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浙江工业大学硕士学位论文深基坑内支撑支护结构上的土压力分布研究 深基坑内支撑支护结构上土压力分布研究 摘要 在城市地下空间开发和高层建筑物的建设过程中，产生了大量深 基坑工程，其规模和深度不断增加。但其首要的土压力理论一直存在 严重的缺陷，刚性支护结构的土压力分布可按经典的库伦和朗肯土压 力理论计算得到，而柔性结构土压力分布比较复杂，不能简单使用上 述方法。 通过对二道内支撑加地下连续墙支护结构进行室内模型试验，模 拟深基坑支护结构施工与开挖过程，通过量测试验中每一工况下模型 支护结构上的土压力，分析内支撑式支护结构在基坑开挖中土压力分 布形态的变化规律。模型试验结果显示二道内支撑式支护结构的主动 区土压力基本上均大于朗肯主动土压力。在基坑上部，试验值与静止 土压力较为接近，甚至超过静止土压力；在基坑中、下部以及坑底以 下，土压力介于主动土压力与静止土压力之间。采用太沙基一佩克土 压力包络图计算内支撑支护结构的墙后土压力是偏于安全的。 针对试验模拟的二道内支撑加地下连续墙支护结构深基坑工程， 运用岩土工程数值分析软件a b a q u s ，考虑了工程实际中分步开挖， 支撑等一系列施工过程，对深基坑进行了数值模拟分析，得出墙后土 体的压力分布规律。用模型试验和数值模拟进行对比分析，两者较为 接近。 通过分析试验、模拟以及实测的土压力分布曲线，发现实际的土压 力数值均介于朗肯主动土压力与静止土压力之间。因此对于二道内支 撑式支护结构建议采用下式计算主动侧土压力，g 二a e o + 口巳，a 值介于 浙江工业大学硕士学位论文 深基坑内支撑支护结构上的土压力分布研究 0 4 - 0 5 之间，b 值介于o 5 o 6 之间。对于具体某个工程所应采用的a ， b 值应根据试验分析，工程实际等方法取用。 关键词：深基坑，内支撑支护结构，土压力分布，数值模拟，模型试 验 i i 浙江工业大学硕士学位论文 深基坑内支撑支护结构上的土压力分布研究 r e s e a r c ho nt h ed i s t r i b u t i o no fe a r t h p r es s u r eo ni n n e r b r a c er e t a i n i n g s t r u c t u r eo fd e e pe x ca v a t i o n a b s t r a c t a st h ee x p l o i t a t i o no fu n d e r g r o u n ds p a c ea n dt h eh i g h r i s es t r u c t u r e s i nu r b a n ，al a g e rn u m b e ro fd e e pf o u n d a t i o ne x c a v a t i o n sh a v ea p p e a r e d l a t e l y t h e i rs c a l ea n dd e p t hi n c r e a s ec o n s t a n t l y b u tt h es o i lt h e o r ye x i s t s o m es e r i o u sd r a w b a c k s t h ed i s t r i b u t i o no fs o i lp r e s s u r eo nt h er e t a i n i n g w a l l so fr i g i d i t yc a ng e tt h r o u g hc a l c u l a t i n gb yc o u l o m ba n dr a n k i n e t h e o r y w h i l eo nt h ef l e x i b l er e t a i n i n gw a l l ，i t sm o r ec o m p l i c a t e da n d m e a n sa b o v em e n t i o n e da r eo u to fc o m m i s s i o n t h r o u g h i n t e r i o rm o d e lt e s to ft h et w oi n n e r s u p p o r t i n g a n d u n d e r g r o u n d c o n t i n u o u s w a l l ，s i m u l a t i n g t h e d e e p f o u n d a t i o n p i t c o n s t r u c t i o na n de x c a v a t i o np r o c e s s ，t h r o u g hi n s p e c t i o no fe a c hv o l u m eo f t h et e s tc o n d i t i o n ss u p p o r t i n gs t r u c t u r eo nt h em o d e lo fe a r t hp r e s s u r e t h e c h a n g eo ft h ee a r t hs t r e s sd i s t r i b u t i o np a t t e r n so ft h et w oi n n e rs u p p o r t i n g i sa n a l y z e d m o d e lt e s t sr e s u l t ss h o w e dt h a ta c t i v es t r e s so fs u p p o r t i n g s t r u c t u r ew i t ht w oi n n e rs u p p o r t i n gi sg r e a t e rt h a nr a n k i n ea c t i v ee a r t h p r e s s u r e t h es t r e s so fe x p e r i m e n t a ld a t ai sc l o s e rt ow i t h t h es t a t i cs t r e s sa t t h eu p p e rp a r to ff o u n d a t i o n ，e v e nl a r g e rt h a ns t a t i ce a r t hp r e s s u r e ，w h i l ei t i sb e t w e e nt h er a n g eo fa c t i v ee a r t hp r e s s u r ea n dt h es t a t i ce a r t hp r e s s u r e i n ，a tt h el o w e rp a r to fa n db e l o wt h eb o t t o mo ft h ep i t t h ec a l c u l a t i o no f e a r t hs t r e s so nt h es u p p o r t i n gs t r u c t u r eu s i n go ft e r z a g h i p e c ke a r t h p r e s s u r ee n v e l o p ed i a g r a ms u p p o r t i n gi ss a f e r i i i 浙江工业大学硕士学位论文 深基坑内支撑支护结构上的土压力分布研究 u s i n gg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no fn u m e r i c a la n a l y s i s s o f t w a r ea b a q u s ，a n ds i m u l a t i n gd e e pf o u n d a t i o np i tw i t hu n d e r g r o u n d c o n t i n u o u sw a l la n dt w oi n n e rs u p p o r t i n g ，t a k i n gi n t oa c c o u n tt h ea c t u a l s e p a r a t i o ns t e pe x c a v a t i o nw o r k s ，w ec a no b t a i nt h ee a r t hs t r e s sd i s t r i b u t i o n b e h i n dt h ec o n t i n u o u sw a l l s w i t hm o d e lt e s t sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f ac o m p a r a t i v ea n a l y s i sb e t w e e nt h et w oi sc l o s e r b yt h e e a r t hp r e s s u r ed i s t r i b u t i o nc u r v ea n a l y z e df r o mt h e t e s t ， s i m u l a t i o n ，a n dm e a s u r e d ，i tc a nb ef o u n dt h a tt h ea c t u a lv a l u e so fe a r t h p r e s s u r ea r eb e t w e e nr a n k i n ea c t i v ee a r t hp r e s s u r ea n ds t a t i cp r e s s u r e t h e r e f o r e ，t ot w oi n n e rs u p p o r t i n gs t r u c t u r e ，t h ef o l l o w i n gf o r m u l ai s s u g g e s t e dt ou s ef o rt h ea c t i v ee a r t hp r e s s u r e ，e = a e o + b 巳，ar a n g e df r o m o 4t o0 5 ，br a n g e df r o m0 5t o0 6 f o rs p e c i f i cp r o j e c t s ，a 、bs h o u l db e b a s e do ne x p e r i m e n t a la n a l y s i s ，e n g i n e e r i n gp r a c t i c ea n do t h e rm e t h o d s k e yw o r d s ：d e e pf o u n d a t i o n s t r u c t u r e s ；d i s t r i b u t i o no fe a r t h m o d e le x p e r i m e n t e x c a v a t i o n ；i n n e r - b r a c er e t a i n i n g p r e s s u r e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； i v 浙江工业大学硕士学位论文深基坑内支撑支护结构上的土压力分布研究 符号说明 矽为土的内摩擦角； 万为土与墙背之间的摩擦角； 日为墙高； y 为深度； p ，为挡土墙的水平反力； k 为侧压力系数； 7 为土的重度； g 为地面超载； p 为土压力强度； m 为土压力合力对墙底的力矩； h 。为土压力合力的高度。 缈t 为墙体绕墙顶转动变位模式下土层间的等 效摩擦角； p 为滑动面与水平面的夹角； 匕为挡土墙的水平反力； 丑删为土压力合力的高度。 z 计算点的深度( m ) ： k 静止土压力系数， 乞，e 。库仑主动与被动土压力( k p a ) ； 口墙背倾斜角，即墙背与垂线的夹角，逆时针 为正( 叫俯斜) ，顺时针为负( 叫仰斜) ； 墙后填土表面的倾斜角； 巳，e p 朗肯土动与被动土压力强度( k p a ) ： a b a q u s 国际通用有限元分析软件 v i i 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包 含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业 大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要责 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签笔： l 司乡羔 日期：少t 缸r 月z j 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。本人授权浙江工业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 作者签名： 导师签名： 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 瞰乞 浙江工业大学硕士学位论文 深基坑内支撑支护结构上的压力分布研究 1 1 选题依据及意义 第一章绪论 挡土结构计算首要问题是土压力理论。库仑( 1 7 7 6 年) 土压力理论和朗肯( 1 8 8 5 年) 土压力理论是工程中常用的两种古典土压力理论。传统挡墙土压力理论无论在 基本假定还是在计算原理上都存在一些严重缺陷，其主要缺陷在于忽视了挡墙及 周围土体的应力、变形与强度分析，因而对土压力形成原因与形成过程无法提出 有说服力的论据，也无法使计算建立在科学的符合实际的基础之上。传统土压力 理论也没有考虑填土挡墙与挖土挡墙之间的差别，更未考虑挡墙材料的性质对土 压力的影响及挡墙与背后土体的相互作用。 现有的理论和实测研究认为，刚性支护结构的土压力分布可按经典的库仑和 朗肯土压力理论计算得到，其误差在工程允许范围之内，实测结果表明，只要支 护结构的顶部位移不小于其底部的位移，土压力沿垂直方向分布可按三角形计算， 与上述理论一致。但是，如果支护结构底部位移大于顶部位移，土压力将沿高度 近似呈抛物线分布，此时土压力的合力较上述典型条件要大1 0 一1 5 。柔性结 构的位移与土压力分布情况比较复杂，主要取决于支护结构体系的刚度，不定因 素较多，用传统土压力理论计算的误差太大。有条件时应采用现场实测土压力值， 反演分析等方法总结地区经验，这样可以使支挡结构设计更加符合实际情况。 深基坑支护结构很多情况下不同于挡土墙。实际情况是，先将桩墙做好，分 层开挖、分层支撑或作锚杆。在开挖过程中，结构总要变形，进行支撑或作锚杆 过程是对支挡结构内力进行调整，变形也有调整。这些因素使得这种结构，常常 不能用传统的土压力极限状态理论来解决。在计算土体作用于深基坑支护挡土结 构上的侧压力时，需要着重考虑下列因素：土的物理力学性质( 土的重度、抗剪强 度) ；挡土结构相对土体的变位方向和大小；地面坡度、地面荷载与邻近基础荷载； 地下水位及其变化；挡土支护结构的刚度；深基坑工程的施工方法与施工顺序。 浙江工业大学硕士学位论文 深基坑内支撑支护结构上的土压力分布研究 本文针对二道内支撑式支护结构上的土压力分布规律进行模型试验和有限元 数值模拟，总结和探索内支撑式支护结构土压力分布随施工各个环节的变化情况、 分布规律以及特点。 1 2 本课题国内外发展现状 1 2 1 上部无支撑点的悬臂式支护结构 悬臂式围护结构常采用不设内支撑和锚杆的钢筋混凝土排桩墙、木桩墙、钢 板桩、钢筋混凝土板桩、地下连续墙等形式。 t e r z a g h i ( 1 9 3 4 ) 曾用砂土作为填土进 行了挡土墙的模型试验，验证了朗肯与库仑 土压力经典理论是计算土体达到极限平衡 状态时土压力，这种极限状态要求挡墙的位 移使土体剪应力达到抗剪强度，土压力分布 r 么 形式为三角形直线分布，见图1 1 。图1 1 朗肯与库仑土压力分布 f a n gy s 乜3 ( 1 9 8 6 ) 考虑了三种墙体变位模式：平动模式( t 模式) 、绕基础转 动模式( r b 模式) 和绕墙顶转动模式( r t 模式) ，对挡土墙上主动土压力的合力大小 和作用点位置与墙体的三种变位模式的关系进行了模型实验研究。模型实验研究 结果表明，在墙体水平变位模式下，对不同的土体内摩擦角，土压力合力作用点 在0 3 8 0 4 7 倍墙高处；在绕基础转动变位模式下，土压力合力作用点在0 2 4 0 3 0 倍墙高处；在绕墙顶转动变位模式下，土压力合力作用在0 3 9 - 0 5 7 倍墙高处。 而墙体位移对土压力的影响则是：( 1 ) 当墙完全不动时，静止土压力；( 2 ) 当墙顶 固定，下端向外移动时，土压力呈抛物线形；( 3 ) 当墙上下两端固定，墙中央向外 鼓出时，土压力呈马鞍形；( 4 ) 当墙平行向外移动，土压力呈抛物线形；( 5 ) 当墙 绕下端中心向外倾斜时，一般主动土压力；见图1 2 。 浙江工业大学硕士学位论文 深基坑内支撑支护结构上的土压力分布研究 a ) 静止土 抛 物 线 - l 抛 物 线 b ) 产生水平拱c ) 产生垂直拱 d ) 抛物线分布e ) 主动土压力 图1 2 墙顶位移与土压力分布 朱彦鹏，王秀丽等口3 ( 1 9 9 9 ) 利用深基坑实际工程，也对悬臂式支护桩进行了全 过程的现场试验测试，得出了桩身内力及土压力分布。测试得到的土压力分布及 变化规律如下： ( 1 ) 在基坑坑底平面标高处，土压力取朗肯静止土压力理论值还是偏于保守 的。在嵌固段，旋转点以上部位由于桩身变形挤压土体而产生的被动土压力值及 其变化规律与朗肯理论值较为接近，而在旋转点以下部位，土压力的分布则是上 大下小，并在桩脚位置趋于稳定； ( 2 ) 悬臂段上土压力有随时间的推移而衰减的趋势，但很快就趋于稳定。这 主要是因为受较少约束的悬臂段在土压力作用下的变形在很短时间内得到充分发 展而很快趋于稳定，或是由于桩土变形不协调而产生的张力裂缝的形成和向下迅 速发展的原因所致； ( 3 ) 嵌固段桩身旋转点以上部位，维持桩身平衡的最大被动土压力有一个随 时间的推移先衰减后增大的变化规律。且其作用点不断下移，这个变化过程相对 缓慢。这是因为从上至下，天然土体的侧向基床系数逐渐增大，这就直接造成周 边土体对桩身变形的约束力也是由上而下逐渐增大，使得桩身变形有一个连续的 发展过程。首先，距离基坑平面不远处的桩体受土体的约束较小，变形较为充分， 于是在此处产生最大土压力。在外载作用下，桩土共同工作且继续变形，直至发 生桩土变形不协调；此外，由于天然土体的内聚力而产生自立“拱效应 ，使得此 处土体所承受的压应力通过“拱效应 向较下部位传递，造成此处的土压力大幅 度减小。与此同时，较小部位的桩体在更大土压力的作用下变形继续增大而产生 除宜叻犷 浙江工业大学硕士学位论文深基坑内支撑支护结构上的土压力分布研究 更大土压力。如此运动直至桩身变形趋于稳定，土压力也同时趋于稳定。旋转点 以下部位，桩体嵌固条件较好，桩身变形较小，于是产生的土压力也较小，呈上 大下小的分布形式，且在桩脚以上某点迅速衰减至稳定。 由以上分析可知：支护结构上的土压力与桩身变形充分与否密切相关，是一 个产生、发展、变化的运动过程，而不是一成不变，并随着桩土变形的稳定而稳 定。在这个变形与运动的过程中，值得注意的是维持桩身平衡的被动土压力基本 上是一个随桩身变形的发展逐步发展的过程，这与朗肯理论土压力有很大的区别。 王元战，王海龙等n 3 ( 2 0 0 0 ) 采用库仑土压力理论中墙后填土滑动楔体上沿填土 深度方向取片体单元进行分析，建立关于挡土墙上土压力强度的一阶微分方程， 并求得了该微分方程的精确解，给出了挡土墙上土压力分布的新公式，并与库仑 土压力公式进行了比较。用试验测试数据对该文方法的计算结果进行了检验。其 得出的公式为： p = 去k 差) ( 等) 刖+ 差等 m ， 肚卜咖x 方剃幸卜a k 川, 7 2 j 而1 + 丽y n m 2 ， m = 罴胆) 日，：丝：三生h3 q + t h i 一1 + 坐l h3 q + 7 h ( 1 3 ) 只3 ( a k + 1 ) 2 q + y 日l 33 ( a k + 1 ) - j2 q + r a 、7 式中：矽为填土的内摩擦角；万为填土与墙背之间的摩擦角；h 为墙高；y 为 深度；p ，为挡土墙的水平反力；k 为侧压力系数；口= 1 1 x o c o s 8 ：y 为土的重度； q 为地面超载；p 为土压力强度；m 为土压力合力对墙底的力矩；h p 为土压力合 力的高度。 该文土压力强度分布与库仑公式不同，库仑公式为直线分布，该文为曲线分 布，其分布规律与k 值有关。且该文土压力合力作用高度大于库仑土压力合力作 用高度( 土压力合力相等) ，这与前苏联学者的实验结果是一致的。且该文公式给 出的计算结果与实验结果相吻合。 4 塑婆三些盔兰堡圭堂垡笙壅 深基坑内支撑支护结构上的土压力分布研究 一二二= 二二二二二，二二二：二= ：= ，= ：= = z ： p 糸k n m l 本文方洼f 艮d4 ) ； 摩仑方珐， + 试验缗果 ( a ) 与鏖仓方庆教买验结累比较 p 像x - m n l 一一x = o ，8 k 妁4 x - - - 0 5 伯) 不同k 值对压宠分布影哟 图1 3 王元战公式与库仑方法和实验结果比较 陆培毅，严驰畸1 ( 2 0 0 2 ) 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1 1 ；被动区在坑下( 0 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 ；在试验基础上，建议了两种粘性土土压力 分布形式。如图1 5 所示。 上压力，睁- 一2 0- 1 0o l o 2 0 约 曩0 鼬 曩 深度，锄 图1 4 粘性土土压力分布曲线 阻细刀明肯麓论 ( a ) ( b ) 图1 5 粘性土悬臂支护压力分布模式 5 浙江工业大学硕士学位论文深基坑内支撑支护结构上的土压力分布研究 该文得出的结论是：( 1 ) 主动侧土压力可按三角形分布折线，也可按坑上三角 形、坑下矩形分布，误差在5 以内，被动区土压力见图1 5 a ，1 5 b 。( 2 ) 实测总 主动土压力比朗肯理论小约1 1 ；被动土压力小约2 4 。 王元战，唐照评等阳3 ( 2 0 0 4 ) 研究得出墙体绕墙顶转动变位模式下土压力合力与 墙体平动变位模式下土压力合力相等，且等于库仑理论计算结果，但合力作用点 和土压力分布有显著差别。其公式为： 钢旷端) ( 竿) , , r _ - , 一r 面b y h 百h - y 】。( 1 4 ) 只2 ：1 1 磊否( g 日+ 吉吃胆2 ) c o s ( o 一矽一扔c o s 矽t a n 秒 “一一 “ s i n ( o 一口一缈。) c o s 8 6 ：s i n ( 8 - q ，) c o s 缈 “ s i n ( 8 - 缈一缈i ) 肚卜=罴”j1y)pxdy 归) m = j ( 日一 = i 哥( g + i 归 o”盯1 o = 薏= 号+ 端，喏糍 ( 1 _ 5 ) ( 1 6 ) 式中：矽为填土的内摩擦角；驴为墙体绕墙顶转动变位模式下土层间的等效 摩擦角；万为填土与墙背之间的摩擦角；秒为滑动面与水平面的夹角；日为墙高； y 为深度；只。为挡土墙的水平反力；k 为侧压力系数，k = 1 一s i n 驴； a = 1 琏c o s 8 ：y 为土的重度；q 为地面超载；p 为土压力强度；m 为土压力合力 对墙底的力矩；疗。为土压力合力的高度。 王元战、唐照评得出的结论如下：( 1 ) 在墙体绕墙顶转动变位模式下与墙体 水平变位模式下的土压力合力相同，并且等于库仑土压力理论给出的结果。 ( 2 ) 在墙体水平变位、墙体绕墙顶转动变位模式下，该文公式给出的土压力 强度为非线性分布，不同墙体变位模式下土压力分布不同，土压力合力作用点也 不同。在墙体水平变位模式下，主动土压力合力作用点在距基础约0 4 0 - 0 4 5 倍 墙高处；在墙体绕墙顶转动变位模式下，土压力合力作用点比墙体水平变位模式 下作用点要高，约在距基础0 4 6 - 0 5 7 倍墙高处。 6 浙江工业大学硕士学位论文 深基坑内支撑支护结构上的土压力分布研究 ( 3 ) 由于各种墙体变位模式下土压力合力相同，并且等于库仑土压力理论给 出的结果。因此，在重力式挡土结构滑移稳定性验算中，可采用库仑土压力理论 计算土压力合力。 ( 4 ) 不同墙体变位模式下土压力合力作用点有显著差别，并且与线性分布假 设给出的土压力合力作用点不同。因此，在考虑墙体绕墙顶转动稳定性验算中， 应考虑结构的失稳模式。 1 2 2 有支撑点的撑锚式支护结构土压力研究现状 内支撑式围护结构由围护结构体系和内支撑体系两部分组成。围护结构常采 用钢筋混凝土排桩和地下连续墙形式。内支撑体系可采用水平支撑和斜支撑。目 前在杭州地区较多采用钢筋混凝土内支撑。拉锚式围护结构由围护结构体系和锚 固体系组成。 有内撑或锚杆的支护结构由于挡墙的水平位移受到限制以及挡墙下部在土层 嵌固作用的影响，其土压力的分布与悬臂式支护结构有明显不同，目前这方面的 研究成果并不很多，能直接应用于工程实际的成果更少。 t e r z a g h i 和p e r k 口3 ( 1 9 6 7 ) 根据柏林和芝加哥( 粘土) 等地铁工程的基坑挡土结构 支撑受力测定情况，以包络图为基础，以1 2 分担法将支撑轴力转化为土压力， 提出了压力分布图。1 9 6 7 年t e r z a g h i 和p e r k 提出了土压力分布图的修正，见图1 6 。 【q ! 5 幽i 砂土 l ! h = 垒堡垒 软一中硬粘性土 硬裂隙粘土 图1 6t e r z a g h i p e r k 提出的土压力分布模式 ，r 修正系数，当基底下存在较厚软粘土时取o 4 ，当基底下存在坚硬土层时取1 0 。 平均土压力系数，排水良好及挡土结构位移小时取0 2 0 3 ，反之挡土结构位移较 大且施工周期长时取0 3 o 4 。 y - - 重度；萨一开挖深度；c 一粘聚力；尼一主动土压力系数。 浙江工业大学硕士学位论文深基坑内支撑支护结构上的土压力分布研究 l a m b e & w h i t m a n ( 1 9 6 9 ) 提出了墙后土压力的土拱原理。他们认为墙后土压力 分布和支撑的架设、支撑轴力的大小以及挡墙和墙后土体的相对刚度有很大关系， 挡墙上部的土压力更接近于被动土压力。有支撑推力的区域，处于被动压缩状态， 实际的土压力远大于主动土压力。 胡敏云，夏永承阳3 ( 2 0 0 1 ) 根据某高层建筑深基坑护壁桩从实测钢筋应力求得的 桩身弯矩，用数值分析的方法，对桩侧土压力的分布和大小进行了反分析，所得 结果与经典土压力理论有显著差别。用土拱的概念对桩侧土压力的分布进行了解 释，并给出了桩侧土压力建议图示。其得出的结论如下： ( 1 ) 在基坑支护开挖过程中，由于护壁桩的侧移和土体变形，桩背与土体之间 产生了竖向摩擦，由此引起桩后土体内的竖向土拱效应，使桩后土体产生的土压 力呈近似抛物线分布。 ( 2 ) 柔性护壁桩沿桩长的侧移变形发展不一致，在护壁桩局部变形速率较大处 的桩背上将形成土拱效应，引起土压力沿桩长的重分布； ( 3 ) 由于护壁桩间隔布置，土体内的变形发展不均匀，桩间土体可能在水平面 上形成土拱效应，将桩间土产生的土压力传至两侧桩体上。由此可见，土体内形 成的空间土拱效应将使桩侧土压力呈现不规则的曲线分布形式，且土压力合力将 小于经典静止土压力理论的计算值，合力作用点的位置亦提高。 y o u s s e fm a h a s h a s h ( 2 0 0 2 ) 通过现场试验测得了挡墙后土体应力状态随着开 挖及支撑架设等工况的变化，可见，基坑开挖中的土压力是随着开挖的进程不断 发生变化的，又随着支撑的设置及每一步开挖施工参数的差异而产生受力状态的 改变。基于土拱原理的基坑开挖土压力发展见图1 7 。 奄飞1 1 罨1 蓬1 图1 7 基坑开挖土压力发展阶段 李俊才，罗国煜阳3 ( 2 0 0 2 ) 通过对南京某大厦深基坑支护结构侧土压力的实测研 究，分析和研究了软土地区悬臂支护结构、单层支点混合支护结构、连拱支护结 构侧土压力分布基本规律。 浙江工业大学硕士学位论文深基坑内支撑支护结构上的土压力分布研究 该文认为软土深基坑开挖中，悬臂支护结构与连拱支护结构主动区侧土压力 位于静止土压力与朗肯主动土压力之间，土压力呈三角形分布。开挖至预定深度 时，单层支点混合支护结构在支撑点至开挖面，主动侧土压力随开挖深度的增加 而减小；开挖面以下主动侧土压力随深度增加而增加。 彭社琴，赵其华n 们( 2 0 0 5 ) 对润扬长江公路大桥进行研究，其北锚碇深基坑工 程采用地下连续墙加内支撑作为围护结构。施工过程土压力沿坑深变化有直线递 增、波状递增、附加荷载作用等分布模式，见图1 8 。 该文中对不同土压力分布模式下支护结构内力进行分析得出：直线递增( 三角 形) 荷载作用下，整个墙身上部弯矩较小，下部则较大；波状递增土压力形式作用 下，整个墙体挠曲多变，并且在中上部就有较突出的弯矩作用；附加荷载土压力 模式作用下，墙身上部弯矩异常突出；地连墙设计一般考虑的土压力为三角形荷 载，此种荷载形式下经济配筋方式采用分段配筋，然而，考虑到波状递增土压力 形式及附加荷载土压力模式在实际施工过程中的客观存在，因此对地连墙设计中 分段配筋应慎用；波状递增土压力形式作用下，由于墙体挠曲变得非常复杂，为 保证结构安全，因此最好采用双面对称配筋。 o 5 1 0 1 5 ! 瑟 嫠： 4 0 4 5 ，h h 啪2 0 0姗枷 o 5 i o 1 5 加 12 5 毪3 0 聪3 5 柏 5 p ，k h l 2 瑚 fa 斜寞缓蓐 f8 ) 渡欹递垮 o 5 l o 1 5 e 、2 5 嫠罢 4 5 卯 p ，h b 1 抽3 4 图1 8 基坑开挖过程中土压力作用模式 1 3 目前研究中存在的问题 国内外许多学者在土压力问题做了许多研究，并取得了一些成果，但土压力 问题涉及的影响因素很多，土的区域性也很强，因此，每种成果都有局限性。 室内模型试验毕竟与基坑工程中土的实际受力状态不同，试验中许多复杂因 素如土的应力历史、超载、降水、渗流、时空效应及一些施工影响因素，都不能 加以考虑，试验本身由于尺寸效应，测量精度会存在误差。因此，模型试验结果 9 浙江工业大学硕士学位论文 深基坑内支撑支护结构上的土压力分布研究 只能作为定性分析，不能作为定量结果，还要结合工程实测，理论对比分析加以 量化。 1 4 本文的主要研究内容 针对目前深基坑支护结构土压力分布的研究现状，本文通过计算机软件数值 模拟和模型试验，主要在以下两个方面开展研究工作： 1 、对在二道内支撑加地下连续墙深基坑支护结构上的土压力分布的模式研 究。 2 、在上述一系列研究基础上，建立二道内支撑式加地下连续墙深基坑支护结 构上的土压力分布模型，提出更合理的计算方法。 1 5 研究方法和技术路线 1 、模型试验法： 通过室内模型试验模拟现场情况，从中得出具有规律性的土压力分布模式； 并与实际工程的实测土压力资料进行对比分析。实测资料是各种复杂因素综合影 响的直观反映，具有较强的说服力，是设计中进行土压力修正的主要依据。 模型试验内容有几个方面： ( 1 ) 实验装置：包括模型试验箱和支护结构模型，试验箱采用自制的模型试 验箱，支护结构模型采用二道内支撑式加地下连续墙结构体系，按一定比例缩小， 支护结构模型采用钢材制作。 ( 2 ) 实验仪器：测定土压力的微型土压力盒。 ( 3 ) 实验方案： a 、试验装置的制备：按试验要求制备土样，在试验箱中重塑土样应分层夯实， 同时在模型钢板背后适当位置放置微型土压力盒置入模型箱中。 b 、每次挖土后1 5 分钟和2 4 小时土体变形基本稳定后分别通过电阻应变仪记 录土压力盒的应变变化数据。根据所记录数据可以作出曲线。 ( 4 ) 根据对以上试验成果的整理和处理，即可进行分析研究工作。 2 、数值模拟研究： 有限单元法，它可以从整体上分析支护结构和周围土体的应力，可以对施工 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 深基坑内支撑支护结构上的士压力分布研究 开挖、支撑的架设进行动态模拟。有限单元法适应性强，应用范围广泛，它能成 功处理如应力分析中材料的非均质、各向异性，非线性应力应变关系以及复杂 边界条件等难题。通过有限元软件a b a q u s ，以m o h r c o u l o m b 模型为土体的本构 关系，并且考虑土体与支护之间的相互协调作用，采用二维平面有限元法对深基 坑进行模拟计算，探求作用于基坑支护结构上土压力分布的规律性。 3 、根据室内模型试验、数值模拟以及收集的工程实测资料，总结出二道内支 撑支护结构主动侧土压力计算经验公式，供工程应用参考。 浙江工业大学硕士学位论文深基坑内支撑支护结构上的土压力分布研究 第二章深基坑支护类型与经典土压力研究 2 1 深基坑工程的特点 随着深基坑工程技术不断发展，基坑工程一般呈现出以下一些特点n ： 深基坑工程是与众多因素相关的综合技术，正向大深度、大面积方向发展， 有的长度和宽度多达百余米。并且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。在软土、高水位及其它复杂条 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、地下构筑物及管线的安全造 成很大威胁。另外基坑工程包含挡土、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效。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。同时造价较高，但又是临时性工程，一般不愿投入较多资金。可是，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。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，其安全度随机性较大，事故的发生往往具有突发性。 由于上述特点，决定了基坑支护结构设计中土压力合理取值的重要意义。 2 2 基坑的分类与支护结构类型 基坑支护结构体系一般包括两部分：挡土体系和降( 止) 水体系。支护结构一 般要求要承受土压力和水压力，起到挡土和挡水的作用。深基坑常见的支护形式 有以下几种1 卜1 3 1 ： 放坡开挖结构：是选择合理的基坑坡度以保证开挖过程中边坡的整体稳定性。 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 深基坑内支撑支护结构上的土压力分布研究 一般适用于地基土质较好、开挖深度不深以及施工现场有足够放坡的场所。 悬臂式支护结构：常用的有钢筋混凝土排桩、钢板桩、钢筋混凝土板桩、地 下连续墙等形式。 水泥土重力式支护结构：常采用深层水泥搅拌法和高压喷射注浆法形成。该 支护结构体系的优点是施工方便，费用较低，但水泥土抗压强度低，变形较大。 内支撑式支护结构：由支护结构体系和内撑体系两部分组成，支护结构体系 常用钢筋混凝土排桩和地下连续墙形式，内撑体系可采用水平支撑和斜支撑。 拉锚式支护结构：由支护结构体系和锚固体系两部分组成，支护结构体系同 于内支撑支护结构，常采用钢筋混凝土排桩和地下连续墙两种，锚固体系可分为 锚杆式和地面拉锚式两种。 土钉墙支护结构：是近年来发展起来用于土体开挖和边坡稳定的一种新型挡 土结构。它由被加固土、放置于原位土体中的细长金属杆件( 土钉) 及附着于坡 面的混凝土面板组成，形成一个类似重力式的挡土墙，以此来抵抗墙后传来的土 压力和其他作用力，从而使开挖坡面稳定。或射入方式设置土钉。 因为随着基坑支护结构向大深度发展，地下连续墙作为挡土结构的情况日益 增多，所以本文采用的就是二道内支撑加地下连续墙的支护结构，这种地下连续 墙加内支撑的支护体系具有以下特点： 地下连续墙：地下连续墙作为深基坑开挖的挡土和防渗结构，具有刚度大， 整体性、防渗性和耐久性好，适合于大深度的基坑，对邻近建( 构) 筑物的影响 小，可节省土方工程量的特点，因此能适应各种复杂的施工环境与各种复杂的地 质条件，在上海己建的高层建筑和地铁车站等数十项工程中应用了地下连续墙支 护技术。为了提高经济效益，地下连续墙可作为永久性结构的一部分，支承竖向 荷载和水平向荷载，如可以兼作地下室的外墙、兼作主体结构的承重墙。上海的 金茂大厦、天津的金皇大厦等都是按地下连续墙兼作主体结构承重墙设计的。可 见地下连续墙有其明显的优越性，但也存在其不足之处，就是工程造价较高，所 以在实际应用中应综合分析、论证，以求得工程的安全性、经济性及合理性。 支撑体系：常采用钢筋混凝土内支撑，可以按照需要设计任意形状，构成大 空间，便于施工，而且刚度大，可减少墙体的位移。并可以采用全逆作施工或半 逆作施工方法。 浙江工业大学硕士学位论文深基坑内支撑支护结构上的土压力分布研究 2 3 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的作用，不发生 功能性的失效。基坑工程的失效模式有以下几种。 整体失稳：即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，一般的失稳形状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。 坑底隆起：指坑底土压力产生向上的竖向变形。基坑开挖以后，坑底土体发 生向上位移的原因有两种，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。 围护结构倾覆失稳：主要发生在重力式结构或悬臂围护结构，重力式结构在 坑内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。 围护结构滑移失稳：主要发生在重力式结构中，在坑外主动土压力的作用下， 围护结构向坑外平移。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。 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。 “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。 围护结构止水帷幕功能丧失和坑底渗透变形破环：止水帷幕丧失挡水功能， 产生渗透、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因素。 围护结构的结构性破坏：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。 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 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 深基坑内支撑支护结构上的土压力分布研究 的破坏实际上是土体的失稳而非锚杆的结构性破坏；支撑的失稳很可能是整体的， 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。 2 4 经典土压力理论 根据挡土结构的变位情况，作用在围护墙墙背上的土压力可分为静止土压力、 主动土压力、被动土压力。定义如下： 静止土压力：指墙体未产生变位前作用在墙背上的土压力，记作e 。主动土 压力：指围护墙产生离开土体方向的位移时作用在墙背上的土压力，记作e 。被 动土压力：指围护墙产生向着土体方向的位移时作用在墙背上的土压力，记作e 。 如图2 1 所示。 至于介于这两个极限平衡状态之间的情况，除静止土压力这一特殊情况外， 由于填土处于弹性平衡状态，是一个超静定问题，目前还无法计算其相应的土压 力。实际土压力往往是介于这三种土压力之间，在有些规范中使用“动用土压力”、 “过渡土压力”或“中间土压力”来表示这三种状态。 占 式 4 昂 l 西l 万 j 。 【 0 7 1 戗。 硒r 一， + 6 、 n n ， f i f if f i i f i f 1f 图2 1 土压力与墙身位移关系 1 静止土压力强度 以表示，可按下式计算 e o = g o 尼 ( 2 1 ) 式中y 土的重度( k n m 3 ) ； z 计算点的深度( m ) ； 静止土压力系数 浙江工业大学硕士学位论文深基坑内支撑支护结构上的土压力分布研究 正常固结土 r o = 1 - s i n 矽 超固结土 r o = ( 1 一s i n 呼o ) 0 5 ( 2 - 1 a ) ( 2 - 1 b ) 馕1 y 廊h 2 k a 2 ， j k i磊瓣cos2(q一-tr) 砟= =