有限土体主动土压力计算的土拱效应分析

基于墙后土体为半无限土体假定的经典土压力理论不适用于有限土体土压力计算。分析了墙后有限土体的破坏模式及位移特征,并考虑应力偏转现象分析了有限土体中的成拱效应。在此基础上,基于水平薄层法分析了有限土体主动土压力分布特征,给出了有限土体主动土压力强度的理论计算方法。该方法可较好地考虑有限土体宽度及土拱效应对土压力分布造成的影响。与试验实测数据对比表明,相比经典土压力理论,该方法的计算值更接近于实测值,可供相关设计计算参考。对影响有限土体土压力分布的主要参数进行了初步研究,如土体计算宽度、土体黏聚力及内摩擦角。结果表明:不同参数取值并未改变有限土压力沿深度的分布规律;同一深度处,土压力值随计算宽度与土体摩擦角的增大而增大,但随土体黏聚力的增加而减小。     

基于上限分析法的有限宽度土体土压力计算

在基坑支护工程的设计计算中,由于拟开挖基坑距离已有建筑物与开挖深度相比较小,基坑围护结构所承受的为有限宽度土体的土压力,若根据常规的土压力计算,一般会造成偏大的计算结果,造成不必要的浪费。针对基坑工程中有限宽度土体土压力的计算问题,基于极限分析法的上限定理,推导了有限宽度土体的土压力计算公式,并与经典朗肯土压力的计算结果进行了对比,结果表明:有限宽度土体的土压力分布模式和量值与经典的朗肯土压力分布模式和量值存在着明显的差异,应根据不同土质、有限土体的宽度与基坑的开挖深度之比来计算土压力。     

窄基坑围护墙插入深度优化解析及离心试验研究

与宽基坑相比,窄基坑由于基坑开挖宽度小,围护墙的稳定性有很大的提高。对纵向长度长达数公里的窄基坑工程,在满足稳定的前提下,如果围护墙的插入深度可以得到优化,其经济效益将是巨大的。以福建省某城区电缆隧道的窄基坑工程为依托,开展窄基坑围护墙插入深度优化的研究。首先,采用解析的方法对比了不同开挖宽度条件下围护墙的受力及变形特征。结果表明,开挖宽度减小时,作用在围护墙的水平附加荷载将大幅降低,同时墙体的内力和变形也大幅减小。基于此,提出适用于窄基坑的坑底土体抗隆起稳定性安全系数计算方法,改进规范提出的计算方法。计算结果表明,由改进的计算方法得到的安全系数大于规范方法算得的安全系数。若按照改进的计算方法进行设计,围护墙插入深度可减少25%。最后,基于离心物理模型试验对提出的理论进行验证。试验结果表明,对于窄基坑,规范提供的围护墙临界插入深度计算方法确实过于保守,在设计窄基坑时有必要对围护墙插入深度进行优化。研究成果可为窄基坑工程围护墙插入深度的优化设计提供理论依据。     

狭窄黏性填土刚性挡墙主动土压力研究

对于临近既有地下室或竖直基岩面的挡土墙,由于墙后填土宽度有限,采用经典的库伦、朗肯土压力理论计算挡土墙主动土压力是不合适的。采用有限元分析软件ABAQUS,对狭窄黏性填土刚性挡土墙的主动土压力问题进行研究,探讨了墙后土体的临界裂缝深度和滑裂面的发展规律。考虑墙土之间的黏着力和填土竖向裂缝,建立新的理论分析模型,得到了挡土墙水平主动土压力合力的求解方法和主动土压力分布的解析公式。土压力合力系数与土压力强度的理论解和数值解吻合较好,验证了本文理论解的合理性。研究表明,主动极限状态下,填土表面两侧均将产生竖向裂缝,且临界裂缝深度不随填土宽度变化,其值与朗肯裂缝深度接近;随着填土宽度的减小,填土内将产生一道甚至多道滑裂面,挡土墙主动土压力也从基于半无限土体假定的广义库伦土压力值逐渐减小。     

台宽比对坑中坑基坑变形的影响分析

台宽比即坑中坑基坑土台与基坑宽度的比值。作为坑中坑基坑的重要设计参数,台宽比对基坑变形有着直接的影响。本文运用二维有限元软件对不同台宽比下某深长坑中坑基坑开挖进行动态模拟,通过对地表沉降和围护墙体变形规律分析得出有利于此类基坑设计的指导性建议。其中:当台宽比小于0.67时,基坑左侧不宜按外坑深度进行单元计算,可考虑按基坑总深度进行单元计算;当台宽比大于等于0.67时,基坑左侧可考虑按外坑深度进行单元计算;当台宽比小于0.67时,基坑右侧宜按基坑总深度进行单元计算;当台宽比大于等于0.67时,可适当减小基坑右侧单元计算深度;当台宽比不大于0.5时,内坑支护效应对基坑的整体稳定性影响较大,宜增加中墙整体刚度或插入比。     

止水帷幕的挡土作用对深基坑变形的影响

基坑围护结构主要起挡土和止水的作用。现行计算方式大多认为挡土结构承担水土压力,止水帷幕防止地下水渗入坑内,一般不考虑止水帷幕的挡土作用。实际应用上水土压力首先传递给帷幕,再间接传递给灌注桩。如果把二者作为一个整体的围护结构,帷幕的存在增加了整体的刚度和重量,进而起到增加整体稳定性的作用。理论和实践表明,帷幕具有一定的挡土作用。分别研究了搅拌桩深度、排数、弹性模量取值以及搅拌桩与灌注桩之间的距离对基坑变形的影响。帷幕深度从基坑开挖深度增加到灌注桩深度的过程中,基坑侧向位移减小量明显,帷幕深度继续增加时,基坑侧向位移会继续减小,但减小量不明显。帷幕排数的增加使得基坑侧向变形明显减小,特别是从两排增加到三排时,侧向变形减小量很大。     

考虑基坑支护结构变形模式的土压力研究

为了减小经典朗肯土压力理论与工程中实际土压力的误差,在经典朗肯土压力理论的基础上,减少了其基本假定中的限定性条件,考虑基坑支护结构变形产生的土拱效应以及基坑支护结构与土体间的摩擦力,通过分析平面应变条件下土单元体的极限平衡状态,提出了修正的朗肯土压力理论。用理论分析结合实例验证的方法与经典朗肯土压力理论做对比,发现修正的朗肯主动土压力大于经典朗肯主动土压力,修正的朗肯被动土压力小于经典朗肯被动土压力。同时还讨论了不同基坑支护结构变形模式对极限状态下土压力分布的影响,最后分析了极限状态下修正的朗肯土压力对黏聚力与内摩擦角两个参数的敏感性。     

邻近地层损失对地下挡土结构土压力与地表沉降影响试验研究

城市浅层空间隧道往往从一侧或两侧地下挡土结构物之间穿过,多数情况下会引起地层损失。目前城市地下开挖引起塌陷事故呈现逐年增多的趋势,当地层损失产生后,周边已建或在建基坑挡土结构的土压力和地层沉降发展规律是决定是否需要进行加固或处理的依据。为了获取地层损失的扰动影响规律,开发了模型试验装置与钢棒相似土技术,采用活动门下沉模拟地下开挖引起的地层损失,采用挡墙平移模拟基坑开挖。分别考虑活动门深度与宽度比、活动门位置深度与距离比、活动门位置深度与侧限宽度比,开展了15组二维模型试验。利用挡土板上的18块悬臂式载荷计测得挡土结构土压力,采用粒子图像测速技术获取表面沉降曲线。结果表明:地层损失会使邻近基坑挡墙上部土压力增加,下部土压力减小;地层损失发生后,邻近的新建基坑如继续进行开挖施工,由于土体受到了充分的扰动,挡土结构底部不会出现土压力减小的箱槽效应,挡墙平移达到主动极限状态时的土压力分布与库仑主动土压力较为吻合;邻近地下开挖引起地层损失与挡墙平移的叠加效应影响下,地表沉降最大值和曲线曲率随活动门宽度增加而增加,随活动门距离和侧限宽度减小而增加。由于采用钢棒相似土,所获得的研究成果主要反映砂土地层的土压力与变形特性。     

基于上限理论的预留土支护基坑极限抗力分析

预留土支护基坑被动区的抗力大小与分布是预留土支护基坑分析设计的基础,但目前还没找到预留土支护基坑被动区抗力计算的合理方法。根据预留土支护的特点,基于极限分析上限理论,运用竖向条块对预留土支护基坑被动区进行离散,并构建相容速度场,从而提出了预留土支护基坑被动区极限抗力的上限解法。借助优化技术对相容速度场的优化分析获得了预留土支护基坑被动区抗力的最优上限解。为检验所提出上限解法的合理性,对不同挡墙高度、地质参数等条件下的被动土压力进行了计算,并与经典朗肯理论解的土压力值以及破坏面进行对比。应用所提出的预留土支护基坑被动区抗力上限方法,对不同预留土顶部宽度、预留土底部宽度、预留土高度以及预留土边坡坡度系数等参数条件下的被动区极限抗力值、极限抗力沿深度的分布以及破坏面进行了计算分析,讨论了这些参数对预留土支护基坑被动区抗力以及破坏面的影响规律。所提方法为今后预留土支护基坑的设计以及优化设计奠定了基础。     

基于强度折减法的条形基坑围护深度优化研究

工程设计中,基坑围护结构深度(由插入比决定)往往由抗隆起稳定性验算控制。对于条形基坑,由于没有考虑基坑的空间效应尤其是宽度B的影响,基坑抗隆起稳定性的计算值偏小;这导致围护结构的插入比过大,造成较大的工程浪费。结合基坑工程实例,采用有限元强度折减法分析了围护结构插入比对条形基坑稳定性的影响规律,并以此为依据,优化条形基坑围护结构的深度。工程实践证明优化设计能够满足控制条形基坑稳定性的需要,可在类似工程中推广。     

圆形基坑围护结构稳定性分析

圆形基坑有明显的空间效应,但目前的抗倾覆稳定安全系数计算公式不能考虑圆形基坑的空间效应.推导了圆形基坑的抗倾覆稳定安全系数计算公式,该公式在基坑直径无限大时可以退化为规范推荐公式.以参考文献中模型试验及数值分析结果为基础计算的圆形基坑变形与抗倾覆稳定安全系数关系说明该公式有一定合理性.应用该计算方法分析了圆形基坑直径对...     

软土层对地铁狭长深基坑地表沉降的影响研究

随着我国城市轨道交通的快速发展,地铁地下车站狭长深基坑工程越来越多,尤其是长江中下游和沿海地区城市的狭长深基坑大多开挖于深厚软土场地,对该类深基坑的施工安全造成了严重的威胁和工程事故。鉴于此,本文基于Midas商用软件,建立了土体-围护结构相互作用体系的三维有限元分析模型,通过现场实测与数值计算结果的对比分析,验证了数值分析模型的可行性。通过改变软土层厚度、埋深和开挖深度等不同组合的108个计算工况,系统分析了软土层厚度和埋深变化对地铁狭长深基坑周围地表沉降的影响规律。结果表明:当软土层主要位于基坑底面以上侧向地基中时,软土层厚度变化对基坑周围地表沉降影响较大;地铁狭长深基坑侧向地基中软土层埋深增大时基坑周围地表沉降先变大后变小,且变化转折点为软土层顶层埋深高于基坑底面以上的一定范围内;当软土层埋深较大且较厚时,开挖深度对地表沉降的影响有增速的趋势,即当基坑开挖深度较深时软土层的影响更为明显。同时,根据数值计算结果,给出了软土层厚度和埋深等与地表沉降的统计关系。     

考虑二维和三维尺寸效应的基坑抗隆起稳定安全系数

大量工程实践均表明,小尺寸基坑具有更好的稳定性,表现出明显的尺寸效应。但现有规范推荐的基坑稳定分析方法均假设基坑宽度和尺寸对安全系数没有影响,造成小尺寸和狭窄基坑围护设计的巨大浪费。目前,还没有采用解析方法计算的安全系数能够合理地考虑基坑的三维尺寸效应。为解决基坑稳定性的三维尺寸效应问题,提出了一个新的基坑安全系数K_W,把基坑底隆起失稳问题简化为弹性半空间上在坑底施加一个负载所引起的塑性区扩展问题。基坑开挖形成的负载绝对值为γ₁H。围护墙的存在导致基坑达到失稳极限状态时的塑性区向下扩展延伸,当塑性区的破裂面通过围护墙底时达到负载的极限状态。采用弹性力学解析解可计算出负载引起的附加应力,与地应力场叠加可计算出极限负载p_u的大小,考虑坑外超载q后,定义K_W=p_u/(γ₁H+q)。利用这个新的安全系数不但可以分析长条形基坑宽度和矩形基坑大小对围护结构稳定性的影响,还可以针对基坑不同位置计算安全系数。本文方法为利用基坑的二维和三维尺寸和空间效应缩短围护结构入土深度提供了一个有力的理论工具,有极高的推广应用价值。     

狭窄基坑条件下基于普朗德尔地基极限承载力公式的隆起稳定性研究

在市政行业的基坑支护工程中,支护桩+内支撑支护是广泛使用的支护形式。传统的基坑隆起稳定性分析方法是采用普朗德尔地基极限承载力计算公式分析,但是该地基极限承载力计算公式不适用于狭窄基坑。本文从提出狭窄基坑的定义出发,根据普朗德尔地基极限承载力计算公式的基本原理,重新假定了狭窄基坑条件下的破坏模式及相关参数,并推导了相应的地基极限承载力计算公式。算例显示,该公式能较好的反映狭窄基坑的实际条件,安全系数有适当提高。     

软土深基坑被动区超前加固变形控制效果研究

依托某实际工程,利用FLAC 3D软件建立了3种不同地层参数的基坑有限差分数值模型,验证了土体本构模型的硬化模型比摩尔-库仑模型更适用于基坑工程中,对比分析了裙边加固和满堂加固的加固效果,同时借鉴基坑底部被动区加固思路,提出了在软土深基坑中对开挖段进行超前加固,以控制基坑开挖过程中支护结构位移的方法。结果表明:裙边加固的合理加固宽度为0.5h(h为基坑开挖深度),合理加固深度则与坑底的地层条件密切相关; 满堂加固的合理加固深度可取0.3h,在某些基坑位移控制特别严格的情况下,满堂加固深度超过0.5h后,可考虑优先加固最后一道撑到坑底的土体; 开挖段的满堂超前加固可以使首道撑位置下移,为减少支撑道数提供了可行方案; 研究为同类工程设计提供了参考依据,进一步丰富了软土地区的深基坑变形控制措施。     

基坑开挖对临近基坑地铁高架结构变形的影响

以苏南地区临近城市轨道交通结构的基坑工程为例,通过三维有限元模拟施工过程,反演适宜模拟该基坑施工过程的计算参数,并在此基础上研究不同开挖距离、基坑规模、开挖深度、基坑数量和施工工序的基坑施工对临近地铁高架结构的影响。结果表明:基坑与结构水平间距小于2H(H为基坑深度)时,结构横向变形发展大于竖向,水平间距为1H时,桥墩水平位移和沉降达到最大;地铁高架桥桥墩附加变形伴随着基坑宽度的增大而迅速增大,当基坑宽度大于8H时,影响迅速减小;基坑开挖深度对基坑中线4 H范围内的桥墩影响最大,尤其是开挖深度超过10m后;多个基坑施工引起的结构变形表现出明显的非线性叠加效应;多基坑施工工序对结构总变形略有影响。     

南京江北新区相邻深浅基坑开挖时序优化研究

依托南京江北新区江漫滩地层地下空间基坑群工程,对深度、面积差别较大的两相邻基坑进行开挖数值模拟研究,提出3种不同开挖时序,对比了不同开挖时序下围护结构变形、地表沉降、坑底隆起规律。结果表明:不同开挖时序控制下基坑外墙与共墙变形作用不同,深浅交替时序控制作用最大,先深后浅次之,先浅后深最小; 在开挖深坑下部土方时,先浅后深时序下,共墙最大变形位置在浅坑底部附近,而另外2种开挖时序下共墙最大变形位置上移到墙顶; 在减小坑外地表沉降方面,深浅交替时序作用最大,先深后浅次之,先浅后深最小; 先浅后深时序施工深坑上部土方时,最大沉降位置逐渐靠近坑壁,而先深后浅时序施工浅坑时最大沉降位置远离坑壁,深浅交替时序施工时,最大沉降位置亦远离坑壁; 在深坑下部土方未开挖时,深浅交替时序对控制浅坑坑底隆起作用最大; 深坑与浅坑均开挖完时,先浅后深时序最有利于控制深坑坑底隆起; 对比各时序基坑变形规律,建议采用深浅交替时序开挖此类相邻基坑。     

基坑围护结构的抗冲剪稳定安全系数的计算与应用

基坑最下道支撑设置过高会造成围护结构中剪力过大,导致围护结构发生冲剪破坏。这种破坏属于脆性破坏,具有突发性,可能造成灾难性的后果。目前常用的各类安全系数只能控制围护结构的插入深度,不能控制最下道支撑的设置高度,所以不能避免基坑发生这种破坏。为此,提出基坑围护结构抗冲剪稳定安全系数,描述围护结构冲剪破坏形式和特征,给出抗冲剪稳定安全系数的计算方法。研究表明,在其他安全系数满足要求时还应验算围护结构抗冲剪稳定性,分析最下道支撑设置高度的合理性。应用抗冲剪稳定安全系数可以解释国内某城市地铁基坑坍塌事故的破坏机制。计算分析表明,采用该安全系数控制最下道支撑高度可以使基坑的各种安全系数与插入比关系线性化。该安全系数形式简单、计算方便,在基坑的设计和施工中有重要的应用价值。     

基坑支护方法浅析

分析了造成基坑坍塌事故的原因，针对不同深度的基坑，介绍了不同的基坑开挖及支护方法，同时提出了工序施工顺序和保障工程质量的措施，以取得最好的经济效益，达到支护的目的。