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关于深基坑支护结构设计方案的优选和优化设计探讨 摘要 本文在总结有关文献的基础上，以深基坑支护结构设计方案优选和方案优化 设计为主线，分析深基坑支护结构的设计计算理论和h 算方法。讨硷了深撼坑支 护结构的发计方案的优选和优化设计的基本理论和殴计方法。并结合具体工程实 例运用优化理论和方法对深基坑支护结构设计方案进行优选和优化设计。 本文在总结深基坑工程设计与施工实践的基础上，提出深撼坑支护结构设 计方案优选的各种方法，比较和分析各种优选方法的优缺点，提出以定性分析和 经验加权评分法相结合的支护结构设计方案的优选方法。通过方案优选确立最佳 方案后在旖工前，需对所选定方案进行细韶优化设计。着重考虑支护结构安全经 济合理性，提出阻变形控制作为约束条件以工程造价为目标函数的优化设计方 法。改进以往优化设计直接以工程造价为目标函数单一做法。并针刑具体工程实 例以常见用桩锚支护结构形式为例进行优化设计。 最后，通过深基坑的支护结构设讨。方案的优选、优化设计的探讨，阐述深 基坑支护施工监测与信息化施工的目的与作用，提出动态没计是未来深基坑工程 设计与施工的发展趋势，以及深蕾坑丌挖引起j ；f = 境问题及防治科策。 关键词：深基坑方案优选优化设计监测与信息化 ap r o b ein t ot h es e ie c t io no fd e s ig n in gs c h e m eo f d e e p - b a s e h o iep r o pc o n s t r u c tio f a n dt h er e fin e d d e si g n ( a b s t r a c t ) t h i sp a p e r ，b a s e do nt h eg e n e r a j z a t i o i lo fr e l a t i r er e n o w na n a l y s i s a n dw i t ht h es e l e c t i o i lo fd e s i g n i n gs c h e m eo fd e e p b a s e h e lep r o p c o n s t r u c t i o ra n dt h er e f i n e dd e s i g na st h em a i ncju e a n a lv z e st h em a i n i n d e x e sc o n c e r n i n g t h ed e s i g no f t h ed e e p b a s e h e ep r o pc o n s t r t i c t o n ，t h e t h e o r ya n dt h em e t h o do fc a t c u t a t i o n d i s c u s s e st h el a s j ct h e o r ya n dt h e d e s i g n i n gm e t h o di nr e l a t i o nt ot h es e l e c t i o no fd e s i g n i n gs c h e m e o f d e e p b a s e h e l ep r o pc o n s t r u c t i o na n dr e f i n e dd e s j g n i n g c o m b i n e st h e s p e c if i cc o n s t r u c t i o na n de n g i n e e r i n ga n da p p l i e st h er e t in e dt h e o r ya n d m e t h o dt os e l e c tt h ed e sl g n 【n gs c h e m eo rp e r ra n dt op e r e c tt h ed e s i g n t h isp a p e r ，a ls ob a s e do nt h eg e n er a li z a t ：io ro rt h ed e s i g n i n go f d e e p b a s ee n g in e e r i n ga n do ft h ec o n s t r u e t i o na e t i v i t y 。p r o p o s e sv a r i o u s m e t h o d so fs e e c t i o no f d e s i g n i n g s c h e m eo f d e e p h o lep r o p c o n s t r u c t i o n c o m p a r e sa n da n a l y z e ss t r o n gp o i n t sa n dw e a kp o in t so f v a t i o u ss e l e c t e dm e t h o d s ，a n dp r e s e n t ss e l e c t i n gm e i , h o do fp r o pa n d c o n s t r u c tjo nd e s i g n i n gs c h e m ew h i c hc h a r a c f o riz e st h ec o m b n a ti o no f d e f i n i t ep r o p e r t ya r a l y s j sa n dt h em e t h o do fe m p i f jc a l a f t e rt h eo p t i m u m s c h e m ei ss e t t i h r o u g h t h es e l e c t i o no fm e t h o d sa n db e f o r et h e c o n s t r u c t i o n ，l h es p e c i f j ca b e ir ef i n e dd e s i g nj n go f t h es t l e c t e ds c h e m e i sn e e d e d ， w jl ht h ee m p h a s i so nc o n s i d e r i n gt h er a t i o n a l z a t j o 1o fs a l t y a n de c o n o m yo ft h ep r o pc o n s t r l l c t u r e t h i sp a p era 1s op r e s e n t st h em e t h o d o fr e f i n e dd e s i g n in gw i t ht h e s h a p e c h a r g i n gc o n t r e ln st h er e s t r i c t o n a n d t h ev a 】l i eo fe n g i n e e r i n ga st h et a r g e t w h i c hp e rr e ( ：l ，l h ef o r m e r r e f i n e dd e s g n jn gd i r e cl 1 ym a k i n gt h ee n g i n e e r fn gv a l l et h et a i g e t t h i s s c h e m ejsc a r g e t e do i 3t h es p e c j f ice n g i n e e i + i n ga n dt a k e st h er e g t 1 a rp r o p a n da n c h o rc o n s t y u c t t i r ea s a ne x a m p l et oc o n e t i c tf e f n e c jd e s l 譬几 t h r o u g ht h es e t e e o no fd e s i g n in gs c h e m eo f d e e p b a s e h o l ep r o p c o n s t r u c t i o na n dt h e p r o b a t i o no fi ? e 雕n e dd e s j g n in g w 、c n nd r a wa c o n d u s j o nt h a t h es u p e r v i s i o no fd e e p b a s e h o i up r e pc o b s tf i k ：l i o na n d i n f o r m a t i o n a l i z e dc o n s tf l i c t i o na n dd y n a m i cd e s i g 叭n gw iii 【】et h et r e n d o ff u t u r ed e e p b a s e h o t ee n g i n e e r i n gd e s i g na n dc o n s tr u e l ，i e n k e yw o r d s ：d e e p p it ：p r o g r a mo p t i m u m ：o p ti m u md e s i g n ：m o n jt o ra n d i n f o r m a t i o nc o b s t r u t t i o r l ： 关十深婊坑史护结构方案优选4 1 = 几优化改汁 o 前言 基坑是建筑工程的一部分，其发展与建筑业的发展密切相关，而深纂坑是充分利 用土地资源的方式之一。出于我国地少人多。入均古有二| _ = 地还不及全鼬界入均占有土 地的1 l o ，为了节约土地，向空间要住房，向旧房要面积，许多高层建筑拔地而起。 1 9 8 0 一1 9 8 9 年l o 年闻，我国新建高层建筑i o o o 余幢，1 9 9 0 1 9 9 1 年两年闻，新建高 层建筑1 0 0 0 余幢。1 9 9 2 年一年问就新建高层建筑1 0 0 0 余幢，而1 9 9 3 年新丌工高层 建筑就达2 0 0 0 余幢。迄今为止，全国的高层建筑已超过1 5 0 0 0 余幢。适当发展多层 和高层，向空间和地下发展，是解决我国土地资源紧张的条重要出路。 随着城镇建设中高层及超高层建筑的大量涌现，深基坑工程越来越多。同时密集 的建筑物，大深度的基坑。周围复杂的地下设施，使得放坡丌挖基坑这一传统技术不 再能满足现代化城市建设的需要。因此深基坑开挖与支护引超各方面的广泛蘑视。 尤其是9 0 年代以来，基坑行挖与支护问题f 在成为我飚建筑丁：程界的热点问题 之一一，基坑工程数量、规模、分布急剧增加，同时所暴露的问题也很多。总体看来， 哥豁我国基坑开挖与支护状况具有以下特点： a 、基坑越挖越深 为了使用功能方便；或因为地皮珍贵；或为了符合建管规定及人防需要，建筑投 资者不得不向地下和空间发展。过去，即使在大城市建卜2 层地下室，电不普通，中 等城市更为少见。现在在大城市，沿海城市尤其是特区，地下3 - 4 层已很乎常，5 6 层也有。因此，基坑深度多大于l o 米。 b 、工程地质条件越来越差 城市建设不象建水电站、核电血占等重要基础设施那样，可以广闸地域中选择优越 的建设场地。只能根据城市规划的需要随遇而安。因此，地质条件徒往较麓。这一点 在某些沿海经济技术丌发区较为突出。有些丁l ：发区位于填海、淤河、泥塘或沼泽，工 程地质条件十分复杂。 c 、基坑周围环境条件复杂多样 基坑四周已建或在建高大建筑物密集或紧靠重要市政- 砹施，大型土木不仅要确保 自身基坑稳定，还要保证周围建筑物安全。 d 、基坑支护方法众多 诸如人工挖孔桩、预制槛、深层搅拌桩、地f 连续墙、钢支撵、术支撑、沙袋堆 关十深爨坑立护结构方案优选和优化性计 撑、拉锚、抗滑桩、注浆、喷锚网支护法，各种桩、板、墙、管、撑同锚杆联合支护 法以及土钉墙等，应有尽有，各显神通。 e 、基坑工程事故多 深基坑工程是一项复杂的系统工程，其所以复杂，一方面，出于在天然地层中有 一些特殊的力学性质在目前尚不能用室内或现场的常规试验前去准确测定，土体力学 参数离散性大；另一方面深基工程支护计算理论还不成熟，每一种计算。理论都是在 某些简化假定的前提下建立，具有定的局限性，多半依靠传统理论及地区经验进行 设计与施工；加之，投资者不愿在基坑支护这样临时性工程投入较多资会因此而带 来的深基坑工程事故屡见不鲜，造成不可估量的损失。 深基坑工程事故表现形式有两种形式：是深基坑支护结构体系失稳；二是基坑 变形超出了周边环境的承受范围，引起周围环境的变化，使基坑周边建筑设施发生破 坏，造成严重后果。 现在工程界已越来越多的人认识到深基坑支护工程是复杂风险性系统工程，它涉 及到土力学、基础工程、结构力学、材料力学和原位测试技术等多门学科，它与场地 的工程地质条件、地下水状况、基坑歼挖深度及平面形状、基坑周边荷钱状况，周边 环境对基坑变形的要求密切相关。针对同个基坑工程，可供选择的支护结构方案很 多，如何能够选择最佳的基坑支护结构方案，既要保证整个支护结构在地下施工过程 的安全，又要控制结构变形及土体变形，以保证周围建筑物的安全。在安全的前提下， 对方案进行优化设计，节约造价，方便施工，缩短工期，这使得广大从事岩土工程专 业的技术人员感到研究深基坑支护结构方案的优选和优化设计+ 的重要性。 本文以深基坑支护结构方案的优选和优化设计为主线在总结深然坑支护与施工 实践的基础上，对基坑支护结构方案优选和优化设计理论和方法进行探讨，提出些 有益的结论，恳请各位专家和同行们提出批评和建议。 关十深桀坑支护结构方案优选和优化破汁 1 写作目的和意义 1 论文的写作目的与意义 深基坑支护设计与施工既是我国各大城市基本建设工程中的重要关键问题，又 是岩士力学学科中比较复杂和困难的问题，其所以重要，是山于现代化大城市高层建 筑的地下部分和城市地下交通均需要充分利用地下空问。基坑丌挖深度以从一f - b 米发 展n - 、三十米。我国已经有不少基坑工程出于深基坑支护结构方案的选择失误，导 致重大经济损失并延误建设工期，因此，如何保证深基坑支护结构既安全又经济合理， 已成为当前城市建设中的一项重要课题。 1 1 论文写作意义 进入九十年代以来，城市建设迅速发展，深基坑支护结构优选问题矿在成为建筑 工程界的热点和难点问题之一，深基坑支护开挖风险大，影响因素多，条件复杂。与 场地岩土工程条件，基坑周围环境状况，地下水条件，施工工序流程及j i 矗测措施相关， 由于深基坑支护计算理论都是在某些简化假定的前提下建立，具有一。定的局限性，多 半依靠传统理论和地区经验进行设计与施工加之建设投资者在基坑吏护这样临时性 工程不愿投入，这就使得如何选择一种支护结构方案在地下施工过程既保证周围建筑 物安全可靠，同时投入资会越少。即深瑟坑支护结构优选和优化设计具有重要现实意 义。 各种不同的维护形式有各自的适_ l ； j 范围，为了解决复杂的问题，达到较高的效果， 常需要多种技术的综合应用，钏对同一个基坑支护工程，特定场地岩七：翻翌条件、丌 挖深度、周圈环境要求及场地施工条件等具体条件，必须存在种或几种榴对适用的 支护结构方案。根据工程所要达到的目标采用一定方法进行比较，选择出最优方案， 然后针对优选的方案进行优化设计，达到安全可靠经济合理的h 的， 1 2 该领域现状 随着城市的发展，高层建筑建造数量较多，深基坑数懿i 纠盟增多为安全可靠经 济合理进行基坑工程施工，减少： 程事故的发生，有关部门 ! f | 组织技术力量进行基坑 工程技术标准的编制工作。基坑工程技术标准的编制将把符地成熟的、肯定的、宝贵 的经验总结出来，把长期工作实践行之有效的方法、重要利研成果加以整理，形成指 导基坑工程设汁、施工的技术标准。各地也根据地方特点纰织编写地乃_ 于j l k 标准也相 关十深螭坑支护耋占构方案优选和优化设计 继问世。 由于计算机技术发展，随着深耩坑工程计算机应用的发展，国内不少科研机构、 学校基于不同的分析模型及计算机开发环境。丁r 发了多种工程软件，有些软件实现了 商品化，并得到了一定范围的推广。这些软件当中，尽管软件功能不同、水平参差不 齐，实际应用效果也不相同。大都能对常规的基坑丌挖进行技术优化没计，并完成设 计图纸。总体柬看，对设计人员有帮助，但任何软件都有一定适用条件，“对软件， 你不可不信，也不可全信”。 传统基坑支护结构设计仅考虑支护结构本身的稳定性要求，随着基坑工程的发 展，如何做到选择出设计出安全可靠、经济合理的支护方案是未来基坑支护设计的发 展方向。 1 3 方向及研究方法 本文以如何选择安全可靠经济台理支护方案为出发点，总结笔者学习体会和多年 从事基坑工程设计与施二 ：的经验，分析大量有关资料，提供深基坑支护优选和优化设 计的方法。 本文的研究建立在现有深基坑支护设计理论基础，通过大量阅读圈内外专业书 刊，借鉴前沿的理论与方法，总结和分析现有计算理论不完善的地方。以达到优化设 计的目的。 本文从下面，l 方面对设计方法进行从概括与总结。 深基坑支护设计计算理论和方法 深基坑支护结构没计方案的优选 深基坑支护结构的优化设计 深基坑支护施工监测和信息化施工 深基坑开挖引起的环境问题及防治对策 关十潍堪坑史护特构方案优选羊n 优化改汁 2 深基坑支护设计计算理论 2 1 侧压力理论“。 21 1 侧压力的定义 作用在基坑壁支护墙或板桩上的土压力称为侧土压力。其分布状况与大小不 仅与地基土体的特性有关，而且在很大挥度上还与支护结构本身的复形有关。泰 沙基曾作过如下些实验，得出当墙板上端固定，l 肌藉板r 端向外移动时土压力 呈抛物形，如图2l b 所示：当墙板上下两端固定，而墙板：f 1 央目外鼓出时上压力 呈马鞍形。如2 1 c 所示：当墙板作平行r a 3 # l - 移动利，其二l 压力呈抛物线状，如图 2 1 d 所示；当墙扳浇下端向外倾移时，这才会产生一般的主动上压力，如图2 一【e 所示；只有当墙板完全不移动时，d 可能产生静止士爪力，如阳21 f 所示；在外 侧删压力作用下，地下墙板向内侧倾移时，这爿产生被动土压力，如罔2 1 9 所示。 测试和结果表明，基坑壁墙板变位小于01 h 时，为静止压力；变位为坑深( o 1 08 ) f 时，为主动土压力；向二l 体变侮为( 1 5 ) h 时，则为被动- u i i j 3 。 + 6 h 一 ( n ) 返搽蟮警 关于深雉坑支护结构方案优选平几优化敬汁 2 深基坑支护设计计算理论 2 1 侧压力理论“1 2 1 1 侧压力的定义 作用在基坑壁支护墙或板桩上的土压力称为侧土压力。其分白状况与大小不 仅与地基土体的特性有关，而且在很大程度上还与支护结构本身的复形有关。泰 沙基曾作过如下一一些实验，得出当墙板上端同定，而墙板下端向外移动时土压力 呈抛物形，如图2 l b 所示；当墙板上下两端固定，而墙扳中央向外鼓出时土压力 呈马鞍形。如2 - i c 所示：当墙板作平行向外移动时，其二e 压力呈抛物线状，如图 2 - 1 d 所示；当墙板浇下端向外倾移时，这才会产生一般的主动土压力，如图2 一l e 所示：只有当墙板完全不移动时，爿+ 可能产生静止土压力，如阁2 一- i f 、所示；在外 侧侧压力作用下，地下墒板向内侧倾移时，这才产生被动土压力，如图2 1 9 所示。 测试和结果表明，基坑壁墙板变位小于0 1 h 时，为静u ：压力；变位为坑深( 0 1 0 8 ) h 时，为主动土压力：向士体变位为( 1 5 ) h f j ，则为被动土压力。 一+ h 一 耵 ( a )( b )挟( c ) ( d ) 毡f 一 关卡深幕坑盘护结 勾方案优选和优化畦i _ 卜 静止土压力是指支挡结构未发生横向位移或浇墙踵转动变形时，墙后士体施 于挡墙的压力。 主动土压力是指支挡结构中，产生背离土体的横向位移或浇墙踬转动变形时， 墙背土体作用于挡墙的土压力。 被动土压力是指支挡结构中，产生指向土体位移或浇墙踵转动时墙背土体施 于挡墙的压力。 产生主动和被动土压力所需的墙顶位移位参见表 表2 1土压力类型与位移的关系 土 士 应力状念移动类型 所需位移应力状态移动类型所耥 类类 主动平行于墙 0 0 0 1 h 主动 平行于啮 o 0 0 4 h 主动浇基底转动 0 ( ) 0 l h 砂粘 被动平行予皤 o 0 5 h 土土主动浇蛹捌0 t o 咄 被动浇翦自联动 o 1 h 这三种土压力与支挡结构变形的关系如图2 - 2 所示，实际侧土压力往往不是主动 土压力、被动土压力和静止土压力，丽介于这三考之间，在订砦规范巾，使用“动用 土压力”或“中问土压力”来表示这种状念。 一 o 位咎+ 厶 图2 _ 2 惯螺劝与变形关系图 2 1 3 侧压力理论 目前对作用在基坑支护结构上的土压力计算并无统。的方法，有采用朗肯、库仑 关手i 辇皋坑立护结构方粜优选和优化髓计 主动和被动二f ：压力的，也有采用静止土压力或泰沙基对挡土墙二f 二压力的假定的。还有 多种修正的土压力计算方法等。对于地下水的侧土压力确定也有多种假定；对于地面 荷载所产生的侧土压力乜无统一的计算方法。由于地质工程硐i 环境条件的不同，坑壁 支护方式是于变力化的，因此【! 王很难用一种方法柬确定其对坑壁支扩一的侧压力。下面 分别介绍有关的方法，虽然这些汁算假定是多种多样的，但其结果都仍在主动土压力 和被动土压力之间，地下水压力仍在静水压力以内。 2 1 31 朗肯土压力理论 朗肯( w j m r a n k i n e 1 8 5 7 年) 土压力理论假定墙背和填士问没有摩擦力( 即 6 = o ) ，然后按墙身的移动情况，根据填土体内任一点处于主动或被动极限平衡状态 时最大和最小主压力的关系求得主动或被动土压力强度以及主动或被动土压力( 它等 于土压力强度分粕图形的面积) 。由于没有考虑摩擦力，这样求得主动土压力值偏大， 而被动土压力值偏小。因此用朗肯土压力理沦来殴汁挡土墙总是偏：于二安全的，而且公 式简单，便于记忆，所以被广泛采用。 2 1 3 2 库仑土压力理论 库仑( c a c o u l o m b 1 7 7 3 年) 土压力理论假定 挡土墙是刚性的，墙后填土是无粘性砂土： 墙身向翦或向后移动以产生主动压力或被动二l 压力时的滑楔体是沿着墙背和一 个通过墙踵的平而发生滑动： 滑动士楔体可视为刚体。库仑土压力理论是从滑动楔体处于极限、p 衡j 状态静力的经 历平衡。 库仑土f k 力理论是从滑动楔体处f 极限平衡状态时力的静力、衡条件出发而求 解主动或被动土压力的，分析时和分析：t 坡稳定性一样，也当作，h | _ i _ f 问题求考虑。由 于墙背与填土摩擦角较大，这样求得主动土压力系数偏小。 2 1 - 33 我国规范法 我国制定的建筑地基臻刊；殴计规范( ( ；b j ) 采剐与试算法裙似的平面滑裂面。 根据挡i ：墙破坏时的极限平衡原理由x = o ，y = o 找出最危除的破裂面导 1 1 下式 g a = l 2 y h 2 k a 式中y 墙后体的熏度h 挡二t 墙的高度 k r 主动压力系数 关于深璀坑立护结构方案优选_ r 1 优化设计 土压力的作用点与土压力的分布有关，涉及到士体与墙的变形协调关系，该计 算方法是根据我国近几年来粘性土压力的研究发展，以平面破裂为撼础的粘性土主动 土压力计算，是有定的适用性，在特定条件下，公式与库仑、朗肖公式完全一致。 2 2 侧土力压力计算中的几点认识 2 2 1 经典土压力理论的适宜性 朗肯土压力理论和库伦：仁压力理论是挡土墙侧土压力计算的阿种缝典理论。6 口者 先求算挡土墙土压力强度分布，再计算总土压力及其作用点位置，实质上是主应力平 衡理论；后者则先求算挡士墙总土压力及其作用点位置，再计算压力强度分布，实 质上是滑楔极限平衡理论。朗肯土压力理论有三个假设条件：l 、墙侧面垂直；2 、墙 侧面光滑( 墙土问外摩擦角为零) ；3 、墙后土体表面水平。此理论可考虑墙后土体为 无粘性土或粘性土及其分层的土压力计算、水压力计算以及士体表面有外荷载时的土 压力计算( 外荷载q 可换算为等代土高q t + ，r 为第一层二| 二体的重度) 等。库伦压力 理论另有三个假设条件：1 、墙后土体为无粘性土或散粒体：2 、滑动楔体为刚性体； 3 、土体极限平衡滑动面为平面。此理论可考虑端侧面化碳斜、墙土问外摩擦角、墙 后体表面倾斜及有外荷载等土压力计算。 深基坑支护结构如种排桩、地下连续墙、沉井，其侧面均为垂直，坑外j 卜体顶面 大都是水平的，若采用朗肯土压力理沦中，由于不考虑土与墙之问的摩l 强力主动土 压力计算值偏大和被支土压力计算值偏小，是偏于安全的。而库伦主动土压力计算 值偏小或是接近于实际值( 当墙侧面倾斜角和墙土问外摩擦角均刁i 大于15 度时可得 满意结果) ，但库伦被动土压力计算值偏大是不安全的山于深錾坑支护结构的施 工工艺大都是在基坑周围的多层原状土层且有地下水开发部f 进行了，它区别于一般 挡土墙施工工艺大都是在基坑周围的多层原状土层回填二| 二) ，闪而库伦j 二压力理论与 是不适用的。必须在有相当丰富的地区经验时方可采用库伦二【：压= _ i j 理论。在下面还将 进一。步讨沦计算与实测值的差别。 2 2 2 分层土土压力计算 在实际工程中，基坑周边土层一般为多层土结构，分层土的土压力算式( 2 2 2 ) 计算，第n 层土底面对墙的主动： 二压力按朗肯理论为： e 。= ( q 。+ y ，h i ) t f ( 4 5 一( b 。2 ) 一2 c 。t g ( 4 5 一书。2 ) ( 2 2 2 一【) 式中一地面附加荷载传递到n 层：l = = 底的垂直荷载： 关f 深基坡史护靠掣4 方榘优选和执化改 十 q 。附加何载： h ，第j 层的厚度； 巾，第n 层土的内摩擦角： c 第n 层土的粘聚力。 y 第i 层土的天然重度； 第n 层土层底面对墙的被动土压力为： e 。= ( y l h ) t 9 2 ( 4 5 一中。2 ) + 2 c 。t g ( 4 5 + m 。2 ) ( 2 2 2 - 2 ) 2 2 3 关于c 、o 值的取定 内摩擦角d ) 是土压力计算的决定性参数，选取适当与否直接影响汁算结果，般 性粘土、粉土地基，其深基坑支护结构土压力的计算应采用：= ：擗水抗剪强度指标。实 测资料表明，软粘土地区深基坑支护结构土压力的计算采用不排水剪强度指标时，计 算结果偏大。 从土的应力路径来说，计算主动压力时，应采用因结不排水药指标。因为原位 的软粘土，一般可视为正常因结，出于基坑丌挖，支护桩产生位移，主动区的侧向应 力降低达到极限平撕状态，因此，要模拟这神应力路径，按理应在i 轴试验中，先在 k 。，条件下因结，而后在不排水条件下降，使士体剪切破坏，从而得出二匕的强度指标。 要实施这种试验在一般工程中电有定困难，但应该说这种试验条件，基本上还是属 于固结不排水剪的范畴，因此，在实际应用中，可以用因结快剪指标代替。当然，这 仅适用基坑边缘堆载不大的情况。 基坑内测坑底以下的士体，出于基坑开挖，卸除了上履压力，士体处于超圄结状 态。由于超固结土的强度高于正常网结土，被动土压力计算时，采用嘲结快剪指标已 很保守了，更不应采用快剪指标。 通过地质勘探报告得到的固结快剪指标是出值，但不能作为唯依据，要合理地 确定由值。就必须考虑到( b 值与= _ ： 二的重度、含水率有密切荚系。地臻经过打桩，士体 含水率减少，显然地质勘探报告中提供的原状土的f 值与经过打桩和降水的f 值出入 很大，对用井点时，土的内摩擦角由可按下述方法浏整。 板桩墙外侧，在井点降水范围内，由值可乘以1 1 1 3 ： 无桩基的板桩墙内侧，c b 值呵以乘以1 1 1 3 ： 有桩基的板桩墙内侧，在密集群桩深度范嘲内，乘以1 2 1 4 。 上海r 丁标准地基基础设计规范( d b j l 0 8 一l l 一8 9 ) 第9 1 2 条觇定：“土体的抗 关于深捧坑直护结构方；艇优选和优化i 5 汁 剪强度是用总应力法确定土体抗剪强度时，可采用固结快剪指标，当采用固结快 剪或快剪指标时，一律取峰值( 或最大值) ”。参照本条规定，对地质报告所提供的c 、 f 值，如认定为是折减值，则均可换算成峰值采用，在一h 海，其折减系数一般为0 7 。 2 2 4 支护结构对侧土压力的影响 支护结构形式一般分为悬臂式、间层锚拉( 或内撑) 式、多层锚拉( 或内撑) 式、 重力式和沉井式几大类。悬臂式支护结构的位移和变形对土压力分而有影响，由于受 侧土压力后发生的刚性转动或挠曲变形，在基坑底面下某深度处将出现转动点或反弯 点。在转动点以上，墙后将产生主动土压力墙前将产生大于讣算静止土压力而小于 计算被动土压力的土压力；在转动点以下，墙前将产生主动土n 三力，墙后将产生大于 计算静l e 士压力而小于计算被动土压力的土压力。这是因为产生主动压力，墙后将 产生大于计算静止土压力而小于计算被动土压力的土压力。这是因为产生被动士压力 所需要的位移量较大，约为( i 一2 ) j l ( h 为开挖深度) ，般不允许支护结构产生较 大位移，因此，殴计时常控制被动土压力不超过朗肯被动土压力值的1 2 1 3 。在粘 土层中悬臂式墙由于收缩与支护结构脱歼，也将增加侧压力。愁傍式墙顶端位移，由 于建筑物或地下管线的存在，宜限制在0 1 i i 以内；如允许产生较大位移时，顶端位 移可取0 3 h ，根据研究产生主动土压力所需位移量约为( o i 一0 3 ) j l 。为了限制 严格，应先用静止土压力计算并先用较大刚度的墙体，如果位移限制较宽，刚选用主 动土压力计算，以节约墙体材料。 支护结构的插入深度对土压力分靠也有影响，对于悬臂式墙的计算，当插入较浅 时，可能不会出现反弯点，但插入深度不足将影响墙的安全与稳定，冈此在支护结构 设计中有最小插入深度的计算问题。 2 2 5 土压力计算宽度问题 在一般挡土墙或地下连续墙设计中，均按单位宽度( 1 0 m ) 计算- u s , i 力但对非 连续的护坡桩，应取多少宽度计算值得研究。i - 前通常的作法是，在计算锚阉度深 度时，按每延米宽度计算，但在计算桩的最大弯矩和配筋计算时，则足按每米宽度再 乘以桩中心距，这样计算可能偏于安全。使配筋量增加。其原吲恐截取每米宽度计算 时，是将1 m 宽度的土体作为“自由体”两侧的摩擦力忽略一i 计，丽将1 0 m 宽度的 土压力全部施加于桩上，而实际两侧是不摩擦力的此种假设偏r 安全。尤其是在基 坑转角处：再者桩之问的土体具有自拱能力，拱的最大高度不会超过桩的中心距， 关十深牡坑支护结构方案优选羊n 优化吐汁 在桩基规范巾，讨算桩项变位时，系按计算宽度b 。考虑，的取值为：当桩身直径 d 1 o m 时，b 。，= o 9 ( d 丁1 ) 。按此计算， 当桩距较小时，例如2 o m ，较按1 个桩距计算大，当桩距较大，例如：3 o m ，则较按1 个桩距计算为小。为前后计算体系一致，悬臂式护坡桩设计技术规定( 深圳) 规定 按b 。计算( 最大弯矩和配筋计算) ，这是偏于安全的。 2 2 6 重度和水压力的计算 通常在地下水位以上土层以湿重度计算土压力，在地下水位以下。 ：层以有效重度 计算土压力，再加上水压力，考虑到粘性土的低透水性，在饱和软粘土层中的静水压 力小于砂土层中的静水压力，再加上水压力，考虑到粘性土的低透水性，在饱和软粘 性土层宜采用水土压力混合计算( 是指土压力和水压力之和疆乘以压力系数) ，对于 砂性土层宜采用水土压力分开计算。 在实际工程中，由于深基坑i 丌挖往往都需要降水，此时，二匕体r 似电下水已被疏干， 但整个施工过程中，土体还是处于饱和状态，交符合此工作状态，故不考虑静水压力 或孔隙水压力时，可按饱和勘察时所提供的天然重度讨算。 但对基坑底面以下一定深度( 一般为基坑施： 媚，降水所保持深度的土体，仍 处于地下水位以下，此时主动和被动土压力训算中，刚应根掘土体渗透性不同，考 虑一部分水压力影响，对渗透性很小的粘二| ：二和粉质粘土，仍可按饱和重度计算；对渗 透性较大的砂类和碎石土，则宜除考虑士压力外，还需考虑部分水胍力。 2 2 7 计算值与实测土压力比较 2 2 7 1 几个工程实例 按库伦一朗旨理论公式计算侧土压力主要与土体性质( c ，( 【) ，y ) ，地f 水位高 低与水压力大小，基坑深度有关。但是，计算值与实测的主动、被动- lr g 力有出入， 有的偏差较大，现将国内几个： 程的实测成果简要介绍如_ f ： 工程一：某医院急诊楼工程，罐坑深度一8 4 m ，：【：程地质参数，内摩擦角= ：j 8 。，土 的重度r = 1 9 k n m 。，地面荷载q = 2 0 p a ，士与桩的磨擦角取q ) = l 3 ，支锁方式为单排灌 注桩桩径8 0 0 m m ，桩距1 5 m ，桩长1 2 7 m 悬臂式。支扩；计算弯距a x ：1 0 3 2 k n m 。 实测内力如图2 2 所示。 关于渫毕坑盘护结构方案优进和优化啦汁 图2 - 2 内力分布图图2 - 3 内力分诉i 图 卜朗肯公式计算的土压力弯矩图计算弯矩图实测弯矩图 2 2 一考虑6 = 4 3 计算的弯矩图；3 一实侧弯矩图 实测结果昂大弯距仅为按朗肯理论计算弯距的5 8 7 0 主动二i 二压力为其1 3 ，被动土 压力为其1 2 ，钢筋应力仅为2 0 4 0 m p a 。 工程二：某邮政枢纽工程，基坑深度为一1 0 2 m 地面荷载为4 5 8 5 k n n 2 ，： 程地质 参数：r ：2 0 k n m 。，巾= 3 7 。支房：r i ：工为8 0 0 m m 灌注桩，桩距为l ，4 m 桩长1 6 6 m ， 悬臂式支护，实测结果主动二e 压力为计算值的1 3 1 4 ，被动：l 压力为计算值的 1 2 - 1 3 ，实测弯距为设计弯距的5 0 - - 6 0 ，钢筋应力仅为2 0 “3 0 m p a ， 1 9 9 6 年以来，实测有记录的1 3 个支护结构，其中6 个为悬臂式，5 个为道锚卡t ，2 个为顶部拉锚桩，实测钢筋应力一般2 0 4 0 m p a ，均小于6 0 m p a 。懋觜式桩顶部位移为 1 0 4 6 叽m ，有拉锚的位移为4 6 5 m m ，均小于计算值。 工程三：某大厦，基坑深度为一5 1 5 m ，局部为一6 6 5 m ，采用拉森i l l 型 ；f i | 扳桩，并有 二道6 0 9 m m 钢管内支撑。工程地质参数：0 = 8 7 。1 2 。，c = 2 9 k p a ，f 1 6 9 - 1 8 6 k n m 3 。 实测结果主动区计算值小于7 r 挖前静止土压力，而上部小于、下部大于丌挖后的实测 土压力，被动区丌挖前为静l t - 土压力基坑底以下的上部均大于汁算假，在定深度后 计算值均大于实测被土压力。 工程四：某地卜- 商场，基坑深度一6 ( ) 一一6 5 m ，采用双排预制钢筋砼方桩，断面 4 0 0 m m * 4 0 0 m m ，前后排距离2 5 f 【i ，桩长1 4 m ，二匕层上j ： | j 杂填二卜、粘。i ：( e o 9 ) 、淤泥 关十深堆坑盘护结构方窠优选和优化墩汁 质粉质粘| 二与粉土、粉砂互层，o = 2 5 4 5 。，c = 5 一【2 k p , u ，r 二= = 【7 6 - 1 8 7 k n m 3 。 实测主、被动区压力均小于计算值。 22 7 2 实测值与计算值之间的关系 以上实测值反映出与理沦值有不符的现象。用朗肯理沦汁算的卜压力与这测土压 力偏差是客观存在的，但有一定的规律。 ( 1 ) 、当：l 体不是软土时，朗肯公式计算的主、被动区二匕压力均大于实测值， 而地基承载固( 强度) 愈高，这种差距越大，粘性土比砂。t l “j i 大。被动区差距比主动 区为大。 ( 2 ) 当土体为软土时采且悬臂式的桩，实测主动二【：压力与朗岢公式计算土压 力相接近，但被动区的土压力均小于计算值。 ( 3 ) 有支撑或拉锚时，支护桩墙 菠入深度较深，桩墙有反弯点时，桩墙前被动 土压力有增大，墙后有减小的现象发生。 ( 4 ) 多支点时，朗肯公式计算的值均大于实测值，土2 本越好偏差越大。 2 2 7 3 偏差的主要原因 ( 1 ) 、库伦、朗肯理论公式是针对先有墙，届填土的挡颤倒乾蛳总结，而深基坑 支护结构则是先在地面上打桩或筑墙，存在静止二t 压力，当在基坑内挖土，支护桩墙 有一面临空，随着挖土深度的增加，桩墙承受的土压力电随着桩墙变形逐渐增加，由 静止土压力向主动土压力变化。两者是差异的。 ( 2 ) 士压力值与桩墙侧向位移关系十分密 刀，般认为达到主动极限平衡状态 所需要的墙体位移嚣很小，一为桩墙高度0 1 一0 5 。例如8 深基坑达到8 - 4 0 m m ， 即处j 二主动极限平衡状态，这种状况很易达到，因此按主动二i ：胍力设汁足合理的，但 在墙6 u 达到被动极限平衡状态需要桩墙位移比主动区要在卜几倍，即达到 o 3 一o 5 ，按8 m 深基坑即达到2 4 0 4 0 0 n 硼，一般情况不易达到。 ( 3 ) 库伦、朗肯理论假定墙后填土均质无粘性土，而罄坑丌挖的土层一般是固 结的层状土( 包括填土、粘性土、粉土等) ，朗泞公式假定挡二卜端! - j ；：i t 之| 1 j 无摩擦力 而实际墙与土层之问存在摩阻力。 ( 4 ) 库伦、朗肯理论所解决的挡土墙问题是按平积问题求考虑的，而深麟坑实 际上是空蚓问题，有所渭的长效应问题( 赫坑长边一 i 点桩墙侧移和f , i 力为最大) ，而 且有时问效应，基坑暴露f l ：t f u j 越 毛，问题电越多。 关十深捧坑点护结构方案优选和倔化设计 ( 5 ) 库伦、朗肯极限平衡状态的理论假定破裂面为平面，而实际上是曲面。基 于破裂面为普朗特尔( p r a n d t l ) 滑动面，杨光华提出了新的土压力理论，并与摩伦、 朗肯土压力理论进行了比较，工程实践表明是可行的，杨光华理沦与前苏联规范中当 地下墙与土：的外摩擦角相等情况时的被动土压力f 好是一致的，读哲在：1 二程中可参 考使用。 2 3 基坑支护设计计算方法 在基坑支护设计中，确定了支护结构形式之后，选择正确的计算模型进行详细设计 计算是至关重要的。基坑支护改计计算方法大致分为三类。第一类是常规设计方法( 静 力平衡法) 第二类称为弹性抗力法：第三类是有限元法。 2 3 1 常规设计方法( 静力平衡法) 常规设计方法是最常用的方法其要点是在选择一。定的入二 ：深度以满足稳定、 抗隆起和抗渗要求的前提下用经典二t ：力学理沧计算主动土压力和被动，1 ：压力( 或对计 算的土压力作某些经验修f ) 然后对重力式剐性捎墙验算其抗倾狻、抗滑移稳定性， 安全系数沿用设汁规范中普通挡土墙的规定：或者计算柔性挡土墙( 悬臂式或有支锚 结构) 的内力，对墙身和支锚结构进行没汁。这种方法对于普通t - i ：i ：蜷或j i ：挖深度不 深的钢板桩是比较成熟的。 盟对于深基坑，特别是软土中的深捧坑支护结构设计，就 难以考虑更为复杂的条件和难以分析支护结构的整体性状。例如支护结构与周围环境 的相互影响，墙体变形对侧压力的影响，支锚结构设置过程中墙体结构内力和位移的 变化，内侧坑底土加固或坑内、外降水对支护内力和位移的影i 吼压顶圈梁的作用与 设计，复合式结构的受力分析等。这些问题有时却成为控制支护陕的主要因素。 2 3 2 弹性抗力法 弹性抗力法针对常规方法中挡墙内侧被动：【二压力计算中问题提 l 丁改进。其概念 是i 士| 于挡墙位移有控制要求。内侧不可能达到完全的被动状态，实际i ：仍在弹性抗力 阶段，因此引用承受水平衙载桩的横力抗力的概念，将外侧麓动1 眶力作为施加在 墙体上的水平荷载，用弹性地基梁的方法计算档墙的变位与内力。l 对墙体的水平向 支撑用弹性抗力系数柬模拟。支锚结构也用弹簧模拟，t l 算与实际符合与否取决于基 床系数的选取，通常用1 1 1 法计锋，即纂床系数k 随深度比例增睦， 2 3 3 有限元方法 有限元方法提供了。种更为合理的设汁计算方法，它可以从整体析支护结构 天 。深缺垅支护结构方案优选嚣l 忧化杖l 。 及周围士体的应力与位移性状，而且可适用于动态模拟讨算，不仅为事6 h 设计与方案 比较而且为信息反馈施工管理提供实时处理的阶段。从原理上说，常规方法存在的问 题在有限元方法中都可以不同程度的得到解决。除了数值分析方法本身的问题以外， 用有限的方法的关键是正确选用计。算模型和设计参数：另一个需要研究的问题是安全 系数的定义及如何与常规设计的安全系数相匹配。如果后一个问题不解决，有限元方 法仍然只停留在辅助手段的水平上而不能成为一种可供实用的： ：程设讨方法。 可以看出。常规设计方法仍然是目前支护结构设计的主要方法，但需要对它存在的问 题加以研究改进，同时发展有限元方法使之实用化、系统化，成为支护结构计算辅助 设计软件，供设计与施工采用。 3 、深基坑支护结构方案的优选和优化设计 深基坑丌挖分支护丌挖和无支护放坡开挖两种形式，当周 h l s 4 c 境允m 时应首先无 支护放坡7 r - 7 ，当周围环境不具备放坡丌挖时，应选择一种支- b t s f l 挖结构方案，所选 择支护；r l ：挖结构方案不仅要求本身支护系统是稳定，而耳要求支扩l 系统能够满足周围 环境安全可靠且经济合理，因此深基坑支护方案的选择应根据撼坑丌挖的几何形状， 周围的环境状况，场区的工程地须条件，地下水的