畢業(yè)答辯模板-江南大學太湖學院課件

1、基坑變形估算1.概述及研究現(xiàn)狀2.基坑變形現(xiàn)象3.基坑變形機理4.地層損失法5.估算法6.縱向沉降7.基底隆起變形8.剛性擋土墻位移1. 概述及研究現(xiàn)狀 深基坑開挖不僅要保證基坑本身的安全與穩(wěn)定，而且要有效控制基坑周圍地層移動以保護環(huán)境。在地層較好的地區(qū)（如可塑、硬塑粘土地區(qū)，中等密實以上的砂土地區(qū)，軟巖地區(qū)等）?；娱_挖所引起的周圍地層變形較小，如適當控制，不致于影響周圍的市政環(huán)境，但在軟土地區(qū)（如天津、上海、福州等沿海地區(qū)），特別是在軟土地區(qū)的城市建設中，由于地層的軟弱復雜，進行基坑開挖往往會產(chǎn)生大的變形，嚴重影響緊靠深基坑周圍的建筑物、地下管線、交通干道和其他市政設施，因而是一項很復雜而

2、帶風險性的工程。 目前國內(nèi)外有多種預測深基坑穩(wěn)定性的計算理論，但很少有對基坑周圍地層移動性進行估算的方法。近幾年大量的基坑工程實踐積累了豐富的經(jīng)驗，也產(chǎn)生了一些較滿意的地層移動經(jīng)驗預測方法，實際應用效果較好。 基坑的變形計算理論能否較好地反映實際情況受很多因素的制約，除圍護體系本身及周圍土體特性外，較多地受施工因素影響，計算參數(shù)難以準確確定，每一個計算理論都有其使用范圍，故計算中必須充分考慮到這一點。 此外，在軟土地區(qū)，基坑的變形計算還需考慮時空效應的影響，一般認為，在具有流變性的軟土中，基坑的變形（墻體，土體的變形）隨著時間的增長而增長，分塊開挖時留土的空間作用對基坑變形具有很好的控制作用，

3、時間和空間兩個因素同時協(xié)調(diào)控制可有效地減少基坑的變形。 目前，在城市基坑工程設計中，基坑變形控制要求越來越嚴格，此前以強度控制設計為主的方式逐漸被以變形控制設計為主的方式所取代，因而基坑的變形分析成為基坑工程設計中的一個極重要的組成部分，這一點在軟土地區(qū)尤為重要?；幼冃慰刂频难芯楷F(xiàn)狀 土建工程施工控制的概念，最初是由 Yao JT P于 1972年首次提出的，它的基本思想是依靠結(jié)構(gòu)物與控制系統(tǒng)間的優(yōu)化匹配，共同抵御工程及其他外荷載，進而控制其變形位移在允許的限值以內(nèi)。 在我國，基坑工程施工變形控制的研究始于九十年代。變形控制的基本思想是要求支護結(jié)構(gòu)在滿足強度及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，尚需滿足控制變

4、形位移的使用要求，也即，地下工程施工中既要保證其結(jié)構(gòu)安全、不失穩(wěn)，又要對周圍環(huán)境不造成超出允許變形限值的不利影響。 對施工變形的主要研究方法有安全系數(shù)法、經(jīng)驗公式法、數(shù)值方法（正分析與反分析）、地層損失法、系統(tǒng)分析方法。 典型預測方法綜述 灰色系統(tǒng)預測法 時間序列預測法 人工神經(jīng)網(wǎng)絡預測法 時間序列預測法 對時間序列ARMA模型進行分析，可發(fā)現(xiàn)此模型本身為一種線性自回歸模型，可認為它是一種差分方程形式的參數(shù)模型。其應用條件為： （1） 要求數(shù)據(jù)序列為平穩(wěn)、正態(tài)的序列； （2） 序列中的數(shù)據(jù)應該是其歷史數(shù)據(jù)的線性組合。 由于時間序列模型表示一種隨機信號的統(tǒng)計特性，從而要求數(shù)量應該比較大，這就使在

5、容許觀測時間短且位移變化不大的情況下，量測有一定難度，實施起來并不方便。 在實際的巖土工程中，所觀測得到的位移序列一般不可能為平穩(wěn)、正態(tài)的隨機序列；很多情況下，觀測序列都不能符合是其歷史數(shù)據(jù)線性組合的特點。這些均限制了時間序列模型的應用。人工神經(jīng)網(wǎng)絡預測法 由神經(jīng)網(wǎng)絡模型的建模過程可發(fā)現(xiàn)，該方法實質(zhì)為非線性自回歸模型。對觀測序列幾乎沒有什么要求，它幾乎可以對任何可能的序列進行分析。目前巖土工程位移預測均采用最簡單、常用的無反饋前向神經(jīng)網(wǎng)絡模型（BP模型），預測方法采用自回歸法。分析這樣構(gòu)造的模型，可發(fā)現(xiàn)使用中存在大量有待解決的問題。如：（1） 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的確定 （2） 結(jié)點單元作用函數(shù)的確定 （

6、3） BP算法問題 （4） 神經(jīng)網(wǎng)絡的外延性 盡管人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型的觀測數(shù)據(jù)序列要求不多，但正是這種普適性增大了神經(jīng)網(wǎng)絡模型建模的難度。 深基坑變形預測方法及警戒值研究 研究方法綜述 深基坑變形預估方法 基坑變形預警值的研究基坑變形預估方法綜述 采用的方法主要有，物理模擬法、數(shù)值模擬法、半理論解析法、經(jīng)驗公式預測法以及非線性預測方法等。 在實際工程中常采用一種或幾種相結(jié)合的預測方法，而以經(jīng)驗公式所計算的墻后地面最大沉降量和以半理論解析法所算的墻體最大水平位移量，為驗證和調(diào)整各種計算方法所用參數(shù)及計算結(jié)果的主要可信參照數(shù)據(jù)。 總體上，采取理論導向、測試定量和經(jīng)驗判斷相結(jié)合的方法，以求可靠、實用、

7、簡易的技術效果。 深基坑變形預估方法Clongh 和 Schmidt經(jīng)驗方法 G.Wayne Clongh和Birger Schmidt將深基坑開挖釋放應力而引起的墻體移動分為“”和“ ”兩種基本型式。 基坑變形預警值的研究某項研究中采用的各類變形預警值如下：（1）允許地面最大沉降量0.3%H, H為坑深，如按 50m計，則應15cm；（2）允許圍護墻體的最大水平位移值0.4%H, 則應20cm ;（3）允許的最大坑深高程處的基底隆起量0.7%H, 則應35cm（4）變形速率： 墻體水平位移6mm/天； 坑周地表位移4mm/天。（5）對長江大堤變形控制的警戒值： 最大容許變形，應5cm； 最大

8、容許變形速率，應2mm/天。2. 基坑變形現(xiàn)象本節(jié)包括：2.1 基坑變形現(xiàn)象2.2 基坑破壞現(xiàn)象墻體豎向變位 在實際工程中，墻體豎向變位量測往往被忽視，事實上由于基坑開挖土體自重應力的釋放，致使墻體有所上升。有工程報道，某圍護墻上升達10cm之多。墻體的上升移動給基坑的穩(wěn)定、地表沉降以及墻體自身的穩(wěn)定性均帶來極大的危害。特別是對于飽和的極為軟弱的地層中的基坑工程，更是如此。當圍護墻底下因清孔不凈有沉渣時，圍護墻在開控中會下沉，地面也下沉。 在開挖深度不大時，坑底為彈性隆起，其特征為坑底中部隆起最高(圖2(a)、當開挖達到一定深度且基坑較寬時，出現(xiàn)塑性隆起，隆起量也逐漸由中部最大轉(zhuǎn)變?yōu)閮蛇叴笾虚g

9、小的形式(圖2(b)，但對于較窄的基坑或長條形基坑，仍是中間大，兩邊小分布。 二. 基坑底部的隆起圖2 基底的隆起變形 根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，地表沉降的兩種典型的曲線形狀如圖3所示。圖3(a)的情況主要發(fā)生在地層較軟弱而且墻體的入土深度又不大時，墻底處顯示較大的水平位移，墻體旁邊出現(xiàn)較大的地表沉降。圖3(b)的情況主要發(fā)生在有較大的入土深度或墻底入土在剛性較大的地層內(nèi)墻體的變位類同于梁的變位，此時地表沉降的最大值不是在墻旁，而是位于離墻一定距離的位置上。 三. 地表沉降圖3地表的沉降曲線形式 地表沉降的范圍取決于地層的性質(zhì)、基坑開挖深度H、墻體人土深度、下臥軟弱土層深度、基坑開挖深度以及開挖支撐施

10、工方法等。沉降范圍一般為(14)H，日本對于基坑開挖工程，提出圖4所示的影響范圍?；幼冃芜^大將導致基坑失穩(wěn)破壞。圖4 基坑開挖變形的影響范圍(a)砂土及非軟粘土時的影響范圍(b)軟粘土時的影響范圍(入土在良好地層的情況)(c)軟粘土時的影響范圍(圍護墻入土在軟弱地層的情況)2.2 基坑破壞現(xiàn)象 當由于設計上的過錯或施工上的不慎，往往造成基坑的失穩(wěn)。致使基坑失穩(wěn)的原因很多，主要的可以歸納為兩個方面： 一是因結(jié)構(gòu)(包括墻體、支撐或錨桿等)的強度或剛度不足而使基坑失穩(wěn)； 一是因地基土的強度不足而造成基坑失穩(wěn)。 基坑的破壞主要表現(xiàn)為以下一些形式： 由于設計放坡太陡，或雨水、管道漏水等原因?qū)е峦馏w抗剪

11、強度降低，引起基坑邊土體滑坡，如圖5所示。 一. 放坡開挖基坑圖5 放坡開挖基坑破壞形式9m 當設計抗滑安全系數(shù)不夠、或者墻前被動區(qū)土體強度較低時，導致墻體變形過大或整體剛性移動，見圖6(c)； 當設計擋土墻抗剪強度不夠，或由于施工不當造成墻體的抗剪強度達不到設計要求，導致墻體剪切破壞，見圖6(d)。圖6 剛性擋土墻基坑破壞形式 柔性圍護墻是相對于剛性圍護墻而言的，包括鋼板樁墻，鋼筋混凝土板樁墻，柱列式墻，地下連續(xù)墻等，其主要破壞形式如下： 當擋土墻剛度較小時，會導致墻后地面產(chǎn)生較大的變形，危及周圍地下管線、建筑物、地下構(gòu)筑物等，見圖7(a)； 當擋土墻強度不夠、而插入又較深或插入較好的土層、

12、在土壓力的作用、會導致墻體折斷、見圖7(b)。 三. 無支撐柔性圍護墻圍護基坑圖7無支撐柔性圍護墻基坑破壞形式 在飽和含水地層(特別是有砂層、粉砂層或其他的夾層等透水性較好的地層)、由于圍護墻的止水效果不好或止水結(jié)構(gòu)失效，致使大量的水夾帶砂粒涌入基坑，嚴重的水土流失會造成支護結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和地面坍陷的嚴重事故，還可能先在墻后形成洞穴而后突然發(fā)生地面坍陷，見圖8(c)； 由于支撐的設計強度不夠或由于支撐架設偏心較大達不到設計要求而導致基坑失穩(wěn)；有時也伴隨著基坑的整體滑動破壞，見圖8(d)；圖8 內(nèi)支撐基坑的破壞形式(c)漏砂導致失穩(wěn)；(d)支撐失穩(wěn)； 由于基坑底部土體的抗剪強度較低，致使坑底土體產(chǎn)生塑

13、性流動而產(chǎn)生隆起破壞見圖8(e)；圖8 內(nèi)支撐基坑的破壞形式(f)突涌破壞 在隔水層中開挖基坑時，當基底以下承壓含水層的水頭壓力沖破基坑底部土層，發(fā)生坑底突涌破壞，見圖8(f)；圖8 內(nèi)支撐基坑的破壞形式(e)底部隆起破壞 在砂層或粉砂地層中開挖基坑時，在不打井點或井點失效后，會產(chǎn)生冒水翻砂(即管涌)、嚴重時會導致基坑失穩(wěn)，見圖8(g)； 在超大基坑，特別是長條形基坑(如地鐵車站、明挖法施工隧道等)內(nèi)，分區(qū)放坡挖土，由于放坡較陡、降雨或其它原因引致滑坡，沖毀基坑內(nèi)先期施工的支撐及立柱，導致基坑破壞，見圖8(h)；圖8 內(nèi)支撐基坑的破壞形式(g)冒水翻砂(管涌)； (h)長條形基坑內(nèi)部放坡破壞引

14、致破壞 由于支撐設計強度不夠，或由于加支撐不及時，可由于坑內(nèi)滑坡，圍護墻自由面過大，使已加支撐軸力過大，或由于外力撞擊，或由于基坑外注漿、打樁、偏載造成不對稱變形等等，導致圍護墻四周向坑內(nèi)傾倒破壞，俗稱“包餃子”，見圖8(i)圖8 內(nèi)支撐基坑的破壞形式(i)內(nèi)傾破壞 由于錨桿和圍護墻，錨桿和錨碇連接不牢、或者由于錨桿張拉不夠、太松弛，或者由于設計上或施工上原因造成錨桿強度不夠或抗拔力不夠，或者由于施作錨桿后出現(xiàn)未預料的超載，或者錨碇處有軟弱夾層存在等原因，導致基坑變形過大或基坑破壞，見圖9(a)； 由于圍護墻入土深度不夠，或基坑底部超挖，導致基坑踢腳破壞，見圖9(b)； 五. 錨拉基坑圖6 拉

15、錨板樁基坑的破壞形式(a)、(b) 由于選用圍護墻截面太小，或?qū)ν翂毫ψ髁瞬徽_的估計，或者墻后出現(xiàn)未預料的超載等原因、導致圍護墻折斷，見圖9(c)； 由于設計錨桿太短、錨桿整體均位于滑裂面以內(nèi)致使基坑整體滑動破壞，見圖9(d)； 由于墻后地面超量沉降，使錨桿變位，或產(chǎn)生附加壓力，危及基坑安全，見圖9(e)。 錨桿基坑的破壞形式類似于拉錨基坑，此處略。圖9(c)圖9(e)圖9(d)3. 基坑變形機理 基坑變形包括圍護墻的變形、坑底隆起及基坑周圍地層移動?；又車貙右苿邮腔庸こ套冃慰刂圃O計中首要問題，故本節(jié)主要討論地層移動機理，其中也包括圍護墻的變形和坑底隆起變形機理。本節(jié)包括：3.1 基坑

16、周圍地層移動的機理3.2 周圍地層移動的相關因素3.1 基坑周圍地層移動的機理 基坑開挖的過程是基坑開挖面上卸荷的過程，由于卸荷而引起坑底土體產(chǎn)生以向上為主的位移，同時也引起圍護墻在兩側(cè)壓力差的作用下而產(chǎn)生水平向位移和因此而產(chǎn)生的墻外側(cè)土體的位移?？梢哉J為，基坑開挖引起周圍地層移動的主要原因是坑底的土體隆起和圍護墻的位移。 坑底隆起是垂直向卸荷而改變坑底土體原始應力狀態(tài)的反應。在開挖深度不大時，坑底土體在卸荷后發(fā)生垂直的彈性隆起。當圍護墻底下為清孔良好的原狀土或注槳加固土體時，圍護墻隨土體回彈而抬高?？拥讖椥月∑鸬奶卣魇强拥字胁柯∑鹱罡撸铱拥茁∑鹪陂_挖停止后很快停止。這種坑底隆起基本不會引

17、起圍護墻外側(cè)土體向坑內(nèi)移動。隨著開挖深度增加，基坑內(nèi)外的土面高差不斷增大，當開挖到一定深度，基坑內(nèi)外土面高差所形成的加載和地面各種超載的作用，就會使圍護墻外側(cè)土體產(chǎn)生向基坑內(nèi)移動，使基坑坑底產(chǎn)生向上的塑性隆起，同時在基坑周圍產(chǎn)生較大的塑性區(qū)，并引起地面沉降。 1. 坑底土體隆起 在舊金山勒威斯特拉斯大樓(Levi Strauss Building)的粘性土深基坑工程中，曼納(Mana)按不同開挖深度以理論預測，做出基坑周圍地層移動矢量場及塑性區(qū)分布如圖10。基坑圍護結(jié)構(gòu)采用鋼板樁，該圖能較清楚地反映深基坑開挖中周圍地層移動的范圍和幅度隨開挖深度加大而增大的基本狀況。這個基坑工程地層的不排水抗剪

18、強度 為有效垂直壓力，土體重力密度 壓縮模量 ，基坑支護墻系用鋼板樁打入硬土層。基坑寬度12m。圖10 軟粘土基坑隨開挖深度增加基坑 周圍土體移動及塑性區(qū)的發(fā)展 H-開外深度；F-抗隆起安全系數(shù)；B-基坑寬度 在寶鋼最大鐵皮坑工程中成功地在粘性土層中采用圓形圍護墻從事深基坑施工。其內(nèi)徑為24.9m，開挖深度32.0m，圍護墻插入深度28m，墻厚1.2m，圍護墻有內(nèi)襯。由于圓形圍護墻結(jié)構(gòu)在周圍較均勻的荷載作用下，受到環(huán)向箍壓力，因此槽段接頭壓緊，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。在開挖過程中不用支撐，墻體變形很小，在該深基坑工程小，基坑周圍地層移動幾乎都是出于坑底隆起引起的，施工單位對此圓形基坑的坑底隆起隨開挖加深而增

19、大的變化，進行了較詳細的觀測。觀測結(jié)果說明：在開挖深度為10m左右時，坑底基本為彈性隆起，坑中心最大回彈量約8cm，而在自標高-13m至-32.2m的開挖過程中，坑底發(fā)生塑性隆起，觀測到的坑底隆起線呈兩邊大中間小的形式，參見圖11。挖至 -0.7時，坑底隆起線；挖至-10.4時，坑底隆起線； 挖至-13.2時，坑底隆起線； 挖至-22.6時，坑底隆起線； 挖至-23.4時，坑底隆起線； 挖至-32.2時，坑底隆起線；圖11 隨開挖加深觀測的坑底隆起線 在坑底塑性隆起中，基坑外側(cè)土體向坑內(nèi)移動。圖12表示出開挖深度到標高32.2m時，圍護墻底下及圍護墻外側(cè)3、 9、 18、 30m處土體向基坑的

20、水平位移曲線。圖12 開挖至標高-32.2m時土體向坑內(nèi)水平位移 圓形基坑坑底隆起在直徑與開挖深度之比較小的條件下、由于圓形基坑的支護結(jié)構(gòu)和坑底土體的空間作用，在隆起形式和幅度上與條形支護基坑者有所不同，但兩種基坑坑底隆起都是隨開挖深度的增加而由彈性隆起發(fā)展到塑性隆起，而塑性隆起又伴隨著基坑外側(cè)土體向坑底移動。只是條形支護基坑由于支護結(jié)構(gòu)及坑底土體不像圓形者有空間作用，因而在基坑寬度與開挖深度比較小時，就會發(fā)生坑底的塑性隆起。當支護結(jié)構(gòu)無插入深度時，基坑更易在開挖深度較小時即發(fā)生坑底的塑性隆起和相伴隨的基坑周圍地層移動。當塑性隆起發(fā)展到極限狀態(tài)時，基坑外側(cè)土體便向坑內(nèi)產(chǎn)生破壞性的滑動，使基坑失

21、穩(wěn)，基坑周圍地層發(fā)生大量沉陷。 圍護墻墻體變形從水平向改變基坑外圍土體的原始應力狀態(tài)而引起地層移動。 基坑開始開挖后，圍護墻便開始受力變形。在基坑內(nèi)側(cè)卸去原有的土壓力時，在墻外側(cè)則受到主動土壓力，而在坑底的墻內(nèi)側(cè)則受到全部或部分的被動土壓力。由于總是開挖在前，支撐在后，所以圍護墻在開挖過程中，安裝每道支撐以前總是已發(fā)生一定的先期變形。挖到設計坑底標高時，墻體最大位移發(fā)生在坑底面下12m處。 圍護墻的位移使墻體主動壓力區(qū)和被動壓力區(qū)的土體發(fā)生位移。墻外側(cè)主動壓力區(qū)的土體向坑內(nèi)水平位移，使背后土體水平應力減小，以致剪力增大，出現(xiàn)塑性區(qū)，而在基坑開挖面以下的墻內(nèi)側(cè)被動壓力區(qū)的土體向坑內(nèi)水平位移，使坑

22、底土體加大水平向應力、以致坑底土體增大剪應力而發(fā)生水平向擠壓和向上隆起的位移，在坑底處形成局部塑性區(qū)。 而圍護墻水平位移與圍護墻外側(cè)地面沉降的比值，以及沉降大小與沉降范圍的關系，則可大體示于圖13。 2. 圍護墻位移 從圖13中可看出：墻體位移量小時，墻外側(cè)地面最大沉降量約為墻體位移的70或更小，由于墻體位移小，墻外側(cè)與土體間摩擦力可以制約土體下沉，故靠近圍護墻處沉降量很小，沉降范圍小于2倍開挖深度；而當墻體位移量大時，地面最大沉降量就與墻體位移量相等，此時墻外側(cè)與土體間摩擦力已喪失對于墻后土體下沉的制約能力，所以最大沉降量發(fā)生在緊靠圍護墻處，沉降范圍大于4倍開挖深度。 圖13 粘性土中基坑圍

23、護墻及地表變形的基本狀況(a)墻體位移??；(b)墻體位移大 墻體最大位移； 地面最大沉降 墻體變形不僅使墻外側(cè)發(fā)生地層損失而引起地面沉降，而且使墻外側(cè)塑性區(qū)擴大，因而增加了墻外土體向坑內(nèi)的位移和相應的坑內(nèi)隆起(見圖14、圖15)。圖14 加支撐預應力后墻體上水 平土體應力變化預測（Clough）下支撐在預應力之前的土壓力下支撐加預應力之后的土壓力圖15 有無及時加支撐預應力時，墻體 及地面變形的對比未及時加支撐預應力 精心及時加支撐預應力 因此，同樣工程地質(zhì)和埋深條件下，深基坑周圍地層變形范圍及幅度，因墻體的變形不同而有很大差別，墻體變形往往是引起周圍地層移動的重要原因。 在上海軟粘土中的深基

24、坑，墻體變形和基坑坑底隆起不僅在施工階段，因產(chǎn)生地層損失引起基坑周圍地層移動，而且由于地層移動使土體受到擾動，故在施工后期相當長的時間內(nèi)基坑周圍地層還有漸漸收斂的固結(jié)沉降。3.2 周圍地層移動的相關因素 在基坑地質(zhì)條件、長度、寬度、深度均相同的條件下，許多因素會使周圍地層移動產(chǎn)生很大差別，因此可以采用相應的措施來減小周圍地層的移動。影響周圍地層移動的主要相關因素有以下幾點： 1.支護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的特征； 2.基坑開挖的分段、土坡坡度及開挖程序； 3.基坑內(nèi)土體性能的改善； 4.開挖施工周期和基坑暴露時間； 5.水的影響； 6.地面超載和振動荷載 7.圍護墻接縫的漏水及水土流失、涌砂。墻體的剛度、支

25、撐水平與垂直向的間距 一般大型鋼管支撐的剛度是足夠的。如現(xiàn)在常用609mm、長度為20m的鋼管支撐，承受1765kN(180t)壓力時，其彈性壓縮變形也只有約6mm。但垂直向間距的大小對墻體位移影響很大。從圖16中可見剛度參數(shù)與支撐間距h的4次方成反比，所以當墻厚已定時，加密支撐可有效控制位移。 1. 支護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的特征圖16墻體位移與墻體剛度EI支撐間距h的關系 減少第一道支撐前的開挖深度以及減少開挖過程中最下一道支撐距坑底面的高度，對減少墻體位移尤有重要作用。第一道支撐的開挖深度h1應小于 為土體不排水抗剪強度，為土重度)，以防止因h1過大而使墻體外側(cè)土體發(fā)生較大水平移動和在較大范圍內(nèi)產(chǎn)生

26、地面裂縫，見17。開挖過程中，最下一道支撐距坑底面的高度越大，則插入坑底墻體被動壓力區(qū)的被動上壓力也相應加大，這必增大被動壓力區(qū)的墻體及土體位移如圖18。圖17 墻體位移、地面開裂示意圖圖18 墻體、土體位移Pp被動土壓力；Pa主動土壓力墻體厚度及插入深度 在保證墻體有足夠強度和剛度的條件下，恰當增加插入深度，可以提高抗隆起穩(wěn)定性。也就可減少墻體位移，但對于有支撐的圍護墻，按部分地區(qū)的工程實踐經(jīng)驗，當插人深度0.9H時，其效果不明顯。根據(jù)上海地鐵車站或?qū)?0m左右的條形深基坑工程經(jīng)驗，圍護墻厚度一般采用0.05H(H為開挖深度)，插入深度一般采用0.60.8H，對于變形控制要求較嚴格的基坑、可

27、適當增加插入深度；對于懸臂式擋土墻，插入深度一般采用1.01.2H。支撐預應力的大小及施加的及時程度 及時施加預應力，可以增加墻外側(cè)主動壓力區(qū)的土體水平應力，而減少開挖面以下墻內(nèi)側(cè)被動土壓力區(qū)的土體水平應力，從而增加墻內(nèi)、外側(cè)土體抗剪強度，提高坑底抗隆起的安全系數(shù)，有效地減少墻體變形和周圍地層位移，對加支撐應力后圍護墻內(nèi)側(cè)水平應力的變化Clough曾作過有限元分析預測，見圖14。根據(jù)上海已有經(jīng)驗在飽和軟弱粘土基坑開挖中，如能連續(xù)地用16h挖完一層(約3m厚)中一小段(約6m寬)土方后，即在8h內(nèi)安裝好2根支撐并施加預應力至設計軸力的70，可比不加支撐預應力時，至少減少50的位移。如在開挖中不按

28、“分層分小段、及時支撐”的順序，或開挖、支撐速度緩慢，則必然較大幅度地增加墻體位移和墻外側(cè)地面沉降層的擾動程度，因而增大地面的固結(jié)沉降，見圖19。安裝支撐的施工方法和質(zhì)量 支撐軸線的偏心度、支撐與墻面的垂直度、支撐固定的可靠性、支撐加預應力的準確性和及時性，都是影響位移的重要因素。圖19 圍護墻外側(cè)最大沉降點沉降過程曲線 長條形深基坑按限定長度L分段開挖時，可利用基坑的空間作用，以提高基坑抗隆起安全系數(shù)，減少周圍地層移動，Skempton曾對長條形、方形和長寬比為2的矩形基坑的抗隆起安全系數(shù)提出如下計算公式 2. 基坑開挖的分段、土坡坡度及開挖程序抗隆起安全系數(shù)：不排水抗剪強度(KN/m )；

29、土體重度(KN/m )；開挖深度(m)；從圖20中查出；地面超載。 2 3圖20 按基坑長、寬、深尺寸查Nc的圖表 從這個公式可知在同樣地質(zhì)的基坑中Fs正比于Nc，如對H/B1及B/L0的長方形基坑，由圖可知（右圖中紅圈點）： 對H/B1及B/L=1的方形基坑，由圖可知（右圖中綠圈點）： 從中可知 即H/B1的方形基坑的抗隆起安全系數(shù)，比H/B1的長條形(B/L0)基坑大21。 參照上述算法，可以認為長條形深基坑按限定長度(不超過基坑寬度)進行分段開挖時，基坑抗隆起安全系數(shù)必有一定的增加，增加比例為1020。 根據(jù)上海地區(qū)經(jīng)驗，當某長條形深基坑抗隆起安全系數(shù)為1.5時，如不分段開挖，墻體最大水

30、平位移為1H。這屬于大的墻體位移，參照圖13當墻體位移量大時 ，則相應的地面最大沉降Sv 1H，地面沉降范圍2H。 如分段開挖，抗隆起安全系數(shù)增加20，Ks1.5(1+20)1.8，墻體最大水平位移為0.6 H ，這屬于小的墻體位移，參照圖13當墻體位移量小時 ，則相應的地面最大沉降Sv1.40.43 H，地面沉降范圍2H。 由此可清楚地看到：將長條形的基坑按比較短的段，分段開挖，對減少地面沉降、墻體位移、和地層水平位移是有效的，同樣，將大基坑分塊開挖亦具有相同的作用。 在每個開挖的開挖程序中，如分層、分小段開挖、隨挖隨撐，就可在分步開挖中，充分利用土體結(jié)構(gòu)的空間作用，減少圍護墻被動壓力區(qū)的壓

31、力和變形，還有利于盡速施加支撐預應力，及時使墻體壓緊土體而增加土體抗剪強度。這不僅減少各道支撐安裝時的墻體先期變形，而且可提高基坑抗隆起的安全系數(shù)。否則將明顯增大土體位移。 如某基坑在挖到最后的第5道支撐的一層土時，開挖了12m一段后延擱了24小時未加支撐，使地面沉降明顯地比及時支撐的部分大了34mm，見圖21。這里表現(xiàn)出基坑開挖中時間效應對墻體和地面變形的明顯影響。圖21 支撐時間與沉降大小關系圖 在基坑內(nèi)外進行地基加固以提高土的強度和剛性，對治理基坑周圍地層位移問題的作用，無疑是肯定的，但加固地基需要一定代價和施工條件。在坑外加固土體，用地和費用問題都很大，非特殊需要很少采用。一般說在坑內(nèi)

32、進行地基加固以提高圍護墻被動土壓力區(qū)的土體強度和剛性(Su和E)，是比較常用的的合理方法。 在軟弱粘性土地層和環(huán)境保護要求較高的條件下，基坑內(nèi)土體性能改善的范圍，應考慮自地面至圍護墻底下被挖槽擾動的范圍。井點降水、注漿加固等方法都是有效的加固方法。但在上海粘性土夾有薄砂層(Kh10100Kv，Kh為水平滲透系數(shù)，Kv為垂直滲透系數(shù))或粘性土與砂性土互層的地質(zhì)條件下，以井點降水加固土體，效果明顯，使用廣泛。當基坑粘性土夾薄砂層時，如開工前一段時間就開始降水，對基坑土體強度和剛性可有很大提高，根據(jù)上海已有經(jīng)驗，降水一個月后土體強度可提高30，再參照Teyake Broome等國際巖土專家試驗，粘性

33、土深基坑土體抗剪強度為： 3. 基坑內(nèi)土體性能的改善土浮重度；土體埋深。 如對基坑自地面至基坑以下6m厚的土層進行井點降水，則疏干區(qū)以上土層的有效應力為： 當計算有效應力 時， 為土重度。將土浮重度改為重度，其數(shù)值增加約一倍多，這對降水范圍及其下臥地層的各層土層或起到預壓固結(jié)作用。何況超前一段時間降水，還可因排水固結(jié)增加強度。特別是夾砂層的水降除后，圍護墻內(nèi)力計算模型中的土體水平向彈簧系數(shù)KH也可提高約一倍，這對提高基坑抗隆起安全系數(shù)以及減少圍護墻的位移有很大的作用。當然采用注漿等地基加固法，對提高被動區(qū)的土體剛度和強度、減少周圍地層移動，也有明顯作用。但要先從技術經(jīng)濟上與降水加固法做比較論證

34、。 這里也要指出不適當?shù)丶由罱邓疄V管也會影響圍護墻外圍地層下沉，這要根據(jù)地質(zhì)條件做細致研究，圖22表示基坑內(nèi)降水后對基坑外側(cè)地層靜水壓力的影響，應注意當圍護墻底部存在滲透系數(shù)較大的砂性土層，就有坑內(nèi)降水對坑外地層產(chǎn)生排水固結(jié)的影響(如圖23)。圖22 基坑內(nèi)降水后，基坑底下及外側(cè)靜水壓力變化圖23 某基坑坑內(nèi)降水引起 墻外地表沉降 為減少此影響，必要時要采取加隔水帷幕或回灌水措施。當基坑坑底粘性土層以下存在有承壓水的砂性土層時，坑底粘性土層要被承壓水頂托上抬，乃至被承壓水頂破涌砂，產(chǎn)生破壞性隆起，在此地質(zhì)條件下，則應考慮在砂性土中注漿以形成平衡承壓水壓力的不透水層見圖24。而確定基坑底至注漿層

35、(不透水層)底面的高度h，應使hPw，(為注漿層底面以上至坑底面的加權平均土重度)。圖24以注漿層平衡承壓水壓力 在粘性土的深基坑施工中，周圍土體均達到定的應力水平，還有部分區(qū)域成為塑性區(qū)。由于粘性土的流變性，土體在相對穩(wěn)定的狀態(tài)下隨暴露時間的延長而產(chǎn)生移動是不可避免的，特別是剪應力水平較高的部位，如在坑底下墻內(nèi)被動區(qū)和墻底下的土體滑動面，都會因坑底暴露時間過長而產(chǎn)生相當?shù)奈灰?，以至引起地面沉降的增大。特別要注意的是每道支撐挖出槽以后，如延擱支撐安裝時間，就必然明顯地增加墻體變形和相應的地面沉降。在開挖到設計坑底標高后，如不及時澆筑好底板，使基坑長時間暴露，則因粘性土的流變性亦將增大墻體被動壓

36、力區(qū)的土體位移和墻外土體向坑內(nèi)的位移，因而增加地表沉降，雨天尤甚，見圖25。 4. 開挖施工周期和基坑暴露時間圖25 墻外側(cè)地面沉降量隨坑底暴露時間延長而增大此段約50m，自開挖到第5道支撐到澆好底板歷時47天；此段約40m，自開挖到第5道支撐到澆好底板歷時30天； 5. 水的影響 雨水和其它積水無抑制地進入基坑，而不及時排除坑底積水時，會使基坑開挖中邊坡及坑底土體軟化，從而導致土體發(fā)生縱向滑坡，沖斷基坑橫向支撐，增大墻體位移和周圍地層位移。 6. 地面超載和振動荷載 地面超載和振動荷載會減少基坑抗隆起安全度增加周圍地層位移 7. 圍護墻接縫的漏水及水土流失、涌砂。4. 地層損失法本節(jié)包括：5

37、.1 概述5.2 桿系有限元法5.3 實用公式法求地層垂直沉降法5.4 經(jīng)驗系數(shù)法求地面垂直沉降4.1 概述 由于墻前土體的挖除，破壞了原來的平衡狀態(tài)，墻體向基坑方向的位移，必然導致墻后土體中應力的釋放和取得新的平衡，引起墻后土體的位移?，F(xiàn)場量測和有限元分析表明：此種位移可以分解為兩個分量即土體向基坑方向的水平位移以及土體豎向位移。土體豎向位移的總和表現(xiàn)為地面的沉陷。 同濟大學侯學淵教授在長期的科研與工程實踐中，參考盾構(gòu)法隧道地面沉降Peck和Schmidt公式，借鑒了三角形沉降公式的思路提出了基坑地層損失法的概念，地層損失法即利用墻體水平位移和地表沉陷相關的原理，采用桿系有限元法或彈性地基梁

38、法，然后依據(jù)墻體位移和地面沉降二者的地層移動面積相關的原理，求出地面垂直位移即地面沉降。也有用個經(jīng)驗系數(shù)乘上墻體水平位移而求得地面沉降值的。我國在地下結(jié)構(gòu)和地基基礎設計中，較習慣于用經(jīng)工程考驗過的半經(jīng)驗半理論公式，此法已在沿海軟土地區(qū)逐步普及，加上適當經(jīng)驗系數(shù)后，與量測結(jié)果較一致。4.2 桿系有限元法 桿件系統(tǒng)有限元單元法簡稱有限元法，亦稱豎向彈性地基梁桿系有限元法，其計算原理是假設圍護墻為豎向梁，墻后土壓力己知(一般假定為主動土壓力)，墻前基坑開挖面以下用彈簧模擬地基抗力，用基床系數(shù)表示(可根據(jù)實際情況假設不同的K值分布形式)，支撐假設成彈簧，形成一個平衡系統(tǒng)，求解其內(nèi)力和變形。 桿系有限元

39、計算時是不考慮時間影響的，但在具有流變性的軟土地層中(如沿海一帶軟土等)，時間對墻體的位移是有明顯的影響的，因此，為了在計算中考慮時間的影響，可作如下處理：桿系有限元在每一步計算時，均對支撐處的位移進行修正(支撐架設前的位移)，故可借此機會將時間因素考慮進去，即在修正位移上再加上由于土體流變而產(chǎn)生的位移一般認為，修正位移增加時，墻體彎矩亦增加。4.3 實用公式法求地層垂直沉降法 為了掌握墻后土體的變形(沉陷)規(guī)律，不少學者先后進行了大量的模擬試驗，特別是針對柔性板樁圍護墻，在軟粘土和松軟無粘性土中不排水條件下土體變形情況。 試驗表明(圖26)： 零拉伸線和與主應變的垂直方向成45角，它們之間相

40、互垂直； 墻后地表任一點的位移與墻體相應點的位移相同，因此地表沉降的縱剖面與墻體撓曲的縱剖面基本相同； 1966年Peck和1974年Bransby部曾指出，軟粘土中支撐基坑的地表沉降的縱剖面圖與墻體的撓曲線的縱剖面基本相同； 根據(jù)以上3條，可以認為：地表最大沉降近似于墻體最大水平位移。圖26 恒定體積時變形的簡單速度場 這里有兩個前提條件：一個條件是開挖施工過程正常，對周圍土體無較大擾動；另一個條件是支撐的安設嚴格按設計要求進行。但是實際工程是難以完全做到的，所以工程實測得到的地表沉陷曲線往往與墻體變形曲線不相同。將它們進行比較后發(fā)現(xiàn)： 對于柔性板樁墻，插入深度較淺，插入比DH0.5)柱列式

41、灌注樁墻等,墻體水平位移 約為墻后地表沉降 的1.4倍，即 ； 地面沉陷影響范圍為基坑開挖深度1.03.0倍?？刹捎靡韵虏叫?qū)w變形和墻后土體的沉陷聯(lián)系起來。 1. 用桿系有限元法計算墻體的變形曲線即撓曲線。 2. 計算出撓曲線與初始軸線之間的面積。 3. 將上述計算面積乘以m的系數(shù)，該系數(shù)考慮到下列諸因素憑經(jīng)驗選取： 溝槽較淺(3m左右)、地質(zhì)是上海地表土硬層和粉質(zhì)粘土，無井點降水，施工條件一般，暴露時間較短(22)，還填土夯實質(zhì)量較好。m1.52.0； 深溝槽(6.0m)，地質(zhì)為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾砂或粉質(zhì)砂土，采用井點降水，施工條件較好，暴露時間較長(10個月)，重型槽鋼m2.0； 其它情

42、況同上，鋼板樁采用拉森型或包鋼產(chǎn)企口鋼板樁，m1.5： 基坑較深(10m)，地質(zhì)淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，粘土夾砂或粉質(zhì)粘土，采用拉森型或包鋼生產(chǎn)企口鋼板樁， 采用井點降水，施工條件較好，支撐及時并施加預應力，m1.01.5； 其它類型的基坑根據(jù)實際工程經(jīng)驗選取，如插入較深的地下連續(xù)，柱列式灌注樁墻，一般m1.0； 4. 選取典型地表沉陷曲線，11書地表沉降 三角形沉降曲線 三角形的沉降曲線一般發(fā)生在圍護墻位移較大的情況，如圖27(a)所示。地表沉降范圍：圍護墻的高度；墻體所穿越土層的平均內(nèi)摩擦角。沉陷面積與墻體的側(cè)移面積相等得：圖27 地表沉降曲線類型(a)三角形 指數(shù)曲線 考慮按Peck理論和上海地

43、區(qū)實際情況修正模式，參見圖28。按Peck理論地面沉降槽取用正態(tài)分布曲線。圖28 指數(shù)曲線計算模式 根據(jù) 圖29所示，并在此假定的基礎上取圍護墻頂位移；圍護墻底水平位移，為了保證基坑穩(wěn)定，防止出現(xiàn) “踢腳”破壞和上支撐失穩(wěn)，希望控制0.7B，B為基礎寬度)時(圖35(a)： 基坑底以下存在較硬土層時(圖35(b)：圖35 基坑抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)分析方法不排水抗剪強度； 基坑開挖深度；穩(wěn)定系數(shù)； 土的重度。 墻后地表最大沉降又與墻體的最大水平位移有一定的關系(見圖36)，故墻后地表最大沉降亦與基底抗隆起安全系數(shù)Fs存在函數(shù)關系，據(jù)此，采用有限元分析，在一定的條件下(如假設一定的墻體剛度，支撐剛度

44、，基坑尺寸，土的模量等等)也得到墻體位移、墻后地面沉降與Fs的函數(shù)關系，如圖37所示，這一函數(shù)關系與實測結(jié)果不同，是唯一的，所以便于實際應用。圖36 實測最大地面沉降量與最大水平位移關系圖37 最大地面沉降、最大墻體位移與Fs關系 定義 為最大墻體水平位移， 為最大地面沉降量，只要計算處Fs，根據(jù)圖37可以很容易地獲得 和 。 但這里求得最大墻體位移和最大地面沉降是針對于一定的基坑形式和土質(zhì)情況而言的，對于其他類型的基坑和地質(zhì)條件，顯然不適用，故需作修正。 修正可以從以下幾個方面進行： 圍護墻剛度和支撐間距，定義修正系數(shù)為 ； 支撐剛度和間距，定義修正系數(shù)為 ； 硬層之埋深，定義修正系數(shù)為 ；

45、 基坑寬度，定義修正系數(shù)為 ； 支撐預加軸力，定義修正系數(shù)為 ； 土體模量乘子(即模量與不排水抗剪強度之關系系數(shù))，定義修正系數(shù)為 ； 修正后的墻體最大水平位移： 修正后的最大地面沉降： 可從圖38圖43查得。圖38 墻體剛度的影響圖39 支撐剛度的影響圖40 硬層深度的影響圖41 基坑寬度的影響圖42 支撐預加軸力的影響圖43 墻模量乘子的影響 本法的根據(jù)是建立了穩(wěn)定安全系數(shù)與墻體水平位移的固定關系，當某地區(qū)具有一定實測數(shù)據(jù)后，與有限元法結(jié)果結(jié)合使用，對該地區(qū)具有很大可靠性，可以在固定地區(qū)推廣。5.4 反分析法 反分析法預測基坑變形特別適用于現(xiàn)場信息反饋施工、它根據(jù)前期施工情況預測基坑后期變

46、形，預測結(jié)果準確度較高，因而對現(xiàn)場施工有較好的指導作用。 巖土工程由于地質(zhì)、水文條件以及實際地下結(jié)構(gòu)受力機理的復雜性，因此通過室內(nèi)試驗或現(xiàn)場鉆探獲得土層物理力學參數(shù)都有其局限性與離散性，顯然，在應用這樣的物性參數(shù)計算得到的支撐結(jié)構(gòu)的應力、變形狀態(tài)以及地面沉降等，是不可能完全與施工過程中實際量測到的數(shù)據(jù)相同，為了使量測數(shù)據(jù)、理論計算值相一致，必須根據(jù)實測得到的數(shù)據(jù)信息，修正計算模型中的參數(shù)(經(jīng)修改后的參數(shù)比前面計算中應用的參數(shù)要準確些)，使計算結(jié)果與這次的實測數(shù)據(jù)相一致，再根據(jù)修正后物性參數(shù)，通過計算預測下一施工階段的墻體、基底、地表等的變位和應力狀態(tài)。在下一施工階段中又得到實測數(shù)據(jù)，再將這批實

47、測數(shù)據(jù)反饋給計算機，第二次修改物性參數(shù)(經(jīng)修正后的參數(shù)更趨于精確些)，然后根據(jù)第二次修正后的物性參數(shù)，經(jīng)過與上一次相同地計算，再預測下階段的工程狀態(tài)。如此反復直至施工結(jié)束。 在施工過程中對一些重要數(shù)據(jù)進行實地量測，是反分析法實施的首要條件，對于一般的工程，主要量測地面沉降量(包括地層的分層沉降及管線的沉降)，近旁建筑物的相對沉降，基底隆起量，墻體變位，墻體鋼筋應力，支撐軸力，孔隙水壓力、土壓力等，量測項目根據(jù)實際需要增減。 反分析法在工程中的應用方法見圖44。圖44 反分析法再工程中的應用 反分析法分為概率論方法與非概率論方法二類。工程中常用的是直接法，直接法屬于非概率論方法的一種，應用范圍很

48、廣，無論是線性、非線性、連通、非連通問題都可應用。由于它采用了最小二乘法原理，因此它較少受量測誤差的影響。此法的缺點是計算工程量較大，高速計算機的出現(xiàn)使反分析法獲得越來越廣泛的應用。6. 縱向沉降 基坑兩側(cè)地層縱向不均勻沉降對于平行于基坑側(cè)墻的地下管道線的安全影響至關重要，對這方面問題的研究和治理，在國內(nèi)外文獻中尚少見聞，通過上海地區(qū)地鐵工程的實踐，初次對此取得了預測和治理方法。 同濟大學對長條形基坑外地面的縱向沉降采用三維有限元進行了初步的研究。計算模型見下頁圖45所示。圖45 三維有限元分析計算模型 分析發(fā)現(xiàn)，基坑長方向兩端由于空間作用，對沉降有約束作用，顯現(xiàn)沉降驟減的規(guī)律，如圖46所示，離基坑逾遠，這種約束作用逾小。圖46 受端墻約束的坑側(cè)地面縱向沉降曲線 從三維有限元分析結(jié)果及已有實測資料綜合分析，可得到縱向沉降的變化規(guī)律： 基坑內(nèi)側(cè)圍護墻背后寬度為開挖深度H的地帶，自地面以下06m范圍的沉降幅度及不均勻性與地面者基本一致