结构，其内力还与墙体的制约条件、围檩的刚度等因素有关；从理论上说，上述问题都可以通过有限元计算加以解决，但在有限元技术尚未得到广泛应用之前，工程技术人员主要依据结构力学的概念，采用结构力学的方法处理问题，虽然不太严格，但由于具备基本的合理性和适于手工计算的特点现在仍被广泛使用。在后续章节里将以悬臂式围护结构为例进行详细介绍。( 3 ) 变形计算基坑工程设计包括承载力和变形两部分。前面所述基坑稳定验算和结构内力计算的目的都是为了承载能力和强度设计，即保证基坑工程本身和围护机构的安全性。但对环境的影响主要是基坑的变形。围护结构的水平位移和坑底的隆起变形过大，会引发墙后地面的下陷、相邻建筑物和地下管线的变形或开裂。因此为了减少对环境的影响，控制环境质量，必须计算或估算基坑的变形，将变形控制在允许的范围内。但是围护结构的变形计算比承载力计算更为复杂，通常需要作许多简化假定才能求得变形值。基坑变形计算的主要内容包括围护结构的侧向位移、坑外地面的沉降和坑底隆起等项目。随着计算机技术的发展，为进行大型的、复杂的运算提供了可能，有限元方法得到了很大的发展，并逐步推广应用于基坑工程的设计中来。在上个世纪9 0 年代初，杆件系统有限元法就应用于计算作用在柔性围护结构上的土压力以替代结构力学的简化解析计算方法，如等值梁法等。陆瑞明等“提出了考虑围护结构空间非线性共同作用的计算方法，将墙前和墙后的土压力随位移的变化视为双曲线，提出了土压力与位移关系的公式作为共同作用计算时的物理模型，并提出了一种具有普遍适用性的结构计算方法一弹簧补偿迭代法，能够考虑基坑围护结构、支撑系统和土体三者的空间非线性共同作用，可以模拟基坑的分步开挖过程。弹簧补偿迭代法的基本思路时将地下连续墙切割成n 根垂直方向的梁，和m 根水平方向的粱，通过垂直与水平梁系在交点上的变位协调条件和力的平衡条件来考虑它们之间的共同作用，内支撑作为水平梁处理，地基梁与土体的相互作用采用上述非线性的地基梁共同作武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页用理论。这是一种