基坑工程时空效应

1、刘国彬 2001年9月15日课程内容（一）n绪论n方案设计n基坑的稳定、事故的分析n基坑工程施工中的土工问题n内力计算n周围环境变形的计算n基坑围护结构的设计要点刘国彬 2001年9月15日课程内容（二）n施工方法的选择n时空效应规律n时空效应施工工艺n时空效应法施工参数n基坑内地基加固n深基坑施工各道工序可能出现的问题及处理方法刘国彬 2001年9月15日课程内容（三）n深基坑施工环境保护技术n监测数据的判读、险情征兆、抢险措施n信息化施工监控技术n基坑工程的发展刘国彬 2001年9月15日研究生课程基坑工程总论 深基坑工程第九课刘国彬 2001年9月15日时空效应的原理和施工方法刘国彬 2

2、001年9月15日第一部分 概 述刘国彬 2001年9月15日日本某基坑工程日本某基坑工程（采用大面积注浆加固，图中为注浆设备）（采用大面积注浆加固，图中为注浆设备） 新加坡某基坑工程新加坡某基坑工程（为保护距基坑（为保护距基坑22m的地铁隧道，采用的地铁隧道，采用2层层2.5m厚的旋喷注浆满膛加固坑内土体）厚的旋喷注浆满膛加固坑内土体）Boston某基坑工程某基坑工程（为保护周围环境采用密集支撑）（为保护周围环境采用密集支撑） 国外为解决软土基坑周围的国外为解决软土基坑周围的环境保护问题，常采用坑内满膛环境保护问题，常采用坑内满膛加固、设置密集支撑等方法，工加固、设置密集支撑等方法，工期长，

3、代价大。期长，代价大。刘国彬 2001年9月15日 在上海软土地区，若在基坑变形预测中不考虑软土流变特征，并在施工中缺乏及时有效的监控手段，基坑变形预测值和实测值会存在较大差异，给基坑周围环境保护带来很大的困难。刘国彬 2001年9月15日时空效应理论和方法的特征时空效应理论和方法的最重要特征在于： 在软土基坑变形的预测和监控中，定量地考虑施工因素的影响。刘国彬 2001年9月15日第二部分第二部分 时空效应的基本原理时空效应的基本原理刘国彬 2001年9月15日 上海软土流变试验曲线上海软土流变试验曲线1、应力水平越低、蠕变时间越短，流变位移越小；2、土体在排水固结条件下要比不排水条件下稳定

4、。刘国彬 2001年9月15日刘国彬 2001年9月15日 通过对流变试验和大量相关研究，可以取得有关控制软土深基坑变形的几点重要启示： 一、分层分块开挖能够有效地调动地层的空间效应，以降低应力水平、控制流变位移。 二、减少每步开挖到支撑完毕的时间，即无支撑暴露时间，可明显控制挡墙的流变位移，这在无支撑暴露时间小于24小时效果尤其明显。 三、解决软土深基坑变形控制问题的出路在于规范施工步序和参数，并将其作为实现设计要求的保证。时空效应规律刘国彬 2001年9月15日 当施工参数和地基土参数、支护结构参数一起被作为基坑变形预测的计算参数，就能合理准确地预测软土基坑周围地层位移。刘国彬 2001年

5、9月15日长条形基坑施工工序和参数刘国彬 2001年9月15日刘国彬 2001年9月15日每步开挖宽度每步开挖宽度B无支撑暴露时间无支撑暴露时间Tr基坑角部的斜支撑部分基坑角部的斜支撑部分每层施工工序和参数每层施工工序和参数车站端头井施工步序和参数车站端头井施工步序和参数刘国彬 2001年9月15日大宽度、不规则基坑施工工序和参数刘国彬 2001年9月15日主要施工参数主要施工参数1、开挖深度、开挖深度Hj2、开挖层数、开挖层数3、每层开挖厚度、每层开挖厚度4、每步开挖尺寸、每步开挖尺寸5、每步开挖无支撑暴露时间、每步开挖无支撑暴露时间天然地基土参数：天然地基土参数：Cu，Ps加固体参数加固体

6、参数 ： Cu，Ps被被动动区区加加固固预留土堤预留土堤土堤土堤基坑挡墙基坑挡墙大宽度不规则基坑施工步序和参数大宽度不规则基坑施工步序和参数刘国彬 2001年9月15日第三部分 工程应用刘国彬 2001年9月15日一、长条形基坑工程实例刘国彬 2001年9月15日地铁一号线徐家汇车站刘国彬 2001年9月15日(a)原设计开挖原设计开挖支撑方案支撑方案(b)优化后的开挖优化后的开挖支撑方案支撑方案地铁二号线东方路车站(通过调整开挖空间和时限来减少变形)刘国彬 2001年9月15日二、地铁车站端头井工程实例刘国彬 2001年9月15日第三层土方开挖中的变形增量减至第三层土方开挖中的变形增量减至3

7、mm 开挖第二层土时东端墙最大水平开挖第二层土时东端墙最大水平位移增大至位移增大至6mm超过了警戒值超过了警戒值 调整施工参数控制地墙位移调整施工参数控制地墙位移地铁二号线人民公园车站刘国彬 2001年9月15日刘国彬 2001年9月15日三、不规则基坑工程实例刘国彬 2001年9月15日刘国彬 2001年9月15日新世界商厦剖面图刘国彬 2001年9月15日新世界商厦支撑平面图刘国彬 2001年9月15日新世界平面图刘国彬 2001年9月15日刘国彬 2001年9月15日刘国彬 2001年9月15日刘国彬 2001年9月15日刘国彬 2001年9月15日香港广场刘国彬 2001年9月15日车

8、站及其周围环境示意图二车站及其周围环境示意图二车站及其周围环境示意图一车站及其周围环境示意图一-30-25-20-15-10-505C37C37C38C39C40C41C42C43C44C45C46C47C48C49C50测点布置沉降(mm)树根桩施工完毕西井至-10m，地墙结束地下连续墙施工期间东海大楼沉降地下连续墙施工期间东海大楼沉降西西东-60-50-40-30-20-100C37C37C38C39C40C41C42C43C44C45C46C47C48C49C50测点编号沉降(mm)实施变形控制措施前的工况实施变形控制措施前的工况该工况下东海大楼东西向沉降该工况下东海大楼东西向沉降变形控

9、制措施之一优化开优化开挖步序挖步序和开挖和开挖参数参数原开挖步序和参数原开挖步序和参数调整后的西标段施工步序和参数调整后的西标段施工步序和参数挖土参数作以下调整：1、将运土通道移至超载较小的北面2、将西标准段的每小段开挖宽度由6m减少至3m，无支撑暴露时间减为16hrs，而东标准段因位移较小，仍维持原施工参数。变形控制措施之一优化开优化开挖步序挖步序和开挖和开挖参数参数-35-30-25-20-15-10-50050100150200水平位移( m m )深度( m )挖至- 7 .5的 实 测值按照原先施工参数的预测值调整参数，不考虑注浆的预测值调整开挖参数前后的基坑挡墙变形计算值对比调整开

10、挖参数前后的基坑挡墙变形计算值对比刘国彬 2001年9月15日157#地块基坑周围环境示意图地块基坑周围环境示意图刘国彬 2001年9月15日157#地块基坑周围环境示意图刘国彬 2001年9月15日基坑开挖参数示意图基坑开挖参数示意图预留土堤宽预留土堤宽度度10m每小段开挖每小段开挖宽度宽度68m每小段在每小段在18小时之内开小时之内开挖并支撑挖并支撑刘国彬 2001年9月15日研究生课程基坑工程总论 深基坑工程2001年12月18日第十课刘国彬 2001年9月15日刘国彬 2001年9月15日刘国彬 2001年9月15日刘国彬 2001年9月15日刘国彬 2001年9月15日时空效应方法的

11、设计与计算计算方法(经验公式、半理论半经验解析法、杆系有限元法、平面有限元法、三维有限元法)主要计算参数的取值(以土压力、被动抗力系数的取值为例)时空效应法的计算就是定量地考虑施工因素的影响的方法刘国彬 2001年9月15日基坑挡墙位移内力二维计算模型基坑挡墙位移内力二维计算模型PaRankine主动土压力主动土压力Kh弹性计算条件下的被弹性计算条件下的被动抗力系数动抗力系数FPa实测土压力实测土压力bKh等效水平基床系数等效水平基床系数q地面超载地面超载K水平土压力系数水平土压力系数刘国彬 2001年9月15日刘国彬 2001年9月15日基坑挡墙计算模型基坑挡墙计算模型支撑系统的计算模型支撑

12、系统的计算模型挡墙位移内力的三维计算模型1、采用子结构方法和增量法，并考虑基坑挡墙和支撑系统的位移协调；2、为考虑时空效应规律，被动区抗力系数取值为ababK Kh h ，其中b bK Kh h为二维计算中的等效水平基床系数，a a则根据预留土堤宽度B B确定。刘国彬 2001年9月15日基坑周围地层位移计算刘国彬 2001年9月15日刘国彬 2001年9月15日刘国彬 2001年9月15日刘国彬 2001年9月15日 运用上海经验公式，根据计算的基坑挡墙位移，可以预测墙后的纵向和横向地表沉降。刘国彬 2001年9月15日 采用弹性平面有限元方法，并以计算的基坑挡墙位移为边界条件，可以预测墙后

13、的地层位移场。刘国彬 2001年9月15日 纵向沉降数值分析纵向沉降数值分析刘国彬 2001年9月15日刘国彬 2001年9月15日刘国彬 2001年9月15日 弹性三维有限元方法可定性地预测大型基坑在不同开挖步序条件下的地层位移分布特征，其计算结果可作为确定合理的开步序的依据，以避免邻近保护对象在开挖过程中出现过大的差异沉降。 刘国彬 2001年9月15日刘国彬 2001年9月15日刘国彬 2001年9月15日刘国彬 2001年9月15日 纵向沉降数值分析纵向沉降数值分析刘国彬 2001年9月15日纵向沉降的变化规律刘国彬 2001年9月15日计算参数的取值刘国彬 2001年9月15日土压力

14、的取值刘国彬 2001年9月15日现场实测土压力00.10.20.3051015202530深度( m )土压力值( M p a )00.10.20.3051015202530深度( m )土压力值( M p a )00.10.20.3051015202530深度( m )土压力( M p a)00.10.20.30102030深度( m )土压力值（M p a )刘国彬 2001年9月15日n侧压力系数随开挖深度的变化0.40.50.60.70.80.901020 开挖深度( m )侧压力系数K11m14m16.1m19.1m23.1m27.1m0.40.50.60.70.80.902468

15、1012开挖深度 ( m )侧压力系数K2m7m12m16m20m刘国彬 2001年9月15日n水平侧压力系数K随开挖深度的变化图0.30.40.50.60.70.80.91810121416开挖深度 （m )侧压力系数K4.1m7.9m11.1m16.1m23.7m27.7m0.30.40.50.60.70.851015开挖深度（m ) 侧压力系数K2.6m8.35m19.1m22.9m0.30.40.50.60.70.80.90246810开挖深度 (m)侧压力系数K2.26m5.23m8.06m10.96m13.9m15.9m17.7m19.7m22.5m25.4m0.30.40.50.

16、60.70.80.9051015开挖深度 ( m )侧压力系数K2m6m10m14m18m22m刘国彬 2001年9月15日侧压力系数随时间的变化0.40.50.60.70.80.905101520时 间 (天 ）水平抗力系数K2m7m12m16m20m750.350.450.550.650.750.850.9501020304050时 间 (天 ）水平抗力系数K2m7m12m16m20m刘国彬 2001年9月15日23.1m/17线西0.9911.011.021.030204060时间（天）土压力时间系数16.1m/27线西11.11.21.31.41.50100200300时间（天）土压力

17、时间系数14m/27线东11.081.161.241.321.40100200300时间( 天)土压力时间系数15.9m/27线东11.11.21.31.41.51.60100200300时间( 天）土压力时间系数19.8m/27线东11.041.081.1202040时间( 天)土压力时间系数23.8m/27线东11.051.11.151.21.2502040时间( 天)土压力时间系数刘国彬 2001年9月15日2m/中央公园1.001.101.201.30111213141时间( 天)土压力时间系数14m/中央公园0.951.051.151.251112131时间( 天)土压力时间系数4.

18、5m/杨高路11.11.21.31.41.501020304050607080时间 （天 ）土压力时间系数7.5m/杨高路11.051.11.151.201020304050607080时间( 天 )土压力时间系数刘国彬 2001年9月15日9.0m/杨高路11.051.11.151.21.2501020304050时间( 天 ）土压力时间系数10.5m/杨高路11.051.11.151.21.251.30 1020304050607080时间( 天 ）土压力时间系数12.0m/杨高路11.021.041.061.081.11.121.141.160204060时间 （天 ）土压力时间系数13

19、.9m/陆家嘴T K 311.11.21.31.4040 80时间（天）土压力时间系数15.9m/陆家嘴T K 311.051.11.151.2020 40 60 80时间（天）土压力时间系数17.7m/陆家嘴T K 311.051.11.151.2020 40 60 80时间（天）土压力时间系数刘国彬 2001年9月15日2.26m/陆家嘴T K 311.11.21.31.41.50 10 20 30 40 50 60 70 80时间（天）土压力时间系数10.96m/陆家嘴T K 30.9811.021.041.061.081.11.12020 40 60 80时间（天）土压力时间系数19.

20、7m/陆家嘴T K 30.940.960.9811.021.041.061.081.10 10 20 30 40 50时间（天）土压力时间系数25.4m/陆家嘴T K 30.940.960.9811.021.041.061.081.11.120 20 40 60 80时间（天）土压力时间系数5.5m/陆家嘴T K 10.9811.021.041.061.081.11.1205101520时间（天）土压力时间系数刘国彬 2001年9月15日0.350.450.550.650.75T（Time）主动土压力系数K00.1%H（特级）0.2%H（一级）0.5%H（二级）0.1%H(三级）临界时间对应点

21、，一般为基坑开挖到最终开挖深度时的主动土压力系数值刘国彬 2001年9月15日0.0010.0070.0130.01901020位移( m m)土压力（m p a )0.050.060.070.0802040位移( m m)土压力( M p a)0.030.050.0702040位移( m m)土压力( M p a)0.030.050.070.090.110 10 20 30 40 50位移( m m)土压力( M p a)0.080.090.10.110.120.13050100位移( m m)土压力( M P a)0.10.120.140.16050100位移( m m)土压力( M p

22、a)刘国彬 2001年9月15日0.120.140.160.180.20.220.24020406080位移( m m)土压力( M P a)0.10.120.140.160.1804080位移( m m)土压力( M P a)0.080.090.10.110.120.130移( m m)土压力( M P a)刘国彬 2001年9月15日n土压力实用取值方法 基坑保基坑保 土性土性 侧压力系数侧压力系数K K 护等级护等级 一级一级 软粘土软粘土 0.750.750.550.55 二级二级 软粘土软粘土 0.700.700.500.50 三级三级 软粘土软粘土 0.6

23、250.6250.450.45刘国彬 2001年9月15日n由支撑轴力来估算主动土压力系数公式)2()(61YHYHHraLNKniiia刘国彬 2001年9月15日Calculation formula of active earth pressurerestat pressureearth nt displaceme wallretaining theoft coefficien influence timeoft coefficien influence 0t0 xtxwhere)2/45(2)2/45(20ootgctgh刘国彬 2001年9月15日 wallretaining ofn

24、t displaceme positionn calculatio ofdepth 0138. 010430mh15m )0 . 160(30115mh )15(2014xhwherexbhhaeabxx刘国彬 2001年9月15日 timeelapsed 30mh16m 1000/ )19025. 6(16mh10m 1000/ )7010(10mh 1000/ )1055 . 7(9552. 0104510424twherehhhdhhctcdt刘国彬 2001年9月15日n 5m 15mn 计算 实测 比值 计算 实测 比值n (Mpa) (Mpa) (Mpa) (Mpa) n挖土至3m

25、 0.0357 0.0347 0.97 0.136 0.131 0.96n挖土至5m 0.056 0.0336 0.94 0.135 0.115 0.85n挖至6.5m 0.0346 0.0321 0.92 0.135 0.108 0.80 放坡阶段 0.0347 0.0327 0.94 0.135 0.113 0.83土压力计算值与实测值比较刘国彬 2001年9月15日n孔隙水压力测值与由水位值计算出的静止水压力孔隙水压力测值与由水位值计算出的静止水压力的平均值随工况变化的比较表的平均值随工况变化的比较表n n 5m 15mn 静水压值 孔压力值 比值 静水压值 孔压力值 比值n (Mpa）

26、 (Mpa) (Mpa) (Mpa) n挖土至4m0.03050.01650.470.1350.09690.71n挖土至10m0.03390.01800.530.1340.09420.70n挖土至14m0.03360.01750.520.1340.09190.68n端头井浇底板0.03230.01770.540.1320.09290.70n端头井浇中板0.03240.01820.520.1320.09410.71n端头井浇顶板0.03300.01810.540.1330.09910.74n标一段浇中板0.03420.01890.550.1340.1030.77n标一段浇顶板0.03440.01

27、940.560.1340.09830.73n结构封顶后0.03760.02110.560.1380.1060.76刘国彬 2001年9月15日n反算出的土压力项的侧压力系数反算出的土压力项的侧压力系数 n n工况号 实测孔隙水压力 对应的实测土压力 反算出的Ksn 5m深15m深5m深15m深 5m深15m深n工况1（挖土深3m）0.03470.1360.06348 0.23517 0.580.69n工况2（挖土深5m）0.03360.1150.056850.201750.470.61n工况3（挖土深6.5m）0.03210.1080.052150.17950.400.50n护坡阶段0.032

28、170.1130.060070.18760.560.52刘国彬 2001年9月15日被动抗力系数的取值刘国彬 2001年9月15日1516171819202122232425100150200250被动土压力（Kpa)深度(m)E31PP(h=0m)14/05E31PP(h=0m)9/06E31PP(h=5.5m)4/07E31PP(h=5.5m)23/07刘国彬 2001年9月15日1617181920212223242560100140180被动土压力(Kpa)深度(m)1997-5-14(h=1.8m)1997-5-15(h=5.8m)1997-5-31(h=5.8m)1997-6-2(

29、h=10m)1997-6-8(h=13.5m)1997-6-9(h=15.2m)1997-6-11(浇注垫层)1997-6-22(回筑阶段)刘国彬 2001年9月15日507090110130150170190210230250020406080开挖时间(天）被动土压力(Kpa)16192225刘国彬 2001年9月15日刘国彬 2001年9月15日刘国彬 2001年9月15日Kh值与时间的关系值与时间的关系02468101214048121620242832时间(小时)刘国彬 2001年9月15日Kh值与值与土性土性的关系的关系0.60.811.21.41.62468101214161820

30、内摩擦角 Kh影响系数c=4c=8c=12c=16刘国彬 2001年9月15日Kh值与值与开挖空间开挖空间的关系的关系01234567891471013161922空间 (米)刘国彬 2001年9月15日Kh值与值与地基加固地基加固的关系的关系00.511.522.530.01.02.03.04.0比贯入阻力Ps地基加固影响系数刘国彬 2001年9月15日天然土层的Kh 计算公式76. 442. 124tan424tan635121iiiiiiiiihihhChhKjiijiijjHhhBhhTT208. 00 . 11 . 06 . 10 .12exp11dscrhiK 635刘国彬 2001年9月15日加固土层的Kh 计算公式jjshiT