（地质工程专业论文）地质条件对多层内撑式深基坑变形稳定的影响研究.pdf

摘要 城市地下空间的充分利用已经成为城市协调发展的一个热点，伴随地下空间 深度开发而产生的深基坑工程问题的涌现，促进了基坑工程技术的发展，同时也 对传统工程地质提出挑战。地质工程不仅要查明地质条件，更要探明这些条件对 工程的意义和影响。本文从工程地质和土木工程技术的角度出发，探讨了地质条 件和地质参数对当前基坑设计计算的影响，研究了地质条件的作用方式和地质参 数的敏感性，以期能够使工程技术人员对基坑变形、破坏机理有更进一步认识， 对地质条件有更进步的理解。 文中首先总结了当前多层支撑深基坑计算中，土体参数的取值及要注意的一 些问题，并分析了当前基坑工程支护结构设计中的土层性质对土压力计算图式的 选取以及土层性质对基坑挡墙变形特性的影响。土体参数的选择是进行数值模拟 的基础，我们有必要对这些参数做进一步的理解。 其次分析了地下水对多层支撑基坑的变形稳定的影响，研究了基坑工程中地 下水的考虑方法，以及基坑开挖施工降水的影响。为了更好的模拟地下水渗流场 和应力场的相互作用，本文采用了耦合计算分析的方法，通过应力渗流场耦合 有限元计算分析内撑式深基坑的开挖变形问题，得出了对基坑开挖变形行为的渗 流的影响方式。并且通过和不考虑耦合计算的对比，我们可以发现由于渗流场和 应力场的相互作用，渗流场的作用增加了应力场的复杂程度，恶化了基坑的变形、 稳定特性。 本文还采用了正交试验设计的方法进行了有限元模拟方案设计，在此基础上 进行的1 6 次有限元计算，基本上探明了基坑开挖模拟中地质参数的对基坑开挖 变形的影响。 最后结合本文的主要理论，计算分析南京地铁张府园车站中开挖变形，计算 结果和实测数据相当接近。这些计算对该车站基坑的变形控制和后期的经验积累 具有一定的意义。 基于明确的地质条件、地质参数，以及地质条件的影响方式，我们可以更加 有效的设计计算多层内撑式深基坑工程。 关键词： 内撑式基坑：地质条件；影响因素；耦合分析；正交设计；地质参数 a j e i s t r a c t t h es u f f i c i e n t e x p l o i t u r e o fu n d e r g r o u n d s p a c e h a sb e c o m eat e n d e n c yi n d e v e l o p m e n to fc i t y w i t hd e e p l yu s i n go fg r o u n ds p a c e ，m o r ea n dm o r ep r o b l e m s a p p e a r w h i c hc o n t r i b u t et ot h e d e v e l o p m e n t o fe x c a v a t i o n t h e o r y , a n d w h i c h c h a l l e n g et og e o l o g i c a le n g i n e e r i n g n o wg e o l o g i c a le n g i n e e rm u s tp r o v e su pt h e g e o l o g i c a l c o n d i t i o n sb u ta l s on a i l sd o w nt h ee f f e c to ft h e s ec o n d i t i o n so ns o m e p r o j e c t f r o mt h ep o i n to f v i e wo f g e o l o g i c a le n g i n e e r i n ga n d c i v i le n g i n e e r i n g ，t h i s t h e s i sd i s c u s s e st h ee f f e c to f g e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n dp a r a m e t e r so nc a l c u l a t i n go f f o u n d a t i o np i t ，a n dr e s e a r c ht h es e n s i t i v i t yo ft h e s ep a r a m e t e r s b yt h e s e ，w ep u r s u e t h e e n g i n e e r s b e r e ru n d e r s t a n d i n go nd e f o r m a t i o n i n e x c a v a t i o n ，m e c h a n i s mo f w r e c ki ne x c a v a t i o n ，a n do n g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s i ne x c a v a t i o n f i r s t l y , t h i s t h e s i ss u m m a r i z e st h es o i l p a r a m e t e r sa n ds o m eo t h e ri s s u e s i n m u l t i p r o p p e dd e e pf o u n d a t i o np i t w ea n a l y z e t h ee f f e c to fs o i lc h a r a c t e r i s t i co ne a r t h p r e s s u r ec h a r ta n do nr e t a i n i n gw a l ld e f o r m a t i o n t h ec h o s eo fs o i li s t h eb a s eo f n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h em o r eu n d e r s t a n d i n go fs o i lp a r a m e t e ri sn e c e s s a r y s e c o n d l y , w ea n a l y z et h ee f f e c to fu n d e r g r o u n dw a t e ro nt h ed e f o r m a t i o na n d s t a b i l i z a t i o no f m u l f i p r o p p e dd e e pf o u n d a t i o np i t ，a n ds u m m a r i z et h em e t h o d so nh o w t oc o n s i d e rt h ee f f e c to fu n d e r g r o u n dw a t e r f o ra c c u r a t e l ys i m u l a t i n gt h ei n t e r a c t i o n o f s e e p a g ef i e l da n d s t r e s sf i e l d ，t h i st h e s i sa d o p t st h ec o u p l e da n a l y s i st os i m u l a t et h e d e f o r m a t i o ni ne x c a v a t i o n c o n t r a s tt ot h es i m u l a t i o nw h i e hd i d n tc o n s i d e rt h e i n t e r a c t i o no ft h et w of i e l d s ，w ef i n du n d e r g r o u n dw a t e ri n c r e a s et h ec o m p l e x i t yo f s t r e s sf i e l d ，a n dd e t e r i o r a t et h ec h a r a c t e ro fd e f o r m a t i o na n ds t a b i l i z a t i o n t h i r d l y , t h et h e s i sd e s i g n e d t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n tw i t ht h eo r t h o g o n a ld e s i g n o nt h i sb a s e ，c a r r i e do n1 6t i m e sf e m s i m u l a t i o n ，a n df o u n do u tt h ee f f e c to fs o i l p a r a m e t e r so nd e f o r m a t i o ni nm u l t i - p r o p p e de x c a v a t i o n f i n a l l y , w e s i m u l a t et h ed e f o r m a l i o ni ne x c a v a t i o no ff o u n d a t i o n p i t i n u n d e r g r o u n ds t a t i o n c o n s i d e r i n g 5w o r kc o n d i t i o n s t h er e s u l to ft h e i n s p e c t i o n a c c o r d e dw i t ht h es i m c l i 】a t j o n b a s e do nt h es p e c i f i ct h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n dd e t a i l e ds o i lp a r a m e t e r s ，w e c a n e f f e c t i v e l ys i m u l a t i o nt h ee x c a v a t i o ni nu r b a n e n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：m u l t i p r o p f o u n d a t i o n p i t ；g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ；f a c t o r s ；c o u p l e d a n a l y s i s ；o r t h o g o n a lt e s td e s i g n ；s o i lp a r a m e t e r s 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究目的和意义 城市化进程的不断加快，需要不断的兴建高层建筑、开挖大量地下空间，建 筑高度逐年提高、基础深度或地下建筑层数逐渐增加。国外著名的深大基坑有： 日本东京地下街道，法国巴黎中央商场，美国明尼苏达州大学办公大楼等。我国 自1 9 8 0 年代以来，国民经济持续高速增长，带动了城市建设的飞速发展，其中 深基坑工程设计理论和实践也得到了前所未有的提高和发展，涌现了许多符合我 国国情的新的支护方法，积累了丰富的设计和施工经验。国内设计开挖了一些大 型的深基坑，如：北京京城大厦工程( 深2 3 5 m ) ；上海金贸大厦基坑( 1 5 2 0 m ) ； 上海恒隆广场工程( 1 4 5 1 9 m ) ；济南银工大厦基坑工程( 2 0 m ) ；润扬大桥北 锚超深基坑( 5 0 m ) 等。伴随高层建筑、地铁隧道、地下防护等工程产生的深基坑 工程问题是基础工程和地下工程施工的一个经典课题，也是土木工程中运用工程 地质学、土力学、结构力学、施工工程学的一个应用型综合课题。有人将目前 的深基坑理论分成三个主要课题：土压力理论、支护结构内力和变形理论、基坑 破坏失稳机理研究等方面。但同样，我们也可以从另外的角度来区分这些研究课 题：可以从工程地质、环境岩土工程方面的理论课题，结构支护设计方面的课题， 还有施工组织方面的课题，这些课题相互交织，形成了基坑理论体系的整体。 大量的深大基坑设计、施工、监测的基础上进行的理论研究，取得了很大进 展，也极大的促进了基坑工程的发展。但由于对地质条件的把握不足、或者对地 质条件对基坑影响的把握不足，导致基坑出现问题甚至失败的例子也不胜枚举。 如南京市交通银行大楼基坑开挖过程中的失败及对周边建筑物的破坏成为基坑 工程界的一个“经典”教训。在新中国的建设史中曾经出现的一些边勘察，边设 计，边设计的“三边”工程，有不少就是地质条件的不明而影响工程进度、甚至 地质缺陷威胁建筑物的安全，这其中基坑失事占有相当大的比例。在基坑工程技 术飞速发展的今天，地质条件的探究显得尤为重要，地质条件的作用也需要系统 的分析、研究。 基于目前的基坑工程理论研究研究现状，本文比较分析了地质条件对基坑变 形的影响分析，其中主要分析了土层参数和地下水的影响。地质条件的作用不能 孤立存在，这种作用影响只能与基坑支护结构及周围场地条件相结合共同分析时 第一章绪论 才能达到较为理想的结果。本文的目标在于：在剖析目前的经验和半经验的基坑 支护设计方法的基础上，探索基坑开挖中潜在的物理力学现象，透析设计因素及 参数，在对基坑工程开挖变形进行数值模拟的基础上，探讨合理的基坑变形稳定 控制参数，以期运用在简便的数值模拟及基坑支护设计中，指导基坑设计。 尽管许多的基坑支护设计已经形成老一套的方法，但对于设计方法和其中参 数的不理解必将导致最终开挖性状的不理解，设计者的经验积累也比较有限1 2 1 。 1 9 8 0 年代以来的基坑设计经验和教训使我国的基坑设计者们对基坑设计有了更 新的认识，这主要是经验和数据观测的贡献。但随着新支护形式的不断涌现、基 坑规模的不断扩大，仅仅通过经验和数据观测而获得的认识，已经不能跟上基坑 技术的发展，目前深基坑设计理论落后于基坑支护技术1 3 】，也是不争的事实。数 值模型试验、结构设计方法和极限状态土力学已经被越来越多的用在更加有效的 和更加经济的支护系统设计中。数值模型试验是设计者的重要工具，但数值模拟 试验通常比较复杂，代价昂贵，并且不能考虑到设计、旌工中的某些因素。但诸 如有限元、边界元等数值模拟方法是目前所能用的最好的分析工具旧，而本文主 要采用有限元法进行数值模拟试验来进行基坑开挖变形性状的研究。 1 2 基坑工程设计理论概述 原则上讲，基坑工程的设计和其它的结构设计没有太大的不同f ”，然而，在 基坑设计的过程中，一般把重点放在基坑破坏时的极限状态，而忽略正常状态。 除了个别情况外，基坑破坏前的挡土结构性状都没有受到应有的重视。随着数值 模拟方法越来越普遍的运用到基坑设计中，以及原型试验和室内试验的数据观测 工作的大量进行，正常使用状态下支挡结构的变形性状研究也得到了加强。采用 适当数值模拟的结构设计方法去评价土体一结构相互作用的重要性，并采用现场 观测数据来证实和校准数值计算的结果，正在不断的发展中，在这些新方法中， 一般把焦点放在相对柔性的挡土结构在开挖中的性状。 1 2 1 土压力理论 如何准确确定支护结构上的土压力大小和分布，是基坑工程理论的一个重 点。库仑( c o u l o m b ) ( 1 7 7 6 ) 的开创了经典土压力理论，百年之后的朗肯( r a n k i n e ) ( 18 5 7 ) 从弹性半空间的应力状态出发，由土的极限平衡理论导出了他的土压力 理论。其实两者的土压力理论都基于被太沙基( t e r z a g h i ) 称之为总应力理论上 河海大学硕士学位论文 而导出的。1 9 2 0 年代，太沙基有效应力理论的提出，更是拓展了两者的经典土 压力理论，两者便能够使用在有水情况下，进行考虑静水压力的土压力计算。他 们两者的土压力理论都是在刚性挡土墙上的土压力，而柔性墙体的土压力和刚性 墙体上的土压力有较大的不同荆 c l a y t o n ( 1 9 9 3 ) 指出：在整个2 0 世纪，基于一定的假定，土压力的重新定 义和解析解探讨工作从没有停止过；经过大量的现场的和室内的试验观测，大部 分学者都认为，挡土墙上的土压力并不像库仑土压力理论所假定的那样随深度线 性增加i ”。p t a n d t l ( 1 9 2 1 ) 、h e n c k y ( 1 9 2 3 ) 和s o k o l o v s k y ( 1 9 6 0 ) 根据一定的c ( 凝聚力) 、妒( 内摩擦角) 、，( 重度) 给出了一个主被动土压力范围9 】。一 般文献上提供的经典土压力计算方法多是以土体处于极限平衡状态下为前提的。 而对于支护结构位移来说，这种前提也许不能被接受。当土体进出极限平衡状态 时相应的位移，尤其是被动极限平衡状态相应的位移往往是支护结构所不能容许 的。位移土压力模式是土压力计算时采用安全系数来进行安全储备设计的代替方 式。 众多学者通过试验观测和工程实测资料发现，土压力与位移呈非线性关系， 针对这种非线性关系，很多学者提出不同的非线性关系来模拟这种非线性，以位 移的大小来确定土压力的大小，这就形成了不同的位移土压力模型，例如：指数 非线性模型、正弦函数土压力模型、抛物线土压力模型等【1 0 删。 库仑和朗肯的经典土压力分析都是基于塑性理论而推出的，即把土体当成剐 性完全塑性材料，假定土体破坏时土体的强度达到峰值，另外，这种推导也暗 含了破坏只在无限小的位移发生之后就立即出现。但事实上，土体都具有可压缩 性，一般都呈现应变硬化现象叫l f i ”。r o w e 和p e a k e r ( 1 9 6 5 ) 通过试验非常明确 的强调：如果应变硬化发生，悬臂式支挡系统中墙体所能够提供的最大力，将比 计算的要小的多【1 4 】。 1 2 2 基坑支护结构分析和内力计算方法 如前所述，经典土压力解析解都是假定墙体本身是刚性的结构单元，而事实 上，许多墙体都是柔性的，如板桩墙、地下连续墙等，其变形明显不是经典土压 力解中的变形特征。r o w e 首先进行了较为全面的研究了柔性挡土墙的变形特征， 并且提出了分析土体和结构相互作用的方法i l ”。随着复杂的数值模拟方法的改 第一章绪论 进，主要是有限元方法的发展，墙一土体的相互作用成为近来的一个讨论热点。 更加详细的理论将在以后章节中涉及，在此只对支护结构分析和设计方法做简要 介绍。 1 1 极限平衡法 极限平衡理论假定作用在挡土结构前后墙体上的土压力分别达到主动和被 动土压力，在此基础上再把超静定的结构力学问题简化为静定问题求解。国内采 用较多的为静力平衡法和等值梁法，各种方法具有一定条件的假定。 2 ) 数值模拟计算法 数值计算方法主要包括基于弹性地基梁理论和基于连续介质有限元理论上 的方法。目前大量的计算机计算程序的出现，帮助我们进行基坑的设计，这些程 序各有用途，有助于我们进行土压力就算的简单程序，也有计算土体和墙体相互 作用的复杂的计算程序。比较复杂的计算模型要么是基于文克儿模型的侧向地基 反力法，要么是连续介质模型，它们都可以用来处理土一结构相互作用的问题。 3 ) 基于位移控制的基坑设计方法 现场观测数据表明，支护墙体的位移并不随基坑的开挖深度增加而成比例的 增加，尤其在软土一般粘土中开挖的基坑更有这种特征。一般来说，基坑底部 和周围的土体在基坑开挖过程中会产生屈服，综合考虑土体屈服和随后的变形以 及支护系统中的支撑作用较早的工作是由p e c k ( 1 9 6 9 ) 完成的1 8 1 ，他把粘土中 基坑开挖的位移和基坑稳定性相关联，定义了n ： n - - r h f 1 1 、 c 其中，为土体的重度，h 为基坑开挖深度，c 为土的凝聚力。n 为不排水条 件下抗基底隆起的安全系数。1 9 8 1 年a m a r i a 和g c l o u g h 提出了一个半经验 的方法来估算粘土中开挖支护的变形问题1 9 1 ，此方法采用抗基底隆起系数，作 为主要的评价指标。 1 2 3 基坑稳定性问题研究 基坑工程的稳定性问题是深基坑问题中研究较早和较为成熟的问题。有支护 基坑的稳定分析主要取决于支护结构的合理性和可靠性。一般包括：a 、整体稳 定；b 、围护结构的抗倾覆稳定性或踢脚稳定性；c 、基坑底部土体抗隆起稳定性。 河海大学硕士学位论文 其中抗隆起稳定性分析对保证基坑整体稳定和控制变形均有重要意义。在基坑的 抗隆起安全评价方面存在众多的理论与实践，隆起控制和位移控制有共同点。事 实上，每个基坑都不同程度的存在基底隆起，控制在一定程度内不会对基坑稳定 造成破坏，但问题的关键就是这个量的把握，目前对于基底隆起量的控制仍然没 有达成共识。 由于地下水的存在，岩土工程技术才显得如此的丰富和必要，没有地下水也 就没有必要在岩土工程方面做这么多的工作，没有地下水，就连土力学理论也变 得极其简单。地下水的存在使得稳定性问题又增加了更多的内容。基坑的抗渗流 稳定性问题主要有抗管涌稳定性问题和抗承压水透顶稳定性验算，目前在这些方 面的成果颇多，但地下水的问题仍然不能完全解决。这主要是因为地下水分布的 复杂性，和土层条件的复杂性以及周围构筑物分布的复杂性共同作用的结果。解 决地下水的问题主要还是在探明地层条件和地下水以及周围建筑、构筑物，对能 够产生的后果做出正确的评价。 尽管深基坑工程的稳定问题是设计基坑支护结构的关键，但合理的设计基坑 要首先保证基坑的这些稳定，还要做到保护好周围的建筑物，管线等设施。 基坑工程计算涉及因素众多，各个因素又具有很大的不确定性，所以计算值 和理论值差别较大，想对基坑工程中的每一种现象都采用数值模拟方法来实现， 也是不现实的，只能采用简化模型来模拟这些现象。 1 3 多层支撑深基坑变形影响因素 多层支挡结构的变形受多种因素的控制，其中主要有墙体刚度、支撑条件、 墙体在基坑底部的入土深度、土层强度和土体的刚度、地下水的影响以及开挖施 工方式等因素，国内外很多学者对这些因素的影响程度做了较为成功的分析计 算，也形成了一定的认识。但我们应该看到基坑开挖工程是一个复杂的系统工程， 要想在这一复杂系统中正确理解基坑的变形性状、破坏机理、环境影响行为是一 项艰难的工作，这需要用系统的观点、科学的方法以及丰富的经验，才能对该系 统的各种性状做出科学的评价。上海交通大学的李云安、葛修润等人在自制深基 坑工程变形控制优化设计及其有限元数值模拟系统( s d c d e f e m ) 的基础上，对影 响基坑变形的各因素进行了有限元数值模拟分析，对实测和计算的基坑周边最大 沉降、支护结构最大水平位移和坑底最大隆起及其位置进行了统计分析。基坑工 第一章绪论 程界普遍认为，在影响基坑变形的内因中，土体的变形模量e 泊松比p 和内摩擦 角中对基坑变形的影响较为显著，而重度y 、粘聚力c 则影响较小。对于重要工 程项目，在选择土体的e 、p 和巾值的时候，尤其要慎重。在影响基坑变形的外因 中，在其它因素不变的前提下，同数目支撑，排列方式与基坑变形关系密切，以 基坑下部密布和上部疏布方式较好，不但最大弯矩和最大剪力较小，变形( 位移) 符合要求，而且桩入土深度较短，锚杆轴力总和与其它方式的几乎相等，不仅可 达到变形控制优化设计的目的，而且可降低成本，减少投资。同一基坑在满足强 度控制的前提下，基坑变形与支撑道数的关系不大而于锚杆或者内支撑的预应力 对变形控制起着显著的作用删。 1 3 1 墙体入土深度 一般来说，在保证墙体有足够的强度和刚度的条件下，可以恰当地增加围护 结构的插入深度( 亦称入土深度) f ，这样不仅可以提高基坑抗隆起的稳定性， 还可以减少墙体变位，但对于有支撑的围护墙，按照部分地区的工程实践经验， 当f 0 9 h ( 为基坑开挖深度) 时，其效果就不明显了。根据在软土地区的地 铁车站或宽2 0 m 左右的条形深基坑工程经验，围护墙厚度一般采用o 0 5 h ，f 一 般采用o 6 o 8 h ，对于变形控制要求严格的基坑，可适当增加插入深度；对于 悬臂式挡土结构，一般采用t = 1 0 1 2 h 。因此在实际工程中，插入深度般都 不会成为控制多层支撑深基坑变形的主要因素。东南大学旌占新采用有限元程序 分析目前比较常见的浅基坑开挖中的支护形式、桩体刚度、支撑刚度、支撑位置 等对基坑变形性状的影响，主要分析了围护体插入深度与刚度对基坑变形的影 响，在其他的工程实例中，当支撑刚度较小时，增加支撑刚度对减小桩体的最大 位移有比较明显的效果( 支撑刚度扩大l o 倍，桩体位移为原来的0 4 倍) 。当桩体 刚度超过1 0 6k n o m 2 以后，增加支撑刚度对减小桩体的最大位移几乎没有作用 i 锄o 1 - 3 2 支护墙的刚度对变形的影响 在设计中，支护墙体的刚度参数是一个重要的变形控制和稳定设计参数，p o r t 和d a y ( 1 9 9 0 ) 曾经指出：实验数据和经验表明，在相同的工作条件下，刚度 较大的支护墙体将会产生较大的弯矩，刚度较小的支护墙体将会产生较大的土体 6 河海大学硕士学位论文 变形。墙体的刚度对基坑变形的影响，很多文献都有涉及。经验上我们会采用增 加支撑数目的方法来满足基坑变形要求，而增加支撑虽然能够控制变形，但施工 作业空间变小，施工难度增加，施工速度下降。有众多的刚度指标来衡量支护系 统的刚度，1 9 5 2 年r o w e 首先提出了他的柔度数概念，他利用相似性原理，从原 型试验和模型试验的位移相似这一基础推出了单支撑墙体变形的一个指标， 。：其中e 为弹性模量，h 为墙体高度，i 为惯性距。这个刚度指标p 只能适 。 e i 用于单支撑的状态下1 4 3 1 。c l o u g h ( 1 9 8 9 ) 引入了系统刚度数的概念( s y s t e m f l e x i b i l i t yn u m b e r ) p ；= 箬，其中凡为水的容重，1 1 为支撑的平均间距。在 行，。 r o w e 的柔度数的基础上，a d d e n b r o o k ( 1 9 9 4 ) 等人推导了一个新的柔度数即位移 柔度数( d i s p l a c e m e n tf l e x i b i l i t yn u m b e r ) ，这个柔度数被定义为：f 兰二，它和 、e 7 c l o u g h 的刚度指标包含的参量相同，仅仅支撑间距的指数不同h s l 。他通过数值模 拟得出：在相同土体结构下，如果两种支护形式具有相似的位移柔度数，两者的 墙体变形和墙后土体的变位大小都基本相同。位移柔度数因其能合理的表征支护 刚度和支撑间距对基坑开挖变形的影响，是一个值得推广的基坑支护系统设计指 标。尽管从表面上看，位移柔度数没有太多的理论进展，但是否使得变形控制更 方便，更能贴切反应实际现象，还需要进一步的讨论。但基坑开挖的变形是很难 准确确定的，每个影响因素对基坑的变形贡献是很难量化的，位移柔度数等参数 的定义仍然不能够解决基坑变形控制复杂问题。 1 3 3 支撑预应力和支撑刚度 对于给支撑系统施加预应力以有效的控制围护壁变形的问题，t h o m a s ( 1 9 8 1 ) 研究了支撑中施加预应力的支撑理论与实际情况的对照。结果表明，预加荷载能 提高支撑的有效刚度，减小墙体的侧移，但预加荷载增加到足以产生剐性支撑系 统的程度时，对于减小位移的作用效果越来越小；另一方面，很高的预加荷载可 能会导致支撑荷载超过设计值并引起墙体产生过高支座弯矩。r o t h ( 1 9 9 3 ) 通过 实测资料分析也得出了相似的结论。a d d e n b r o o k ( 2 0 0 0 ) 指出在支撑刚度增加到 阈僮( 1x 1 0 5 k n m m ) 后增加支撑硬度控制基坑变形的效益明显降低m 】。同济大 学姚燕明、周顺等人，运用有限元方法，分析了支撑预应力和支撑刚度对基坑变 7 第一章绪论 形的影响关系，研究成果和a d d e n b r o o k 的相似，同时得出了支撑刚度和预应力 对开挖面以下的土体变形影响较小m 】。 1 3 4 降水对开挖变形影响 关于降水对环境的影响，陈明煌( 1 9 8 7 ) 对降水对周围土体沉降产生的影响 做了较为详细的分析，并对施工中不恰当的抽降水可能对基坑安全产生不利影响 作了较全面的总结；m o h ( 1 9 9 1 ) 详细分析了基坑内降水和不降水对墙体位移的 影响，并给出了墙上压力的分布图，结果表明坑内被动区降水时水平位移比不降 水时明显减少，最大减少量可达5 0 ；o u ( 1 9 9 t ) 考虑坑内降水的影响后，对 基坑开挖进行了有限元分析，结果发现：由于地下连续墙体的作用，土体中渗流 场的连续性和边界的排水条件发生了改变，因而坑内降水时，对坑外孔隙水压力 等值线的分布影响甚微，这实际上反映了一定条件下的降水不会危及基坑及其周 围环境的安全性。 1 3 5 土体参数对开挖变形的影响 土体的物理力学性质虽然在固定的场地下不能够进行整体改变，但是这一因 素是深基坑支护设计中首先要考察的因素，能够在局部改变土体的某些参数，进 而改变基坑的受力变形特性。 关于基坑的影响因素及其影响程度，工程界做了很多工作。有人就基坑围护 结构的最大位移进行了较为详细的分析，考虑了众多因素，并对每个因素的影响 进行量化后，回归出一些关系，进而得出了经验公式来计算基坑的最大位移和最 大的地面沉降。这些工作虽然有一定意义，但对工程技术人员提高基坑变形机理 的认识没有太大的帮助。 1 4 本文的主要工作 根据目前多层支撑深基坑设计计算理论的现状和问题，本文在总结了目前基 坑工程设计计算理论的基础上，做了以下几方面的工作： 1 )总结了目前深基坑工程研究的国内外现状和存在的问题。 2 ) 分析了目前基坑计算中一些地质参数的处理，地质条件对土压力的 影响，进行了地质条件和基坑变形关系的初步研究。 3 ) 研究了基坑工程中的地下水作用，并对渗流应力场耦合有限尢分析 河海大学硕士学位论文 原理和方法进行了初步研究，采用两场耦合的方法来分析地下水的 影响基坑变形。 4 )分析基坑设计中的影响因素的基础上设计了基于有限元模拟的正交 试验，试验模拟很好的评价了主要参数对于基坑变形的影响程度。 5 )根据本文主要理论体系，对南京地铁】号线张府园车站深基坑的场 地条件、工程地质、水文地质条件，并进行了渗流应力的有限元 耦合计算，计算结果和后期监测结果进行比较。 6 ) 对目前基坑工程中需要进一步研究的问题做了一些总结。 本文对解决当前基坑工程设计旌工中存在些问题，提高工程技术人员对深 基坑变形机理和破坏机制的认识有一定的现实意义。 9 第二章土层特性对基坑计算支护的影响 第二章土层特性对基坑计算支护的影响 深基坑存在于一定的地质环境和工程场地条件下。地质环境和场地条件难以 改变，但作为基坑存在的介质，它是决定基坑设计的最根本的两个因素，所以地 质条件的探究是基坑设计中必不可少的重要环节。在解放后的一段建设历史中， 曾经出现了一些建设工程，边勘察边设计边施工，甚至不勘察，结果造成许多灾 难性事件，其中不少就是由于基坑失事造成，这些教训让我们深刻认识到地质勘 察在基坑设计中的重要性。 根据不同的土体本构模型，表征其模型的参数不同，有些模型的参数要包含 近十个参数，如d e n k a n - - c h a n g 的土体非线性弹性本构模型需要至少8 个参数。 表征土性质的常用参数有变形模量e 、泊松比v 、粘聚力c 、内摩擦角妒等。土 体的破坏通常都是剪切破坏，土的抗剪强度是土体抵抗剪切破坏的极限能力。土 的抗剪强度是土重要的力学参数，正确的测定土的抗剪强度在基坑工程上具有重 要的意义。经验上，土的强度参数c 和妒值对基坑支护稳定设计影响比较大，e 对变形计算的影响比较大。这三个参数的选取很大程度上决定着设计的成败与优 劣。 本章节主要分析土层特征对强度指标和模量等选取、土压力计算以及支护结 构变形的影响。 2 1 开挖卸载条件下土强度指标的特征 在进行基坑设计中，作用在基坑支护挡墙上的土压力，工程上广泛采用朗肯 理论进行计算。对公式中的强度指标，在具体计算之前，通常根据不同土层和排 水条件分别采用以下两种方法： ( 1 ) 对于粉土和砂性土，按照土的有效重度计算土压力，并加上水压力土 的强度指标主要采用固结不排水试验( 即固结快剪) 指标。 ( 2 ) 对于饱和粘性土，按照土的饱和重度计算土压力，不另行计算水压力， 七的抗剪强度指标采用不排水试验( 即快剪) 指标，但也有采用同结不排水试验 指标。 目前工程勘察报告所提供的勘察报告一般提供了c 和妒，但并币都说明土样 1 0 河海大学硕士学位论文 是在何种排水条件f 试验而得的。由于土体的强度参数对土压力计算及基坑设计 的影响很大，正确的选用抗剪强度试验方法及强度指标对所计算的土压力大小尤 为重要。 2 1 1 土中应力状态的改变对强度的影响 开挖前，地基中某点的竖向应力为最大主应力，水平应力为最小主应力；开 挖后，在坡趾附近的( a ) 点( 见图2 1 ) 水平应力变为最大主应力，主轴旋转了 9 0 。，点( b ) 主应力旋转了近似4 5 。，点( c ) 虽然主应力值改变，但初始主应力 方向不变。主动区( c ) 附近可由三轴压缩试验来模拟，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的结果，因为试验发现，如 果孑l 隙压力系数b 接近于1 ，以上两种试验强度相同。被动区( a ) 由于开挖而 引起膨胀，可以用总水平应力保持不变、总竖向应力减小的三轴伸长 学 图2 14 - 坡中主应力轴旋转 一 ” _ 。_ l x f ￥ 么移： 。 一 。 图2 2 软粘土中不捧水三轴试验应力路径 试验来模拟，而水平段( b ) 则由单剪试验来确定。图2 2 为饱和软土试样两种 应力路径的三轴不排水试验结果a 试验时，土样现在k 。应力条件下固结至原位 有效应力，如图中的a 和b 点，然后进行不排水压缩和伸氏试验，如图所示的 有效应力路径。由十样破坏时的应力可得到压缩试验和伸长试验的两条强度包线 第二章土层特性对基坑计算支护的影响 即世，由此求得相应的强度指标。试验结果表明：由三轴压缩试验得到的不 排水强度比伸长试验得到的高；强度k ，及响应强度指标对三轴压缩试验和伸 长试验，大部分研究者得到的与此相同，也有些学者得到的有所不同。对于基坑 开挖工程而言墙后土体在开挖过程中处于压缩状态，坑底以下土体则处于膨胀状 态。墙后土体在较小应力状态下即达到主动极限状态，而坑底土体达到被动极限 状态所需的位移则要大的多。如果取与主动极限状态相同的应变，则被动土体所 发挥的强度要低得多。因此，对三轴压缩试验和伸长试验，如果强度指标取植应 变相对较大时的强度包线，两种试验所得到的指标相近；如果取的应变较小，则 两种试验所得到的强度指标有较大差别。 。3 ” 图2 3 开挖后坑壁和坑底应力状态 对基坑围护工程在开挖过程中，从主动区到被动区，主应力发生旋转，此外 墙体与土体之间存在的摩擦力使得各点土的应力状态变得很复杂，很难通过试验 完全模拟【2 5 】。通常对坑底的土体可由三轴伸长试验来模拟，即水平向应力仃，保 持不变，轴向应力盯。减小，或盯。不变，盯，增加。对墙后土体单元可以由三轴压 缩试验来模拟，即轴向应力吒不变，水平向应力盯，减小，或者o - ，不变盯。应力 增加。不同应力路径试验表明，不仅土的强度不同，而且土的模量也不同，土的 膨胀模量比压缩模量高很多。 2 1 2 饱和软粘土在开挖过程中强度的变化 饱和软粘土具有强度低、压缩性高和透水性小等不利的工程性质，所以在其 上建造建筑物时容易发生或大或小的工程事故，饱和软土中的基坑开挖也不例 外。在软粘土中开挖基坑，经常遇到的工程问题主要有两个方面，稳定和过大变 形。测定软粘土的抗剪强度指标c 和，实质上也就是确定土的强度在各种不同 河海大学硕士学位论文 条件下随荷载而变化的规律。 基坑开挖卸载使得基坑底部土体产生膨胀，其抗剪强度随时间和逐渐排水而 减小，土的不排水强度大于排水强度。因此，对正常固结软粘土，长期的或不排 水条件下的基坑稳定性时最不利的，安全系数也随时间增长而降低，如图2 4 所 示，图中a 为孔隙压力系数。因此，在实际工程中，开挖后的基坑不宜暴露过 久，应尽快浇筑底板和进行地下水施工。 图2 4 粘性土开挖过程中及开挖后孔压和安全系数的变化( 引自t i - 1w u ) 加载条件下土体的不排水强度可由三轴试验得到，做繇固结不排水压缩 ( c k 。u 试验) ，可得到加载条件下土样的不排水强度。卸载试验的步骤是，土 样在k 。条件下固结，然后在条件下固结压力减小并剪切至破坏，此称为 c k 。r k o u 试验。土样固结和卸载时间维持2 4 小时。图2 5 表示不排水起强度g ( 即三轴试验最大主应力差) 与固结或卸载终了之轴向压力的关系曲线。 图2 5 固结和卸载回弹的不排水强度变化( 引自m k s s e ) 第二章土层特性对基坑计算支护的影响 实线为e ，与轴向固结压力盯。之关系蛆线，虚线为q 与卸载终了之轴向压力仃。， 的关系曲线。由图可见，由于卸载使得图的不排水强度减小。对于正常固结软粘 土地基，天然地面以下某点a ，开挖前a 点的有效上覆压力为盯，开挖卸土结 束后该点的有效上覆压力为仃。( 见图2 6 ) 。因此，开挖后坑底以下一定深度范 围内的土处于超固结状态。开挖前，单元a 的不排水强度为c 开挖卸载后上 覆有效自重应力盯。所对应的强度为该点的不排水强度c 。 ；i j s ( a )( b ) 图2 6 开挖前后的有效上覆压力及相应空隙比的关系 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减小仅与该深度土 的超固结比o c r ( o c r = o e l a 。) 有关， ￥ 如图2 7 所示。正常固结土的基坑开挖，g 开挖面以下各点的超固结比数值不同，它l j 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，至很深处则 接近于土的天然强度。 2 2 开挖卸载条件下土的模量特征 图2 7 不排水强度与o c r 的关系 在进行基坑设计计算，或者其它的土木工程计算中，我们经常会用到不同的 模量参数。每个模量的意义和取值方法各有不同。扬氏模量材料力学中最为基本 的一个模量，虽然理论上其应用最多，但复杂的土体结构使得其实际应用很少。 4 河海大学硕士学位论文 本节主要讨论了基坑工程中模量参数的选用。 基坑工程的应力状态和般的地基基础工程不同，基坑施工过程是一个侧向 应力释放的过程。弹性力学中，对于理想的弹性体运用最为广泛的是弹性模量， 也称为扬氏模量。对于理想弹性体而言，应力应变材料应该为线性关系【2 ”。但是 对于大多数土体而言，应力应变关系为曲线，一般仅对初始阶段取弹性模量，即 初始弹性模量，如图2 8 所示。 理想弹性体的弹性模量计算示意图 e = t g 一般土体的应力应变关系 图2 b 二维尺度的模量计算示意图 一般情况下，地质、岩土工程勘察报告中，一般都会给出土体的变形模量， 而不是弹性模量。土的压缩性试验中，一般都是进行无侧限压缩试验，现在讨论 土的无侧限压缩试验中的模量的取值问题。根据广义胡克定律，当土体的应力和 应变假定为直线时，x 、y 、z 三个坐标方向的应变可以表示为： f ，= 丁o x 一旦e ( 盯，+ 口，) s ，= 孚一告( 盯，+ s ：= 一等( 盯， ( 2 1 ) 土的弹性模量e ，以k p a 计，它表示在无侧限条件下应力和应变之问的比值， 相当于土的扬氏模量，但由于土体是非理想的弹性体，故称之为变形模量。因此 e 的大小反映了土体抵抗弹塑性变形的能力，可以用于弹塑性问题的分析计算。 e 值通常用三轴试验或者现场试验测定。无侧限变形条件下，其侧向应变r 。，s 。 为零，而口，2o y ，于是式2 1 可以化成： 仃，一声( 盯，+ 盯，) = 0 ( 2 2 ) 或 第二章土层特性对基坑计算支护的影响 一o - x ：上 仃：1 一 我们把无侧限变形条件下的侧向有效应力与竖向有效应力的比值定义为静 止侧压力系数k 。于是可得到： 凰3 击 ( 2 _ 3 ) 这就是土的静止侧压力系数k 。与泊松比的关系。无侧向变形条件的竖向 应变可以表示为： 占：墨( 2 4 ) 2 e 。 以吒k 。代替式2 1 中的吒、盯，并令其等于式( 2 4 ) ，即可得到变形模量和 压缩模量的关系为： e ：e ：( 1 一竺) ( 2 5 ) l 一“ 对于土体来说，泊松比小于或等于o 5 ，因此土的变形模量小于压缩模量。 应当指出，这个公式是基于弹性理论中广义胡克定律推导出来的，但土体实际上 不是理想弹性体，也不完全符合胡克定律，所以式( 2 5 ) 是一个近似公式。上述的 为一般轴向压缩条件下进行测定土体模量的方法，事实上，基坑周围土体是侧向 应力卸荷条件下的，这种轴向压缩的模量，和侧向卸荷条件下的模量不同。 通过土的卸荷应力路径试验发现，其应力应变关系可用下面的双曲线来 描述： ( 旷蚴一鬻旷而e a ( 2 6 ) 式中盯。为足。固结时的平均固结压力，盯。= ( q 。+ 2 0 - 。) 1 3 ，( 吼一) 为偏应 力：s 。为轴向应变。由式( 2 6 ) 可知 a = 1 e e o ，为初始切线卸荷模量。 河海大学硕士学位论文 6 = ( q c r 3 ) 。h 式中( o i - - o 3 ) m 一寻等吒为式( 2 6 ) 所表示双曲线的渐近线值。定义破坏比 r ，= ( 盯l 一口3 ) ，一 3 ( 1 一k o ) 1 十2 k o 3 ( 1 一k 。) 1 + 2 k o ( 盯1 一o - 3 ) 岫一 式中( 吼一0 3 ) ，为试样破坏时的主应力差。则有 扛r 知丌 ， p - - - 0 3 ) f i 式( 2 6 ) 可以改写为 + 等一。 7 ， 式( 2 7 ) 所示的应力应变关系可很方便地用于应力增量分析，因