6.基坑变形分析

基坑的变形分析清华大学岩土工程研究所李广信目录•基坑变形的种类与形态；•基坑变形的影响因素;•支挡结构的变形计算;•坑外土体位移的预测；•坑底隆起的估算；•数值计算方法.1.基坑变形的种类与形态•围护结构变形：水平与竖向；•坑底隆起；•基坑周围土体的位移：沉降与水平位移：1.1坑外地面沉降与水平位移序号类型主要原因主要危害１坑外地面沉降(1)支挡结构发生水平位移；(2)基坑降水使土层固结沉降；(3)桩、墙施工的钻孔、开槽；(4)坑边地面堆土、堆载、交通运输(5)由于降水或锚杆钻孔引起饱和砂土颗粒流失；(6)坑底流土；(7)坑底隆起；。(1)使相邻的建（构）筑物不均匀沉降；(2)使地面、路面和市政管线塌陷与开裂。２坑外地面水平位移(1)支挡结构发生水平位移；(2)桩、墙施工的钻孔、开槽；(3)坑边地面堆土、堆载、交通运输。对使相邻的建（构）筑物和市政管线与开裂与错位。1.2坑底隆起序号类型主要原因主要危害3坑底隆起(1)坑底地基土承载力不足；(2)地面超载大；(3)插入比过小，被动区支挡结构物向基坑前移（踢脚）；(4)坑底开挖减载土体回弹；(5)坑底下承压水的扬压力使坑底土层突涌；(6)基坑暴露时间长，产生过大的蠕变变形。(1)引起坑外土体的变形；(2)不利于主体工程地下部分的施工；(3)增加主体工程的工后沉降；(4)破坏内支撑结构(5)使预先施工的工程桩上浮。1.3支护结构位移序号类型主要原因主要危害4支挡结构侧向位移(1)支挡墙及锚杆（内支撑）变形；(2)超挖及支撑(锚固)不及时；(3)插入比小；(1)是坑外地面沉降和水平位移的主要原因；(2)增加了主体工程地下部分施工的困难；(3)使支挡结构物开裂和破坏5支挡结构竖向位移(1)由于基坑开挖使土体回弹，引起向上位移；(2)由于孔底和槽底沉渣使桩、墙向下位移；(3)基坑降水、坑边堆载的负摩阻力。(1)影响支护结构的稳定性；(2)影响周边土体变形。1.4基坑围护墙的变形形式（a）弓形（b）上正弯，下反弯（c）前倾型（d）踢脚型(a)主要表现在深厚软土层中，且当有支撑的围护墙埋入坑底以下深度不太大时最为常见，(b)当围护墙插入深度大，且采用内支撑时;(c)无支撑的悬臂挡墙结构；(d)基坑位于深厚淤泥中，且墙体插入深度不大时。1.5坑外地面沉降曲线•其中I区地表沉降最小，最大沉降小于1%H（H为最终的基坑开挖深度），适用于砂土和软-硬粘土。•II区和III区根据坑底以下软土的厚度及坑底抗隆起稳定系数而定，最大沉降可达1-3%H。主要采用排桩和板桩等刚度较小的支护结构，Peck的统计数据Clough&O’Rourke（1990）墙后地表沉降的分布模式maxvv欧章煜等的坑外土体沉降模式PIZ:主要影响区1.6地面影响范围•Peck：对于砂土及硬黏土，其沉降槽影响范围为2倍开挖深度，对于软黏土，影响范围则为2-4倍的开挖深度。•Clough&O’Rourke：对于砂土、软到中等硬度黏土，沉降区域范围为2倍的开挖深度；对于硬黏土，沉降区域范围为3倍的开挖深度。•Hsiehetal.和Ouetal.:将三角形和凹槽型的沉降影响范围分为主影响区域和次影响区域，其中主影响区域的范围为2倍的开挖深度，而次影响区域为主影响区域之外的2倍开挖深度。沉降影响范围-日本1.7基坑平面内的水平位移长条形基坑的变形性状坑外土体位移曲线基坑阳角的空间效应1.8开挖过程中的墙后土体的水平位移•第一道支撑的位置对基坑的变形有重要意义；•在第一道支撑未架设时，围护墙处于悬臂状态，当悬臂长度过大时，围护墙的变形将较大；•当墙顶的位移发生后，在后续的开挖工序中基本保持不变，•合理控制第一道支撑的架设位置，控制未支撑的开挖深度，对于控制基坑的变形有着重要的作用。2.基坑变形的影响因素•2.1基坑开挖前的变形影响因素;•2.2基坑开挖过程中的变形影响因素;•2.3基坑开挖完成后的变形影响因素.2.1基坑开挖前的变形影响因素(1)围护墙施工影响•挤土式：钢板桩、预制桩等桩墙；•非挤土式：钻孔或者掏槽的桩墙；•地连墙施工对周边土体位移的影响程度，主要与沟槽的宽度、深度及长度，以及泥浆护壁效果紧密相关。•由于地连墙成槽施工引起的土体的位移占整个基坑开挖变形总量的比例很小，但是在一些工程中，地连墙成槽施工引发的沉降量却占总沉降量的40%－50%。•其水平位移及沉降影响范围一般为1.5－2.0倍的槽深，•最大的沉降值可达0.05%－0.15%倍的槽深，•最大水平位移一般小于0.07%倍的槽深。连续墙施工引发地表沉降包络图开挖前降水影响•某地下连续墙围护地铁车站基坑•开挖前10天，在基坑内进行降水，结果地下连续墙侧移，侧移情况•由图可知，随着降水的开展，地下连续墙发生了悬臂式的位移，墙顶最大位移达到了9.7mm，•可见基坑开挖前的降水对地连墙的位移产生了明显的影响。2.2基坑开挖过程中的变形影响因素•(1)土层特点及地下水条件;•(2)基坑的几何形状及尺寸;•(3)围护墙与支撑的性能;•(4)围护墙刚度及插入深度;•(5)支撑的横向与竖向间距.(1)土层特点及地下水条件•软弱土层的影响。地下水位以及渗流也将对基坑变形产生影响，尤其是当承压水头较大时，将对坑底隆起产生重要的影响;•在条件允许的情况下，尽可能避开对基坑施工或建（构）筑物承载不利的地层及地下水条件。(2)基坑的几何形状及尺寸•基坑的几何形状的影响，主要体现为基坑的空间效应，如长条形基坑、不规则基坑的阳角等均表现出特殊的变形特点；•基坑开挖深度的大小直接影响原状土体的应力变化；•大面积基坑的开挖对基坑的变形有更大的影响。(3)围护墙与支撑的性能•围护墙类型、厚度、插入深度，支撑与锚固的种类、水平与竖向间距、预加载大小，反压土的预留；•对于地铁车站或者宽20m左右的条形深基坑工程，围护墙的插入深度一般取0.6－0.8倍的基坑开挖深度，当周边环境对变形要求较为严格时，可适当增大插入深度；•除了满足支撑间距的布置要求外，第一道支撑的位置对基坑的变形有重要意义；•最下一道支撑距离开挖面的高度对于基坑变形有着较大的影响；•施工超载、交通荷载、周围建构筑物及管线荷载等；•无支护暴露时间、未架设支撑的开挖深度、支撑安装快慢，开挖初始阶段的悬臂深度、挡墙接缝以及水平冠梁和腰梁的设置与刚度也将影响到基坑的变形。挡墙最大侧移与支撑系统刚度关系曲线2.3基坑开挖完成后的变形影响因素•渗流固结：在浇筑地下室楼板后的形成强度期间，随着土体内部超孔压水压的消散及土颗粒间有效应力的形成，土体的固结变形仍在不断进行，基坑内部及外部的荷载将不断发生变化，对于软黏土，其固结的时间历程往往远大于施工的周期，并将在施工后较长的时间内发生位移。•土体的蠕变：基坑开挖完成后，坑底封底并实施地下结构施工的阶段，随着地下结构的施工及支撑的拆除，基坑周边的土体仍将发生一定的变形。一般情况下，此后土体的位移速率将随时间不断减小，并随着施工的逐渐完成而趋于稳定。3.平面围护墙的变性计算－弹性地基梁法0)(44awabppdzxdEI对于zH：对于zH：0)(044awashbppvkbdzxdEI土的水平抗力系数kh（基床系数）（kN/m3）0)(044awashbppvkbdzxdEIzkhm1mzkh（m法）kh水平抗力系数kh的系数m•单桩水平载荷试验•经验公式：•经验数值表：32035xcrcrEIbvxHmkk2k2.01cmkh=2000N（kN/m3）基坑规程：地基土水平抗力系数的比例系数m值序号地基土类别预制桩、钢桩灌注桩m(MN/m4)桩顶水平位移（mm）m(MN/m4）桩顶水平位移（mm）1淤泥；淤泥质土；饱和湿陷性黄土2~4.5102.5~66~122流塑（IL≥1）、软塑（0.75IL≤1）状粘性土；e0.9粉土；松散粉细砂；松散、稍密填土4.5~6.0106~144~83可塑（0.25IL≤0.75）状粘性土；湿陷性黄土；e=0.75~0.9粉土；中密填土；稍密细砂6.0~101014~353~64硬塑（0IL≤0.25）、坚硬（IL≤0）粘性土；湿陷性黄土；e0.75粉土；中密的中粗砂、密实老填土10~221035~1002~55中密、密实的砾砂；碎石————100~3001.5~3上海地区m的经验取值地基土分类m（kN/m4）流塑的粘性土1000~2000软塑的粘性土、松散的粉砂性土和砂土2000~4000可塑的粘性土、稍密~中密的粉性土和砂土4000~6000坚硬的粘性土、密实的粉性土、砂土6000~10000水泥土搅拌桩加固，置换率25%水泥掺量8%2000~4000水泥掺量13%4000~6000围护墙的变形形式（a）标准型（b）旋转型（c）多折型（d）悬臂型围护墙最大水平位移的位置•在基坑开挖初期，支撑尚未架设时，围护墙处于悬臂状态，其最大水平位移发生在墙顶；•随着开挖深度的增大及墙顶支撑的架设，墙顶水平位移受到了限制，墙体中部逐渐向坑内凸出，最大水平位移也相应地逐渐下移，并发生在开挖面附近；•对于深度在16m以上的深基坑，上海地区的工程经验则表明：围护墙的最大水平位移的位置逐渐上移，底部的土体将为土质更好的黏土层，故当开挖这层黏土时，最大水平位移仍保持在上部淤泥质土层位置；•墙体最大水平位移的发生位置还与最下道支撑的位置及墙体的插入深度等有密切的关系。围护墙水平位移最大值•支护结构的最大侧移与土层条件、围护结构种类、支撑形式等密切相关，不同地区的有关统计结果差别较大。•针对具体某个地区的基坑工程，其支护结构的最大侧移的预测可参考总结的工程经验，对基坑的变形进行初步的预测。墙体最大水平位移与开挖深度的关系研究学者土质及支护特点δhmax/H（%）Goldbergetal.（1976）软黏土钢板桩1地连墙0.25砂土、砂砾土、硬黏土0.35Clough&O’Rourke（1990）软到中等硬度黏土0.2Ouetal.（1993）台北，黏土及砂土交替地层0.2~0.5Masuda（1993）日本，黏土，地连墙支护0.05~0.5Carder（1995）硬黏土支撑刚度高0.125支撑刚度中等0.2支撑刚度低0.4吴佩轸等（1997）地连墙（台北地区）0.07~0.2Wongetal.（1997）下卧良好土层开挖深度内软土层厚度0.9He0.5开挖深度内软土层厚度0.6He0.35刘兴旺等（1999）软土0.2~0.9崔江余等（1999）重力式挡墙良好地基边长≤30m0.5~1.030~50m1.0~1.550m1.5一般地基边长≤30m1.5~2.030~50m2.0~2.550m2.5软弱地基边长≤30m2.5~3.530~50m3.5~4.550m4.5Long（2001）开挖深度内软土层厚度0.6He内支撑0.13锚杆0.14逆作法0.16开挖深度内软土层厚度内0.6He，高FOS，开挖面位于硬土层，内支撑支护0.21悬臂墙0.36Yoo（2001）上覆硬黏土、残积土、砂土，下卧风化岩石、软岩、硬岩围护墙排桩0.15搅拌桩墙0.13灌注桩0.14地连墙0.05支撑内支撑0.13锚杆0.11Wangetal.（2005）软土0.7Leungetal.（2007）SPTN≤300.23SPTN300.13王建华等（2005）逆作法0.1~0.6(0.26)徐中华等（2007）上海地区软土地连墙或排桩顺作法0.42逆作法0.25丁勇春等（2008）上海地区软土0.05~0.7徐中华等（2008）地连墙，顺作法0.1~1.0（0.42）徐中华等（2007）上海地区饱和软黏土逆作法，方形基坑0.1~0.6（0.25）逆作法，圆形基坑0~0.1（0.05）连续墙，灌注桩0.1~1.0（0.44）钢板桩0.3~3.5（1.50）SMW工法0.15~0.75（0.41）水泥土搅拌桩0.3~2.5（0.91）复合土钉0.2~0.9（0.55）4.坑外土体位移的预测4.1Peck