基坑开挖卸荷影响深度分析.pdf

第 14卷 第 2期 2008年 4月 上 海 大 学 学 报 自 然 科 学 版 JOURNAL OF SHANGHA IUN I VERSI TY NATURAL SCI ENCE Vo l 14No 2 Apr 2008 收稿日期 2007 01 25 通信作者 秦爱芳 1966 女 副教授 研究方向为岩土工程 E mai l qinaifang 21cn com 文章编号 1007 2861 2008 02 0205 05 基坑开挖卸荷影响深度分析 秦爱芳 蒋晨旭 上海大学 土木工程系 上海 200072 摘要 目前在基坑设计与计算中 大多只是凭借经验来选取卸荷影响深度 该文通过大量的卸荷应力路径试验 模 拟了基坑开挖时坑底被动区土体的受力过程 分析了竖向卸荷条件下土体竖向变形及侧应力的变化 通过对坑底 被动区土体回弹应变和侧应力随卸荷比变化规律的研究 得出了基坑开挖工程中卸荷影响深度的估算方法 其结 果对基坑工程设计具有一定的参考价值 关键词 基坑开挖 卸荷比 卸荷影响深度 静止土压力系数 中图分类号 TU 47 文献标识码 A Influence Depth ofUnloading During Pit Excavation QIN A i fang JI ANG Chen xu Department ofCivilEngineering ShanghaiUniversity Shanghai200072 China Abstract In the design and calculation of the excavation engineering the influence depth of unloading is usually determ ined based on experiences In this work a large number of unloading stress path experi ments are perfor med to si mulate the stress propagation process in the passive zone at the bottom of the foundation pi t Vertical defor mation and the change in the horizontal stress are analyzed Them ethod for esti mating the unloading depth in the excavation engineering is presented by analyzing relationship between the unloading ratio and the rebound strain and horizontal stress The result is useful in excavation engineering Key words excavation unloading ratio influence depth of unloading static earth pressure coefficient 当基坑开挖时 位于基坑底部被动区的土体 因 为上部土体的卸除 在一定深度范围内将会产生回 弹变形 其应力场和土体的强度也会发生变化 研究 发现 这一变化只局限在开挖基坑底部一定深度范 围内 而在其影响范围之外的土体仍然保持基坑开 挖前的初始应力状态 对这一改变土体性状的深度 范围我们称之为卸荷影响深度 精确确定基坑开挖卸荷影响深度很困难并且实 用价值较小 工程中只需要知道这样一个深度 在这 个深度以内的土体受卸荷的影响较大 在这个深度 以下的土体 受卸荷的影响较小 土体不发生性状方 面的变化或变化很小 对于整个基坑的影响也很小 以至于可以忽略 这个深度称之为近似卸荷影响深 度 本文计算中所指的卸荷影响深度就是此处的近 似卸荷影响深度 卸荷影响深度的研究对于基坑开挖工程中的回 弹变形计算 基坑支护结构中围护结构入土深度的 确定 深大基坑中抑制坑底回弹的抗拔桩的设计及 基坑稳定性分析等具有非常重要的意义 目前在基 坑工程的设计中 一般按照经验公式来选取卸荷影 响深度 其取值比较保守 造成了很大的浪费 基坑 工程中卸荷影响深度的研究可以从土体的变形 强 度变化以及应力场变化 3个方面入手 文献 1 从 卸荷土体的剪切强度出发 分析了土体的卸荷影响 深度 文献 2 从侧向应力的变化出发分析了卸荷 影响深度 本文将通过土体侧向受限时的卸荷试验 从土体的回弹变形和侧应力变化的角度进一步分析 基坑开挖卸荷影响深度 1 试验介绍 本试验在常规固结仪和 K0固结仪 3 上分别模 拟了土体的卸荷过程 研究了侧向受限时土体的卸 荷性状 试验土样为原状土 采用上海地区土层中具 有代表性的第四层灰色淤泥质粘土 基本的物理性 质指标为 容重 C 18 kN m 3 含水率 w 41 6 初始孔隙比 e0 1 164 首先按土体的天然固结压力对试样进行固结 使土体试样能够达到或接近基坑开挖前土体的受力 状态 固结稳定后 一般 24 h以上 模拟基坑的开 挖逐级卸荷 每一级卸荷达到稳定后记录相关的数 据 并进行下一级的卸荷 直至土体完全卸荷 按土 样天然固结压力大小分成 4大组 固结压力 s0分别 取 200 300 400 500 kPa 2 从回弹应变角度分析 在卸荷工程中 可以用卸荷比 R 来衡量土体的 卸荷进度 所谓卸荷比 就是卸荷应力 pz与最大预 压荷载 或初始上覆荷载 pmax的比值 即 R pz pmax 1 在基坑开挖前 当地面以上没有附加荷载时 土 体中的初始应力场就是土体的自重应力场 此时土 体的初始上覆荷载为 pmax C z 2 式中 C 为土体重度 z为土体至天然地面的距离 基坑开挖过程是一个坑底上部土体的卸除过 程 对于大面积开挖的基坑工程 可以把土体卸除 认为是在基坑底部施加一个负值的附加应力 基坑 卸荷后坑底土体产生的卸荷应力可以参照地基附加 应力的计算方法 4 得到 因此坑底任意深度处土体 的卸荷应力可表示为 pz A pzo 3 式中 pzo表示基坑底面的卸荷应力 A为土体的附加 应力系数 可查土力学中附加应力系数表 若土层均匀时 当基坑开挖深度为 D 时 坑底 任意深度 h处土体的卸荷比可表示为 R pz pmax A D D h 4 为了分析土体卸荷时的回弹变形 根据试验成 果 整理出预压荷载为 200 300 400 500 kPa时土 体的回弹应变与卸荷比之间的关系曲线 如图 1 所示 图 1中发现有以下的规律 1 土体在不同的预压荷载下卸荷 其卸荷曲 线具有相似的变形特征 2 每条曲线都有 2个拐点 分别将其对应的 卸荷比称为临界卸荷比 Rcr和分界点卸荷比 Rct 2个 卸荷比将土体的整个卸荷过程分为 3个阶段 3 当卸荷比 R 小于临界卸荷比 Rcr时 Rcr取 0 2 其回弹应变非常小 0 01 当卸荷比 R 处于临界卸荷比 Rcr和分 界点卸荷比 Rct之间时 土体的回弹应变随卸荷比的 变大而逐渐增大 其应变的对数与卸荷比近似于线 性关系 图 2为考虑不同预压荷载时的平均回弹应 变与卸荷比的关系曲线 4 在基坑工程中 坑底处土体的卸荷比为 1 并且随着土体深度的增加其卸荷比逐渐变小 基坑 底部的土体依此也可以划分为 3个区域 若基坑开 挖以后 坑底下深度为 hct hcr处土体所对应的卸荷 比分别为分界点卸荷比 Rct和临界卸荷比 Rcr时 可 将 hct hcr分别称为分界点深度和临界深度 当土体 深度 h Rct 这一段土体的回弹 应变较大 土体卸荷产生的回弹量也较大 可将这一 部分土体所属的区域称为强回弹区 5 当土体深度 hct h hcr时 其卸荷比 Rcr R hcr时 其卸荷比 R 2 5 D 25 m 故可将基坑 定义为宽基坑 而对于宽基坑 属于大面积卸荷的基 坑工程 支护结构及周围土体的影响可以不予考虑 因此可以将上文中室内试验的分析结果运用到基坑 工程中去 2 从回弹应变角度计算 当以土体的回弹应变为衡量标准时 根据上文 分析 可知土体卸荷时的临界卸荷比为 Rcr 0 2 采 用式 4 查附加应力系数表 列表反复计算 可以得 到当土体的深度 h 22 29 m 时 其卸荷比为 0 2 所以可知土体的卸荷影响深度为 22 29 m 3 从侧应力变化角度计算 当以土体的侧应力变化为衡量标准时 根据式 4 及 13 可查附加应力系数表进行列表试算 见 表 1 从表中看出 当卸荷比 R 0 178时 侧应力变 化率 f 9 7 符合要求 此时所对应的土体深度就 是卸荷影响深度 即卸荷影响深度为 24m 表 1 侧应力变化率与深度的关系 Tab 1 Relation bet ween f and h h mm2122232425 R0 2180 2040 1910 1780 167 f0 1230 1130 1050 0970 090 不同形状 大小的基坑 其附加应力系数不一 样 所以基坑的形状 大小及开挖深度等对卸荷影响 深度均有影响 在本例中 基坑的卸荷影响深度约为 基坑开挖深度的 2倍 根据对上文计算结果的比较 可取卸荷影响深度为 24 m 除此之外 还可以从土 体卸荷后强度变化的角度进行分析 考虑多种方法 的分析结果 在此基础上更全面的研究土体的卸荷 影响深度 5 结 束 语 在卸荷影响深度的分析中主要有 2个问题需要 解决 第一是土体的临界卸荷比 文中在大量试验的 基础上 分析了土体卸荷时的性状 确定了土体的临 界卸荷比 第二是基坑卸荷时坑底某深度处土体的 卸荷比大小 这首先需要确定土体的卸荷应力 文中 参照地基附加应力的计算方法得到了土体中的卸荷 应力 综上所述 本文通过土体的卸荷试验分析了土 体的回弹变形特征及土体卸荷时侧压力的变化 在 此基础上分别以土体的回弹应变和侧应力的变化为 衡量标准 探讨了基坑工程中卸荷影响深度的估算 方法 进一步将进行同类土体的卸荷剪切强度试验 从卸荷后强度变化的角度进行卸荷影响深度的探 讨 并将综合三方面得到对该类基坑设计具有实际 参考价值的临界卸荷比 Rcr及相应的卸荷影响深度 参考文献 1 潘林有 程玉梅 胡中雄 卸荷状态下粘性土强度特性 试验研究 J 岩土力学 2001 22 4 490 493 2 程玉梅 基坑坑底土体侧向应力状态变化的研究 J 低温建筑技术 1999 4 39 41 3 袁聚云 土工试验与原理 M 上海 同济大学出版 社 2003 78 93 1