（岩土工程专业论文）临近基坑既有建筑物地基承载力减损性状的研究.pdf

摘要 摘要 随着地下空间的开发、利用以及城市化建设中旧城改造步伐的加快，遇到了 在城市密集建筑群中进行深基坑开挖所引起的一系列问题。目前，城市基坑工程 主要以变形控制为主，对于基坑开挖引起的周边地层变形问题研究得较多、也较 深入。但是从另一个角度看，基坑开挖同样会引起临近建筑物地基承载力的减损， 对此问题必须给予足够的重视。 由于基坑开挖改变了原有建筑物地基承载力计算的边界条件，开挖卸载又会 引起周边地层移动从而导致临近基坑既有建筑物地基承载力产生附加损失，因 此，临近基坑既有建筑物地基承载力减损性状的研究，既不同于地面水平时地基 承载力的计算，也不同于斜坡上地基承载力的评估，是一个特定条件下的地基承 载力问题。 为此，本文以考虑自重影响的均质c q 土地基为研究对象，采用理论分析、 数值模拟以及模型试验资料对比的研究方法，对开挖基坑导致临近既有建筑物地 基承载力减损的性状进行了分析、探讨。主要开展了以下研究： ( 1 ) 基于p r a n d t l 滑移线，结合以往文献研究成果，提出了一种极限荷载作 用下临近基坑地基土体滑动破坏模式，采用滑楔法推导出了相应的地基承载力系 数表达式，并估算了基坑坡度、基础所处位置以及土性参数变化时，相应的地基 承载力变化特征； ( 2 ) 采用极限分析上限解答中的多滑块p r a n d t l 机动许可破坏模式，对临近 基坑二维、三维基础地基承载力进行了分析与计算。作为一种简化手段，分别按 土的粘聚力、基础埋深( 超载) 和土的自重三项影响因素估算临近基坑地基极限 荷载，获得了相应的地基承载力系数及其承载力减损因数值； ( 3 ) 基于极限分析有限元方法和下限定理，采用线性规划模型，计算了考 虑土体自重的临近基坑( 边坡) 条形浅基础c - t p 土地基极限承载力下限解。将计 算结果与利用多滑块p r a n d t l 破坏模式得到的极限分析上限解答进行了分析对 比，从上、下限给出了临近基坑既有建筑物地基承载力系数取值范围及其承载力 上、下限平均值时的减损因数； ( 4 ) 利用数值模拟技术，分析了各种工况下开挖基坑导致临近既有建筑物 地基承载力减损的性状。重点讨论了基坑开挖深度对临近地基承载力的影响以及 极限荷载作用下地基土体破坏模式的非对称特征； ( 5 ) 将上述计算成果与有关文献资料中介绍的方法及模型试验数据进行了 对比分析； 摘要 ( 6 ) 从开挖卸载引起土体抗剪强度指标变化角度讨论了临近基坑地基承载 力计算的途径问题。 在上述分析、研究的基础上，参照t e r z a g h i 地面水平时地基承载力叠加公 式，提出了临近基坑地基承载力以分项系数表达的简化叠加公式和承载力减损因 数的概念；以极限分析上限解答为主，综合滑楔法和数值模拟的计算成果，给出 了临近基坑各种工况下条形浅基础地基承载力系数及其减损因数的参考值。 最后，对本文作了总结，并就进一步工作的方向进行了简要的讨论。 关键词：临近基坑；地基极限承载力；滑楔法；极限分析上、下限；有限元数值 模拟；承载力分项系数：减损因数 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ee x p l o i t a t i o na n du t i l i z a t i o no fu n d e r g r o u n ds p a c ea sw e l la st h ee v e r f a s tp a c eo fo l dc i t yr e n o v a t i o n ，as e r i e so fp r o b l e m sa r i s ef r o md e e pe x c a v a t i o n si n a r e a sw i t hd e n s eb u i l d i n g s a m o n gt h e m ，d e f o r m a t i o nc o n t r o li st h em a j o rc o n c e r n a n df r e q u e n t l yr e g a r d e da st h ed e s i g nm e t h o d o l o g y i th a sb e e na t t r a c t e ds c o r e so f a t t e n t i o n sa n di n v e s t i g a t e di nd e t a i li nr e c e n tt w e n t yy e a r s o nt h eo t h e rh a n d ， h o w e v e r , i ts h o u l db en o t e dt h a te x c a v a t i o n sm a ya l s or e d u c et h eb e a r i n gc a p a c i t yi n s i g n i f i c a n tp r o p o r t i o n sw h e nt h ef o o t i n gl i e si nt h ev i c i n i t yo f a ne x c a v a t i o n a se x c a v a t i o n sm a yc a u s ec h a n g eo ft h eb o u n d a r yc o n d i t i o n sa n dt h ea d d i t i o n a l l o s so fb e a r i n gc a p a c i t yo ff o o t i n g s ，e v a l u a t i o no fb e a r i n gc a p a c i t yo ff o o t i n g sf o r e x i s t i n gb u i l d i n g sn e a re x c a v a t i o n si sd i f f e r e n tf r o mb o t ht h ec a l c u l a t i o no f c l a s s i c a l b e a r i n gc a p a c i t yo ff o o t i n g so nf l a t - s u r f a c eg r o u n da n dt h e c h a r a c t e ro fb e a r i n g c a p a c i t yo ff o o t i n g sn e a rs l o p e t h i si sau n i q u ee a s ei na s s e s so fb e a r i n gc a p a c i t yo f f o o t i n g s i nt h i s i n s t a n c e ，a s s u m i n gt h e s o i li sh o m o g e n e o u sc - 9s o i lw i t hs e l f - w e i g h t ( 停o ) ，t h er e d u c t i o no fb e a r i n gc a p a c i t yn e a re x c a v a t i o n si sa n a l y z e d a n d i n v e s t i g a t e db yu s i n g t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i n g a n dt h e c o m p a r i s o nw i t hm o d e lt e s td a t a i ng e n e r a l ，t h i s t h e s i sb r a c k e t st h ef o l l o w i n g s t u d i e s ： ( 1 ) b a s e do nt h et h e o r yo fs l i pl i n eo fp r a n d t la n d r e v i e wo fe x i s t i n gl i t e r a t u r e s ， an o v e lf a i l u r ep a a e mo fc r i t i c a ls l i d i n gs u r f a c ei sp u tf o r w a r df o raf o o t i n go nt h e c r e s to fap i ts l o p e ，a n dc o r r e s p o n d i n gu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yc o e f f i c i e n t sa r e d e d u c e du s i n gs l i d i n gw e d g em e t h o d a n df u r t h e r , t h ee f f e c t so fs l o p ea n g l e ，f o o t i n g l o c a t i o na n di n t e r n a l f r i c t i o na n g l ea r ec l a r i f i e da n dc o r r e s p o n d i n gv a l u e so ft h e b e a r i n gc a p a c i t yc o e f f i c i e n t sa r eg i v e n ( 2 ) t h eu l t i m a t eb e a t i n gc a p a c i t yc o e f f i c i e n t sr e s p e c t i v e l yd u et ot h ec o h e s i o n , f o o t i n gd e p t h ( o v e r b u r d e n ) a n ds o i ls e l f - w e i g h t a r ed e r i v e du s i n gk i n e m a t i c a l a p p r o a c ho f l i m i t a n a l y s i s b a s e do nt h em u l t i b l o c ka d m i s s i b l et w o 。a n d t h r e e d i m e n s i o n a lm e c h a n i s mt h a th a v eb e e nc o n s t r u c t e df o rs t r i pf o o t i n g so r r e c t a n g u l a rf o o t i n g sn e a re x c a v a t i o n s ( 3 ) t h el o w e r - b o u n ds o l u t i o nf o rc i ps o i lb e a r i n gc a p a c i t i e so fe x i s t i n gs t r i p f o o t i n g so nt h ec r e s to fs l o p ed u et oe x c a v a t i n gi so b t a i n e db yu s i n gf i n i t ee l e m e n t v l i m i ta n a l y s i sw i t hat e c h n o l o g yo fl i n e a rp r o g r a m m i n gf o ro p t i m u ma n a l y s i s i n c o m b i n a t i o nw i t ht h eu p p e r - b o u n ds o l u t i o n sd e s c r i b e db y ( 2 ) ，r e d u c t i o nf a c t o r sa r e p r o p o s e di nt e r m so ft ，h ea v e r a g ev a l u e sb e t w e e n t h el o w e ra n du p p e rb o u n ds o l u t i o n s ( 4 ) u s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i n gt e c h n i q u e ，t h el i m i tl o a d so fs t r i pf o o t i n g sn e a r e x c a v a t i o n sf o rv a r i o u sc o n s t r u c t i o nc o n d i t i o n sa r ei n v e s t i g a t e d s p e c i a la t t e n t i o n sa r e p a i dt ot h ei n f l u e n c eo fe x c a v a t i n gd e p t ha n dt h ea s y m m e t r yo f t h ef a i l u r ez o n e s b e n e a t ht h ef o o t i n g ( 5 ) t h es o l u t i o n sp r e s e n t e da b o v ea r ev e r i f i e db yc o m p a r i s o na n a l y s e sw i t h t h e o r e t i c a ls o l u t i o n sa n dm o d e lt e s td a t ao fe x i s t i n gl i t e r a t u r e s ( 6 ) ab r i e fr e v i e wo nt h em e t h o df o re v a l u a t i n gt h es o i lb e a r i n gc a p a c i t yn e a r e x c a v a t i o n sh a sb e e np r e s e n t e df r o mt h ea n g l eo fv a r i a t i o ni ns t r e n g t hp a r a m e t e r sd u e t ou n l o a d i n g b a s e do nt h ea n a l y s e sa b o v e ，as i m p l i f i e ds o l u t i o no ff o o t i n g sf o re x i s t i n g b u i l d i n g sn e a re x c a v a t i o n si sp r e s e n t e da n dr e d u c t i o nf a c t o r sa r ei n t r o d u c e di nt e r m s o ft e r z a g h i st h eb e a r i n gc a p a c i t ys o l u t i o ns e p a r a t e di n t ot h r e ep a r t s ，i e i n d u c e d r e s p e c t i v e l yb yt h ee f f e c t so fc o h e s i o n ，s u r c h a r g e ，a n ds o i lw e i g h t t h er e f e r e n c e v a l u e sf o rf o o t i n gs o i lb e a r i n gc a p a c i t yc o e f f i c i e n t sn e a re x c a v a t i o n su n d e rv a r i o u s c o n s t r u c t i o nc o n d i t i o n sa r eg i v e nb ym e a n so fl i m i ta n a l y s i s ，a n dt h ec a l c u l a t i n g r e s u l t sa r em o d i f i e db ys l i d i n gw e d g em e t h o da n dn u m e r i c a ls i m u l a t i n gt e c h n i q u e f i n a l l y , c o n c l u s i o n so ft h ef u l l t h e s i sa r ed r a w na n df u r t h e rr e s e a r c h e sa r e p r o p o s e d k e y w o r d s ：n e a re x c a v a t i o n s ；u l t i m a t eb e a t i n gc a p a c i t y ；s l i d i n gw e d g em e t h o d ； u p p e ra n dl o w e rb o u n do fl i m i ta n a l y s i s ：n u m e r i c a ls i m u l a t i n go f f e m ；b e a r i n gc a p a c i t yc o e f f i c i e n t s ：r e d u c t i o nf a c t o r s 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 签 2 0 0 5 年8 月2 2 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提 供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国 家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签妄_ 坞 2 0 0 5 年7 月谚日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 ， 指导撕签名：枷欤学位论文作者签嘞函 2 0 0 5 细惭 2 0 0 58 月2 2 日 同济大学申请博士学位论文 论文题目：临近基坑既有建筑物地基承载力减损性状的研究 第1 章绪论 1 1 引言 地下空间的开发、利用以及城市化建设中的旧城改造，都会遇到在城市密集 建筑群中进行深基坑开挖，如在已建的住宅小区内开挖地下车库、修建地下商场 等。在这些工程的设计与施工中，不仅要考虑基坑本身的安全与稳定问题，而且 要兼顾由于基坑开挖引起的地层移动对临近建筑物、道路和地下管线网等设施的 影响，如开挖导致既有建筑物倾倒、开裂甚至破坏；道路下陷、局部塌方；市政 工程管网断裂等等。深基坑工程带来的环境效应问题日益引人瞩目。如果这些问 题处理不当，将会造成巨大的经济损失并带来严重的社会问题。 在现代城市岩土工程中，对建筑场地周围环境保护的研究已成为研究的重中 之重。以往对于基坑开挖引起的周边地层变形问题研究得较多、也较深入。虽然 在基坑工程的设计与施工中对基坑本身稳定与安全以及由于开挖对周围建( 构) 筑物的影响给予了充分地重视，并采取了一系列基于变形控制的措施加以防范， 然而，任何事物都具有其两面性。从另一个角度考虑，基坑开挖同样会引起临近 基坑既有建筑物地基承载力的减损。尤其是土质条件较好，地基沉降变形不显著 的地区，更需要对既有建筑物地基承载力的减损情况加以验算。 既有建筑物地基与基础设计时，可能并未考虑日后会在建筑物附近开挖基 坑，以及开挖基坑对其造成的影响。因此，按规范要求，原建筑物地基基础设计 时，地基承载能力极限状态应该能得到满足。现在面临的一个事实是，随着社会 经济的发展以及社会需求的增长，需要在这些已有建筑物旁修建地下车库或地下 商场等地下建筑物，那么开挖基坑究竟会对既有建筑物产生多大的影响，特别是 在原有建筑物荷载作用下，基坑开挖后的临近既有建筑物地基是否还能否满足承 载力极限状态的要求呢? 这就是本文所要回答的关键问题或研究的初衷。 k o 吐 j 图1 1 既有建筑物附近开挖基坑导致地基承载力减损 以p r a n d t l 地面水平时极限荷载作用下地基发生整体滑移破坏模式为例( 如 图1 1 所示) ，在临近建筑物基础滑移线范围内开挖基坑，改变了原来水平地面 第1 章绪论 时地基承载力计算的边界条件，基坑的存在使既有建筑物地基中土体应力重新分 布，基础下原有塑性区的扩展以及滑移面的模式亦发生相应变化，即在极限荷载 作用下，土体会沿着抗力最小的方向滑动，这将引起地基土体承载能力减损，从 而导致既有建筑物失稳破坏。虽然从图1 1 也可以直观地做出判断，即基坑开挖 造成原有建筑物地基破坏模式中的被动区土体( 可以看作抗力体) 明显减小，被 动土压力随之减小，也就是说基坑附近地基承载力减损是由于被动土压力降低所 致。但是，要从理论高度对临近基坑地基承载力做出切合实际的定量评价，亦非 易事。因此，在地基土体条件相对较好的地区，由于开挖基坑而导致的临近基坑 既有建筑物地基承载力减损问题必须引起足够的重视。 上述问题可以概化为这样一个特殊的地基极限承载力问题：在地基基础设计 中，为保证地基具有足够的强度和稳定性，基底压力要小于或等于地基承载力特 征值，而将极限荷载除以安全系数可以作为地基承载力特征值。因此，如果能估 算出基坑开挖后，临近基坑地基的极限承载力及其与原建筑物地基极限承载力之 间的关系，便可以据此评估基坑开挖后既有建筑物地基所处的状态了。 鉴于此，本文以考虑自重影响的c q 土地基为研究对象，参照t e r z a g h i 的 地面水平时地基承载力叠加公式，提出了临近基坑地基承载力以分项系数表达的 简化叠加公式。在此基础上，定义了地基承载力减损因数的概念，即临近基坑地 基承载力中的粘聚力、超载和自重影响系数分别与地面水平时地基承载力所对应 的影响系数之比值。可以看出，减损因数是以地面水平时的常规地基承载力为基 准，来评价基坑开挖对临近既有建筑物地基承载力影响的。如果计算所得减损因 数值愈小，则表明临近基坑既有建筑物地基承载力减损愈大。因为相对来讲，地 面水平时地基承载力( 对应于本文既有建筑物地基承载力) 的研究还是比较成熟 的，这样处理后，只要给出不同工况下地基承载力减损因数，便可以根据地面水 平时地基承载力分项系数，获得所对应的临近基坑地基承载力分项系数，使临近 基坑既有建筑物地基承载力减损问题的评估变得非常简洁而实用。 为了能得到比较合理的地基承载力减损因数值，本文采用理论分析( 极限平 衡法、极限分析上、下限解法) 和数值模拟技术( 考虑开挖卸载引起周围土体移 动导致既有建筑物地基承载力减损的动态特征) 对临近基坑既有建筑物地基承载 力减损性状进行了研究，并与已有试验资料进行了对比分析，获得了一些有价值 的结论。但这只是对该问题的一个初步探讨，而且只涉及到无支护放坡开挖一种 情况，诸如软土地区有支护情况下临近基坑地基承载力与支护结构的关系等问题 还有待于进一步研究。 随着城市化进程的加快，城市用地日趋紧张，建筑密度的增大以及建筑场地 的二次开发利用，使得我们不仅要关注基坑本身的安全，而且要对相邻建筑物的 2 同济大学申请博士学位论文论文题目：临近基坑既有建筑物地基承载力减损性状的研究 影响做出正确评估。本课题的研究有利于解决当前城市地下空间开发利用技术中 遇到的难点问题，对提高城市空间开发的设计与施工水平，促进地下空间开发综 合技术经济指标的提高具有重要的理论意义和较高的实用价值。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 概述 基坑开挖引起基坑自身稳定性与临近建筑物地基承载力之间相互影响的分 析研究，包含了土压力、边坡稳定及地基承载力三个经典土力学的主要领域。这 三个问题都基于共同的极限平衡分析原理，可以采用相同的分析方法n 】 m 1 。土 体的极限平衡理论是在2 0 世纪5 0 年代初d c d r u c k e r 和r t s h i e l d 等人把静力 场和运动场结合起来并提出极限原理以后才建立的。在此以前，极限平衡理论的 个别理论和方法已在土力学中广泛应用，例如c o d o m b 土压力理论和土坡圆弧 稳定分析法是运动场理论的应用；r a n k i n e 土压力理论和p r a n d t l 等地基承载力公 式则是静力场理论的应用。要求得全面满足静力方程、运动方程和相应边界条件 的应力场和速度场并非易事，有时甚至不可能拍1 。为此许多文献将基于极限平衡 分析原理的解题方法分为极限平衡法、极限分析法和滑移线法d 1 。 国内外公开报道的有关边坡稳定分析、土压力以及地基承载力问题的单项研 究文献非常之多，而将其中两者或三者结合起来进行研究的理论成果及试验资料 却很少。j a n b u ( 1 9 5 4 ) 将坡顶荷载作为超载利用传统方法讨论了坡顶有荷载作用的 边坡稳定问题，m e y e r h o f ( 1 9 5 7 ) 在修正地面水平地基承载力计算方法时，假设了 边坡的一个塑性滑移场，并给出了相应的承载力计算公式；j b h a n s e n ( 1 9 6 8 ) 对 中心受荷浅基础极限承载力公式进行了各种修正，把浅基础地基承载力公式推广 应用到边坡地基中。h a n s e n 公式采用经验系数进行修正，在理论上并不严格，而 且不适用于临近边坡地基承载力的评估；s o k o l o v s k i i ( 1 9 6 5 ) 利用塑性平衡方程， 获得了边坡的塑性应力解答；d r u c k e r ( 1 9 5 3 ) 和c h e n ( 1 9 6 9 ) 采用极限分析方法讨论 了坡项荷载作用问题口一l “2 1 叫1 7 1 。早期的研究都忽略了坡顶上的荷载与坡顶之间的 距离对地基承载力的影响，使得在处理实际问题时受到很大限制。j g r a h a m ( 1 9 8 8 ) 和o k u s a k a b e ( 1 9 8 1 ) 分别用应力特征线法( 滑移线) 和极限分析上、下限理论较 详细地研究了边坡上条形基础地基极限承载力问题吼刎；b a l i g h 和a z z o u z ( 1 9 7 5 ) 、 a d r e s c h e r ( 1 9 8 3 ) 、m i c h a l o w s k i ( 1 9 8 9 ) 以及p d eb u h a n 和d g a m i e r ( 1 9 9 8 ) 分别 用传统的极限平衡方法和极限分析上限解法研究了临近边坡三维荷载条件下的 地基极限承载力问题n 羽 嘲，o f a r z a n e h 和e a s k r i ( 2 0 0 3 ) 将m i c h a l o w s k i 的方法推 广到成层土中例；陈祖煜等( 1 9 9 7 ) 和栾茂田等( 1 9 9 5 ) 分别利用各自提出的斜 条分上限解法和滑楔法研究了斜坡上地基承载力问题n 】 n 。由于土体本身的复 第1 章绪论 杂性和各种方法的差异性，使得计算结果之间的误差较大嘞1 。近年来，地基承载 力的数值计算方法得到迅速发展，d v g r i f f i t h s ( 1 9 8 2 ) 、r d eb o r s t 等( 1 9 8 4 ) 利用位 移有限元法研究了地基承载力的有关计算问题，s f r y d m a n 和j b u r d ( 1 9 9 7 ) 、 l e d e k s o n 和a d r e s e h e r ( 2 0 0 2 ) 给出了利用商业软件o x f e m 和f l a c 3 d 计算地基 承载力的一些成果啪】 【4 副；j l y s m e r ( 1 9 7 0 ) 、a b o t t e r o 等( 1 9 8 0 ) 、s w s l o a n 等 ( 1 9 8 8 2 0 0 5 ) 利用极限分析有限元方法，分别研究了挡土墙土压力、地基极限承 载力及边坡稳定问题“钔叫韶1 ，李乐、杨小礼及刘宝琛等利用极限分析有限元方法 分别研究了斜坡上地基极限承载力、边坡的稳定性以及被动土压力等问题哑卜叫， 杨洪杰、沈珠江和王建华等将极限分析有限元方法推广到了c q 土地基三维承载 力问题的研究之中陬州，尤其是s w s l o a n 等人在土体稳定的极限分析有限元方面 取得了一系列令人瞩目的成果。利用数值模拟技术对地基承载力的研究中，涉及 地面水平时地基承载力计算较多，而针对临近基坑或边坡的地基承载力的研究与 计算却较少。与此同时，许多学者进行了大量室内外试验和现场观测的分析研究。 s h i e l d s ( 1 9 7 7 ) 、b a u e r ( 1 9 8 1 ) 、g e m p e r l i n e ( 1 9 8 8 ) 以及c n a h a m ( 1 9 8 9 ) 分别公布了作用 在无粘性土边坡上的条形基础地基承载力的模型箱或离心机模型试验结果及分 析研究报告泓卜嘲。s h i e l d s 等将3 0 c m 和6 0 e m 宽的条形基础置于以砂土为地基材料 的模型箱内，作了位于临坡和斜坡上的地基承载力模型试验研究，得出了试验结 果与m e y e r h o f 公式的计算结果并非完全相符的结论。g e m p e r l i n e 进行了2 1 5 组离 心机模型试验，对位于斜坡坡顶的各种相对位置的地基承载力情况进行了研究， 并根据试验结果提出了相应的地基承载力计算公式。此后，s h i e l d s ( 19 9 0 ) 对比分 析t o e m p e r l i n e 的离心机试验与自己的模型箱试验资料，给出了砂土地基承载力 系数估算式。令人遗憾的是，多数砂土地基上承载力的试验研究还无法对承载力 理论计算值给予有效地校正。其中一个原因是，在理论计算值与试验结果进行比 较时，无法选择一个合适的内摩擦角( 例如平面应变问题与三轴试验所测参数之 间的关系) ；尺寸效应是另一个制约因素。现有的理论解表明，随内摩擦角增加， 承载力系数增加非常迅速。而试验得到的承载力系数与内摩擦角之间却未表现出 如此显著的依赖关系。另外，自然边坡上地基承载力的情况与基坑开挖导致既有 建筑物地基承载力减损性状还有所不同，后者的特点是作用荷载不变而应力边界 条件发生了变化，而且基坑开挖卸载引起周围土体移动还会造成既有建筑物地基 承载力产生附加损失。 目前，对基坑工程的研究主要集中在两个方面，一是考虑墙后土体作用的围 护结构的内力和变形的分析计算；另一方面是基坑结构及坑周土体位移的研究。 在支挡结构受力和变形分析中，传统方法是以土压力为基础来对结构进行分析， 也有人建议将挡土结构作为w i n k l e 地基梁，同时考虑坑内土体的非线性状态，将 4 同济大学申请博士学位论文论文题目：临近基坑既有建筑物地基承载力减损性状的研究 坑内土体作为土弹簧计算；在基坑的稳定分析中，k b p e e k 等建议以地基承载力 计算为基础进行稳定分析，汪炳鉴、夏明耀等也给出了以极限平衡理论为基础进 行的计算分析；在基坑变形估算中，p e e k 提出的经验公式，将基坑稳定性和地面 变形相结合，较全面的反映了土体的工程性质、场地条件、施工工艺和质量对地 面沉降的综合影响。侯学渊等在k b p e e k 公式的基础上，借鉴三角形沉降公式的 思路，依据墙体位移和地面沉降两者地层移动面积相关的原理，提出了确定地面 沉降的地层损失法，并建议采用分层总和法计算由于卸荷而引起的基坑底部隆起 位移n 卜n 埔1 ；魏汝龙对基坑开挖卸载与被动土压力的计算进行了研究，认为考虑 卸载影响，可以使计算得出的墙前被动土压力提高2 5 左右，t a n a k a 等的研究证 实，对于开挖问题应采用三轴伸长试验确定土体抗剪强度，在此基础上，周健等 研究了卸载对软土伸长强度的影响n 伸卜n 韧。 基坑开挖引起地层移动导致临近建筑物受损是一个非常复杂的问题。许多学 者对此进行了理论研究和现场观测试验。b u r l a n d 和w r o t h ( 1 9 7 4 ) 利用曲梁理论 给出了各种尺寸和刚度的砖混墙对临界张拉应力的极限值；m d b o s c a r d i n 和 e j c o r d i n g ( 1 9 8 9 ) 扩展了b u r l a n d 的概念，对建筑物在基坑开挖引起的沉降作 用下的反应进行了研究；t d o r o u r k e 等( 1 9 7 6 ) 介绍了临近深基坑建筑物对基 坑开挖反应的观测资料；b o s e a r d i n 等( 1 9 7 9 ) 结合华盛顿地铁建设研究了临近地铁 和基坑的建筑物变形和损坏的实时过程；b o o n e ( 1 9 9 6 ) 提出了一种考虑建筑物断 面柔性和剪切强度、土体移动的自然轮廓、建筑物距土体滑移轮廓线的位置、土 体和基础滑移程度以及建筑物结构形式等的建筑物受损估算方法；c y o u 等 ( 2 0 0 0 ) 给出了在淤积砂和淤积粘土互层土中临近立柱横隔板挡土墙的建筑物的 极限观测资料；i n gh i e n gw o n g 等( 2 0 0 0 ) 研究了土体和结构附近注浆的效果； r j f i n n o ( 2 0 0 2 ) 研究了软粘土中临近有支护系统直立基坑的建筑物响应油卜n 蜊； 宋二祥等( 2 0 0 1 ) 给出了基坑开挖对邻近高层建筑影响的一个具体分析及决策过 程n 删。这些研究都以变形控制为主要目标，而未涉及基坑开挖对临近既有建筑 物地基承载力的影响。李海坤、赵海燕等n 眠n 们采用有限元数值模拟技术，研究 了基坑开挖对临近土体极限承载力的影响，计算中考虑了围护墙体刚度、墙体入 土深度以及被动区加固等因素对极限承载力的影响，给出了临近基坑地基承载力 随土体抗剪强度参数的变化规律。 将极限平衡原理分别用到基坑边坡稳定性分析、地基的极限承载力研究和支 挡结构的土压力计算等方面已有大量研究成果，而将它们有机联系在一起，同时 考虑基坑周围土体的稳定性、临近建筑物地基承载力和基坑支护结构上的土压力 相互影响，并建立相应计算模型的研究却很少见到。 基坑开挖对临近建筑物影响的分析，还主要是一种基于实用角度的定性分 第l 章绪论 析，即实践中多采用理论导向、量测定量和经验判断三者相结合的方法，缺乏对 有关机理的更深入研究。基坑开挖是一个土体应力释放过程，它导致基坑周围土 体应力重新分布，使临近基坑既有建筑物产生附加内力及变形，甚至破坏。基坑 开挖过程中其自身的稳定性、基坑周围土体的移动、临近既有建筑物地基沉降， 都与基坑开挖卸载、临近建筑物地基土的承载能力直接相关。可以说，基坑周围 土体的稳定性、临近建筑物地基承载力和基坑支护结构上的土压力相互影响的极 限状态分析是城市地下空间开发研究的重要组成部分。只有在对临近基坑既有建 筑物承受基坑开挖影响的极限能力定量化研究的基础上，才能真正实现深基坑工 程中设计与施工按变形控制的目标。同时，对地基极限承载能力进行理论研究与 实际应用，顺应了建筑结构按概率极限状态设计原则，促使建筑物设计与使用更 合理、更可靠。总之，对地基强度与变形认识的不断深化和科学、合理的设计理 念的探索和发展，是工程实践中的一项重要任务。 1 2 2 临近基坑地基极限承载力分析方法 土力学的研究对象是c q 材料，也称为c o u l o m b 材料。其主要解决两类问题： 一类是变形问题，如房屋地基、路基、基坑周边土体以及堤坝的沉降或变形计算 等；另一类是破坏问题或稳定问题，如地基承载力、边坡稳定分析及土压力计算 等。土力学中的变形问题研究c q 材料未破坏时的应力或变形，一般情况下可以 用弹性理论来解决。而土体稳定问题主要是研究c q 材料的极限破坏条件，确定 引起土体破坏的极限荷载，求解过程一般要用理想刚塑性理论或塑性理论。当应 力达到某一临界值即屈服极限时，土体由弹性阶段进入塑性流动阶段，其标志是 应力状态不变而变形持续增大。为了保持塑性流动状态，土体应力必须小于或等 于屈服极限。 土体极限平衡理论以刚塑性体为基础，刚塑性体的一部分或全部在荷载作用 下从静力平衡转向运动的临界状态称为极限平衡状态，相应的荷载称为极限荷 载。虽然极限平衡理论的个别原理早已在土力学中广泛应用，但是该理论的建立 是以d m c k e r 等人把静力场和运动场结合起来提出极值原理作为标志强1 。 目前，土力学领域中有关稳定问题的理论分析方法主要有滑移线法、极限平 衡法、极限分析法以及有限差分或有限元等数值模拟方法。对于临近基坑既有建 筑物地基承载力减损问题，尽管与一般承载力问题的边界条件不同，但该问题仍 属于承载力问题，同样可以利用上述分析方法对其进行研究。 1 滑移线法 极限平衡理论是研究土体处于理想塑性状态时的应力分布和滑裂面轨迹的 理论。在理想弹塑性模型中，当土体中的应力小于屈服应力时，应力和变形用 6 同济大学申请博士学位论文论文题目：临近基坑既有建筑物地基承载力减损性状的研究 弹性理论求解，这时土体中每一点都应该满足静力平衡条件和变形协调条件；当 土体处于塑性状态时，虽然静力平衡条件仍然应该满足，然而，塑性变形的结果 使土体发生滑裂，不再保持其连续性，也就不能满足变形协调条件，但是应该满 足极限平衡条件。极限平衡理论就是根据静力平衡条件和极限平衡条件建立起来 的理论可以用一组反映土体处于极限平衡状态时的基本微分方程来表达 n 矧。理论上讲，根据屈服条件和所研究课题的边界条件就可以求得该偏微分方 程组的解析解极限荷载。但是，在数学术语中，这组方程被称为一阶拟线性 偏微分方程，属于双曲线型方程组，直接求解尚有困难，只有沿着在数学上被称 为特征线的两组特殊曲线才可能求解。特征线( 在塑性力学中称为滑移线) 法便 有此得名。极限平衡理论方法是求解地基承载力的主要理论基础之一， p r a n d t l r e i s s n c r 的无重介质地基承载力解答就是建立在此基础之上的。 滑移线法忽略了变形分析，只考虑平衡条件和屈服准则，这种方法只能得到 一个部分应力场，部分应力场以外的应力分布是不确定的，其结果不一定是正确 解，也不能确定它是上限解还是下限解。如果通过一个给定的应力一应变关系能把 一个相容的位移场或速度场与部分应力场联系起来，则滑移线解便是一个上限 解；如果塑性区的部分应力分布可以扩延至整个物体，且满足平衡方程、屈服准 则和应力边界条件，则滑移线解又是一个下限解口】。 2 极限平衡法 在土力学中，地基承载力计算是与另外两个分支即边坡稳定分析和土压力计 算同时发展起来的。1 7 7 6 年法国工程师库仑( c a c o u l o m b ) 提出了计算挡土墙 土压力的方法，标志着土力学雏型的产生；1 8 5 7 年朗肯( w j m r a n k i n e ) 在假 设墙后土体各点处于极限平衡状态的基础上，建立了计算主动与被动土压力的方 法。库仑和朗肯在分析土压力是采用的方法后来被推广到地基承载力和边坡稳定 分析中，形成了一个体系极限平衡法。 极限平衡法是建立在m o h r - c o u l o m b 屈服条件( 强度准则) 基础上的，其基 本特点是只考虑静力平衡条件和土的m o h r - c o u l o m b 破坏准则，即通过分析土体 破坏时刻力的平衡来求得问题的解。当然，在大多数情况下，问题是静不定的。 极限平衡法处理这类问题的对策是引入一些简化假定，使问题变得静定可解。 因此，用极限平衡法进行土体稳定分析时，必须要事先假定滑动面，而且对 研究对象的受力情况做出适当的假定。虽然滑动体在整体上满足力和力矩的平衡 方程，但是滑动体内部滑动面上以及滑动体以外的任意一点的应力都不一定满足 屈服条件，这就决定了用这种方法得到的结果只能是近似解。当然，极限分析法 也只能得到近似的数值解，但是我们可以明确地知道结果是上限解还是下限解。 这一点是非常重要的，而极限平衡法则不一定做到这一点或者不能严格地做到这 7 第1 章绪论 一点。另外把有限元法和极限分析原理相结合，我们可以求出严格的可静应力场 和可动速度场，从而可以严格保证任意一点都不违反屈服条件，这也是极限平衡 法无法做到的。 虽然极限平衡法是土力学中的传统方法，需要假定各种简单形状的破坏面以 及破坏面上的应力分布，而且破坏面内不一定能很好地满足固体力学的一些基本 方程，使分析方法的严密性受到损害，但是，对计算结果的精度损害并不大嗍。 这种处理方法带来的好处是使分析计算工作大为简化，因而在工程中获得广泛应 用。 3 极限分析法 一般地说，有无数多个应力状态能单独满足应力边界条件、平衡方程和屈服 准则；有无数多个位移模式能满足位移边界条件与变形相容条件。在弹性理论中， 是用应力一应变关系来判断给定的应力是否与位移状态相适应，以及所得到的解 是否是唯一的。然而，对于弹塑性材料而言，求解时一般分为三个阶段，即弹性 状态的初始阶段、约束塑流的中间阶段和自由塑流的最后阶段。除了最简单的问 题外，要得到这种情况下的完全解相当困难。 与滑移线和极限平衡法不同，极限分析法以一种理想的方式考虑了土的应力 应变关系。这种理想化叫做流动法则，据此建立了极限分析基础的极限定理口。 在这一假设范围内，极限分析法是严密的，而且解题过程简洁方便。 上限定理认为，在一个假设的满足速度边界条件和应变与速度相容条件的速 度场中，由外荷载功率等于所消耗的内力功率所确定的荷载一定不小于实