《基坑变形估算》ppt课件

1、1.概述及研讨现状2.基坑变形景象3.基坑变形机理4.地层损失法5.估算法6.纵向沉降7.基底隆起变形8.刚性挡土墙位移 深基坑开挖不仅要保证基坑本身的平安与稳定，而且要有效控制基坑周围地层挪动以维护环境。在地层较好的地域如可塑、硬塑粘土地域，中等密实以上的砂土地域，软岩地域等。基坑开挖所引起的周围地层变形较小，如适当控制，不致于影响周围的市政环境，但在软土地域如天津、上海、福州等沿海地域，特别是在软土地域的城市建立中，由于地层的脆弱复杂，进展基坑开挖往往会产生大的变形，严重影响紧靠深基坑周围的建筑物、地下管线、交通干道和其他市政设备，因此是一项很复杂而带风险性的工程。 目前国内外有多种预测深

2、基坑稳定性的计算实际，但很少有对基坑周围地层挪动性进展估算的方法。近几年大量的基坑工程实际积累了丰富的阅历，也产生了一些较称心的地层挪动阅历预测方法，实践运用效果较好。 基坑的变形计算实际能否较好地反映实践情况受很多要素的制约，除围护体系本身及周围土体特性外，较多地受施工要素影响，计算参数难以准确确定，每一个计算实际都有其运用范围，故计算中必需充分思索到这一点。 此外，在软土地域，基坑的变形计算还需思索时空效应的影响，普通以为，在具有流变性的软土中，基坑的变形墙体，土体的变形随着时间的增长而增长，分块开挖时留土的空间作用对基坑变形具有很好的控制造用，时间和空间两个要素同时协调控制可有效地减少基

3、坑的变形。 目前，在城市基坑工程设计中，基坑变形控制要求越来越严厉，此前以强度控制设计为主的方式逐渐被以变形控制设计为主的方式所取代，因此基坑的变形分析成为基坑工程设计中的一个极重要的组成部分，这一点在软土地域尤为重要。 土建工程施工控制的概念，最初是由 Yao JT P于 1972年初次提出的，它的根本思想是依托构造物与控制系统间的优化匹配，共同抵御工程及其他外荷载，进而控制其变形位移在允许的限值以内。 在我国，基坑工程施工变形控制的研讨始于九十年代。变形控制的根本思想是要求支护构造在满足强度及构造稳定的前提下，尚需满足控制变形位移的运用要求，也即，地下工程施工中既要保证其构造平安、不失稳，

4、又要对周围环境不呵斥超出允许变形限值的不利影响。 对施工变形的主要研讨方法有平安系数法、阅历公式法、数值方法正分析与反分析、地层损失法、系统分析方法。 灰色系统预测法 时间序列预测法 人工神经网络预测法 对灰色系统模型分析可发现，其本质为一种曲线拟合。 其运用条件 为：1灰色系统建模的前提是数据序列为光滑的离散函数，其关系可用一个初等函数来表达； 2灰色系统模型仅描画一个随时间按指数规律单调增长的或衰减的过程。 灰色系统模型的运用范围非常狭小，它既不适用于数据变化规律上凸的情况，又不适用于数据中有负数的情况。 因此，在岩土工程位移预测中应慎用灰色系统建模进展预测研讨。 对时间序列ARMA模型进

5、展分析，可发现此模型本身为一种线性自回归模型，可以为它是一种差分方程方式的参数模型。其运用条件为： 1 要求数据序列为平稳、正态的序列； 2 序列中的数据应该是其历史数据的线性组合。 由于时间序列模型表示一种随机信号的统计特性，从而要求数量应该比较大，这就使在允许观测时间短且位移变化不大的情况下，量测有一定难度，实施起来并不方便。 在实践的岩土工程中，所观测得到的位移序列普通不能够为平稳、正态的随机序列；很多情况下，观测序列都不能符合是其历史数据线性组合的特点。这些均限制了时间序列模型的运用。 由神经网络模型的建模过程可发现，该方法本质为非线性自回归模型。对观测序列几乎没有什么要求，它几乎可以

6、对任何能够的序列进展分析。目前岩土工程位移预测均采用最简单、常用的无反响前向神经网络模型BP模型，预测方法采用自回归法。分析这样构造的模型，可发现运用中存在大量有待处理的问题。如：1 网络构造确实定 2 结点单元作用函数确实定 3 BP算法问题 4 神经网络的外延性 虽然人工神经网络模型的观测数据序列要求不多，但正是这种普适性增大了神经网络模型建模的难度。 神经网络在土木工程领域内的运用已有大量的工程实例，目前主要运用于构造探伤、振动分析、构造优化和控制等方面。袁金荣博士等曾将其作为一种工具引入到地下工程，研讨其在地下工程设计、施工各方面的运用可行性，并和模糊控制相结合，建立一套集地下工程施工

7、变形预测和控制为一体的智能化控制系统。 在基坑工程方面，目前主要用于变形预测、工程或研讨分类、评价与分析等方面。 研讨方法综述 深基坑变形预估方法 基坑变形预警值的研讨 采用的方法主要有，物理模拟法、数值模拟法、半实际解析法、阅历公式预测法以及非线性预测方法等。 在实践工程中常采用一种或几种相结合的预测方法，而以阅历公式所计算的墙后地面最大沉降量和以半实际解析法所算的墙体最大程度位移量，为验证和调整各种计算方法所用参数及计算结果的主要可信参照数据。 总体上，采取实际导向、测试定量和阅历判别相结合的方法，以求可靠、适用、简易的技术效果。 Clongh 和 Schmidt阅历方法 G.Wayne

8、Clongh和Birger Schmidt将深基坑开挖释放应力而引起的墙体挪动分为“和“ 两种根本型式。 DhmHhmvm1.4DHvm1.4WShm vmvm (）位移小 墙体最大水平位移hm （）位移大 墙后最大地表沉降vm对于第种型式：沉降影响范围 245tanD0最大地面沉降 245tanDH/S2w0对于第种型式；沉降影响范围x0 同上地面沉降量 1exp10ma某项研讨中采用的各类变形预警值如下：1允许地面最大沉降量0.3%H, H为坑深，如按 50m计，那么应15cm；2允许围护墙体的最大程度位移值0.4%H, 那么应20cm ;3允许的最大坑深高程处的基底隆起量0.7%H, 那

9、么应35cm4变形速率： 墙体程度位移6mm/天； 坑周地表位移4mm/天。5对长江大堤变形控制的警戒值： 最大允许变形，应5cm； 最大允许变形速率，应2mm/天。一一. 墙体的变形墙体的变形墙体程度变形 当基坑开挖较浅，还未设支撑时，不论对刚性墙体(如水泥搅拌桩墙，旋喷桩桩墙等)还是柔性墙体(如钢板桩，地下延续墙等)，均表现为墙顶位移最大，向基坑方向程度位移，呈三角形分布(图1(a)，随着基坑开挖深度的添加，刚性墙体继续表现为向基坑内的三角形程度位移或平行刚体位移，而普通柔性墙如设支撑，那么表现为墙顶位移不变或逐渐向基坑外挪动，墙体腹部向基坑内突出(图1(b)。 图图1 墙体程度位移墙体程

10、度位移墙体竖向变位 在实践工程中，墙体竖向变位量测往往被忽视，现实上由于基坑开挖土体自重应力的释放，致使墙体有所上升。有工程报道，某围护墙上升达10cm之多。墙体的上升挪动给基坑的稳定、地表沉降以及墙体本身的稳定性均带来极大的危害。特别是对于饱和的极为脆弱的地层中的基坑工程，更是如此。当围护墙底下因清孔不净有沉渣时，围护墙在开控中会下沉，地面也下沉。 在开挖深度不大时，坑底为弹性隆起，其特征为坑底中部隆起最高(图2(a)、当开挖到达一定深度且基坑较宽时，出现塑性隆起，隆起量也逐渐由中部最大转变为两边大中间小的方式(图2(b)，但对于较窄的基坑或长条形基坑，仍是中间大，两边小分布。 二二. 基坑

11、底部的隆起基坑底部的隆起图图2 基底的隆起变形基底的隆起变形 根据工程实际阅历，地表沉降的两种典型的曲线外形如图3所示。图3(a)的情况主要发生在地层较脆弱而且墙体的入土深度又不大时，墙底处显示较大的程度位移，墙体旁边出现较大的地表沉降。图3(b)的情况主要发生在有较大的入土深度或墙底入土在刚性较大的地层内墙体的变位类同于梁的变位，此时地表沉降的最大值不是在墙旁，而是位于离墙一定间隔的位置上。 三三. 地表沉降地表沉降图图3地表的地表的沉降曲沉降曲线方式线方式 地表沉降的范围取决于地层的性质、基坑开挖深度H、墙体人土深度、下卧脆弱土层深度、基坑开挖深度以及开挖支撑施工方法等。沉降范围普通为(1

12、4)H，日本对于基坑开挖工程，提出图4所示的影响范围。基坑变形过大将导致基坑失稳破坏。图图4 基坑开挖变形的影响范围基坑开挖变形的影响范围(a)砂土及非软粘土时的影响范围(b)软粘土时的影响范围(入土在良好地层的情况)(c)软粘土时的影响范围(围护墙入土在脆弱地层的情况) 当由于设计上的过错或施工上的不慎，往往呵斥基坑的失稳。致使基坑失稳的缘由很多，主要的可以归纳为两个方面： 一是因构造(包括墙体、支撑或锚杆等)的强度或刚度缺乏而使基坑失稳； 一是因地基土的强度缺乏而呵斥基坑失稳。 基坑的破坏主要表现为以下一些方式： 由于设计放坡太陡，或雨水、管道漏水等缘由导致土体抗剪强度降低，引起基坑边土体

13、滑坡，如图5所示。 一一. 放坡开挖基坑放坡开挖基坑图图5 放坡开挖基坑破坏方式放坡开挖基坑破坏方式9m 刚性挡土墙为水泥土搅拌桩、旋喷桩等加固土组成的宽度较大的一种基坑围护方式，其破坏方式有如下几种： 由于墙体的入土深度不够、或由于墙底土体太脆弱，抗剪强度不够等缘由，导致墙体及附近土体整体滑移破坏，基底土体隆起，如图6(a)所示； 由于基坑周围打排土桩或其它挤土施工、基坑边堆载、重型施工机械行走等引起墙后土压力添加、或者由于设计抗倾覆平安系数不够，导致墙体倾覆，见图6(b)； 二二. 无支撑刚性挡土墙基坑无支撑刚性挡土墙基坑图图6刚性挡土墙基刚性挡土墙基坑破坏方式坑破坏方式 当设计抗滑平安系

14、数不够、或者墙前被动区土体强当设计抗滑平安系数不够、或者墙前被动区土体强度较低时，导致墙体变形过大或整体刚性挪动，见图度较低时，导致墙体变形过大或整体刚性挪动，见图6(c)； 当设计挡土墙抗剪强度不够，或由于施工不当呵斥当设计挡土墙抗剪强度不够，或由于施工不当呵斥墙体的抗剪强度达不到设计要求，导致墙体剪切破坏，见墙体的抗剪强度达不到设计要求，导致墙体剪切破坏，见图图6(d)。图图6 刚性挡土墙基坑破坏方式刚性挡土墙基坑破坏方式 柔性围护墙是相对于刚性围护墙而言的，包括钢板桩墙，钢筋混凝土板桩墙，柱列式墙，地下延续墙等，其主要破坏方式如下： 当挡土墙刚度较小时，会导致墙后地面产生较大的变形，危及

15、周围地下管线、建筑物、地下构筑物等，见图7(a)； 当挡土墙强度不够、而插入又较深或插入较好的土层、在土压力的作用、会导致墙体折断、见图7(b)。 三三. 无支撑柔性围护墙围护基坑无支撑柔性围护墙围护基坑图图7无支撑柔性围护无支撑柔性围护墙基坑破坏方式墙基坑破坏方式 由于施工抢进度，超量挖土，支撑架设跟不上、使围护墙短少大量设计上必需的支撑，或者由于施工单位不按图施工，抱侥幸心思，少加支撑，致使围护墙体应力过大而折断或支撑轴力过大而破坏或产生危险的大变形，见图8(a)； 由于支护体系设计刚度太小，周围土体的紧缩模量又很低。而产生很大的围护墙踢脚变形，见图8(b)； 四四. 内支撑基坑内支撑基坑

16、图图8内支撑基坑内支撑基坑的破坏方式的破坏方式(a)缺支撑或缺支撑或超挖；超挖；(b)围护墙的围护墙的位移非常大；位移非常大； 在饱和含水地层(特别是有砂层、粉砂层或其他的夹层等透水性较好的地层)、由于围护墙的止水效果不好或止水构造失效，致使大量的水夹带砂粒涌入基坑，严重的水土流失会呵斥支护构造失稳和地面坍陷的严重事故，还能够先在墙后构成洞穴而后忽然发生地面坍陷，见图8(c)； 由于支撑的设计强度不够或由于支撑架设偏心较大达不到设计要求而导致基坑失稳；有时也伴随着基坑的整体滑动破坏，见图8(d)；图图8 内支撑基坑的破坏方式内支撑基坑的破坏方式(c)漏砂导致失稳；漏砂导致失稳；(d)支撑失稳；

17、支撑失稳； 由于基坑底部土体的抗剪强度较低，致使坑底土体产生塑性流动而产生隆起破坏见图8(e)；图图8 内支撑基坑的破坏方式内支撑基坑的破坏方式(f)突突涌破坏涌破坏 在隔水层中开挖基坑时，当基底以下承压含水层的水头压力冲破基坑底部土层，发生坑底突涌破坏，见图8(f)；图图8 内支撑基内支撑基坑的破坏坑的破坏方式方式(e)底部隆底部隆起破坏起破坏 在砂层或粉砂地层中开挖基坑时，在不打井点或井点失效后，会产生冒水翻砂(即管涌)、严重时会导致基坑失稳，见图8(g)； 在超大基坑，特别是长条形基坑(如地铁车站、明挖法施工隧道等)内，分区放坡挖土，由于放坡较陡、降雨或其它缘由引致滑坡，冲毁基坑内先期施

18、工的支撑及立柱，导致基坑破坏，见图8(h)；图图8 内支撑基坑的破坏方式内支撑基坑的破坏方式(g)冒水翻砂冒水翻砂(管涌管涌)； (h)长条形基坑内部放坡破长条形基坑内部放坡破坏引致破坏坏引致破坏 由于支撑设计强度不够，或由于加支撑不及时，可由于坑内滑坡，围护墙自在面过大，使已加支撑轴力过大，或由于外力撞击，或由于基坑外注浆、打桩、偏载呵斥不对称变形等等，导致围护墙周围向坑内倾倒破坏，俗称“包饺子，见图8(i)图图8 内支撑基坑的破坏方式内支撑基坑的破坏方式(i)内内倾破坏倾破坏 由于锚杆和围护墙，锚杆和锚碇衔接不牢、或者由于锚杆张拉不够、太松弛，或者由于设计上或施工上缘由呵斥锚杆强度不够或抗

19、拔力不够，或者由于施作锚杆后出现未预料的超载，或者锚碇处有脆弱夹层存在等缘由，导致基坑变形过大或基坑破坏，见图9(a)； 由于围护墙入土深度不够，或基坑底部超挖，导致基坑踢脚破坏，见图9(b)； 五五. 锚拉基坑锚拉基坑图图6 拉锚板桩基坑的破坏方式拉锚板桩基坑的破坏方式(a)、(b) 由于选用围护墙截面太小，或对土压力作了不正确的估计，或者墙后出现未预料的超载等缘由、导致围护墙折断，见图9(c)； 由于设计锚杆太短、锚杆整体均位于滑裂面以内致使基坑整体滑动破坏，见图9(d)； 由于墙后地面超量沉降，使锚杆变位，或产生附加压力，危及基坑平安，见图9(e)。 锚杆基坑的破坏方式类似于拉锚基坑，此

20、处略。图图9(c)图图9(e)图图9(d) 基坑变形包括围护墙的变形、坑底隆起及基坑周围地层挪动。基坑周围地层挪动是基坑工程变形控制设计中首要问题，故本节主要讨论地层挪动机理，其中也包括围护墙的变形和坑底隆起变形机理。 基坑开挖的过程是基坑开挖面上卸荷的过程，由于卸荷而引起坑底土体产生以向上为主的位移，同时也引起围护墙在两侧压力差的作用下而产生程度向位移和因此而产生的墙外侧土体的位移。可以以为，基坑开挖引起周围地层挪动的主要缘由是坑底的土体隆起和围护墙的位移。 坑底隆起是垂直向卸荷而改动坑底土体原始应力形状的反响。在开挖深度不大时，坑底土体在卸荷后发生垂直的弹性隆起。当围护墙底下为清孔良好的原

21、状土或注桨加固土体时，围护墙随土体回弹而抬高。坑底弹性隆起的特征是坑底中部隆起最高，而且坑底隆起在开挖停顿后很快停顿。这种坑底隆起根本不会引起围护墙外侧土体向坑内挪动。随着开挖深度添加，基坑内外的土面高差不断增大，当开挖到一定深度，基坑内外土面高差所构成的加载和地面各种超载的作用，就会使围护墙外侧土体产生向基坑内挪动，使基坑坑底产生向上的塑性隆起，同时在基坑周围产生较大的塑性区，并引起地面沉降。 1. 坑底土体隆起坑底土体隆起 在旧金山勒威斯特拉斯大楼(Levi Strauss Building)的粘性土深基坑工程中，曼纳(Mana)按不同开挖深度以实际预测，做出基坑周围地层挪动矢量场及塑性区

22、分布如图10。基坑围护构造采用钢板桩，该图能较清楚地反映深基坑开挖中周围地层挪动的范围和幅度随开挖深度加大而增大的根本情况。这个基坑工程地层的不排水抗剪强度 为有效垂直压力，土体重力密度 紧缩模量 ，基坑支护墙系用钢板桩打入硬土层。基坑宽度12m。008.830.2uVVS，300uES图图10 软粘土基坑随开挖深度软粘土基坑随开挖深度添加基坑添加基坑 周围土体挪动及塑性区周围土体挪动及塑性区的开展的开展 H-开外深度；开外深度；F-抗隆起抗隆起平安系数；平安系数；B-基坑宽度基坑宽度317.8/KN m 在宝钢最大铁皮坑工程中胜利地在粘性土层中采用圆形围护墙从事深基坑施工。其内径为24.9m

23、，开挖深度32.0m，围护墙插入深度28m，墙厚1.2m，围护墙有内衬。由于圆形围护墙构造在周围较均匀的荷载作用下，遭到环向箍压力，因此槽段接头压紧，构造稳定。在开挖过程中不用支撑，墙体变形很小，在该深基坑工程小，基坑周围地层挪动几乎都是出于坑底隆起引起的，施工单位对此圆形基坑的坑底隆起随开挖加深而增大的变化，进展了较详细的观测。观测结果阐明：在开挖深度为10m左右时，坑底根本为弹性隆起，坑中心最大回弹量约8cm，而在自标高-13m至-32.2m的开挖过程中，坑底发生塑性隆起，观测到的坑底隆起线呈两边大中间小的方式，参见图11。挖至 -0.7时，坑底隆起线；挖至-10.4时，坑底隆起线； 挖至

24、-13.2时，坑底隆起线； 挖至-22.6时，坑底隆起线； 挖至-23.4时，坑底隆起线； 挖至-32.2时，坑底隆起线；图图11 随开挖加深观测的坑底隆起线随开挖加深观测的坑底隆起线 在坑底塑性隆起中，基坑外侧土体向坑内挪动。图12表示出开挖深度到标高32.2m时，围护墙底下及围护墙外侧3、 9、 18、 30m处土体向基坑的程度位移曲线。图图12 开挖至标高开挖至标高-32.2m时土体向坑内程度位移时土体向坑内程度位移 圆形基坑坑底隆起在直径与开挖深度之比较小的条件下、由于圆形基坑的支护构造和坑底土体的空间作用，在隆起方式和幅度上与条形支护基坑者有所不同，但两种基坑坑底隆起都是随开挖深度的

25、添加而由弹性隆起开展到塑性隆起，而塑性隆起又伴随着基坑外侧土体向坑底挪动。只是条形支护基坑由于支护构造及坑底土体不像圆形者有空间作用，因此在基坑宽度与开挖深度比较小时，就会发生坑底的塑性隆起。当支护构造无插入深度时，基坑更易在开挖深度较小时即发生坑底的塑性隆起和相伴随的基坑周围地层挪动。当塑性隆起开展到极限形状时，基坑外侧土体便向坑内产生破坏性的滑动，使基坑失稳，基坑周围地层发生大量沉陷。 围护墙墙体变形从程度向改动基坑外围土体的原始应力形状而引起地层挪动。 基坑开场开挖后，围护墙便开场受力变形。在基坑内侧卸去原有的土压力时，在墙外侧那么遭到自动土压力，而在坑底的墙内侧那么遭到全部或部分的被动

26、土压力。由于总是开挖在前，支撑在后，所以围护墙在开挖过程中，安装每道支撑以前总是已发生一定的先期变形。挖到设计坑底标高时，墙体最大位移发生在坑底面下12m处。 围护墙的位移使墙体自动压力区和被动压力区的土体发生位移。墙外侧自动压力区的土体向坑内程度位移，使背后土体程度应力减小，以致剪力增大，出现塑性区，而在基坑开挖面以下的墙内侧被动压力区的土体向坑内程度位移，使坑底土体加大程度向应力、以致坑底土体增大剪应力而发生程度向挤压和向上隆起的位移，在坑底处构成部分塑性区。 而围护墙程度位移与围护墙外侧地面沉降的比值，以及沉降大小与沉降范围的关系，那么可大体示于图13。 2. 围护墙位移围护墙位移 从图

27、13中可看出：墙体位移量小时，墙外侧地面最大沉降量约为墙体位移的70或更小，由于墙体位移小，墙外侧与土体间摩擦力可以制约土体下沉，故接近围护墙处沉降量很小，沉降范围小于2倍开挖深度；而当墙体位移量大时，地面最大沉降量就与墙体位移量相等，此时墙外侧与土体间摩擦力已丧失对于墙后土体下沉的制约才干，所以最大沉降量发生在紧靠围护墙处，沉降范围大于4倍开挖深度。 图图13 粘性土中基坑围护墙及地表变形的根本情况粘性土中基坑围护墙及地表变形的根本情况(a)墙体位移小；墙体位移小；(b)墙体位移大墙体位移大 墙体最大位墙体最大位移；移； 地面最大沉降地面最大沉降maxVSmaxL 墙体变形不仅使墙外侧发生地

28、层损失而引起地面沉降，而且使墙外侧塑性区扩展，因此添加了墙外土体向坑内的位移和相应的坑内隆起(见图14、图15)。图图14 加支撑预应力后加支撑预应力后墙体上水墙体上水 平土体应力变化预测平土体应力变化预测Clough下支撑在预应力之前下支撑在预应力之前的土压力的土压力下支撑加预应力下支撑加预应力之后的土压力之后的土压力图图15 有无及时加支撑预应力有无及时加支撑预应力时，墙体时，墙体 及地面变形的对比及地面变形的对比未及时加支撑预应力未及时加支撑预应力 精心及时加支撑预精心及时加支撑预应力应力 因此，同样工程地质和埋深条件下，深基坑周围地层变形范围及幅度，因墙体的变形不同而有很大差别，墙体变

29、形往往是引起周围地层挪动的重要缘由。 在上海软粘土中的深基坑，墙体变形和基坑坑底隆起不仅在施工阶段，因产生地层损失引起基坑周围地层挪动，而且由于地层挪动使土体遭到扰动，故在施工后期相当长的时间内基坑周围地层还有渐渐收敛的固结沉降。 在基坑地质条件、长度、宽度、深度均一样的条件下，许多要素会使周围地层挪动产生很大差别，因此可以采用相应的措施来减小周围地层的挪动。影响周围地层挪动的主要相关要素有以下几点： 1.支护构造系统的特征； 2.基坑开挖的分段、土坡坡度及开挖程序； 3.基坑内土体性能的改善； 4.开挖施工周期和基坑暴露时间； 5.水的影响； 6.地面超载和振动荷载 7.围护墙接缝的漏水及水

30、土流失、涌砂。墙体的刚度、支撑程度与垂直向的间距 普通大型钢管支撑的刚度是足够的。如如今常用609mm、长度为20m的钢管支撑，接受1765kN(180t)压力时，其弹性紧缩变形也只需约6mm。但垂直向间距的大小对墙体位移影响很大。从图16中可见刚度参数与支撑间距h的4次方成反比，所以当墙厚已定时，加密支撑可有效控制位移。 1. 支护构造系统的特征支护构造系统的特征图图16墙体位移与墙体刚度墙体位移与墙体刚度EI支撑间距支撑间距h的关系的关系 减少第一道支撑前的开挖深度以及减少开挖过程中最下一道支撑距坑底面的高度，对减少墙体位移尤有重要作用。第一道支撑的开挖深度h1应小于 为土体不排水抗剪强度

31、，为土重度)，以防止因h1过大而使墙体外侧土体发生较大程度挪动和在较大范围内产生地面裂痕，见17。开挖过程中，最下一道支撑距坑底面的高度越大，那么插入坑底墙体被动压力区的被动上压力也相应加大，这必增大被动压力区的墙体及土体位移如图18。图图17 墙体位移、地面开裂表示图墙体位移、地面开裂表示图2uuSS（图图18 墙体、土体位移墙体、土体位移Pp被动土压力；被动土压力；Pa自动土压自动土压力力墙体厚度及插入深度 在保证墙体有足够强度和刚度的条件下，恰当添加插入深度，可以提高抗隆起稳定性。也就可减少墙体位移，但对于有支撑的围护墙，按部分地域的工程实际阅历，当插人深度0.9H时，其效果不明显。根据

32、上海地铁车站或宽20m左右的条形深基坑工程阅历，围护墙厚度普通采用0.05H(H为开挖深度)，插入深度普通采用0.60.8H，对于变形控制要求较严厉的基坑、可适当添加插入深度；对于悬臂式挡土墙，插入深度普通采用1.01.2H。支撑预应力的大小及施加的及时程度 及时施加预应力，可以添加墙外侧自动压力区的土体程度应力，而减少开挖面以下墙内侧被动土压力区的土体程度应力，从而添加墙内、外侧土体抗剪强度，提高坑底抗隆起的平安系数，有效地减少墙体变形和周围地层位移，对加支撑应力后围护墙内侧程度应力的变化Clough曾作过有限元分析预测，见图14。根据上海已有阅历在饱和脆弱粘土基坑开挖中，如能延续地用16h

33、挖完一层(约3m厚)中一小段(约6m宽)土方后，即在8h内安装好2根支撑并施加预应力至设计轴力的70，可比不加支撑预应力时，至少减少50的位移。如在开挖中不按“分层分小段、及时支撑的顺序，或开挖、支撑速度缓慢，那么必然较大幅度地添加墙体位移和墙外侧地面沉降层的扰动程度，因此增大地面的固结沉降，见图19。安装支撑的施工方法和质量 支撑轴线的偏心度、支撑与墙面的垂直度、支撑固定的可靠性、支撑加预应力的准确性和及时性，都是影响位移的重要要素。图图19 围护墙外侧最大沉围护墙外侧最大沉降点沉降过程曲线降点沉降过程曲线 长条形深基坑按限定长度L分段开挖时，可利用基坑的空间作用，以提高基坑抗隆起平安系数，

34、减少周围地层挪动，Skempton曾对长条形、方形和长宽比为2的矩形基坑的抗隆起平安系数提出如下计算公式 2. 基坑开挖的分段、土坡坡度及开挖程序基坑开挖的分段、土坡坡度及开挖程序抗隆起平安系数：ucsS NFHquSHcNq不排水抗剪强度(KN/m )；土体重度(KN/m )；开挖深度(m)；从图20中查出；地面超载。 2 3图图20 按基坑长、宽、深按基坑长、宽、深尺寸查尺寸查Nc的图表的图表 从这个公式可知在同样地质的基坑中Fs正比于Nc，如对H/B1及B/L0的长方形基坑，由图可知右图中红圈点：006.46.4ucsSNFHq， 对H/B1及B/L=1的方形基坑，由图可知右图中绿圈点：

35、107.71.216.4ssFF 从中可知117.77.7ucsSNFHq， 即H/B1的方形基坑的抗隆起平安系数，比H/B1的长条形(B/L0)基坑大21。 参照上述算法，可以以为长条形深基坑按限定长度(不超越基坑宽度)进展分段开挖时，基坑抗隆起平安系数必有一定的添加，添加比例为1020。 根据上海地域阅历，当某长条形深基坑抗隆起平安系数为1.5时，如不分段开挖，墙体最大程度位移为1H。这属于大的墙体位移，参照图13当墙体位移量大时 ，那么相应的地面最大沉降Sv 1H，地面沉降范围2H。 如分段开挖，抗隆起平安系数添加20，Ks1.5(1+20)1.8，墙体最大程度位移为0.6 H ，这属于

36、小的墙体位移，参照图13当墙体位移量小时 ，那么相应的地面最大沉降Sv1.40.43 H，地面沉降范围2H。 由此可清楚地看到：将长条形的基坑按比较短的段，分段开挖，对减少地面沉降、墙体位移、和地层程度位移是有效的，同样，将大基坑分块开挖亦具有一样的作用。maxmaxVLSmaxmaxVLS1.4 在每个开挖的开挖程序中，如分层、分小段开挖、随挖随撑，就可在分步开挖中，充分利用土体构造的空间作用，减少围护墙被动压力区的压力和变形，还有利于尽速施加支撑预应力，及时使墙体压紧土体而添加土体抗剪强度。这不仅减少各道支撑安装时的墙体先期变形，而且可提高基坑抗隆起的平安系数。否那么将明显增大土体位移。

37、如某基坑在挖到最后的第5道支撑的一层土时，开挖了12m一段后延搁了24小时未加支撑，使地面沉降明显地比及时支撑的部分大了34mm，见图21。这里表现出基坑开挖中时间效应对墙体和地面变形的明显影响。图图21 支撑时间与沉降大小关系图支撑时间与沉降大小关系图 在基坑内外进展地基加固以提高土的强度和刚性，对治理基坑周围地层位移问题的作用，无疑是一定的，但加固地基需求一定代价和施工条件。在坑外加固土体，用地和费用问题都很大，非特殊需求很少采用。普通说在坑内进展地基加固以提高围护墙被动土压力区的土体强度和刚性(Su和E)，是比较常用的的合理方法。 在脆弱粘性土地层和环境维护要求较高的条件下，基坑内土体性

38、能改善的范围，应思索自地面至围护墙底下被挖槽扰动的范围。井点降水、注浆加固等方法都是有效的加固方法。但在上海粘性土夹有薄砂层(Kh10100Kv，Kh为程度浸透系数，Kv为垂直浸透系数)或粘性土与砂性土互层的地质条件下，以井点降水加固土体，效果明显，运用广泛。当基坑粘性土夹薄砂层时，如开工前一段时间就开场降水，对基坑土体强度和刚性可有很大提高，根据上海已有阅历，降水一个月后土体强度可提高30，再参照Teyake Broome等国际岩土专家实验，粘性土深基坑土体抗剪强度为： 3. 基坑内土体性能的改善基坑内土体性能的改善00100.2uVVSh，土浮重度；土体埋深。h 如对基坑自地面至基坑以下6

39、m厚的土层进展井点降水，那么疏干区以上土层的有效应力为： 当计算有效应力 时， 为土重度。将土浮重度改为重度，其数值添加约一倍多，这对降水范围及其下卧地层的各层土层或起到预压固结作用。何况超前一段时间降水，还可因排水固结添加强度。特别是夹砂层的水降除后，围护墙内力计算模型中的土体程度向弹簧系数KH也可提高约一倍，这对提高基坑抗隆起平安系数以及减少围护墙的位移有很大的作用。当然采用注浆等地基加固法，对提高被动区的土体刚度和强度、减少周围地层挪动，也有明显作用。但要先从技术经济上与降水加固法做比较论证。0Vh0V 这里也要指出不适当地加深降水滤管也会影响围护墙外围地层下沉，这要根据地质条件做细致研

40、讨，图22表示基坑内降水后对基坑外侧地层静水压力的影响，应留意当围护墙底部存在浸透系数较大的砂性土层，就有坑内降水对坑外地层产生排水固结的影响(如图23)。图图22 基坑内降水后，基基坑内降水后，基坑底下及外侧静水压力变化坑底下及外侧静水压力变化图图23 某基坑坑内降水引起某基坑坑内降水引起 墙外地表沉降墙外地表沉降 为减少此影响，必要时要采取加隔水帷幕或回灌水措施。当基坑坑底粘性土层以下存在有承压水的砂性土层时，坑底粘性土层要被承压水顶托上抬，乃至被承压水顶破涌砂，产生破坏性隆起，在此地质条件下，那么应思索在砂性土中注浆以构成平衡承压水压力的不透水层见图24。而确定基坑底至注浆层(不透水层)

41、底面的高度h，应使hPw，(为注浆层底面以上至坑底面的加权平均土重度)。图图24以注浆层平衡以注浆层平衡承压水压力承压水压力 在粘性土的深基坑施工中，周围土体均到达定的应力程度，还有部分区域成为塑性区。由于粘性土的流变性，土体在相对稳定的形状下随暴露时间的延伸而产生挪动是不可防止的，特别是剪应力程度较高的部位，如在坑底下墙内被动区和墙底下的土体滑动面，都会因坑底暴露时间过长而产生相当的位移，以致引起地面沉降的增大。特别要留意的是每道支撑挖出槽以后，如延搁支撑安装时间，就必然明显地添加墙体变形和相应的地面沉降。在开挖到设计坑底标高后，如不及时浇筑好底板，使基坑长时间暴露，那么因粘性土的流变性亦将

42、增大墙体被动压力区的土体位移和墙外土体向坑内的位移，因此添加地表沉降，雨天尤甚，见图25。 4. 开挖施工周期和基坑暴露时间开挖施工周期和基坑暴露时间图图25 墙外侧地面沉降量随坑底暴露时间延伸而增大墙外侧地面沉降量随坑底暴露时间延伸而增大此段约50m，自开挖到第5道支撑到浇好底板历时47天；此段约40m，自开挖到第5道支撑到浇好底板历时30天； 5. 水的影响水的影响 雨水和其它积水无抑制地进入基坑，而不及时排除坑底积水时，会使基坑开挖中边坡及坑底土体软化，从而导致土体发生纵向滑坡，冲断基坑横向支撑，增大墙体位移和周围地层位移。 6. 地面超载和振动荷载 地面超载和振动荷载会减少基坑抗隆起平

43、安度添加周围地层位移 7. 围护墙接缝的漏水及水土流失、涌砂。 由于墙前土体的挖除，破坏了原来的平衡形状，墙体向基坑方向的位移，必然导致墙后土体中应力的释放和获得新的平衡，引起墙后土体的位移。现场量测和有限元分析阐明：此种位移可以分解为两个分量即土体向基坑方向的程度位移以及土体竖向位移。土体竖向位移的总和表现为地面的沉陷。 同济大学侯学渊教授在长期的科研与工程实际中，参考盾构法隧道地面沉降Peck和Schmidt公式，自创了三角形沉降公式的思绪提出了基坑地层损失法的概念，地层损失法即利用墙体程度位移和地表沉陷相关的原理，采用杆系有限元法或弹性地基梁法，然后根据墙体位移和地面沉降二者的地层挪动面

44、积相关的原理，求出地面垂直位移即地面沉降。也有用个阅历系数乘上墙体程度位移而求得地面沉降值的。我国在地下构造和地基根底设计中，较习惯于用经工程考验过的半阅历半实际公式，此法已在沿海软土地域逐渐普及，加上适当阅历系数后，与量测结果较一致。 杆件系统有限元单元法简称有限元法，亦称竖向弹性地基梁杆系有限元法，其计算原理是假设围护墙为竖向梁，墙后土压力己知(普通假定为自动土压力)，墙前基坑开挖面以下用弹簧模拟地基抗力，用基床系数表示(可根据实践情况假设不同的K值分布方式)，支撑假设成弹簧，构成一个平衡系统，求解其内力和变形。 杆系有限元计算时是不思索时间影响的，但在具有流变性的软土地层中(如沿海一带软

45、土等)，时间对墙体的位移是有明显的影响的，因此，为了在计算中思索时间的影响，可作如下处置：杆系有限元在每一步计算时，均对支撑处的位移进展修正(支撑架设前的位移)，故可借此时机将时间要素思索进去，即在修正位移上再加上由于土体流变而产生的位移普通以为，修正位移添加时，墙体弯矩亦添加。 为了掌握墙后土体的变形(沉陷)规律，不少学者先后进展了大量的模拟实验，特别是针对柔性板桩围护墙，在软粘土和松软无粘性土中不排水条件下土体变形情况。 实验阐明(图26)： 零拉伸线和与主应变的垂直方向成45角，它们之间相互垂直； 墙后地表任一点的位移与墙体相应点的位移一样，因此地表沉降的纵剖面与墙体挠曲的纵剖面根本一样

46、； 1966年Peck和1974年Bransby部曾指出，软粘土中支撑基坑的地表沉降的纵剖面图与墙体的挠曲线的纵剖面根本一样； 根据以上3条，可以以为：地表最大沉降近似于墙体最大程度位移。图图26 恒定体积时变形的简单速度场恒定体积时变形的简单速度场 这里有两个前提条件：一个条件是开挖施工过程正常，对周围土体无较大扰动；另一个条件是支撑的安设严厉按设计要求进展。但是实践工程是难以完全做到的，所以工程实测得到的地表沉陷曲线往往与墙体变形曲线不一样。将它们进展比较后发现： 对于柔性板桩墙，插入深度较浅，插入比DH0.5)柱列式灌注桩墙等,墙体程度位移 约为墙后地表沉降 的1.4倍，即 ； 地面沉陷

47、影响范围为基坑开挖深度1.03.0倍。maxhmaxvmaxmax1.4hv可采用以下步序将墙体变形和墙后土体的沉陷联络起来。 1. 用杆系有限元法计算墙体的变形曲线即挠曲线。 2. 计算出挠曲线与初始轴线之间的面积。 3. 将上述计算面积乘以m的系数，该系数思索到以下诸要素凭阅历选取： 沟槽较浅(3m左右)、地质是上海地表土硬层和粉质粘土，无井点降水，施工条件普通，暴露时间较短(22)，还填土夯本质量较好。m1.52.0；1nwnSH 深沟槽(6.0m)，地质为淤泥质粉质粘土夹砂或粉质砂土，采用井点降水，施工条件较好，暴露时间较长(10个月)，重型槽钢m2.0； 其它情况同上，钢板桩采用拉森

48、型或包钢产企口钢板桩，m1.5： 基坑较深(10m)，地质淤泥质粉质粘土，粘土夹砂或粉质粘土，采用拉森型或包钢消费企口钢板桩， 采用井点降水，施工条件较好，支撑及时并施加预应力，m1.01.5； 其它类型的基坑根据实践工程阅历选取，如插入较深的地下延续，柱列式灌注桩墙，普通m1.0； 4. 选取典型地表沉陷曲线，11书地表沉降 三角形沉降曲线 三角形的沉降曲线普通发生在围护墙位移较大的情况，如图27(a)所示。地表沉降范围：0tan 452gxH围护墙的高度；墙体所穿越土层的平均内摩擦角。gH沉陷面积与墙体的侧移面积相等得：0maxmax0212WWSxSx，图图27 地表沉降曲线类型地表沉降

49、曲线类型(a)三角形三角形 指数曲线 思索按Peck实际和上海地域实践情况修正方式，参见图28。按Peck实际地面沉降槽取用正态分布曲线。图图28 指数曲线计算方式指数曲线计算方式 根据 图29所示，并在此假定的根底上取04xi10112.54WmSx11042.5WmSx0tan 452gxH12WW围护墙顶位移；围护墙底程度位移，为了保证基坑稳定，防止出现 “踢脚破坏和上支撑失稳，希望控制0.7B，B为根底宽度)时(图35(a)： 基坑底以下存在较硬土层时(图35(b)：1/0.7ucsuS NFHSB1/ucsuS NFHSD图图35 基坑抗隆起稳定平基坑抗隆起稳定平安系数分析方法安系数

50、分析方法不排水抗剪强度； 基坑开挖深度；稳定系数； 土的重度。uScNH 墙后地表最大沉降又与墙体的最大程度位移有一定的关系(见图36)，故墙后地表最大沉降亦与基底抗隆起平安系数Fs存在函数关系，据此，采用有限元分析，在一定的条件下(如假设一定的墙体刚度，支撑刚度，基坑尺寸，土的模量等等)也得到墙体位移、墙后地面沉降与Fs的函数关系，如图37所示，这一函数关系与实测结果不同，是独一的，所以便于实践运用。图图36 实测最大地面沉降实测最大地面沉降量与最大程度位移关系量与最大程度位移关系图图37 最大地面沉降、最最大地面沉降、最大墙体位移与大墙体位移与Fs关系关系 定义 为最大墙体程度位移， 为最

51、大地面沉降量，只需计算处Fs，根据图37可以很容易地获得 和 。 但这里求得最大墙体位移和最大地面沉降是针对于一定的基坑方式和土质情况而言的，对于其他类型的基坑和地质条件，显然不适用，故需作修正。 修正可以从以下几个方面进展： 围护墙刚度和支撑间距，定义修正系数为 ； 支撑刚度和间距，定义修正系数为 ； 硬层之埋深，定义修正系数为 ； 基坑宽度，定义修正系数为 ； 支撑预加轴力，定义修正系数为 ； 土体模量乘子(即模量与不排水抗剪强度之关系系数)，定义修正系数为 ；maxHmaxvmaxHmaxvWsDBpm 修正后的墙体最大程度位移： 修正后的最大地面沉降： 可从图38图43查得。maxma

52、xHwsDBpmH maxmaxVwsDBpmV wsDBpm、图图38 墙体刚度的影响墙体刚度的影响图图39 支撑刚度的影响支撑刚度的影响图图40 硬层深度的影响硬层深度的影响图图41 基坑宽度的影响基坑宽度的影响图图42 支撑预加轴力的影响支撑预加轴力的影响图图43 墙模量乘子的影响墙模量乘子的影响 本法的根据是建立了稳定平安系数与墙体程度位移的固定关系，当某地域具有一定实测数据后，与有限元法结果结合运用，对该地域具有很大可靠性，可以在固定地域推行。 反分析法预测基坑变形特别适用于现场信息反响施工、它根据前期施工情况预测基坑后期变形，预测结果准确度较高，因此对现场施工有较好的指点作用。 岩

53、土工程由于地质、水文条件以及实践地下构造受力机理的复杂性，因此经过室内实验或现场钻探获得土层物理力学参数都有其局限性与离散性，显然，在运用这样的物性参数计算得到的支撑构造的应力、变外形状以及地面沉降等，是不能够完全与施工过程中实践量测到的数据一样，为了使量测数据、实际计算值相一致，必需根据实测得到的数据信息，修正计算模型中的参数(经修正后的参数比前面计算中运用的参数要准确些)，使计算结果与这次的实测数据相一致，再根据修正后物性参数，经过计算预测下一施工阶段的墙体、基底、地表等的变位和应力形状。在下一施工阶段中又得到实测数据，再将这批实测数据反响给计算机，第二次修正物性参数(经修正后的参数更趋于

54、准确些)，然后根据第二次修正后的物性参数，经过与上一次一样地计算，再预测下阶段的工程形状。如此反复直至施工终了。 在施工过程中对一些重要数据进展实地量测，是反分析法实施的首要条件，对于普通的工程，主要量测地面沉降量(包括地层的分层沉降及管线的沉降)，近旁建筑物的相对沉降，基底隆起量，墙体变位，墙体钢筋应力，支撑轴力，孔隙水压力、土压力等，量测工程根据实践需求增减。 反分析法在工程中的运用方法见图44。图图44 反分析法再工程中的运用反分析法再工程中的运用 反分析法分为概率论方法与非概率论方法二类。工程中常用的是直接法，直接法属于非概率论方法的一种，运用范围很广，无论是线性、非线性、连通、非连通

55、问题都可运用。由于它采用了最小二乘法原理，因此它较少受量测误差的影响。此法的缺陷是计算工程量较大，高速计算机的出现使反分析法获得越来越广泛的运用。 基坑两侧地层纵向不均匀沉降对于平行于基坑侧墙的地下管道线的平安影响至关重要，对这方面问题的研讨和治理，在国内外文献中尚少见闻，经过上海地域地铁工程的实际，初次对此获得了预测和治理方法。 同济大学对长条形基坑外地面的纵向沉降采用三维有限元进展了初步的研讨。计算模型见下页图45所示。图图45 三维有限元分析计算模型三维有限元分析计算模型 分析发现，基坑长方向两端由于空间作用，对沉降有约束作用，显现沉降骤减的规律，如图46所示，离基坑逾远，这种约束作用逾小。图图46 受端墙约束的坑侧地面纵向沉降曲线受端墙约束的坑侧地面纵向沉降曲线 从三维有限元分析结果及已有实测资料综合分析，可得到纵