地下工程开挖环境影响分析方法课件

地下工程开挖环境影响分析方法梁发云黄茂松同济大学2015-07-20第十二届全国土力学及岩土工程学术大会上海地下工程开挖环境影响分析方法梁发云黄茂松第十二汇报提纲研究背景一土体自由位移场确定二建筑物变形承载能力确定三位移控制两阶段分析方法四基于建筑物承载能力的变形控制标准五结论与建议六汇报提纲研究背景一土体自由位移场确定二建筑物变形承载能力确定一、研究背景一、研究背景3

研究背景被动桩环境影响土层移动地下工程开挖对周边既有建（构）筑物的保护设计和施工从稳定控制向变形控制的转变地下工程开挖土层位移场周边结构物响应地下工程开挖对邻近建筑物变形及环境影响分析研究背景被动桩环境影响土层移动地下工程开挖对周边既有建（构地下工程开挖引起的土体位移场因土层条件、围护结构形式、施工过程等不同而各有差异建（构）筑物自身抵抗变形的承受能力有所差异存在问题：难以给出统一的基坑变形控制标准

研究背景处于土体位移场影响范围的建（构）筑物附加变形分析涉及复杂的结构物与土体的相互作用地下工程开挖引起的土体位移场因土层条件、围护结构形式、施工过现行上海基坑工程技术规范：基坑变形设计控制指标基坑环境保护等级围护结构最大侧移坑外地表最大沉降一级0.18%H0.15%H二级0.3%H0.25%H三级0.7%H0.55%HH为基坑开挖深度（m）不足之处：没有充分考虑基坑周边环境（保护对象）自身抵抗附加变形的能力环境保护等级定义标准模糊，对保护对象类型、基坑开挖距离等确定较为粗略。

研究背景现行上海基坑工程技术规范：基坑变形设计控制指标基坑环境保护等研究思路

开挖深度

围护结构最大侧向变形

结构物抵抗附加变形的能力判别依据最终控制位移标准地下工程开挖自由土体位移场周边结构物响应需解决的关键问题：

（1）建立自由土体位移场的经验预测曲线（2）基于位移控制的分析方法（DCM）研究思路开挖围护结构最大侧向变形结构物抵抗判别位移控制分析方法（DCM）直接从变形控制标准的角度，对周边结构物的保护转变为控制基坑围护结构的变形，建立基坑开挖深度与周边环境变形之间联系，避免了复杂的开挖过程模拟。优点和特点提出基于保护对象变形能力的分析方法，概念清晰，简单易行，细化了规范的分析精度，适合于规范的推广应用。位移控制分析方法（DCM）位移控制分析方法（DCM）位移控制分析方法（DCM）二、自由土体位移场确定二、自由土体位移场确定9自由土体位移场基坑自身变形性状围护墙的侧向变形地表横向、纵向沉降曲线土体沉降沿深度变化规律土体侧向变形沿水平向变化规律

横向：x轴方向纵向：y轴方向自由土体位移场确定：现场实测、经验统计或理论分析自由土体位移场基坑自身变形性状横向：x轴方向自由土体位移场确土体侧向变形沿水平向变化规律基于位移控制有限元方法对290条土体侧向变形曲线进行了归一化分析，得到上海软粘土地区板式围护基坑体系坑外土体侧向变形沿水平向的衰减变化规律。给定变形曲线的最大位移控制值即可确定曲线的形状土体侧向变形沿水平向变化规律基于位移控制有限元方法对290条三、建筑物变形承载能力确定三、建筑物变形承载能力确定12建筑物砌体承重结构框架结构独立基础框架结构桩筏基础构筑物市政管线建（构）筑物类型变形承受能力确定：规范规定、经验统计或设计控制指标建筑物建（构）筑物类型变形承受能力确定：规范规定、经验统计或建筑物变形容许指标上海地基全国地基规范规范

建筑物变形容许指标上海地基全国地基管线控制位移与倾角相关参考绝对位移(cm)每节管差异沉降(cm)倾斜角度(°)城市施工专用地下管线的保护110.114上海市政部门1~1.51~1.50.114~0.172广州地区建筑基坑支护规定/1.250.143北京地铁、重庆地铁施工相关技术标准//0.146地铁施工对管线的影响/10.114德国建筑标准/0.5~10.057~0.114管线变形控制建议管线倾斜角控制标准：0.1°管线控制位移与倾角相关参考绝对位移(cm)每节管差异沉降(c四、位移控制两阶段分析方法四、位移控制两阶段分析方法16位移控制分析方法不关注详细的基坑开挖施工过程，在应力自由面施加位移边界条件来模拟基坑开挖引起的应力释放，该方法的关键是施加合理的基坑开挖应力自由面的位移边界条件。易于实现复杂建筑物的基坑开挖环境影响分析位移控制有限元方法（DCFEM）第一阶段：分析开挖卸荷引起的周围自由土体应力场或位移场第二阶段：将土体应力场或位移场施加于既有结构物，分析其产生的附加位移和内力分析结果迅速及时，适用于基坑开挖对邻近建筑物基础及市政管线的影响位移控制两阶段分析方法位移控制分析方法不关注详细的基坑开挖施工过程，在应力自由面施约束位移△=h(z)-U(z)两阶段分析方法被动桩约束位移△=h(z)-U(z)两阶段分析方法被动桩背景隧道开挖引起土体位移土体带动管线变形土体简化为弹簧管线简化为地基梁基于Winkler模型的弹性地基梁问题开挖对管线影响：简化示意图柔度指标竖向地基模量土体自由位移基于Winkler模型的弹性地基梁方法背景隧道开挖引起土体位移土体带动管线变形土体简化为弹簧基于W开挖对桩基影响：简化示意图

地基反力法求解被动桩水平向地基模量地基模量k应该如何选取呢？基于Winkler模型的弹性地基梁方法开挖对桩基影响：简化示意图地基反力法求解被动桩水平向地基模量在目前的计算当中较多采用Vesic地基模量：Attewell等（1986）在研究隧道开挖对邻近管线影响时，建议采用扩大2倍的Vesic模量近似模拟管土接触条件。Klar等（2005）在研究该课题时认为：为了使基于Winkler模型的计算结果与弹性理论法计算结果一致Vesic模量需要扩大2倍甚至更多。地基模量k选取在目前的计算当中较多采用Vesic地基模量：地基模量k选取Vesic模量的假定：无限长梁放置于地表受集中荷载适用条件：地表的弹性地基梁地基模量k选取Vesic模量的假定：无限长梁适用条件：地表的弹性地基梁地基Vesic模量假定与现实问题的矛盾：1）管线和桩的埋深不可忽略

Vesic模量忽略埋深是导致计算结果偏小的主要原因2）被动状态下的管线和桩受到了土体位移作用

管线、桩在土体位移和外力直接作用下的变形和受力特性是不同的需要一个满足上述要求的被动地基模量地基模量k选取Vesic模量假定与现实问题的矛盾：需要一个满足上述要求的被被动地基模量的提出Vesic离散分布外力为集中力离散任意土体位移为标准单位位移被动地基模量的提出Vesic离散分布外力为集中力离散任意土体被动地基模量的提出如何得到Vesic模量1）推导弹性半空间模型地表无限长梁受集中力作用位移解2）推导Winkler模型下无限长梁受集中力作用位移解3）拟合上述两组解得到Vesic模量被动地基模量1）推导弹性半空间模型地表无限长梁标准位移作用的位移解2）推导Winkler模型下无限长梁受标准位移作用的位移解3）拟合上述两组解得到被动地基模量被动地基模量的提出如何得到Vesic模量被动地基模量被动地基模量的提出b为梁的半宽，h为埋深被动地基模量的提出b为梁的半宽，h为埋深被动地基模量的提出利用水平向Mindlin解和Kevlin解获得任意深度水平被动地基模量被动地基模量的提出利用水平向Mindlin解和Kevlin解管线算例验证：与弹性理论法对比Klar等（2005）利用弹性理论法计算了隧道开挖对上覆管线的影响（隧道开挖引起的土体沉降运用Peck公式计算）最大归一化弯矩随管土刚度比变化

管线算例验证：与弹性理论法对比Klar等（2005）利用弹性

Marshall等(2010)利用剑桥大学离心机模拟研究基于地层损失比的隧道开挖对上覆管线的影响。管线算例验证：与离心机试验对比

Marshall等(2010)利用剑桥大学离心机模拟研管线算例验证：与实际工程对比实例分析：上海轨道交通七号线隧道近距离穿越大口径污水管线理论预测结果与现场实测结果基本符合

管线算例验证：与实际工程对比实例分析：上海轨道交通七号线隧道算例文献：LOGANATHANN,POULOSHG,XUKJ.Groundand

pile-groupresponseduetotunneling[J].Soilsand

Foundations,2001,41(1):57–67.桩基础算例验证：与离心机试验对比群桩，到隧道距离6m群桩，到隧道距离10m群桩，到隧道距离10m算例文献：LOGANATHANN,POULOSHG,隧道开挖工程实例分析桩基础算例验证：与工程实例对比算例文献：LEERG,etal.Deformations

causedbytunnelingbeneathapiledstructure[C].Proc13th

ICSMFE.NewDelhi,1994:873–878.隧道开挖工程实例分析桩基础算例验证：与工程实例对比算例文献五、基于建筑物承载能力的变形控制标准五、基于建筑物承载能力的变形控制标准33分析过程分为三步：(1)采用两阶段方法，得到一定的基坑开挖深度和基坑与建筑物距离条件下，基坑变形最大值与邻近既有建筑物附加变形的关系曲线。(2)改变基坑开挖深度，得到不同开挖深度条件下，基坑变形最大值与建筑物附加变形的关系曲线。(3)基于建筑物承载能力的角变量容许值，将基坑开挖深度与基坑变形容许最大值相互对应，形成基坑开挖环境保护的变形控制标准。变形控制标准分析过程分为三步：变形控制标准框架结构短桩基础按角变量0.002作为控制指标市政管线按倾斜角0.1度作为控制指标变形控制标准框架结构短桩基础变形控制标准基坑水平位移最大值与邻近建筑倾斜的关系曲线框架结构群桩基础第一步第二步基坑水平位移最大值与邻近建筑倾斜的关系曲线框架结构群桩基础第框架结构短桩基础在基坑位移最大值和建筑物倾角关系曲线中提取建筑物倾角为0.002和0.003所对应得基坑位移最大值得到基坑开挖深度和基坑变形最大值的关系曲线。第三步基于周边建筑物承载能力的变形变形控制框架结构短桩基础在基坑位移最大值和建筑物倾角关系曲线中提取建柔性接口排水管选用管线参数：N型接口承插式铸铁管、DN600mm、外径635mm、壁厚9.9mm、弹性模量15000MPa、泊松比0.25、每节5m；中心埋深h=2m，中心距离基坑边b=2m；管线埋设走向平行于基坑边；土体参数：弹性模量2.124MPa、泊松比0.4、重度18.1kN/m3

；

基坑参数：宽度B=30m，开挖深度H取6~20m，采用板式围护结构加内支撑的支护体系。柔性接口排水管选用管线参数：N型接口承插式铸铁管、DN600位移控制标准位移控制标准市政管线管线倾斜控制标准0.1度市政管线管六、结论与建议六、结论与建议41推荐的地基模量在被动位移下更符合实际情况，直接印证了Attewell等和Klar等认为被动地基模量需比Vesic地基模量大两倍甚至更多的观点。通过与弹性理论法、离心机试验和实际工程对比验证了建议的两阶段分析方法的合理性。位移控制分析方法从变形控制标准的角度，对周边结构物的保护转变为控制基坑围护结构的变形。结论推荐的地基模量在被动位移下更符合实际情况，直接印证了Atte建议：位移控制有限元方法采用与土体实际应变范围相适应的土性指标非常必要重大工程地下结构周围土体通常处于小应变状态，多在0.01%~0.1%而目前的工程分析多采用常规土工试验指标，其应变处于1%的水准。将常规试验指标应用于小应变条件下的变形计算，结果可能会明显偏大。复杂敏感条件下被动桩及环境影响分析的关键难点建议：位移控制有限元方法采用与土体实际应变范围相适应的土性指基于土体小应变硬化模型（HSS模型）确定上海典型土层小应变参数针对敏感环境中的深开挖工程，采用GDS三轴仪、共振柱等试验手段，获得了上海典型软土的全应变刚度曲线。GDS三轴试验仪共振柱仪弥补了深基坑工程采用常规土工参数计算小应变情况的不足上海软土归一化剪切刚度总体处于曲线下部建议：位移控制有限元方法基于土体小应变硬化模型（HSS模型）确定上海典型土层小应变参地下工程开挖环境影响分析方法课件演讲完毕，谢谢观看！演讲完毕，谢谢观看！地下工程开挖环境影响分析方法梁发云黄茂松同济大学2015-07-20第十二届全国土力学及岩土工程学术大会上海地下工程开挖环境影响分析方法梁发云黄茂松第十二汇报提纲研究背景一土体自由位移场确定二建筑物变形承载能力确定三位移控制两阶段分析方法四基于建筑物承载能力的变形控制标准五结论与建议六汇报提纲研究背景一土体自由位移场确定二建筑物变形承载能力确定一、研究背景一、研究背景49

研究背景被动桩环境影响土层移动地下工程开挖对周边既有建（构）筑物的保护设计和施工从稳定控制向变形控制的转变地下工程开挖土层位移场周边结构物响应地下工程开挖对邻近建筑物变形及环境影响分析研究背景被动桩环境影响土层移动地下工程开挖对周边既有建（构地下工程开挖引起的土体位移场因土层条件、围护结构形式、施工过程等不同而各有差异建（构）筑物自身抵抗变形的承受能力有所差异存在问题：难以给出统一的基坑变形控制标准

研究背景处于土体位移场影响范围的建（构）筑物附加变形分析涉及复杂的结构物与土体的相互作用地下工程开挖引起的土体位移场因土层条件、围护结构形式、施工过现行上海基坑工程技术规范：基坑变形设计控制指标基坑环境保护等级围护结构最大侧移坑外地表最大沉降一级0.18%H0.15%H二级0.3%H0.25%H三级0.7%H0.55%HH为基坑开挖深度（m）不足之处：没有充分考虑基坑周边环境（保护对象）自身抵抗附加变形的能力环境保护等级定义标准模糊，对保护对象类型、基坑开挖距离等确定较为粗略。

研究背景现行上海基坑工程技术规范：基坑变形设计控制指标基坑环境保护等研究思路

开挖深度

围护结构最大侧向变形

结构物抵抗附加变形的能力判别依据最终控制位移标准地下工程开挖自由土体位移场周边结构物响应需解决的关键问题：

（1）建立自由土体位移场的经验预测曲线（2）基于位移控制的分析方法（DCM）研究思路开挖围护结构最大侧向变形结构物抵抗判别位移控制分析方法（DCM）直接从变形控制标准的角度，对周边结构物的保护转变为控制基坑围护结构的变形，建立基坑开挖深度与周边环境变形之间联系，避免了复杂的开挖过程模拟。优点和特点提出基于保护对象变形能力的分析方法，概念清晰，简单易行，细化了规范的分析精度，适合于规范的推广应用。位移控制分析方法（DCM）位移控制分析方法（DCM）位移控制分析方法（DCM）二、自由土体位移场确定二、自由土体位移场确定55自由土体位移场基坑自身变形性状围护墙的侧向变形地表横向、纵向沉降曲线土体沉降沿深度变化规律土体侧向变形沿水平向变化规律

横向：x轴方向纵向：y轴方向自由土体位移场确定：现场实测、经验统计或理论分析自由土体位移场基坑自身变形性状横向：x轴方向自由土体位移场确土体侧向变形沿水平向变化规律基于位移控制有限元方法对290条土体侧向变形曲线进行了归一化分析，得到上海软粘土地区板式围护基坑体系坑外土体侧向变形沿水平向的衰减变化规律。给定变形曲线的最大位移控制值即可确定曲线的形状土体侧向变形沿水平向变化规律基于位移控制有限元方法对290条三、建筑物变形承载能力确定三、建筑物变形承载能力确定58建筑物砌体承重结构框架结构独立基础框架结构桩筏基础构筑物市政管线建（构）筑物类型变形承受能力确定：规范规定、经验统计或设计控制指标建筑物建（构）筑物类型变形承受能力确定：规范规定、经验统计或建筑物变形容许指标上海地基全国地基规范规范

建筑物变形容许指标上海地基全国地基管线控制位移与倾角相关参考绝对位移(cm)每节管差异沉降(cm)倾斜角度(°)城市施工专用地下管线的保护110.114上海市政部门1~1.51~1.50.114~0.172广州地区建筑基坑支护规定/1.250.143北京地铁、重庆地铁施工相关技术标准//0.146地铁施工对管线的影响/10.114德国建筑标准/0.5~10.057~0.114管线变形控制建议管线倾斜角控制标准：0.1°管线控制位移与倾角相关参考绝对位移(cm)每节管差异沉降(c四、位移控制两阶段分析方法四、位移控制两阶段分析方法62位移控制分析方法不关注详细的基坑开挖施工过程，在应力自由面施加位移边界条件来模拟基坑开挖引起的应力释放，该方法的关键是施加合理的基坑开挖应力自由面的位移边界条件。易于实现复杂建筑物的基坑开挖环境影响分析位移控制有限元方法（DCFEM）第一阶段：分析开挖卸荷引起的周围自由土体应力场或位移场第二阶段：将土体应力场或位移场施加于既有结构物，分析其产生的附加位移和内力分析结果迅速及时，适用于基坑开挖对邻近建筑物基础及市政管线的影响位移控制两阶段分析方法位移控制分析方法不关注详细的基坑开挖施工过程，在应力自由面施约束位移△=h(z)-U(z)两阶段分析方法被动桩约束位移△=h(z)-U(z)两阶段分析方法被动桩背景隧道开挖引起土体位移土体带动管线变形土体简化为弹簧管线简化为地基梁基于Winkler模型的弹性地基梁问题开挖对管线影响：简化示意图柔度指标竖向地基模量土体自由位移基于Winkler模型的弹性地基梁方法背景隧道开挖引起土体位移土体带动管线变形土体简化为弹簧基于W开挖对桩基影响：简化示意图

地基反力法求解被动桩水平向地基模量地基模量k应该如何选取呢？基于Winkler模型的弹性地基梁方法开挖对桩基影响：简化示意图地基反力法求解被动桩水平向地基模量在目前的计算当中较多采用Vesic地基模量：Attewell等（1986）在研究隧道开挖对邻近管线影响时，建议采用扩大2倍的Vesic模量近似模拟管土接触条件。Klar等（2005）在研究该课题时认为：为了使基于Winkler模型的计算结果与弹性理论法计算结果一致Vesic模量需要扩大2倍甚至更多。地基模量k选取在目前的计算当中较多采用Vesic地基模量：地基模量k选取Vesic模量的假定：无限长梁放置于地表受集中荷载适用条件：地表的弹性地基梁地基模量k选取Vesic模量的假定：无限长梁适用条件：地表的弹性地基梁地基Vesic模量假定与现实问题的矛盾：1）管线和桩的埋深不可忽略

Vesic模量忽略埋深是导致计算结果偏小的主要原因2）被动状态下的管线和桩受到了土体位移作用

管线、桩在土体位移和外力直接作用下的变形和受力特性是不同的需要一个满足上述要求的被动地基模量地基模量k选取Vesic模量假定与现实问题的矛盾：需要一个满足上述要求的被被动地基模量的提出Vesic离散分布外力为集中力离散任意土体位移为标准单位位移被动地基模量的提出Vesic离散分布外力为集中力离散任意土体被动地基模量的提出如何得到Vesic模量1）推导弹性半空间模型地表无限长梁受集中力作用位移解2）推导Winkler模型下无限长梁受集中力作用位移解3）拟合上述两组解得到Vesic模量被动地基模量1）推导弹性半空间模型地表无限长梁标准位移作用的位移解2）推导Winkler模型下无限长梁受标准位移作用的位移解3）拟合上述两组解得到被动地基模量被动地基模量的提出如何得到Vesic模量被动地基模量被动地基模量的提出b为梁的半宽，h为埋深被动地基模量的提出b为梁的半宽，h为埋深被动地基模量的提出利用水平向Mindlin解和Kevlin解获得任意深度水平被动地基模量被动地基模量的提出利用水平向Mindlin解和Kevlin解管线算例验证：与弹性理论法对比Klar等（2005）利用弹性理论法计算了隧道开挖对上覆管线的影响（隧道开挖引起的土体沉降运用Peck公式计算）最大归一化弯矩随管土刚度比变化

管线算例验证：与弹性理论法对比Klar等（2005）利用弹性

Marshall等(2010)利用剑桥大学离心机模拟研究基于地层损失比的隧道开挖对上覆管线的影响。管线算例验证：与离心机试验对比

Marshall等(2010)利用剑桥大学离心机模拟研管线算例验证：与实际工程对比实例分析：上海轨道交通七号线隧道近距离穿越大口径污水管线理论预测结果与现场实测结果基本符合

管线算例验证：与实际工程对比实例分析：上海轨道交通七号线隧道算例文献：LOGANATHANN,POULOSHG,XUKJ.Groundand

pile-groupresponseduetotunneling[J].Soilsand

Foundations,2001,41(1):57–67.桩基础算例验证：与离心机试验对比群桩，到隧道距离6m群桩，到隧道距离10m群桩，到隧道距离10m算例文献：LOGANATHANN,POULOSHG,隧道开挖工程实例分析桩基础算例验证：与工程实例对比算例文献：LEERG,etal.Deformations

causedbytunnelingbeneathapiledstructure[C].Proc13th

ICSMFE.NewDelhi,1994:873–878.隧道开挖工程实例分析桩基础算例验证：与工程实例对比算例文献五、基于建筑物承载能力的变形控制标准五、基于建筑物承载能力的变形控制标准79分析过程分为三步：(1)采用两阶段方法，得到一定的基坑开挖深度和基坑与建筑物距离条件下，基坑变形最大值与邻近既有建筑物附加变形的关系曲线。(2)改变基坑开挖深度，得到不同开挖深度条件下，基坑变形最大值与建筑物附加变形的关系曲线。(3)基于建筑物承载能力的角变量容许值，将基坑开挖深度与基坑变形容许最大值相互对应，形成基坑开挖环境保护的变形控制标准。变形控制标准分析过程分为三步：变形控制标准框架结构短桩基础按角变量0.002作为控制指标市政管线按倾斜角0.1度作为控制指标变形控制标准框架结构短桩基础变形控制标准基坑水平位移最大值与邻近建筑倾斜的关系曲线框架结构