基坑支挡结构设计若干问题探讨

根据基坑开挖应力路径的室内试验和现场实测数据,从土工试验方法、土体强度指标、地基土水平反力系数等方面分析了现在基坑工程支挡结构设计存在的一些问题.研究成果如下:支挡结构设计参数的获取应考虑主动区及被动区地基土的应力路径,并恢复地基土的固结状态.基坑开挖后主动区和浅部被动区土体抵抗剪切破坏的能力大于以常规CU强度指标的计...     

基坑中土的应力路径与强度指标以及关于水的一些问题

 基坑开挖是在原状土层中进行的,其地基土的应力路径既不同于常规挡土墙中土的应力路径,也不同于室内常规三轴压缩试验中试样的应力路径。基坑工程中,支挡结构物前、后土体的平均主应力或者某些方向的主应力常常是减少的,对于饱和黏性土的固结不排水三轴试验,可能产生负的超静孔隙水压力,从而会影响土的抗剪强度指标。本文指出,对于黏性土中的基坑,在近期施加的墙后地面超载q,以及欠固结土地基的情况下,使用固结不排水(或固结快剪)强度指标计算土压力与进行稳定分析是偏于不安全的;同时指出,重力式水泥土墙的抗滑移和抗倾覆稳定验算,以及用瑞典圆弧法进行整体稳定验算时,对于饱和黏性土,如使用固结不排水强度指标,其抗力部分中的自重应按浮重度计算。结合对《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120-201?)报批稿进行的一些讨论,分析在基坑支挡结构计算中水压力的作用,提出地基土为粉土时,水土压力分算还是合算取决于其下土层的性质。     

基坑开挖卸荷应力路径地基土工程特性

基坑工程支挡结构分析计算是否能正确模拟地基土的工程行为,主要在于采用的应力-应变关系及计算参数的选取方法能否符合工程实际的应力路径。本次研究分析了现行基坑工程设计参数试验获取方法的不合理性,认为土体的物理力学试验应确定其初始应力和固结状态,且试验采用的应力路径应能反映基坑开挖引起土体应力状态的变化,所得参数应能将地基土的强度与变形有效地联系起来,应力-应变关系既能表达极限状态,又能描述过程状态。研究提出了一种针对基坑工程的土工试验方法,将基坑开挖应力路径简化为三种,并结合基坑足尺试验场地原状土样的土工试验结果,分析了基坑开挖卸荷路径地基土的强度、变形特征,得到了土体应力-应变关系及归一化方式。研究结果对改进基坑工程设计及计算分析方法具有重要意义。     

对与基坑工程有关的一些规范的讨论（2）

本文是对与基坑有关的规范系列讨论的第二部分,结合基坑工程土的应力路径问题讨论了不同强度指标与计算方法的适用性。针对目前勘察报告对于一层土只给出一个或一组强度指标的情况,指出了应重视取样及现场测试深度的问题;认为对于支挡结构前后土体应进行不同围压的三轴试验;讨论了基坑工程中墙前后土体的应力路径与室内试验应力路径的区别,讨论了应力路径对于不同强度指标以及水土压力计算的影响。并特别指出,支挡结构物前、后土体的平均主应力或者某些方向的主应力常常是减少的,对于饱和黏性土的固结不排水三轴试验,可能产生负的超静孔隙水压力,从而会影响土的抗剪强度指标。     

基于超固结黏性土CU指标求解函数的“m”法修正

 由于基坑开挖卸载,墙前被动区土体由正常固结状态转化为超固结状态,其固结不排水剪(CU)指标将发生变化,因此弹性地基梁计算理论应予以修正。根据超固结比(OCR)与不排水强度、上覆土压力间关系,引入不排水强度与固结不排水剪(CU)指标间关系,逐步推导出多土层条件下超固结土CU指标的求解函数,将其应用于弹性地基梁“m”法计算理论,提出一种新的考虑分步开挖卸载后被动区黏性土超固结作用影响的m值修正计算法。武汉长江隧道工程有限元算例结果显示,随着超固结比增大,开挖面一定深度下各黏性土层CU指标、m值均有不同程度提高,其中粉土提高幅度尤为大,按该修正法计算出的支护体位移较未修正前更接近实测结果。     

考虑残余应力的基坑被动区土压力及强度计算

基坑开挖过程中坑内土体处于竖向卸荷状态,而土体在卸荷过程中是普遍存在残余应力的。为了分析土体卸荷引起残余应力对基坑被动区土压力及强度的影响,进行砂的静力模型加卸载试验,通过试验得到砂在卸荷过程中应力变化规律,即在卸荷初期砂中应力几乎不变,在荷载完全卸除后仍存在残余应力。通过分析影响土中残余应力的因素,建立归一化参数——残余应力系数ξ和卸荷比R之间的函数关系,结合坑内土体的受力特点,建立基坑被动区残余应力的计算公式。结合既有试验成果,提出利用考虑残余应力的竖向土压力和加载时的静止侧压力系数来计算基坑被动区土压力的方法。建立考虑残余应力的基坑被动区抗剪强度计算方法,并与室内试验结果进行对比,验证方法的正确性。     

隧道盾构施工对场地土力学性能影响的研究

依托无锡地铁1号线盾构区间开挖工程,根据盾构施工周边不同区域内土体扰动的特点,对盾构施工现场原状土进行一系列应力路径室内三轴试验。试验结果表明:不同的应力路径下土体强度和变形特征显著不同,等比压缩、被动压缩、等p压缩和主动压缩的强度依次递减;土体在卸载应力路径下的强度和破坏时的轴向应变小于加载应力路径时的相应值;而土样在压缩应力路径下的强度要远远大于伸长应力路径下的强度。     

基坑施工邻域隧道围土应力路径演变规律研究

为研究基坑开挖过程中邻域既有隧道周围土体应力路径演变规律,采用Mindlin经典理论,求解基坑底部和四周侧壁卸荷效应在隧道围土各点引起的附加应力场,并与初始应力场相叠加可得各点的现有应力场与应力路径,选用Mohr-Coulomb强度准则作为土体破坏控制标准以判断隧道围土各方向土体安全度。研究表明 :(1)随基坑开挖深度增加,隧道围土各点应力路径呈现靠近主应力破坏线K_f的演变趋势,其中隧道顶部与靠近基坑侧土体处于易破坏状态,隧道底部与远离基坑侧土体处于较安全状态。(2)沿隧道轴向,基坑开挖对邻域既有隧道围土应力场影响以一倍、二倍基坑开挖宽度为界线。一倍基坑宽度内为强影响区,一倍至二倍基坑开挖宽度内为过渡区,二倍基坑宽度外为弱影响区。(3)基坑与隧道净距越大,基坑开挖对隧道顶部和靠近基坑侧土体应力路径影响越小,该方向计算点处土体应力路径演变规律越趋于相似和稳定。     

基坑开挖中考虑水压力的土压力计算

本文从土的有效应力原理出发,分析了软粘土中深基坑开挖的土压力计算问题,着重讨论了孔隙水压力对土压力的影响.经过分析,作者认为当采用总应力法计算时,原则上应采用卸载强度指标.作者认为以下两个原因使得“水土压力合算法”在软粘土地区的临时性开挖工程中土压力计算值与实测值较接近:一是卸载引起负超孔压,卸载总应力强度指标大于常规三轴加载总应力强度指标;二是渗流引起主动区孔压减小,被动区孔压增大.最后,作者强调不要拖延基坑开挖的进度.     

基于超固结比与变形的基坑被动区土压力计算

通过对挡土结构被动区土压力计算方法与模式的分析,指出现行计算方法存在的局限性与不合理性。根据基坑开挖工程的特点,考虑了基坑被动区土体在超固结状态下K0值的计算方法,并在此基础上提出了考虑土体卸荷的变形模量的土压力与变形的计算关系式,并通过工程实例对本方法进行了对比分析。     

基于影像源法的基坑开挖引起的土体水平位移预测

基坑开挖将使土体产生附加水平位移,过大的水平位移会使邻近地下结构物受到破坏。基于影像源法,并充分发挥基坑围护结构易于实测的优势,推导了在基坑开挖下的坑外土体水平位移半解析式,分析中,通过定义土体的不均匀收敛系数,考虑了当前研究中大都忽略的土体收敛非均匀性,与实际情况更接近。同工程实测数据的对比验证了所提方法的准确性。进一步参数分析表明:不考虑土体收敛非均匀性的坑外土体水平位移计算值同实测相比,会低估上部土体水平位移,高估下部土体水平位移,因而同实测出现一定偏差,且当土体愈靠近基坑,偏差愈明显,可见考虑土体的非均匀收敛愈有必要。计算发现,当不均匀系数介于3～6时,计算结果同实测吻合较好。本文研究成果可为预测基坑开挖诱发土体水平位移提供一种新的探究思路。     

基坑开挖引起邻近盾构隧道转动与错台变形计算

基坑开挖会对邻近盾构隧道的变形产生显著影响。考虑基坑开挖时卸载在隧道轴线处产生的附加应力,建立了综合考虑剪切错台变形和刚体转动变形的隧道变形计算模型,结合最小势能原理推导出隧道的纵向变形量、环间错台量、环间转角和环间剪切力的计算公式。选取两组工程实例进行分析,将计算结果与实测数据进行比较。研究结果表明:邻近并平行于盾构隧道的基坑侧壁的卸荷效应对旁边隧道的影响最大;隧道水平位移最大值附近的管片基本不发生错台变形和刚体转动变形,环间剪切力值也很小;而在隧道水平位移曲线的反弯点处,隧道的剪切错台量、环间转角和环间剪切力值达到最大;在基坑开挖工况下,邻近隧道的水平位移变形模式以剪切错台为主,刚体转动为辅。     

考虑开挖效应的基坑被动土压力计算

基坑围护结构上实测的内力常常远比用经典土力学理论计算的数值小,基坑内侧被动土压力的计算值偏小是造成该情况的原因之一。根据基坑开挖工况,认为开挖后土体有效上覆压力是从原地面算起的自重应力与开挖卸载引起的“负附加应力”的叠加,并采用超固结强度指标计算坑内侧被动土压力。     

坑外降水条件下软土地层深大盾构工作井稳定性研究

采用合适的计算方法确定有效的围护方案是基坑设计中的难点。以南京纬三路过江隧道江北盾构工作始发井为依托,采用空间地基板法反演分析得到各地层m值,通过编制DLOAD子程序实现主动区与被动区的判别和相应荷载的施加,得到坑外降水条件下软土地层深大盾构工作井围护体系的受力与变形特征。计算结果与现场实测值较为吻合,从而证明采用空间地基板法配合反演得到的地层m值可有效预测工作井围护体系的变形与受力特征。为进一步优化设计方案,选定连续墙厚度、支撑截面尺寸及底板以下5 m范围内土体m值3个参数,通过正交试验进行参数分析,得到影响连续墙水平位移及支撑轴力的主要因素。计算方法及相关计算结果可为同类工程设计提供参考。     

逆作法基坑支护结构三维m法及工程应用

逆作法技术广泛应用于软土地区敏感环境下的深大基坑工程施工。虽然基于连续介质力学的三维实体有限元方法已逐渐被用于分析评估深开挖对周围环境的影响,工程实用中支护结构的内力变形分析仍采用基于梁–土弹簧体系的弹性抗力法,而传统的支护结构弹性抗力法不能考虑逆作法基坑复杂施工因素的影响。以杭州某逆作法深大基坑工程为案例,结合现场实测数据,通过PLAXIS平面有限元分析与弹性抗力法反分析,得到逆作法深大基坑中盆边留土、坑底工程桩作用和蠕变影响的杭州软黏土等效水平基床比例系数m的拟合公式,提出了考虑逆作法复杂施工因素影响的基坑三维梁系有限元分析方法。研究表明,该方法的计算结果比现有方法更合理;对于深厚软黏土逆作法基坑工程,土体蠕变对基坑变形影响显著。     

上海地区不同强度参数对基坑围护结构变形和内力的影响

为研究上海地区不同强度参数对基坑围护结构变形和内力的影响,在ABAQUS中建立平面竖向弹性地基梁法模型,根据上海地区4种典型基坑概化模型和上海195个工程勘察报告和文献试验数据统计的典型土层强度参数,研究了每类基坑概化模型中不同强度参数对围护结构的最大水土压力、变形(最大位移)、内力(最大剪力、最大弯矩)以及支撑轴力的影响。结果表明:采用三轴固结不排水(CU)有效应力强度参数得到的围护结构变形和内力结果最小; 采用十字板不排水抗剪强度计算的结果相比有效应力强度参数结果无明显规律; 直剪固结快剪和CU总应力强度参数计算得到的结果较为接近,相比于有效应力强度参数结果,最大位移增量约为6%,最大水土压力增量为4%～5%,最大弯矩和剪力增量为7%～8%; 总体来看,目前上海基坑规范采用固结快剪总应力强度参数进行围护结构设计相比采用有效应力强度参数偏安全。     

上海陆家嘴地区超深大基坑邻近地层变形的实测分析

结合上海国际金融中心超大体量卸载、超深开挖深度、超长降水周期的基坑工程实践,通过对邻近地层变形的信息化监测,研究上海陆家嘴地区超深大基坑在顺逆作同步交叉实施条件下邻近地层的时空位移特征,初步探讨其变形机理和影响因素。研究表明:重车动载对坑外地表沉降影响较大,地墙隆起对0.1H范围内的地表土体拖带上抬;地表沉降主要受软弱土开挖和承压井降水影响凹槽分布,纵向地表沉降空间效应明显,受顺逆作同步交叉实施影响差异沉降突出;坑外地层侧移角部效应明显,形成水平方向的土拱作用,并与系统刚度和土体硬度呈正比;坑内土体强隆起范围远超开挖面下1倍挖深,立柱隆起在第三和第五层土方开挖时发展速率明显较快;坑外设计挖深上部地层以斜向下位移为主,下部地层以斜向上位移为主;基坑土方开挖阶段,坑内地层卸荷隆起为主流动补偿为辅,坑外设计挖深以上地层土体流动补偿和承压井降水固结沉降均显著,而设计挖深以下地层以卸荷隆起为主兼有少量流动补偿。     

基坑设计的杆系–荷载–弹簧模型荷载取值及变形和稳定性分析的若干问题和研究建议

作为当前基坑设计主流方法,杆系–荷载–弹簧模型还有几个问题没有解决。围护结构上的水土压力的统一计算方法,论证水土压力统一计算理论的合理性。目前为杆系–荷载–弹簧模型设计方法所构造的安全系数可能不足以覆盖基坑的所有破坏模式;建立新的控制基坑稳定的安全系数以及对既有安全系数进行改造以使其能够考虑尺寸效应是基坑研究的重要任务之一。目前基坑设计方法考虑安全系数对基坑变形的影响,与常规的安全系数的概念不同,这一点基坑研究时要引起注意。提出一个考虑圆形基坑的杆系有限元算法,建议一个被动区土体弹簧的双刚度模型,可以在用杆系有限元分析时考虑圆形基坑的尺寸效应和长条形基坑土方开挖的空间效应,为基坑研究指出一些方向。     

非饱和土土压力在盂县基坑工程中的应用

按照经典土压力理论进行基坑支护设计,非饱和土地区基坑支护结构实测位移通常远小于设计值,其中一个重要原因是未按非饱和土特性计算土压力.针对山西盂县某基坑工程实例,根据勘察报告与Van Genuchten模型确定非饱和黄土土-水特征关系曲线.严格证明了总黏聚力法和卢宁吸应力法两种方法在计算非饱和土土压力时完全等效.应用非饱...