（工程力学专业论文）软土深基坑支护工程优化设计的研究.pdf

摘要 随着城市化建设的快速发展，涌现出越来越多的深基坑丁二程， 围绕着深基坑支护工程优化设计问题，本文重点开展了如下工作： ( 1 ) 从系统工程的观点出发，本文研究了深基坑支护工程优化设 计的基本原理包括四个方面：系统控制、强度及稳定性控制、变形 控制、经济效益：整个优化过程分为三个阶段：方案优化、计算优化 和变形控制优化。 ( 2 ) 以新上海国际大厦、上海世界广场深基坑支护工程设计为例， 对实测得到的不同支护结构( 地下连续墙加钢筋混凝土支撑的深基坑 支护结构、地下连续墙加钢管支撑的深基坑支护结构) 的受力特点， 墙体的变位形态及由此产生的周围土体的变形作了对比分析，并得出 了系列有益的结论。 ( 3 ) 最后研究了深基坑支护工程变形控制设计的必要性及基本原 理，提出了从环境控制角度对深基坑支护结构进一步优化的建议。 关键词：深基坑支护工程、优化设计，变形控制。 a b s 1 1 r a c i w i t ht h e d e v e l o p m e n to fm o d e r nc i t yc o n s t r u c t i o n ，m o r ea n dm o r ed e e p f o u n d a t i o ne x c a v a t i o n sa r ei nc h i n ao nt h eo p t i m u md e s i g no fd e e pf o u n d a t i o n e x c a v a t i o n ，t h er e s e a r c hw o r ki nt h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h ev i e wo fs y s t e me n g i n e e r i n g ，t h i sp a p e rs t u d i e st h eb a s i c p r i n c i p l eo fo p t i m u md e s i g nf o rr e t a i n i n ge x c a v a t i o ne n g i n e e r i n gu s e db yt h e o p t i m i z a t i o nt h e o r y ，t h ep r i n c i p l ei n c l u d e sf o u ra s p e c t sw h i c ha r es y s t e mc o n t r o l ， s t r e n g t h a n ds t a b i l i t y c o n t r o l ，d i s p l a c e m e n tc o n t r o l ，e c o n o m i ce f f i c i e n c y t h e o p t i m u mp r o c e s s i n c l u d e st h r e e s t a g e s w h i c ha r e s y s t e mo p t i m i z a t i o n ， c o m p u t a t i o no p t i m i z a t i o na n dd i s p l a c e m e n tc o n t r o lo p t i m i z a t i o n ， ( 2 ) t a k i n gt h ee x a m p l e so ft h ed e s i g no fd e e pf o u n d a t i o ne x c a v a t i o n i n s h a n g h a i i n t e r n a t i o n a tb u i i d i n ga n ds h a n g h a iw o r t ds q u a r e ，a c c o r d i n gt o t h e m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i cm e a s u r e dp r a c t i c a l l y ，t h ed i s p l a c e m e n to fw a l la n ds o i l a r o u n dt h ew a l lw a sc o n t r a s t e d ，a n dg o t t e ns o m eu s e f u lc o n c l u s i o n ( 3 ) a tl a s t ，t h ep a p e re m p h a s i z e st os t u d yt h eb a s i cp r i n c i p l ea n di n t e n s i o n _ o f d i s p l a c e m e n t c o n t r o l d e s i g n o fr e t a i n i n ge x c a v a t i o n e n g i n e e r i n g t h es t a g e d e s i g nc a no p t i m i z et h er e t a i n i n ge x c a v a t i o ns t r u c t u r ef u r t h e rf r o mt h ep o i n to f v i e wo fe n v i r o n m e n t a ic o n t r 0 1 k e yw o r d s ：d e e p f o u n d a t i o n r e t a i n i n ge x c a v a t i o n ，o p t i m u md e s i g n ， d i s p l a c e m e n t - c o n t r o l l i n gd e s i g n 独创陛声明 y7 0 3 1 3 4 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果，尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中币包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：登2 0 0 3 年9 月3 0 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名 导师签名 奎堑 金兰坐 2 0 0 3 年9 月3 0 日 砷年尹月 如日 杀强鬻盘 i l 油人学( 华尔) 硕七论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题意义 1 1 1 深基坑支护工程设计概述 深基坑支护工程在我国得到广泛应用始于2 0 世纪8 0 年代，在 此之前，我国高层、超高层建筑的地下室多为3 m 一4 m 深左右的单层 地下室，随着我国国民经济和城市化建设的快速发展，进入8 0 年代 后期以来，高层建筑和市政工程大量涌现，城市地下空间的开发利 用在节约土地资源、调节城市土地使用结构、城市现代化基础设施 建设、防灾救灾和国防建设等方面发挥着越来越重要的作用。可以 说，没有城市地下空间的有效开发利用就没有城市的可持续发展。 由于深基坑开挖往往发生在商业繁华区，场地局限，临近建筑、 道路和地下设施密集，使最经济、最易行的放坡开挖这一传统技术， 不再成为可能，这样就势必带来了大规模的深基坑支护工程问题， 据不完全统计，迄今为止，我国已建成1 0 层以上的高层建筑累计超 过1 5 亿m 2 ，由于建筑结构设计和使用功能的要求，深基坑开挖的深 度越来越深，开挖的面积也越来越大如目前中国最高、世界第三 高度的上海会贸大厦，地上8 8 层，塔楼的开挖深度达一1 9 6 5 m ，基 础开挖面积达2 万平方米。我国的深基坑支护技术也随着工程实践 不断地成熟起来，国家建设主管部门于1 9 9 9 年发布了深基坑工程 强制性标准，有学者提出了建立深基坑支护工程学这门新学科的设 想。 支护结构的设计是保证整个深基坑支护工程顺利进行的关键， 而选取的设计参数是否切合工程的实际情况，又是重中之重。近年来 “油人学( 华东) 硕+ 论文第一章绪论 由于深基坑支护结构设计的失误，造成经济上的惨重损失和建设工 期重大延误的事例屡见不鲜。因此，深基坑开挖支护引起了各方面 的重视，深基坑支护结构设计与施工问题，成为当前岩土工程研究 的热点与难点。 1 1 2 深基坑支护工程设计、施工中存在的问题 由于目前认知水平、分析手段与人为因素的局限，基坑支护工 程的设计与施工往往采用半经验半理论的做法，强调地域性的经验 和概念设计“。因此，深基坑开挖与支护工程中出现了不少问题， 将其分为以下四种类型”1 ： 支护结构变形及稳定性问题； 基坑整体稳定及坑底隆起问题； 地面变形问题； 支护结构失效问题。 事故的发生主要由这四个方面所引起，表现形式主要有：支护体 系崩溃，坑壁大面积滑坡：支护结构严重倾斜，水平位移过大：周边土 体变形过大，邻近建筑物、构筑物开裂甚至倒塌；锚杆抗拉拔失效， 地下水冲刷、管涌造成工程破坏：承受水头压力的防水结构发生超 过允许的渗漏等等，其中支护结构的变形与稳定性对工程的安全影 响最直接，事故发生率也最高。通过对近年来国内倒塌或出现较大事 故的6 5 个深基坑工程实例分析，直接因土压力计算不当使支护结构 产生较大变形的占1 5 ，4 ，锚杆及内支撑失效占1 0 7 降水不当占 1 0 ，7 ，整体失稳、坑底隆起仅占6 1 ，环境破坏占9 ，2 ，其它原因占 4 7 9 。因此，支护结构的变形、稳定问题解决不当是当前支护失效 频率居高不下的一个主要原因。 f i 油大学( 华东) 硕士论文第一章绪论 1 1 3 软土深基坑支护工程优化设计具有显著的技术经济意义 软土深基坑支护工程仍然是一个极具挑战性、高风险性、高难 度的技术课题。在工程实践中，一方面，由于设计施工不当导致深 基坑支护工程事故、造成重大的经济损失的事例时有发生；另一方 面，由于设计过于保守、造成隐性浪费的工程实例也并不鲜见，尽 管目前的深基坑支护工程设计方法的研究已取得了很大发展，但这 些研究很少将整个深基坑支护工程作为一个系统去研究，实际工程 设计也多是追求一个“安全”的深基坑支护工程，而不是一个“最 优”的深基坑支护工程。现代城市建设和发展以及技术进步对深基 坑支护工程设计提出了一个更高的要求：既要技术安全可靠，又要 经济上节约，同时还要满足周边环境控制的目的。我国沿海和沿江 的许多城市如上海、天津、杭州、武汉、东营等均有软土广泛分布， 凶此，根据目前的实际情况，结合东营地区软土的具体特征，从优 化理论入手，采用系统方法，对软土深基坑支护工程进行优化设计 理论的研究是十分必要和有意义的，将产生重大的社会效益和良好 的经济效益。 1 2 国内外研究现状 深基坑支护工程是一项复杂的系统工程，主要涉及到土层性质、 支护结构、支撑形式、地基处理、地下水防治以及环境影响等方而。 目前研究的课题主要有：土压力理论、支护结构内力和变形的计算 理论、基坑失稳破坏的机理等方面，其研究的方式和方法多种多样， 归纳起来，主要体现于结合基坑支护工程的特点，在强度与稳定性 控制、变形控制、优化设计三个方面开展研究。 1 2 1 强度与稳定性控制 斫油大学( 华东) 硕士论文第一章绪论 强度与稳定分析是土力学的基本研究内容之一。 ( 1 ) 士压力问题 如何确定和计算作用在支护结构上的土压力大小和分布是深基 坑支护理论发展的一个关键问题，也是实际工程计算中的基本问题。 传统的强度控制理论根据挡土结构变位的方向和大小，仅考虑三种 极限状态下的土压力，即所谓主动、被动和静止土压力。一些古典 的土压力理论如r a n k i n e ( 1 8 5 7 ) 和c o u l u m b ( 1 7 7 3 ) 理论，目前仍广泛 应用于深基坑工程设计中，但由于古典土压力理论中的土体完全弹 性、平面滑裂面等假设，使得实际土压力之值仍有一定的偏差。根 据芝加哥地铁的一些实测资料，t e r z a g h i 于4 0 年代提出了土压力 经验计算方法，6 0 年代又作了修正，提出了具有支撑的支护结构土 压力分布图式一一及著名的t e r a g h i p e a k 包罗线“7 + ”1 。 实际上，在工作状态下，作用在支护结构上的土压力的大小和 分布除了与土体的性质密切相关外，还随着支护结构的位移、支护 结构的空间形状和施工工况的不同而变化。实验研究和现场测试结 果表明，只有当坡顶侧向位移达到坡高的0 1 一o 4 时，方能使主 动区七压力降至主动土压力水平；只有当坡顶反向位移达到坡高的 5 一1 0 时，被动区土压力才会增至被动土压力水平。可见，对于饱 和软土在同样场地、同样支护结构条件下产生被动土压力所需的墙 顶位移比产生主动土压力时的位移大得多。如果这种位移不能为支 护结构所承受或邻近环境所允许，则必须加以限制。因此，根据变 形限制来取土压力值是充分考虑深基坑特点和安全度的合理做法 ”0 1 。在实际工程设计时，常根据深基坑支护工程的安全等级和支护 型式，对主动土压力和被动土压力分别乘以小于i 和大于i 的折减 i i 汕人学( 华东) 硕十论文第一章绪论 d 砂性地层管涌失稳； e 承压水造成坑底产生底鼓而失稳。 其中，( a ) 是由结构刚度或强度不足引起的失稳，容易从结构上 加以避免；其余皆因土体强度的不足而造成的失稳；( d ) 、( e ) 也有 较成熟的经验和计算方法，而对( b ) 、( c ) 的情况，具体采用什么方 法进行验算，目前存在较多的分歧。除了上述稳定性验算方法以外， 我们应注意到，这两类失稳状态仅是过量的基底隆起的结果。事实 上，每个基坑都会有不同程度的隆起，基坑失稳是不允许的，但允 许有一定的隆起量，究竟允许隆起量多大，则主要根据周围环境来 决定。因此，对这类问题的研究便逐渐转移到了对基坑隆起现象的 研究上。 1 2 2 变形控制 变形控制设计是指支护结构在满足强度和稳定的前提条件下， 尚需满足其使用要求，即基坑在施工过程中要满足其安全和不失稳， 也要保证对周围环境不造成破坏性的影响。1 。 ( 1 ) 基坑变形的形式： 墙体变形 墙体变形包括水平位移和竖向沉降。基坑开挖较浅且未设支撑 叫，刚性墙体( 如水泥土搅拌桩墙、旋喷桩墙等) 和柔性墙体( 如 钢板桩墙，地下连续墙等) 均发生朝向基坑的水平位移，两只墙顶 最大，并呈三角形分布。随着开挖深度的增加，刚性墙体继续发生 朝向基坑的三角形分布水平位移或平行刚体位移：柔性墙体在设置 支撑后，墙顶水平位移趋于不变或逐渐向基坑外移动，墙体腹部则 向基坑突出。 6 t i 油人学( 华尔) 硕+ 论文第一章绪论 d 砂性地层管涌失稳： e 承压水造成坑底产生底鼓而失稳。 其中，( a ) 是由结构刚度或强度不足引起的失稳，容易从结构卜 加以避免；其余皆因土体强度的不足而造成的失稳；( d ) 、( e ) 也有 较成熟的经验和计算方法，而对( b ) 、( c ) 的情况，具体采用什么方 法进行验算，目前存在较多的分歧。除了上述稳定性验算方法以外， 我们应注意到，这两类失稳状态仅是过量的基底隆起的结果。事实 上，每个基坑都会有不同程度的隆起，基坑失稳是不允许的，但允 许有一定的隆起量，究竟允许隆起量多大，则主要根据周围环境来 决定。因此，对这类问题的研究便逐渐转移到了对基坑隆起现象的 研究上。 1 2 2 变形控制 变形控制设计是指支护结构在满足强度和稳定的前提条件下， 尚需满足其使用要求，即基坑在施工过程中要满足其安全和不失稳， 也要保证对周围环境不造成破坏性的影响“1 。 ( 1 ) 基坑变形的形式： 墙体变形 墙体变形包括水平位移和竖向沉降。基坑开挖较浅且未设支撑 时，刚性墙体( 如水泥土搅拌桩墙、旋喷桩墙等) 和柔性墙体( 如 钢板桩墙，地下连续墙等) 均发生朝向基坑的水平位移，两只墙顶 最大，并呈三角形分布。随着开挖深度的增加，刚性墙体继续发生 朝向基坑的三角形分布水平位移或平行刚体位移：柔性墙体在设置 支撑后，墙顶水平位移趋于不变或逐渐向基坑外移动，墙体腹部则 向基坑突出。 “油人学( 华尔) 硕十论文第章绪论 基坑底部土体的隆起 开挖深度不大时，基坑隆起为弹性隆起，特征为两侧隆起小， 中部隆起高，币中隆起最高；开挖达到一定深度且基坑较宽时，坑 底土体出现塑性隆起，隆起量逐渐转变为两边大，中间小。 地表沉降 工程实践经验表明有基坑开挖引起的周围地表沉降曲线有两 类：一类常在地层 处水平位移较大， 较软弱且墙体入土深度不大时发生，特点为墙底 墙侧地表沉降较大；另一类的情况主要在入土深 度或墙底土体刚度较大时 降量最大值不是在墙旁， 发生，特点为墙体变位与梁类似，地表沉 而是在离墙一定距离的位置上。 ( 2 ) 基坑变形的机理 基坑，1 ：挖过程中，作业面上因土体挖除而卸，由此引起坑底土 体产生以向上为主的位移，围护墙体在两侧压力差作用下产生朝向 坑内的水平位移和土体的跟进变形。可以认为，有基坑开挖引起的 周围地层移动主要来自坑底土体隆起和围护墙体的位移。 深基坑坑底隆起变形主要有四个方面的原因： 由于土体开挖后的自重应力释放，导致基底土层向上回弹 支护结构向坑内变位挤推土体： 坑底不透水层下的含水层水压的顶鼓在砂性地层中可能出现 管涌、冒砂； 支护结构整体失稳或产生“踢脚”现象。 事实上，仅仅由于开挖卸荷，每个基坑都会有不同程度的隆起。 坑底隆起变形的大小除和基坑开挖深度、平面尺寸、土层情况、支 护结构等密切相关外，还与坑底是否有桩、是否加固有关。允许隆 f 1 汕人学( 华尔) 硕+ 论文第一章绪论 起量的大小，主要根据周围环境来确定。支护墙体的变形是基坑丌 挖卸荷的反应。 深基坑支护工程中周围地面的沉降主要由三方面因素造成： 支护结构的变位引起的地表沉降，显然，墙体的水平变位体 积应与其引起的地表沉降的体积相等。 支护结构如挖孔桩、地下连续墙等的挖掘时地层向槽内变形 引起的。 由于抽降地下水造成地底层固结或由于支挡结构中水土流失 引起的地层损失 1 2 3 优化设计 优化设计是指在保证基坑安全的前提下，设计最能满足需要的 基坑支护方案。基坑支护优化设计包括四个方面的内容，即方案优 化设计，结构优化设计，降水优化设计和旅工过程信息化动态设计 ”1 。前两者侧重于设计，后两者侧重于施工。三分理论、三分经验、 二分施工管理、二分监测是目前深基坑支护工程的现状。方案是关 键，设计是核心、施工是保证、监测是手段。抓住关键和核心，丌 展深基坑支护工程的优化设计，是合理设计的中心。可以看出，优 化设计包含基坑工程各个方面的问题，最具备系统性、综合性和挑 战性。目前在这一领域的研究成果不多，尤其是有关支护工程优化 设计的研究尚不具备系统性且彼此之间相互孤立，因而是本论文研 究的着眼点。 1 3 本文主要研究内容 从系统工程的观点分析，深基坑支护工程设计系统是一个由时 州维、逻辑维和方法维组成的三维系统。时间维反映按时间顺序的 矾油 学( 华尔) 硕士论文 第一章绪沦 设计阶段，即目标分析、方案设计、技术设计三个阶段；逻辑维是 解决深基坑闷题的逻辑步骤，它包括分析、综台、评价和决策；方 法维足列出深基坑支护工程殴计过程中的各种思维方法和计算方 法，例如决策评方法、等值粱法、杆件有限元法等。设计过程中的 每个行为都反映为这个三维空问中的一个点。图卜l 表示出了深 基坑支护工程设计系统。 时问 方法 国i - 1 深基坑支护工程设计系统 针对深基坑支护工程研究的现状及存在的问题，本文开展以f _ 虹个方面的工作： ( 1 ) 对深基坑支护工程的国内外研究现状进行了对比性研究； ( 2 ) 对深基坑支护工程的主要设计方法进行了对比研究，借助非 线性手段，建立深基坑支护结构优化计算非线性模型，探讨深基坑 支护工程优化设计的方法和途径： ( 3 ) 解决当前深基坑支护工程设计、施工中存在的某些问题，为 东营地区深基坑支护工程优化设计提供有价值的参考依据； ( 4 ) 对深基坑支护工程变形控制设计的必要性以及方法进行了 研究，从环境控制角度对深基坑支护工程进行进一步的优化； i 油人学( 华东) 预十论文第一章绪论 ( 5 ) 以大量工程实例为背景，系统地分析了深基坑支护工程的特 点，采用多目标模糊理论和数学规划中的求优方法，建立了深基坑 支护t 程优化设计理论。 14 研究思路与技术路线 1 4 1 研究思路 针对深基坑支护工程设计理论及工程实际中存在的问题，结台 工程实例现场实测资料，进行系统研究整个论文丌展工作分三步： ( 1 ) 调研大量有代表性的工程实例。 ( 2 ) 对支护结构进行力学分析。 ( 3 ) 运用系统控制方法，探讨深基坑支护工程优化设计理论。 142 技术路线 参考新上海国际大厦、上海世界广场深基坑史护工程的设计 对实测得到的不同支护结构( 地下连续墙加钢筋混凝土支撑的深基 坑支护结构、地下连续墙加钢管支撑的深基坑支护结构) 受力特点， 墙体的变位形态及由此产生的周围土体的变形资料进行充分分析， 并从理论的角度给予系统的论证，建立深基坑支护工程优化设计理 论，为东营地区深基坑支护工程的设计提供有价值的参考依据。 研究思路与技术路线见图卜1 1 1 油人学l 华尔) 硕士论文第章绪论 图1 - 1 深基坑支护工程优化设计流程凰 - i 汕人学( 华东) 硕+ 论文第二章软士深基坑支护l 。科方案优化殴汁 第二章软土深基坑支护工程方案优化设计 2 1 概述 2 1 ，1 深基坑支护工程的特点： ( 1 ) 基坑支护的造价较高，风险性较大。一半属于l 晦时性工程， 而一旦发生事故，则处理十分困难，造成的经济损失和社会影响往 往非常严重，因而风险性较大。 ( 2 ) 深基坑支护工程的设计与施工完全相互依赖、密不可分。施 工过程中结构体系和外面荷载都在变化，它们的变化与旌工工艺参 数的改变对基坑支护效果都有直接的影响。 ( 3 ) 岩土是自然界最复杂的天然材料之一，具有结构离散、随机、 不均匀等性质。基坑支护工程涉及典型的土力学强度、稳定和变形 问题，也涉及土与支护结构的相互作用问题。 ( 4 ) 技术综合性强 深基坑支护设计人员必须具备及综合运用以下各方面的知识： 岩土工程知识和经验 按工程需要提出勘测任务，并能对地质勘察报告提供的描述和 各类参数进行研究、分析以合理选用参数进行支护结构的土压力计 算，对基坑开挖带来的环境影响进行较为准确的预估，以及对地质 情况变化带来的问题做出正确的判断和处理。 建筑结构和力学知识 能够了解立体结构的设计要求，掌握其与基坑支护结构的相互 关系，处理好临时支护结构与永久性立体结构的相互关系，以及支 护结构和支撑作永久性结构的技术问题。熟练应用钢筋混凝土结构 _ i 油大学( 华东) 硕士论文第二章软土深基坑支护：【稃方案优化殴计 和钢结构的设计理论和方法，设计各类支撑体系。 施工经验 熟悉各种地基加固、防水、降水等特种工艺的施工方法、施工 流程及相关设备的选择，能够对各种支护方案进行质量、工期、造 价的对比。 工程所在地的旌工条件和经验 根据各地区地质、环境、施工条件的特点，因地制宜选择合理的 设计施工方案，充分吸取当地施工技术以及工程成功和失败的经验。 2 1 2 深基坑支护工程的基本技术要求 一个基坑支护设计方案是否是成功的，必须同时满足以下三点 要求： ( 1 ) 安全可靠性 支护结构及周围建筑物稳定安全，变形控制在要求范围内。 ( 2 ) 经济合理性 基坑工程在支护结构安全可靠的前提下，要以工期、材料、设 备、人工以及环境保护等多方面综合研究其经济合理性。 ( 3 ) 施工便利性和工期保证性 在安全可靠经济合理的原则下，最大限度地满足便利旌工和缩 短工期的要求。 近1 0 多年的工程实践表明：在基坑支护工程中既有大量成功的 经验，也有不少失败的教训，更有一系列有待进一步解决的问题1 3 “。 目前在实际工程中，还大量存在着两种极端的现象，一是由于支 护设计和施工不当而导致的深基坑支护工程事故，造成重大经济损 失，特别是弓l 起基坑周边的建筑物、道路以及水、电、煤气管网等 _ 珊人学( 华东) 硕士论文第二章软士深基坑支护t 程方案优化设计 生命线工程的破坏；二是由于支护选型和设计保守而造成巨大的投 资浪费。后者往往更难以引起人们的注意。在深基坑支护工程招标 一h 各投标单位出于采用支护和设计计算方法的不同，报价相差。 倍以上的情况并不鲜见。深基坑支护工程作为一门系统工程，必须在 其包含的相关的众多确定性因素和非确定性因素中，寻找参数的最 佳取值与匹配，以达到使用最节约的造价，解决复杂的技术问题， 保障基坑支护工程和周边环境的安全和功能使用需要的目的。一个 深基坑支护工程需要一个真正优秀的方案，即优化设计，如何使深基 坑支护工程做到既安全又经济，就成为目前一个亟待解决的课题。 2 2 优化设计基本原理 一个正确的深基坑支护工程设计，既要保证整个支护工程在施 工过程中的安全，又要控制支护结构和周围土体的变形，以保障周围 环境的安全。在安全的前提下设计要合理，又能节约造价、方便施工、 缩短工期。深基坑支护工程的优化设计主要从以下四个方面进行： ( 1 ) 系统控制；( 2 ) 强度及稳定性控制；( 3 ) 变形控制；( 4 ) 经济效益。 深基坑支护工程的优化设计按其阶段不同，可分为三级优化： 系统优化( 方案优化) 、设计计算优化和变形控制优化。系统优化， 也即方案优化，是指根据某一深基坑工程所要达到的目标而优选出 一个最佳方案。设计计算优化是在支护系统确定后，对具体方案的细 部进行优化计算，如锚杆或支撑点的位置、支护桩的桩径和桩距等优 选，优化目标是使深基坑工程总体造价为最小，设计计算优化问题是 有约束极小化问题，目标函数为整个支护结构的材料总价值函数， 约束包括支撑位置的限定、桩顶端或坑璧坡顶最大位移的限制等等。 深基坑支护系统设计首先应着眼于概念设计，可行性方案的筛 f l 油火学( 华东) 硕士论文第二章软十深基坑支护i 科方案优化设计t 选与优化”。深基坑支护工程的概念设计是深基坑支护工程的一种 整体设计思想，也是面向问题的方案设计方法。具体来说，这种方 法包含两个方面的意义：从需要解决的关键问题入手，针对具体深 基坑工程的几何特征、土层特征、地下水特征和环境特征，进行方 案的优选：从定性的概念出发，确立下一步设计时采用的土压力 模式、支护结构计算方法。如有的工程主要是深厚软土层的整体失 稳、支护结构的大变形对周边环境的不良影响等等，抓住关键问题， 在定性分析的基础上确立具体问题的对策措施。 2 2 1 深基坑支护工程设计的基本依据 ( 1 ) 建设方提供的有关设计图纸、招标文件： 包括基坑的实际开挖深度、基坑的平面形状和尺寸。 ( 2 ) 支护结构承受的荷载： 包括侧向荷载、垂向荷载、地震荷载、地面超载等。 ( 3 ) 基坑范围的工程地质及水文地质情况： 包括拟建场地的工程地质勘察报告，勘探数据及测试方法、力学参数 及试验方法，地下水情况及其分布等。 ( 4 ) 拟建场地的环境条件： 基坑施工所在地及周围的地区性质； 基坑周围建筑物状况： 基坑周围公用设施分布及地下构筑物、地下管线状况及其限 制要求； 基坑周围交通状况及道路状况； 基坑周围水域( 河流) 状况； 基坑所处地区环境特殊状况及对基坑施工的特殊要求； t 瑚人学( 华东) 硕十论文第二章软土深基坑支护t 程方案优化设计 修建建筑物的基础结构及上部结构情况要求； 基坑开挖及排水等方法； 对基坑支护结构施工( 噪音、振动、地面污染) 的要求。 ( 5 ) 基坑场地周围已有基坑支护结构型式，在施工中的成功、失 败原因。 ( 6 ) 各种支护技术的特点及适用范围。 2 2 2 深基坑支护工程设计的基本原则 ( 1 ) 支护结构必须保证安全正常使用，则应满足以下要求 支护结构不能滑动； 支护结构不能倾覆： 支护结构不能有过大的水平位移； 支护结构不能有过大的沉陷； 保证支护结构本身的强度足够 保证地基的强度足够： 保证周围建筑物安全、位移及沉降控制在允许范围内； 保证基坑底部的隆起、回弹在允许范围内，不发生渗流及管 涌等： 支护方案安全可靠，而且是经济的优化方案。 ( 2 ) 应根据工程用途的要求、地形及地质等条件，综合考虑以确 定支护结构的平面布置及其高度。 ( 3 ) 应认真分析地形、地质、土的性质、周围构筑物、荷载条件 及现场技术经济条件，确定支护结构类型。 ( 4 ) 保证支护结构设计符合相应规范、条例的要求。 ( 5 ) 应对施工给出指导性意见。 4 i 油大学( 华东) 硕十论文第二章软士深基坑支护【群方案优化改计 2 2 3 深基坑支护结构设计内容 桩墙式挡土结构的设计应包括以下内容： ( 1 ) 支护墙结构的抗倾覆稳定性验算，墙体入土深度的确定； ( 2 ) 支护墙结构和地基的抗滑动稳定性验算及墙体入土深度的 校核： ( 3 ) 基坑底部的隆起、回弹及抗渗流或管涌稳定性验算及墙体入 土深度的校核； ( 4 ) 支护墙结构的内力及变形计算： ( 5 ) 确定支撑系统的布置及架拆撑顺序，进行支撑构件的内力变 形及稳定性计算： ( 6 ) 桩墙式挡土结构构件和节点构造设计： ( 7 ) 当必须严格控制旖工引起的地面沉降时，分析和预估基坑丌 挖产生的墙体水平位移、墙脚下沉、坑底土体隆起及降水等对墙背 地层位移的影响，提出相应工程技术措施； ( 8 ) 支护墙作为主体结构一部分时，尚应计算在使用荷载作用下 的内力及变形。 2 2 4 深基坑开挖支护工程程序( 见图2 - 1 ) 2 3 软土深基坑支护工程的概念设计 深基坑支护工程是一个复杂的系统工程，同时又是一个动态系 统，它需要面对的岩土工程条件、环境条件、施工条件存在着诸多不 确定性、多元性和时域性： ( 1 ) 土性的非均匀性和不确定性。由于地基土在空间上的非均匀 性和地基土的物理力学性状不是常量，在基坑的不同部位、不同施工 阶段，土性是变化的，甚至基坑土方开挖的快慢都会导致软土表观力 t 油人学( 华尔) 硕+ 论文第二章软1 深基坑支护1 程方案优化设训 学性质的变化，因此，地基土对支护结构的作用力或提供的抗力也随 之变化。同时，由于软土的流变特性，基坑开挖以及支撑施工过程中 的每个工况开挖的空间几何尺寸和挡墙开挖部分的无支撑暴露时间 与基坑支护结构变形和基坑周围地层位移之间有明显的相关性，即 表现出“时空效应”。 ( 2 ) 外力的不确定性。作用在支护结构上的外力往往随着环境条 件、施工方法和施工步骤等因素的变化而改变 ( 3 ) 环境条件的不确定性。施工场地内突然发现的地下障碍物、 地下管网线以及周边自来水管、污水管的破裂可能导致水对场地土 的浸泡天气和温度的变化等这些事先未曾预料的因索都会影响到 支护结构上外力的变化，影响到基坑支护工程的正常施工和使用。 ( 4 ) 变形的不确定性。变形控制是支护结构设计的关键，但影响 变形的因素很多，支护结构的刚度、支撑( 或锚杆) 体系的布置和构件 的截面特性，地基土的性质、地下水的变化影响，以及施工质量等等 都是导致变形不确定性的原因。 因此，深基坑支护工程不同于一般的结构工程和地基基础工程， 设计计算是不可缺少的，但第一步的概念设计却是至关重要的，即从 深基坑工程定性的概念分析入手，抓住某个特定深基坑工程所 要面对的关键问题，着眼于工程判断、方案的筛选和优化。 2 3 1 性参数的优化选择 目前，常规的基坑支护计算中有关的土质参数主要是抗剪强度 c 、中，土的重度y 和渗透系数k 。y 和k 两个参数一般比较容易确定， 对支护结构设计的影响相对较小。这里重点讨论与支护结构设计密 切相关的主要土质参数一土的抗剪强度c 、由值。 i 油人学( 华尔) 硕七论文第一二章软土深基坑支护r 稃方案优化设计 图2 1 深基坑开挖支护工程程序 1 9 _ i 油人学( 华东) 硕士论文第二章软1 ：深基坑支护t 程方案优化设计 23 1 1 试验方法对土性参数的影响 从理论上说，土的抗剪强度是一个十分复杂的课题。抗剪强度参 数除因土质不同，试验方法不同而不同之外，还受施工因素、应力路 径的影响。c 、巾值从试验方法上，有直剪和三轴之分。三轴压缩试 验的优点是排水条件容易控制，受力状态明确，剪切面不指定，并能 准确测定土的孔隙压力和体积变化。对比之下，直剪试验不能严格 控制排水，剪切面是指定的，而剪切面积随剪切位移的增加而减少， 剪应力和剪应变分布都不均匀。但是直剪试验的优点是设备简便、 操作方便，按排水条件和剪切率有不固结不排水( u u ) 、固结不排水 ( c u ) 以及固结排水( c d ) 之分，不同的方法得出的c 、中值不尽相同。 目l j ，一些规范规程的规定并不统一。如“高层建筑岩土工程勘查规 程”规定对基坑支护设计采用三轴不固结不排水剪或直剪快剪：而 “上海规程”则建议采用固快，并可考虑降水，适当提高c 、中值；湖 北规程，则要求勘查报告提供直剪和三轴剪两种方法。不固结不排水 ( u u ) 和固结不排水( c u ) 两种状态下的c 、中试验值；国家建筑业标准 “建筑基坑支护技术规程”则建议粘性土采用固结不排水剪强度( 参 见表2 一1 ) 。 2 3 1 2 应力路径对抗剪强度的影响 抗剪强度参数除因土质不同、试验方法不同而不同外，还受施工 因素、应力路径等因素的影响。深基坑开挖使地基土的初始应力状 态发生了改变。深基坑开挖前，地基中某点竖向应力为最大主应力， 水平应力为最小主应力，在开挖过程中，从主动区至被动区，主应力 发生了旋转。在开挖面以下，如果不考虑地下水位变化，竖向自重应 力减小( 卸萄) 变为最小主应力，水平应力逐渐变为最大主应力，主轴 2 0 石油大学( 华东) 硕士论文第二章软土深基坑支护工程方案优化设计 旋转了9 0 0 ，见图2 - 2 中( ) 点在基坑外侧，竖向自重应力保持不变，水 平应力逐渐减小至主动土压力状态，但初始主应力方向保持不变。见 图2 2 中( c ) 点，( b ) 点主应力旋转了近似4 5 0 ，图2 2 中滑动面大致 可分为三个区段，主动区( c ) 处压缩状态，由三轴压缩试验模拟，即保 持总的轴向压力不变，总的水平压力减小，也可采用常规三轴压缩试 验结果。被动区出于开挖而引起膨胀，可用总水平应力保持不变，总 竖向应力减小的三轴伸长试验( 卸荷试验) 来模拟，而水平段滑动面 ( b ) 则由单剪试验确定。图2 3 为饱和软土试样两种应力路径的三轴 不排水试验结果试验结果表明：( 1 ) 由三轴压缩试验得到的不排水 强度比卸荷试验得到的高；( 2 ) 产生被动状态涉及的应力变化幅度较 大，这是破坏应交较大的原因之一“”。如果取与主动极限状态相同的 应变，则被动区土体所能发挥的强度要低得多。 目前勘察单位所提供的强度指标是土样在不同围压下轴向加载 的三轴试验得到的，未能反映开挖过程中处于不同部位土体的应力 路径的差别。在进行基坑支护结构设计前，应充分意识到，按压缩试 验强度指标计算被动土压力结果偏大，是不安全的。因此，理论上计 算基坑外侧的主动土压力应该采用侧压减少试验所测得的抗剪强度 指标；计算基坑开挖的墙前被动土压力时，应该采用卸荷试验测得的 抗剪强度指标。另一方面，基坑开挖卸载使坑底土体发生膨胀，其抗 剪强度随时间或逐渐排水而减小，的不排水强度( 由予负孔隙水压 力存在) 将大于排水强度。因此，对正常固结软粘土，长期的或排水条 件下的基坑稳定性是最不利的，安全系数随时间而降低，在实际工程 中，开挖后的基坑不宣暴露过长，应尽快浇筑底板和进行地下室施 工。 ，厢7 i 掌l 坚尔j 硕j = 诧又第二苹深基坑夏护： 疆万赛优化攻计 图2 - 2 基坑周边地基的变形和应力变化 笔者认为，直剪c 、中值较适合于自然放坡条件和基坑周围环境 宽松情况下一般性支护结构上的土压力计算；三轴剪指标( u u ) 适合 于安全等级为级或基坑采用五面防渗帷幕时的土压力计算；对于 一般性的支护工程，作为临时结构，其安全系数不宣过高，一般粘性土 的c 、审值可以选用固结不排水峰值强度指标( c u ) 。对于重要的深基 坑工程，在计算被动区土压力时，采用常规固结不排水三轴压缩试验 得到的c u 值应当降低对于淤泥等软土c 、巾值应以u u 为主。 在实际工作中，在工程勘察阶段有时不一定明了将来深基坑支 护工程设计方案和具体开挖方案，因此，勘察报告需要提供适于不同 情况的指标。但由于土质变异、取样质量、试验数量、操作水平以 及技术人员的素质等多方面因素的影响，有时两个勘查单位承担两 个相邻工程项目，他们提供的力学指标也会出现差异。所以设计人员 在选用c 、巾值时应慎重，要综合各种因素，必要时应对岩土工程勘查 报告中提供的值作相应的鉴别和取舍。同时，应重视深基坑支护工程 的监测分析工作，积累区域性的c 、审经验值。 2 3 2 开挖卸载引起饱和软粘土不排水强度的变化 对于正常固结软粘土地基，由于基坑开挖卸荷使得坑底以下一 石油大学( 华东) 硕士论文第二章软士深基坑支护t 程方案优化设计 定深度范围内的土处于弱超固结状态( 见图2 3 ( a ) ) 。图2 3 ( b ) 表示 不排水强度c u ( 即三轴试验最大主应力差) 与固结( 加载，c k 。u 实验) 或卸荷( c k 。r k 。u 实验) 终了的轴向压力的 关系曲线。 ， ； 占， 。 o 。，一 口“。0 图2 3 开挖前后上浮有效应力和不排水强度变化图2 4 不排水强度与o c r 关系( n a k a s e ) 由图中可见，由于卸载使得土的不排水强度减小。根据a n a k a s e 等人的试验结果，开挖卸载引起的不排水强度的减小仅与该深度土 的超固结k i e o c r ( o c r = o 。o ) 有关，如图2 4 所示。正常固结土的基 坑开挖，开挖面以下各点的超固结比数值不同，它随深度而减小，至 很深处趋于正常固结。由图可见，随开挖面以下深度增加，超固结比 减小，不排水强度提高，至很深处才接近于土的天然强度。 2 3 3 土压力的选取与计算 土压力的计算是深基坑支护结构设计的重要环节和先决条件， 与结构设计不同之处在于挡土结构上水土压力的计算在理论上至今 尚未妥善解决，分析存在很大困难。从实用观点出发不能不作许多假 定，使问题得以简化。正因为如此不同规范规程、不同地区在这方 面的规定不统一5 73 ( 参见表2 1 ) ，但其基础多采用大家熟知的古典 c o u l o u m b - - r a n k i n e 压力理论。在一个深基坑支护工程设计计算前 石油犬学( 华东) 硕士论文第二章软土深基坑支护 二程方案优化设计 设计者应该清楚地认识至l j c o u l o m b 和r a n k i n e l 里论都是建立在简化的 计算模型基础上的，与实际的深基坑支护工程还有很多不一致的地 方，土压的大小并不只是简单的只与土的重度和土的抗剪强度有关， 其实要复杂得多。 ( 1 ) 无论c o u l o m b 理论还是r a n k i t i e 理论，开始均是用于重力式 挡土墙，即先筑墙，再在墙背后填土( 一般为无粘性土) ；而深基坑 工程。则是在土中筑墙( 桩) ，再开挖卸荷，墙背后是原状土。无论支 挡结构的形式、士的性质、施工次序、土中应力路径均有很大不 同，见图2 6 。 ( 2 ) c o u o m b r a n k i n e 理论假定的破裂面是平面，破坏土楔是刚 体，假定的墙为无限氏，故其处理的是平面问题；而深基坑工程是 空间问题，遇到的多为有粘塑性和流变性质的软土，相差较大。 ( 3 ) c o u l o m b 和r a n k i n e 土压力理论均是建立在极限平衡条件的 基础上的，即所计算的主动和被动土压力均为挡土墙后土体处于两 种不同极限平衡状态时作用在墙背上的两种压力。除静止土压力这 一特殊情况以外，当墙后土体处于弹性平衡状态时，由于是一个超 静定问题，目前无法计算其相应的压力。 辫 图2 - 5 挡土墙与基坑支护比较 2 4 1 汕人学( 华东) 硕一l j 论文第二章软十深基坑支护榭方案优化改计 表2 1 不同规范、规程对土压力计算规定的比较 规范、计算方法计算参数士压力调整 规稗、 标准 建设部采用朗肯理论砂类十、粉直剪崮快峰值c 、由主动刨开挖面以下十 行标士水土分算，粘性十有经验或三轴c 巾。自重压力不变。 时水土合算。 冶金部采用朗肯理论或库伦理论分算时采用有效应有邻近建筑物基础时 行标按水土分算原则计算，有经力指标c + 、中，活k 。= ( k n + k 。) 2 ：被动区 验时对粘性土也可以水土用c 中。代替；乘不能充分发挥时 合算。以0 7 的强度折减系k 。= ( 0 3 0 6 ) k ，。 数。 深训采用朗肯理论、水位以上水分算时采用有效应无规定 规范七合算，水位以f 粘性土水力指标c 、由；合 士合算，水位以下粉土、砂算时采用总应力指 士、碎石土水土分算标c 、中。 上海采用朗肯埋论以水土分算水土分算采用c 对有支撑的围护结构 规程为主，对水泥土围护结构水由。水土合算采用开挖面以下十压力为 士台算。经验主动土压力系矩形分布，提山主动土 数na 。压力概念，提高的主动 土压力系数介于k 。 ( k a + k 。) 2 之间降低的 被动土压力系数介于 ( 0 5 o 9 ) k 。之间。 j 州采用朗肯理论以水土分算采用c 由。有经验开挖面以下采用矩形 规定为主，有经验时对粘性士水时可采用其它参数。分布模式。 十合算 十瑚人学( 华东) 硕士论文第二章软士深基坑支护：i ：程方案优化设计 2 3 4 土压力分布与变形的关系 试验研究和现场测试结果表明，只有当坡顶侧向位移达到坡高 的o o 卜0 0 4 时，方能使主动区土压力降至主动土压力水平：而只有 当坡顶侧向位移达到坡高的0 0 5