基坑工程中若干问题探讨

1、汇报内容1 背景形势2 基坑设计中水土压力的计算3 基坑设计中变形的计算4 基坑设计中全量法与增量法的取舍5 总结2022年10月12日若干问题探讨第一页，共30页。第一页，共30页。1.背景形势2022年10月12日若干问题探讨人口增长，土地减少导致生存危机人口增加，城市不能扩容开发生存空间开发空间：海洋正在开发，难度较大 宇宙正在研究，较为遥远 地下能直接受益，必然趋势!第二页，共30页。第二页，共30页。1.背景形势2022年10月12日若干问题探讨能源、交通、国防、市政等国民经济迅速发展；环境保护及人类生存可持续发展的要求，地下空间的开发利用出现了前所未有的新浪潮。 国际上出现了“二十

2、一世纪是人类开发利用地下空间时代”的口号; 美国未来学家杂志预测二十一世纪将有1/3人口生活和活动在地下。 我国是正处于高速发展的国家，将可持续发展作为现代化建设的一项重大战略是我国的基本国策。第三页，共30页。第三页，共30页。 东京大型地面游乐园广场的地下是 地铁线大手町站地下空间交叉布置充分利用地下空间布置立体线路交叉2022年10月12日若干问题探讨第四页，共30页。第四页，共30页。1.背景形势北京地铁规划重庆地铁规划无锡地铁规划苏州地铁规划西安地铁规划上海地铁规划中国已经成为世界最大的轨道交通市场新一轮的地下空间开发大潮开始2022年10月12日若干问题探讨杭州地铁规划8条线预计

3、2050年完成在建的钱江新城宁波地铁规划武汉轨道线远景规划第五页，共30页。第五页，共30页。1.背景形势 这些工程项目都涉及到基坑开挖，多是一些深、大、临江的基坑，而且这类地 下工程多修建在繁荣地区，对工程界提出了许多难题。近年来基坑工程涌现出的特点： 深大近难基坑工程新特点险情不断2022年10月12日若干问题探讨第六页，共30页。第六页，共30页。2022年10月12日若干问题探讨1.背景形势第七页，共30页。第七页，共30页。选取三个问题基坑设计中水土压力的计算基坑设计中变形的计算基坑设计中全量法与增量法的取舍2022年10月12日若干问题探讨第八页，共30页。第八页，共30页。2 基

4、坑设计中水土压力的计算2022年10月12日若干问题探讨hhpEa1Ea2Ea4Ea3EaEP1EP2EP地下水位以上的土体，采用天然重度，总应力强度指标计算；地下水位以下土体，采用水土合算时，用饱和重度、总应力强度指标进行计算；采用水土分算时，土压力强度采用有效重度、有效强度指标计算，水压力强度按照静水压力计算。运营期采用静止土压力，按照水土分算计算，采用固结不排水指标。基本原则第九页，共30页。第九页，共30页。2022年10月12日若干问题探讨2.1 土压力计算模式水土合算时：水土分算时：第十页，共30页。第十页，共30页。2022年10月12日若干问题探讨符号Kai第i层的主动土压力系

5、数Kpi第i层的被动土压力系数ajk作用于深度zj处的竖向应力标准值cik第i层土粘聚力标准值ik第i层土内摩擦角标准值zj计算点深度mj计算参数，当zjh时，取zj，当zj h时，取hhwa 基坑外侧水位深度hwp 基坑底面水位深度wa计算系数，当hwah时，取1，当hwah时，取零w水的重度第十一页，共30页。第十一页，共30页。土体物理力学性质参数（纬三路）2022年10月12日若干问题探讨第十二页，共30页。第十二页，共30页。新加坡地铁环线C824 标段失事原因2004 年4 月20 日下午3:30，新加坡地铁环线C824 标段出现了坍塌事故。事故造成了约100 m 左右区间隧道围护

6、体系的彻底崩溃，4 人死亡，紧邻的Nicoll 大道下陷以及周边一些城市生命管线严重损毁。错误之一，在有限元模拟分析中，对饱和软土采用排水条件下的参数，使得水土荷载较实际情况偏小，进而低估了围护体系的变形和内力，使围护体系设计偏于不安全。2022年10月12日若干问题探讨第十三页，共30页。第十三页，共30页。2.2 规范中计算模式与参数的选取2022年10月12日若干问题探讨序号规范水土分算水土合算试验1国家行业标准建筑基坑支护技术规程JGJ120-99砂石土及砂土粉土及粘性土三轴固结不排水剪或固结快剪2国家行业标准建筑基坑工程技术规范YB9258-97推荐粘性土（有经验时）三轴固结不排水剪

7、3上海基坑工程技术规范DG/TJ 08-61-2010 推荐三轴固结不排水剪或固结快剪4北京建筑基坑支护技术规程DB11489-2007砂土或碎石黏性土或粉土三轴固结不排水剪或固结快剪5湖北省基坑工程技术规程DB42/ 1592004粉、细砂，中、粗砂及更粗颗粒粘性土和粉土粉、细砂（有经验时）三轴固结不排水剪或固结快剪6浙江省建筑基坑工程技术规程DB33/T1008-2000 J10036-2000砂性土粉性土、粘性土淤泥、淤泥质土粉性土、粘性土（有经验时）三轴固结不排水剪、固结快剪或十字板剪切7南京地区建筑地基基础设计规范DGJ32_J12-2005砂土及碎石土粉土及粘性土三轴固结不排水剪或

8、固结快剪8深圳建筑深基坑支护技术规范SJG05-96粉土、砂土和碎石土粘性土（粘土、粉质粘土）三轴固结不排水剪或固结快剪9广东省建筑基坑支护工程技术规程DBJ-T15-20-97粉土、砂土和碎石土粘性土直接快剪或三轴不固结不排水剪三轴固结不排水剪、固结快剪（基坑外长时间降水时）第十四页，共30页。第十四页，共30页。2.3 小结根据土力学的基本原则，水土合算计算时缩小了主动状态下的水压力而增大了被动状态的水压力，偏于不安全。水土分算概念清楚，符合有效应力原理，建议采用水土分算模式计算；建议采用三轴固结不排水剪强度指标，选用有效指标计算。根据魏汝龙等人的研究，在水土分算时也可以采用总应力指标。2

9、022年10月12日若干问题探讨第十五页，共30页。第十五页，共30页。3. 基坑设计中变形的计算城市建筑密度增加和轨道交通迅速发展。深基坑工程邻近敏感的建（构）筑物如地铁车站、老建筑及市政管线等。必须控制深基坑开挖引起的周边建（构）筑物的附加变形，基坑的设计从强度控制转至变形控制。规范中明确了基坑的环境保护等级，需要控制基坑的变形。工具 数值分析软件，合适的模型，正确的参数。2022年10月12日若干问题探讨第十六页，共30页。第十六页，共30页。2022年10月12日若干问题探讨传统的解析方法或相关的规范方法都难以合理地分析基坑开挖对周边环境的影响。数值分析方法已成为深基坑工程分析的最有效

10、手段。计算岩土力学的核心问题是本构模型沈珠江院士。常用岩土本构模型 3. 基坑设计中变形的计算Duncan-ChangMohr-Coulomb 、 Druker-Prager、Druker-Prager CapModified Cam-ClayHardening Soil / Hardening soil with small strain stiffness第十七页，共30页。第十七页，共30页。一个例子2022年10月12日若干问题探讨MC模型HSS模型第十八页，共30页。第十八页，共30页。卸荷土体的力学性质2022年10月12日若干问题探讨Mohr-CoulombHardening S

11、oil modelsEurE第十九页，共30页。第十九页，共30页。基坑开挖算例2022年10月12日若干问题探讨第二十页，共30页。第二十页，共30页。MCC模型计算与实测结果对比2022年10月12日若干问题探讨第二十一页，共30页。第二十一页，共30页。HS模型计算与实测结果对比2022年10月12日若干问题探讨第二十二页，共30页。第二十二页，共30页。基坑工程中本构模型的选择基坑开挖主要是卸荷问题，本构模型需能区分加荷和卸荷的刚度差异。采用弹-理想塑性的MC 或DP 模型不能区分加荷和卸荷，不太适合于敏感环境下的基坑开挖数值分析。能考虑软黏土硬化特征、能区分加荷和卸荷的区别且其刚度依

12、赖于应力历史和应力路径的硬化类模型，如MCC 模型和HS 模型，能同时给出较为合理的墙体变形及墙后土体变形情况，适合于敏感环境下的基坑开挖数值分析。能反映土体在小应变时的变形特征的高级模型如HSS模型具有更好的适用性，但高级模型的参数一般较多，且往往需要高质量的试验来确定参数，直接应用于工程实践尚存在一定的距离。从满足工程需要和方便实用的角度出发，建议采用MCC 和HS 模型进行敏感环境下的基坑开挖数值分析。2022年10月12日若干问题探讨第二十三页，共30页。第二十三页，共30页。岩土工程中本构模型的选择2022年10月12日若干问题探讨第二十四页，共30页。第二十四页，共30页。上海地区

13、土层MCC模型参数2022年10月12日若干问题探讨第二十五页，共30页。第二十五页，共30页。上海地区典型土层HSS模型参数2022年10月12日若干问题探讨第二十六页，共30页。第二十六页，共30页。4 基坑设计中全量法与增量法的取舍2022年10月12日若干问题探讨全量法：不考虑围护结构或主体结构的施工过程，选取特征工况进行计算。增量法：考虑施工过程，荷载以增量的形式加到不断发生变化的结构体系中,每个阶段只计算本阶段在荷载增量的作用下的内力及变位,而实际的内力与变位为各阶段内力与变位的叠加。增量法按照“先变形、后支撑”的原则分步进行结构内力计算。地铁设计规范GB50157-2003明确提

14、出，桩、墙式围护结构的设计应根据设定的开挖工况和施工顺序按竖向弹性地基梁模型逐阶段计算其内力和变形。应计入支撑的作用时，应考虑每层支撑设置时墙体已有的位移和支撑的弹性变形。第二十七页，共30页。第二十七页，共30页。4 基坑设计中全量法与增量法的取舍2022年10月12日若干问题探讨增量法较繁杂，工作量大，现有的基坑设计软件如理正、启明星等均不能考虑基坑回筑阶段围护结构或者主体结构刚度的变化，需要设计院自行开发相应的工具。全量法可以作为初步设计阶段选择断面的参考依据。施工图设计阶段宜采用增量法计算。基坑或者主体结构的断面形式和工序有限，开发计算工具是可行的。建议在现有的大型有限元软件如ANSYS上做二次开发，以加快开