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贵州山区基坑开挖对周围环境的影响 摘要 基坑工程是集岩土工程和结构工程等多学科于一体的系统工程，综合性强， 影响因素众多。深基坑工程不仅存在基坑本身的安全和稳定问题，而且还会因土 方开挖引起的周围地层移动而可能危及相邻建筑物、地下管网和城市市政设施 等。能否预测并控制住基坑及周围地表的变形往往是基坑设计成败的关键。 本文利用计算机分析的优势，用先进的大型有限元程序a n s y s 8 0 对贵州山 区基坑开挖对周围环境的影响进行分析。数值模拟模型采用d r u c k e r - p r a g e r 理想 弹塑性本构模型，土体采用八节点六面体等参数单元，桩采用梁单元，锚索采用 空间杆单元。 本文阐述了基坑在无支护情况和有支护情况下( 悬臂桩和桩、锚索共同作用 支护结构体系) 施工开挖引起的变形规律。确定出了基坑开挖后的应力场和位移 场，得到了基坑边坡的侧向位移曲线和基坑周围地表沉降值及沉降范围。 本文的研究对基坑工程信息化施工有指导作用，并可供基坑工程优化设计和 研究基坑开挖对周围环境造成的影响时参考。 关键词：深基坑：环境影响；数值模拟；基坑开挖；变形 t h ei n f l u e n c eo fp i te x c a v a f i o no fg u i z h o um o u n t a i n o u sa r e a o ni t ss u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t a b s t r a c t t h ef o u n d a t i o np i te n g i n e e r i n gi n c o r p o r a t e st h eg e o t e c h n l q u ea n ds t r u c t u r e e n g i n e e r i n gi n t oa no r g a _ n a ci n t e g r i t yi n f l u e n c e db ym a n yf a c t o r s t h ep r o b l e mo f t h e f o u n d a t i o np i te n g i n e e r i n gl i e sn o to n l yi nt h es a f e t ya n ds t a b i l i t yo ff o u n d a t i o n , b u t a l s oi nt h ed a n g e ro ft h en e i g h b o r i n gb u i l d i n g s ，u n d e r g r o u n dp i p 船，m u n i c i p a l e q u i p m e n td u et ot h em s p l a c e m e mo fs t r a t u mu n d e re x c a v a t i o n i ti st h ek e yt ot h e s u c c e s so ff o u n d a t i o np i td e s i g nt h a tw h e t h e rt h ed i s p l a c e m e n to ft h ef o u n d a t i o na n d s u r r o u n d i n gs o i l sc a nb ef o r e c a s t e da n dc o n t r o l l e d t a k i n ga d v a n t a g eo fc o m p u t e r , t h i sa r t i c l ea d o p t sl a r g ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d p r o g r a m ea n s y s 8 0t oa n a l y z e t h ei n f l u e n c eo fp i te x c a v a t i o no fg u i z h o u m o u n t a i n o u sa l g ao ni t ss u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t t h em o d e la d o p t sd m c k e r - p r a g e r i d e a le l a s t i c - - p l a s t i cs t r e s s - s t r a i nm o d e l ；s o i lb o d yu s e se i g h t - n o d e si s o p a r a m e t r i c h e a x h e d r i t ee l e m e n t , a n c h o rr o p e su s es p a c el i n ke l e m e n t ，a n dp i l e su s eb e a m e l e m e n t t h i sa r t i c l ed e s c r i b e sd e f o r m i n gr e g u l a r i t yo f p i te x c a v a t i o ni nt w od e f e r e n t r e t a i n i n gs t r u c t u r e ( p i l e sa n dc o a c t i o no fp i l e sa n da n c h o rr o p e s ) s ot h es t r e s sf i e l d a n dd i s p l a c e m e n tf i e l da f t e rp i te x c a v a t i o na r et ob ef i x e d a n dt h el a t e r a l 蛳l a c e m e n tc u r v eo ft h ef o u n d a t i o ns l o p e ，t h es e t t l e m e n tr a n g ea n dv a l u eo ft h e s u r r o u n d i n gg r o u n da r ea l s ot ob ec a l c u i a t e d t h i ss t u d yi sh o p e dt om a k eag u i d a b l er o l ei nd e s i g n i n gt h ee x c a v a t i o na n db ea r e f e r e n c et ot h er e s e a r c ho ft h ei n f l u e n c et o s u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n tb yd e 印 e x c a v a t i o n t h e r e f o r ew em a yf i tt h ei n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o n p r o c e s sa n do p t i m u m d e s i g n k e yw o r d s ：d e 印f o u n d a t i o np i t ；e n v i r o n m e n t a le f f e c t n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；p i t e x c a v a t i o n ；d e f o r m a t i o n 1 1 引言 第1 章绪论 基坑工程是一个古老而又具有时代特征的岩土工程课题。同时也是一个综合性的岩土工 程难题，既涉及土力学中典型的强度与稳定问题，又包含了变形问题，同时还涉及到土与支 护结构的共同作用。放坡开挖和简易木桩围护可以追溯到远古时代。事实上，人类土木工程 频繁活动促进了基坑工程的发展，特别是在2 0 世纪，随着大量高层、超高层建筑以及地下工 程不断涌现，支护结构难度尤其在软土地区越来越大，对基坑工程的要求越来越高，随之出 现的问题也越来越多，迫使工程技术人员从新的角度去审视基坑工程这一古老课题，使许多 新的经验、理论或研究方法得以出现与成熟。 在国外，二战后的2 0 多年间，欧美地区的发达国家在重建家园的需要和工业进程的推动 下，为兴建高层和超高层大厦，修建城市地铁而出现了大量的基坑工程，基坑支护技术的研 究随之开展起来。对深基坑工程中的岩土工程问题最早提出分析方法的是t e r z a g h i 和p e c k 等人【”，他们早在2 0 世纪4 0 年代就提出了预估挖方稳定程度和支撑荷载大小的总应力法。 这以后，世界各国的许多学者都投入了研究，并不断地在这一领域取得丰硕的成果。2 0 世纪 5 0 年代，b j e r r u m 和e i d e 给出了分析基坑坑底隆起的方法。2 0 世纪6 0 年开始在奥斯陆和墨 西哥城的软粘土深基坑工程中使用仪器进行监测，对提高预测的准确性起到了促进作用，并 从上世纪7 0 年代起，产生了相应的指导开挖的法规。 基坑工程在我国进行广泛的研究始于实行改革开放的2 0 世纪8 0 年代初。由于我国地少 人多，人均占有土地还不及全世界人均占有土地的1 1 0 ，到2 0 0 0 年我国耕地将降至人均i 亩 以下，节约土地是一项十分紧迫问题。我国城市建筑不得不向多高层发展，近些年许多高层 建筑物拔地而起。8 0 年代以前，地下室不超过一层，基坑开挖深度一般不超过6 m ，施工中 遇到的困难不算太大：自8 0 年代后期以来，高层、超高层建筑项目大增，建设规模宏大；随 着城市建设的发展，带动了地下空间的开发利用，目前各类用途的地下空间己在世界各大城 市中得到广泛的开发，诸如地下停车库、地铁隧道、地下商城、地下仓库、地下民防工事以 及多种地下民用和工业设施等嘲。同时，地下工程建设项目的数量和规模迅速增大，如高层 建筑物深基坑、大型管道的深沟槽、越江隧道、跨海铁路的隧道及地铁工程中的车站深基坑 等。这些地下空间的开发建设，产生了大量深基坑工程，其规模和深度不断加大。随着基坑 工程的数量及难度的增加，基坑工程的事故发生的频率也在增加。根据基坑工程事故的统计 1 分析，基坑工程事故的发生频率较高，竟占基坑总数的1 4 以上p 】。一旦事故发生，就将给人 们的生命财产带来很大的损失。 九十年代以来，基坑工程的设计理论和施工技术日益进步，不但涌现了多种符合我国国 情的实用的基坑支护方法，而且使得基坑工程的设计理论、计算方法得到不断改进，旌工工 艺得到长足进步。但如果应用现有基坑工程的设计理论( 强度控制设计) 和常规旎工技术己 难以达到保护基坑周围环境的要求闭；在实际工程中基坑支护结构除满足强度要求外，还应 控制其变形，基坑的设计也应从传统的强度控制转变为变形控制，以免对周边环境造成破坏 4 1 。城市的高层建筑和其它的地下工程一般都处在密集的建筑群中，施工场地十分狭窄，有 些工程的基础就紧挨着相邻建筑物或者构筑物的基础，在这种环境中来进行深基坑的施工， 难度可想而知。由于挖土对基底的卸荷、护坡桩向坑内倾斜变形和基坑内外人工降水等原因， 必然引起基坑四周地面与原有建筑物的沉降变形，从而引起基坑安全问题嘲。 基坑事故一般表现为支护结构位移过大、基坑塌方或者滑坡、基坑周边的道路开裂或者 塌陷、基坑周围的地下管网线路因位移过大而破坏、相邻的周边建筑因不均匀沉降等原因而 开裂甚至倒塌等等。造成这些事故的主要原因已不再是支护构件的强度破坏，而是因为支护 结构的变形过大。因此城市基坑工程，特别是软土地区的城市基坑工程正在对基坑工程的设 计理论和施工技术提出严竣的挑战。虽然近年来很多学者和工程技术人员已经在基坑工程设 计的变形控制方面作了很多研究，但在寻找基坑开挖过程中有关基坑支护结构变形、周围地 层位移和近临建筑变形三者之间关系的规律方面仍然存在很多要解决的问题。 1 2 深基坑的支护特征、基坑工程的主要特点和存在的主要问题 基坑是建筑工程的一部分，其发展与建筑业的发展密切相关，而深基坑是充分利用土地 资源的方式之一。由于我国地少人多，人均占有土地还不及全世界人均占有土地的1 1 0 ，为 节约土地，向空间要住房，向旧房要面积，许多高层建筑拔地而起。据不完全统计，1 9 8 0 1 9 8 9 年1 0 年间，我国新建高层建筑1 0 0 0 余幢，1 9 9 0 年1 9 9 9 年1 0 年间，全国新建的高层建筑9 0 0 0 幢。适当发展多层和高层，向空中和地下发展，是解决我国土地资源紧张的一条重要出路。 随着城镇建设中高层及超高层建筑的大量涌现，深基坑工程越来越多。同时，密集的建 筑物、大深度的基坑周围复杂的地下设施，使得放坡开挖这一传统技术不再能满足现代城镇 建设的需要，因此，深基坑开挖与支护问题引起了土建及环保部门的广泛重视。 尤其是2 0 世纪9 0 年代以来，基坑开挖与支护问题已经和正在成为我国建筑工程界的热 点问题之一。基坑工程数量增多及规模急剧增大，同时所暴露的问题也很多。 2 1 2 i 基坑分类 基坑工程可以分为放坡开挖基坑和有支护基坑。本文主要研究的是有支护基坑的开挖对 近邻建筑物变形的影响。有支护基坑工程一般包括：勘察、支护结构设计和旌工、地基加固、 上方开挖、降水工程、工程及环境监测等。 任何一个课题的发展都是理论与实践密切结合并不断相互促进的结果。基坑工程的发展 往往是一种新的支护形式的出现带动新的分析方法的产生，并遵循实践、认识、再实践、再 认识的规律，而走向成熟。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 面空间受到限制，产生了支护开挖。迄今为止，支护型式已经发展至数十种。就支护结构而 言，可分为自立式支护结构( 有围护结构，无支撑结构) 和有撑锚的支护结构。如悬臂式桩 墙和重力式水泥搅拌桩即自立式支护结构，而地下连续墙支护一般带有内支撑或土锚，是有 撑锚的支护结构。若按围护墙刚度分类，支护结构体系还可分为冈0 性和柔性两种。刚性支护 在基坑开挖过程中变形很小( 但位移可能并不小) ，如重力式水泥搅拌桩支护；柔性支护在基 坑开挖过程中的变形较大，如地下连续墙支护和桩排式支护等。较深的基坑工程一般采用有 撑锚的柔性支护结构。桩和锚索共同作用作为基坑的支护结构是本文研究的对象。 i 2 2 基坑支护工程的特征 基坑支护工程具有许多特征，概括起来主要有以下几点： l 、基坑支护工程是临时工程，设计的安全储备相对可以小些，但又必须保证其安全性， 同时基坑支护工程又与地区性有关，不同区域地质条件其特点也不相同。基坑支护工程又是 岩土工程、结构工程以及篪工技术互相交叉的学科，是多种复杂因素交互影响的系统工程， 是理论上尚待发展的综合技术学科。 ， 2 、由于基坑支护工程造价高，开工数量多，是各施工单位争夺的重点，又由于技术复杂， 涉及范围广，变化因素多，事故频繁，是建筑工程中最具有挑战性的技术上的难点，同时也 是降低工程造价、确保工程质量和安全的重点。 3 、基坑支护工程正向大深度、大面积方向发展，有的长度和宽度均超过百余米，深度超 过2 0 3 0 米，工程规模日益增大。 4 、岩土性质千变万化，工程地质条件和水文地质条件的复杂性、不均匀性，往往造成勘 察所得的数据离散性很大，难以代表土层的总体情况，并且精确度较低，给基坑支护工程的 设计和施工增加了难度。 5 、在软土、高水位及其它复杂场地条件下开挖基坑，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。 6 、城市中的主要高层、超高层建筑大都集中在建筑密度大、人口密集、交通拥挤的狭小 场地中，基坑支护工程施工的条件均很差。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相当严格。 7 、相邻场地的基坑施工，如打桩、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。 8 、基坑支护工程施工周期长，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、施工失当等许多不利条件，其安全度的随机性较大，事故的发生往往 具有突发性等1 3 1 。 1 2 3 基坑支护类型 l 、地下连续墙 文献嘶3 指出：地下连续墙是在基坑四周浇筑具有相当厚度( 如8 0 0 m m ) 的钢筋混凝土封 闭的墙，它可以是建筑物基础外墙结构，也可以是基坑的临时维护墙。地下连续墙刚度大， 挡土结构变形小，整体性较好，适应各种地质施工。它除了挡土、防水、止渗外，还能承重 作为结构一部分及地下室的外墙( 如上海金茂大厦8 8 层，墙深度达3 6 m ) 。深基坑支护工程 中，地下连续培是较全面的方法。地下连续墙在设计基础结构时即作为结构的一部分，承受 梁板荷载并作为外墙，它的作用不仅是基坑支护，还是基础结构。因此采用地下连续墙，须 在基础结构设计时提出，如此它将在高层建筑中发挥较大作用。 地下连续墙的优点及适用范围： ( 1 ) 在我国除熔岩地质外可适用于各种地质条件，在承压水头很高的砂砾石层采取措施 后，也能采用。 ( 2 ) 在建筑物、构筑物密集地区可以旌工，对邻近构筑物及基础不产生影响，国外在距 离建筑物基础几十厘米就进行连续墙施工，国内实践距建筑物基础l m 左右就可以顺利施工。 ( 3 ) 可以在各种复杂条件下施工。如美国1 1 0 层世界贸易中心大厦的地基，过去曾为河 岸，地下埋有码头等构筑物，用地下连续墙则易处理。 ( 4 ) 地下连续墙刚度大，能承受较大的侧压力，在基坑开挖时变形小，因而周围地面沉 降小，不会危害邻近建筑物或构筑物。 4 ( 5 ) 防水抗渗性能好，近年来改进了地下连续墙的接头构造，提高了地下连续墙的防渗 性能，除特殊情况外，施工时不需降低地下水位。 ( 6 ) 将地下连续墙与“逆筑法”旖工结合起来。地下连续墙为基础墙，地下室梁板作支 撑，地下部分施工可自上而下与上部建筑同时施工。将地下连续墙筑成挡土、防水及承重的 墙，形成一种深基础多层地下室施工的有效方法。 但是地下连续墙也有如下缺点： ( 1 ) 施工完后对废泥浆要进行处理，管理不善时会造成现场泥泞。 ( 2 ) 墙面虽可保证垂直度，但比较粗糙，尚须j n t 处理或作衬壁。 ( 3 ) 只作挡土抗渗用则造价较贵。如能挡土、防水抗惨及承重，则造价将降低。 由于地下连续墙优点多，故其适用范围较广。其主要用途有：建筑物地下基础、深基坑 支护结构、地下车库、地下铁道、地下城、泵站、地下电站、水坝防渗墙等。 2 、混凝土灌注桩 混凝土灌注桩作为基坑支护，有选用直径大小、桩身长短、桩间距、机械钻孔、人工挖 孔等随意方便的优点，并可与深层搅拌水泥桩墙、高压旋喷、摆喷桩墙结合。这种桩在7 0 年 代以钻孔灌注桩作为高层建筑基础桩，1 9 8 0 年始用于北京建国饭店作基坑支护。上海高层建 筑基础大多采用钢管长桩( 7 0 m ) 。1 9 8 3 年长征医院工程采用小巾6 5 0 长3 2 7 m 的钻孔灌注桩 作基坑支护，取得成功。从此，混凝土灌注桩在上海的基础桩和基坑的支护桩中得以推广。 深圳在8 0 年代采用人工挖孔扩底桩，在许多高层建筑中应用，因此在基坑支护中采用人工挖 孔桩较为普遍。有资料表明，深基坑支护工程中，大多数是采用灌注桩( 包括深层搅拌等) ， 可见混凝土灌注桩的应用是比较广泛的。 混凝土灌注桩作为透水型挡土结构，其主要形式和优缺点如下： ( 1 ) 间隔式( 疏排) 混凝土灌注桩加钢丝网水泥抹面护壁。其特点为灌注桩施工较为简 便，无震动、无噪音、不扰民，本身有间隔，比密排桩施工方便，也比较经济节省。当工程 基础亦为灌注桩时，可以同步施工，省工期( 支护桩与工程桩可同时旌工) 。但水泥用量较大， 水下浇筑混凝上时，质量不易控制。这种支护形式适用于各种粘土、砂土地下水位低的地质 情况。 ( 2 ) 密排桩( 灌往桩、预制) 。密排桩比地下连续墙旌工简便，整体性不如地下连续墙， 如做好防渗措施( 加水泥压力注浆等) ，其防水、挡土功能与地下连续墙相似。另外，密排桩 较疏排桩受力性能好，但当其不作防水抗渗措施时，仍不能止水。其适用于粘土、砂土、软 土、淤泥质土等各种地质情况。 ( 3 ) 双排灌注桩。采用中等直径( 如圣4 0 0 呻6 0 0 ) 的灌注桩，做成双排梅花式或前后排 5 式的桩。桩顶用圈梁连接，该梁宽大，与嵌固的桩脚形成刚架。挖土一边只将前桩露出，而 桩间土不动，使前后排桩同时受力。其刚度大，位移小，旅工简便，单排悬臂式不能支护的 深度，以双排悬臂桩支护，位移不大，而且可以节约锚杆材料，缩短施工工期。其适用于粘 土、砂土地质，地下水位较低的地区。 ( 4 ) 连拱式灌注桩挡土。连拱式灌注桩是以大直径桩( 如q b 8 0 0 q b l 0 0 0 ) 为主桩，中间 距离为3 m s m ，其问用小直径桩( 如d p 3 0 0 左右) 排列成拱型，组成拱截面的组合桩群，拱 矢高f = ( 1 4 - - 1 2 ) l 。其特点是节省投资、节省钢材，旅工简便，可以满足较深基坑的支护， 且桩顶圈梁较宽，刚度大，位移小。其适用范围为粘土、砂土及软土地质。 3 、深层搅拌水泥土桩墙 深层搅拌水泥土桩是用特制深层搅拌机械，在深层将水泥和软土强制搅拌成桩或厚墙。 它以水泥为固化剂与深层软土强制搅拌，使软土硬结成为水稳定性，有整体性和一定强度的 桩或墙。它可作为防水帷幕，阻止渗透水流，与灌注桩结合时对桩侧、后加固了软土，增强 侧向承载能力。水泥的掺量一般为1 0 1 2 。若基坑较浅，一般小于7 m 时，可只用深层搅 拌水泥土墙作支护。如采用较厚的水泥搅拌墙( 如3 m 左右) ，这种支护墙按重力式挡土墙设 计，要求抗滑、抗倾覆稳定的安全系数符合规定。 日本的s m w 工法即( s o i lm 议i n gw a l l ) ，在墙体中加h 型钢桩厚约2 m ，在我国除与 灌注桩相结合外，墙体中有加h 型钢桩，加钢管的，还有加树根桩( d ) 3 0 0 ) 的。深层搅拌水 泥土桩墙的优缺点如下： 这种基坑支护方法主要用于软土地区，它具有抗渗防水、挡土性能，施工便利，并且较 为经济。从工程现状统计，这种支护方法的应用仅次于混凝土灌注桩，也是应用较广的一种 支护方式。 4 、土钉支护 深基坑逐层开挖，逐层在边坡较密排列( 上下左右) 打入土钉( 钢筋) ，强化受力土体， 并在土钉坡面设置钢筋网，分层喷射混凝土，就是土钉支护。亦称喷锚支护、土钉墙，在国 外也称锚钉( s o i ln a i l i n g ) 支护。作为一种先进的支护( 加固) 技术，在高边坡和大跨度地 下工程中，特别是在不良地质条件下，通过喷锚网作用，形成喷射混凝土、锚杆( 索) 、钢筋 网与土体共同作用的主动支护体系，最大限度地利用边壁土体的自承能力，变土体荷载成为 支护结构物的一部分，这是一种新型的支护作用机理取代了传统的桩、板、墙、撑或桩锚、 板锚、墙锚、撑锚的支护方法【刀。此法施工简便，是发展中的支护法。 土钉支护在受力和结构上。具有以下特点： ( 1 ) 土钉与土体形成喷锚网复合体，提高了边坡整体稳定和承受坡顶超载能力，增强土 6 体破坏延性，改变边坡突然坍方性质，有利于安全施工。 ( 2 ) 喷锚网支护是分布式多点铰结连续半截构。喷层具有足够的柔性，允许土体有一定 量的变形和位移。各节点受力可自行调节，从而重新调整结构受力状态，使结构受力处于最 佳( 受力分布均匀) 状态，局部不会产生偶然过载。土钉墙体位移小，一般测试约2 0 m m ， 对相邻建筑影响小。 ( 3 ) 喷锚网结构联合作用，侧压力通过结构传递回稳定土层，将原产生的土体一部分变 成支护结构，充分利用和加强自身的承载能力。 ( 4 ) 喷锚混凝土与土表面之间在高速喷射作用下产生嵌固效应，提高了喷射混凝土与土 体表面的粘结力，能对各种土质表面均有良好的适应能力，可防止雨水冲刷产生滑塌。 ( 5 ) 基坑随挖随支护，快速作业，及时支护是喷锚网支护技术的显著特点，及时支护保 证了开挖临空面后土体近可能不出现卸荷应力重分布，不会产生微剪切滑移，不改变土体原 位结构。 ( 6 ) 具有很大的灵活性和可调性。根据地质情况的变化及监测结果，可随时调整支护参 数，对软弱地质层进行补强，从而达到最佳支护。 ( 7 ) 随基坑开挖逐次分层施工，不需单独占用场地，不占和少占单独作业时间，施工效 益高，一旦开挖完成，喷锚网结构也就建好，特别是对于施工场地狭小，堆放材料困难，有 相邻建筑物，优越性就更明显。 ( 8 ) 成本费用比传统支护方法明显降低。且施工噪声低，振动小，无污染。 1 2 4 基坑工程特点 1 、基坑越挖越深 过去，即使在大城市建1 , - - 2 层地下室，也不普遍，中等城市更为少见。现在随着城市的发 展，建筑用地越来越紧张，城市建设不得不向地上及地下空间发展。现在在大城市、沿海城 市，尤其是特区，地下3 一层己很寻常，5 6 层也有，不少基坑深度己超过l o r e 。 2 、基坑工程事故多 此问题目前在建筑界显得异常突出，以致很难举出哪个地区、哪个大城市已建基坑工程 近年来不出毛病的例子。地质条件较好的地区( 如北京) 出事故，地质条件差的地区( 如上海、 海1 2 1 、惠州等) 更出事故；坑浅的出事故；坑深的更出事故。有的地区基坑工程成功率大体仅 为1 ，3 ，出了工程事故的或多少有事故的约占2 3 ，给国家造成巨大经济损失，影响居民生活 安定。 3 、基坑工程具有很强的区域性和个性 岩土工程区域性强，岩土工程中的基坑工程区域性更强。如软粘土地基、砂土地基、黄 土地基等工程地质条件不同的地基中基坑工程差异性很大。同一城市不同区域也有差别。基 坑工程的支护体系设计和施工不仅与工程地质和水文地质条件有关，还与相邻建筑物、构筑 物及市政地下管线的位置、重要性、抵御变形能力等有关。每一个基坑工程的设计都有其特 点，应因地制宜，不能照搬照抄。 4 、基坑工程具有较强的时空效应 基坑的深度和平面形状对基坑维护体系的稳定性和变形有较大的影响，空间效应的存在 使得支挡结构所受土压力与经典土压力有较大的不同，在基坑维护体系设计和施工中要注意 工程的空间效应，并加以利用。土体一般具有流变性，特别是软粘土具有较强的流变性。作 用在维护结构上的土压力随时间而变大，土体强度则变低。 5 、基坑工程的环境效应 基坑工程开挖势必引起周围地基中地下水位的变化和应力场的改变，导致周围地基土体 的变形，对相邻建筑、构筑物及地下管线产生影响。影响严重的将危及相邻建筑物、构筑物 及地下管线的安全及正常使用。大量土方运输也将对交通产生影响。因此，对基坑工程的环 境效应应予以重视。 6 、基坑工程是岩土工程中综合性强的学科 它不仅涉及工程地质、土力学、渗流理论、结构工程、施工技术和监测设计，同时又涉 及这些学科之间的交叉，如：地下水渗流对土压力、土体稳定的影响；考虑土与支护结构相 互作用对土压力大小、分布形式的影响；土的卸载和加载的不同过程对支护体系的影响；采 取对地下水位、土压力、支护和支撑体系的变形的数据的监测及信息化施工；基坑过程引起 周围土体应力厂、位移场、地下水位的变化对周围影响等。 7 、临时性与风险性大 一般情况下基坑支护是临时措施，支护结构的安全储备较小，风险大。同时基坑工程的 经济指标要求特别苛刻，基坑工程对周围环境要求严格，基坑工程必须安全可靠，基坑造价 高，因此，临时性与经济性的矛盾突出。 8 、施工因素复杂多变，气候、季节、周围水体均可以产生重大的变化。 1 2 5 我国基坑开挖与支护存在的主要问题 1 、基坑工程设计质量低是发生事故的主要原因 8 一些部门误认为深基坑开挖支护工程是施工部门的事，无需具有设计资质单位的设计， 设计及岩土工程部门介入较少，设计人多是由施工单位自己完成，由于设计人员的技术水平 参差不齐，参数取值、计算方法无章可循，使一些工程设计缺陷多、隐患较大，盲目挖潜， 以致造成安全储备过低，发生严重工程事故，或盲目增加安全系数造成严重浪费。 2 、施工工作混乱，管理不力 对属于岩土工程的地下施工项目，资质限制不严格，基坑支护工程转手承包较为普遍， 少数施工单位不具备技术条件，人力、物力等基本素质较差，为了追求利润或为迁就业主， 随意修改工程设计，降低安全度。现场管理混乱，以致出现险情时惊惶失措，未能及时采取 补救措施。未做到信息化施工和动态化管理。 ? 3 、质量检验方面问题不少 基坑支护结构的质量检测、验收方法也无章可循，给基坑支护结构的质量监督和质量评 价带来困难，没有针对基坑支护工程特点建立竣工验收的质量管理体系，检测部门资质混乱。 4 、忽视基坑工程对工程勘察的特殊要求 基坑工程的岩土工程勘察工作十分重要，但许多勘察单位常常忽略对基坑环境地质的勘 察，专门针对基坑的工程地质及水文地质的勘察重视不够，对各种计算参数的试验方法及取 值也缺乏或不符合现场实际情况，对于费时费力的现场试验及原位测试工作较少进行。勘察 深度和勘察点布置不符合基坑工程要求，以致给设计、施工带来困难和隐患。 1 3 本课题研究的内容和意义 本文拟采用大型软件a n s y s 数值模拟基坑开挖对周围环境的影响，数值分析基坑在不 同的支护条件下开挖过程中的变形规律，其内容如下 l 、模拟基坑旖工开挖的每一阶段； 2 、基坑开挖引起的周围地层的移动方向、变形大小和范围； 3 、基坑失稳可能出现的位置： 由于基坑开挖的几何尺寸( 长度、宽度和深度) 对基坑的稳定、基坑变形和周围建筑物 有较大的影响，同时空间效应的存在使得支挡结构所受土压力与经典土压力有较大的不同， 采用常规分析方法很难反映出工程的实际情况。本文运用a n s y s 有限元分析软件数值模拟 基坑的变形，可供进行基坑设计和研究基坑开挖对周围环境造成的影响时作为参考，从而使 之可以降低工程造价、节约资金、确保工程质量和安全，同时指导信息化施工，这些都有着 重要意义。 9 参考文献 1 黄强著深基坑支护工程设计技术北京：中国建材工业出版社，1 9 9 5 2 侯学渊、刘国彬、黄院雄城市基坑工程发展的几点看法，旋工技术2 0 0 0 ，2 9 ( 1 ) ：5 7 3 徐至均、赵锡宏著逆作法设计与施工机械工业出版社2 0 0 2 ：1 ，2 1 5 4 周小秋、黄庆某工程地下基坑支护结构位移过大原因分析西部探矿工2 0 0 1 ，7 1 ( 4 ) ： 2 0 2 1 5 王光遐等超大面积深基坑护坡与场地变形监测建筑技术2 0 0 1 ，3 1 ( 1 1 ) ：7 4 7 ，7 5 8 6 余志成、旅文华著深基坑支护设计与旅工中国建筑工业出版社，1 9 9 9 ，0 2 7 益德清著深基坑支护工程实例中国建筑工业出版社，1 9 9 6 ，1 2 1 0 第2 章贵州山区地基基本特性 2 1 贵州山区地基基本特性n 3 2 1 1 区域地质特征 贵州位于我国西南部，云贵高原东部，介于北纬2 5 6 - - 2 9 。，东经1 0 3 0 , - 1 0 9 。之间。隆起于 四川毓地与广西贫地之间，处于我国地势的第二台阶。全境地貌以西部为最高，中部稍低， 逐渐向北、东、南倾斜。西部海拔2 0 0 0 米左右，中部海拔1 0 0 0 - - 1 2 0 0 米，北、东、南边缘河 谷降全5 0 0 米以下，地形起伏不平，高差较大。 贵州属于典型的亚热带季风湿润气候区。根据贵州省气象局资料，贵州现阶段的气候特 征主要表现为：温度在一月份最低，七月份最高，平均气温1 5 。c 左右；日温差变化较大 ( 平均在8 0 c 左右，个别情况达到3 0 0 c ) ，温度年较差小( 平均为1 8 0 c 左右) ；雨水大 部分集中在夏秋两季的半年；夏季多阵性降雨，强度大，冬季多间歇性的小雨及毛毛雨；多 年平均降雨量为1 1 0 0 1 2 0 0 m m ：区内较潮湿，相对湿度年平均值在8 0 左右；平均年蒸 发量在1 0 0 0 1 2 0 0 m m ，与降雨量持平；云雾多，日照少。 1 、红粘土下伏岩层( 碳酸盐岩) 的地质特征 红粘土的下伏基岩的岩性是碳酸盐岩系地层。所谓“碳酸盐岩系地层”指的是碳酸盐类 岩石以及由碳酸盐类岩石为主夹有很少量的非碳酸盐岩夹层，非碳酸盐岩夹层的厚度较小， 主要是沉积岩中的泥岩和页岩。碳酸盐岩则包含了质纯的白云岩、石灰岩以及含有数量不等 的杂质的各类泥质白云岩、泥质灰岩、硅质灰岩等等。 碳酸盐类岩石在贵州省分布很广泛，出露面积占全省岩石出露面积的7 0 以上。 2 、红粘土土体的地质特征 碳酸盐岩红土( 红粘土) 分布在碳酸盐岩系上，这个地质特征表明了两点，其一是说明 碳酸盐岩是这种红土的母岩，因为在相距不远的非碳酸盐岩系上就没有碳酸盐岩红土分布， 而是覆盖其它土类，碳酸盐岩红土的分布区与碳酸盐岩岩系的分布区域相一致；其二是表明 碳酸盐岩红土主要是由母岩风化后就地堆积的，或者确切地说是没有经过远距离搬运的，才 可能具有土与母岩分布范围相一致的特点，但在局部区域有较小距离的移动，这主要是受贵 州山区局部地形起伏特征的影响。 结合贵州碳酸盐岩分布区的山地地形来看，碳酸盐岩红土主要分布在岩溶盆地、岩溶洼 l l 地以及盆地周边斜坡的坡脚等地带，这些地带地形相对平坦，有利于碳酸盐岩红土保存下来。 而在坡度较陡的山坡上却少有碳酸盐岩红土分布，这些斜坡上的风化溶蚀残余堆积物易在重 力下移动或被水流冲刷到坡脚下面，形成近距离的搬运，一旦到达地形平坦、适宜保存的地 方，就开始了就地演化成土的过程。 红粘土的天然剖面厚度不大，一般仅十余米厚，局部可达二十余米厚，也有不少地段厚 度小于十米，或缺失土层。这种厚度分布特征表明红粘土作为地质体沿水平方向上厚度变化 明显，而且有时变化很快，在土层缺失的地方和土层厚度分布很薄的地方，基岩出露地表或 埋藏在地表土层下很浅的位置。 红粘土剖面沿深度变化的特征表现为与众不同的特点，就是土体的物理力学特性沿深度 的变化规律与正常土体剖面的变化规律正好相反，因此又可称其为“反均衡剖面”或简称为 “反剖面”。“反剖面”的特征为： ( 1 ) 从地表往下，土的天然含水量逐渐增高； ( 2 ) 从地表往下，土的稠度状态由硬逐渐变软，可以从坚硬状态逐渐变为硬塑状态、可 塑状态、软塑状态，有时再往下甚至可见到流塑状态。在一个土体的天然剖面上，可能缺少 坚硬状态或其它某些状态的土，但由硬变软的状态变化规律在红粘土中是一致存在的。天然 剖面上最常见的是上部为硬塑状态，下部为可塑状态。 红粘土与下伏基岩的接触面是特殊的岩溶地质界面，这使得岩土接触面的特征完全不同 于其它沉积岩上的岩土接触面，也不同于火成岩红土的岩土接触面，主要表现在： 碳酸盐类岩石虽然具有沉积岩的层状特征，但岩石表面的岩溶形态常形成起伏不定的特 点，大量的溶沟、溶槽、石芽甚至有岩溶裂隙、漏斗等形态并存，岩溶正、负地形相间分布， 使得红粘土下伏的基岩面成为起伏不定的溶蚀面，岩面产状变化大，高低不平。而且，当红 粘土层覆盖在碳酸盐岩层之上，由于土壤中侵蚀性的c o ：含量高于空气中c 0 2 含量数十倍， 渗入土层中的地下水溶解土中的c 0 2 后，具有了更强的侵蚀性，溶解土壤下面的基岩，使得 覆盖型岩溶形态甚至比裸露型的更为发育。 下伏基岩起伏不定的溶蚀岩层界面造成了土与岩层的特殊接触关系。分布在岩溶正地形 如石芽上面的土层相对较薄，而分布在岩溶负地形上的土层相对较厚，这种变化经常是突然 的，也没有确定的距离和模式，常常会在水平距离相差仅仅不到1 米，而基岩起伏差可以达 到数米甚至十几米，相应地，土层的厚度也相差数米至十余米。也有岩面比较平缓，土层厚 度变化不大的情况。变化的规律受地形、岩性、水文地质条件等多种因素的影响。 下伏碳酸盐岩中溶沟、溶槽等负地形的存在，特别是当溶沟、溶槽深度较大和岩溶正地 形间的跨度较小时，溶沟、溶槽边壁岩面产状较陡，容易在岩土接触面处产生地下水的富集， 1 2 这些水分的集中会导致溶沟、溶槽中的碳酸盐岩红土长期处于富水条件中，当埋深超过几米 的深度后，这些土中的水分又不易被大气蒸发，使土的天然含水量增大，土的状态变软，形 成软塑状态的粘土，有时在条件适宜的时候，还会形成流态的软粘土。 2 1 2 红粘土的物理力学性质 i 、红粘土的基本物理性质 土的物理性质指土在自然状态下表现出来的性质，将与工程关系最密切的物理性质称为 土的基本物理性质，主要反映在土的轻重、松密和干湿等方面。 土的基本物理性质指标是通过室内外实验测定。土的物理性质与土的物质组成和结构密 切槲关，主要取决于土粒、水和气体三相基本组成在质量与体积方面的相互比例关系。 土的天然重度反映了三相组成的重量和体积的比例关系。一般土天然重度的常见值在 1 6 o 2 2 9 k n m 3 之间，而红粘土的天然重度常见值在1 6 0 1 7 2l ( n m 3 之间，与一般土类 对比，天然重度处在一般土常见值的下限范围，属于低密度的土。它的饱和重度与天然重度 的差值不大，这是因为天然状态下，它的饱和度一般均大于9 0 ，孔隙中基本被水充满所致。 它的干重度值较小，天然状态下的干重度常见值在1 0 5 1 2 o k n m 3 之间，这是因为其高孔 隙比所致。可见，红粘土天然结构状态下是处于低密程度的，土的干重度及天然重度都比一 般普通土的重度值要小。重度是土的一个重要的物理性质指标，通过实验测定。不仅可以用 来换算其它基本物理性质指标，还经常直接用于工程设计和计算之中。其中天然重度和饱和 重度常用于计算土坝的自重、地基的自重应力、挡土墙上的土压力等等；而干重度指标常常 用来检验土的密实度，如在土坝设计中常用压实土的最大干重度来控制填土的压实度。 土的比重用来衡量土中固相矿物的轻重，是组成土的各种矿物比重的加权平均值。红粘 土的比重常见值为2 7 0 2 8 2 之间，处于一般粘性土比重常见值的高限，即比重略高于一 般粘性土的比重值。这是因为红粘土中含有褐铁矿及倍半氧化物所致。 对于红粘土来说，含水的多少对土的状态和力学性质有很大的影响，所以含水性是红粘 土很重要的物理性质。它的天然含水率较高，常见值为3 0 6 5 ，高于一般粘性土天然含 水量的常见值( 2 0 5 0 ) 1 5 百分点。这是因为红粘土中孔隙发育，为赋存水分提供了丰 富的空间；同时贵州处于湿润气候区，降雨量充沛，红粘土所处的微地形地貌也利于赋存水 分。 2 、红粘土的力学性质 土的力学性质指土受外力作用后所表现出来的性质，与工程关系密切的有土的可压缩 1 3 性，土的抗剪性，土的渗透性和土的击实性等基本力学性质。 红粘土有较好的力学性质。总体来看，除少数溶沟、溶槽等低洼地貌部分上的软塑和流 塑状态的软土以外，大多数的天然土体具有中等的压缩性和较高的抗剪强度，具有很弱的透 水性。红粘土力学性质中的抗剪强度指标中，粘聚力c 值比较稳定，内摩角值则与土的稠度 状态密切相关。在文献“1 中，文中作者对红粘土进行大量试验后得到红粘土的力学性质综合 性统计指标为：内聚力常见值在2 0 6 0 k p a ，内摩擦角常见值在9 。1 5 。，压缩模量常见 值为4 1 - 2 0 0 k g c m 2 。 除此，贵州红粘土的物理力学性质还具有以下基本特征： ( 1 ) 液限较大，含水较多，饱和度一般都大于8 0 ，土常处于硬塑至可塑状态。 ( 2 ) 孔隙比一般均较大，其变化范围也大，常超过0 9 ，最大者可接近2 0 ；前期固结压力和 超固结比较大，除少数软塑状态红土外，均为超固结土，般常具有中等至偏低的压缩性。 ( 3 ) 强度变化范围较大，一般说来强度较高，内聚力一般值在2 0 6 0 k p a ，内摩擦角为9 。 1 5 。 ( 4 ) 浸水后强度会显著降低，尤其是反复浸水后再失水后，会破坏土的结构。 2 1 3 红粘土地基常见工程地质问题 1 、厚度不均匀土层形成岩土混合地基的变形破坏 红粘土由于下伏基岩面是起伏不定的岩溶不整合面，导致上覆土层厚度极不均匀，石芽 还常常出露于地表，与溶沟、溶槽等一起组成岩土混合地基。 基岩和红粘土的力学性质存在很大的差异，厚度不均匀的土层常使得地基的强度和变形 性能产生不均匀的现象。土层的变形量大，而基岩的变形量很小，会导致地基产生较大的不 均匀沉降，危害建筑物的安全。 2 、红粘土地基上轻型建筑的开裂和变形 在红粘土地基的平房或2 层楼房，因荷重较小，地基产生膨胀变形后导致部分房屋产生 变形或墙体开裂，变形具有反复的特征。产生及开裂的时间往往与当地气候干旱与多雨交替 变化明显的年份相一致，在房屋近旁种植有大树的地方开裂较为明显。 3 、基岩覆盖层红粘土失稳产生土洞和塌陷 红粘土与基岩接触处的土层，往往较剖面上部的土层松散。在人为因素的影响下，如大 量抽取地下水形成地下水降落漏斗，增加了地下水的水力梯度，导致上覆红粘土盖层失稳产 1 4 生的塌陷，在贵州的几个大城市中是比较常见的。如贵阳市区喷水池一师大一线，修建高层 建筑时因基坑中大量抽排地下水引起街道产生地面塌陷数次；六盘水市的水城盆地因工业用 水大量抽取地下水形成岩溶塌陷多处。 4 、基坑开挖或边坡的变形破坏 在红粘土地基中开挖基坑，若暴露在大气中的时间较长，尤其是在干旱的季节中突然降 雨，容易引起基坑变形或坍塌破坏。在工程实践中的经验表明，基坑开挖后若能及时浇注混 凝土，则可以避免变形的发展和避免坍塌破坏。这说明埋藏地表下的土层暴露后，因环境条 件改变引起土体中含水量较大幅度的改变，使红粘土产生胀、缩变形。由于土的结构发生改 变或破坏，就产生工程地质问题。裸露的红粘土边坡在干湿交替明显的年份也常会产生开裂 和破坏。 贵州红粘土不同于其它类型的红土，显著特征表现为它有着很差的物理性质指标，但同 时它却具有较好的力学性质，这在其它土类中是不可能出现的。通常，具有一定成分结构的 土，具有相应的物理力学性质，物理性质差的土，孔隙比越大，含水量越高，土的力学性质 就越差。物理性质差引起土的力学性质差是工程土中存在的一般规律和普遍规律。贵州红粘 土有着其特殊性，不服从普遍规律而遵循特殊的规律。因而，有必要针对红粘土特殊的工程 性质，进行贵州山区的基坑变形研究，分析并总结贵州地区有关红粘土地基中基坑变形规律。 2 2 影响基坑变形的因素 影响基坑变形的因