《基坑變形分析》PPT課件.ppt

基坑的變形分析 清華大學(xué)巖土工程研究所李廣信 目錄 基坑變形的種類與形態(tài) 基坑變形的影響因素 支擋結(jié)構(gòu)的變形計(jì)算 坑外土體位移的預(yù)測(cè) 坑底隆起的估算 數(shù)值計(jì)算方法 1 基坑變形的種類與形態(tài) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形 水平與豎向 坑底隆起 基坑周圍土體的位移 沉降與水平位移 1 1坑外地面沉降與水平位移 1 2坑底隆起 1 3支護(hù)結(jié)構(gòu)位移 1 4基坑圍護(hù)墻的變形形式 a 弓形 b 上正彎 下反彎 c 前傾型 d 踢腳型 主要表現(xiàn)在深厚軟土層中 且當(dāng)有支撐的圍護(hù)墻埋入坑底以下深度不太大時(shí)最為常見 當(dāng)圍護(hù)墻插入深度大 且采用內(nèi)支撐時(shí) 無支撐的懸臂擋墻結(jié)構(gòu) 基坑位于深厚淤泥中 且墻體插入深度不大時(shí) 1 5坑外地面沉降曲線 其中I區(qū)地表沉降最小 最大沉降小于1 H H為最終的基坑開挖深度 適用于砂土和軟 硬粘土 II區(qū)和III區(qū)根據(jù)坑底以下軟土的厚度及坑底抗隆起穩(wěn)定系數(shù)而定 最大沉降可達(dá)1 3 H 主要采用排樁和板樁等剛度較小的支護(hù)結(jié)構(gòu) Peck的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) Clough O Rourke 1990 墻后地表沉降的分布模式 歐章煜等的坑外土體沉降模式 PIZ 主要影響區(qū) 1 6地面影響范圍 Peck 對(duì)于砂土及硬黏土 其沉降槽影響范圍為2倍開挖深度 對(duì)于軟黏土 影響范圍則為2 4倍的開挖深度 Clough O Rourke 對(duì)于砂土 軟到中等硬度黏土 沉降區(qū)域范圍為2倍的開挖深度 對(duì)于硬黏土 沉降區(qū)域范圍為3倍的開挖深度 Hsiehetal 和Ouetal 將三角形和凹槽型的沉降影響范圍分為主影響區(qū)域和次影響區(qū)域 其中主影響區(qū)域的范圍為2倍的開挖深度 而次影響區(qū)域?yàn)橹饔绊憛^(qū)域之外的2倍開挖深度 沉降影響范圍 日本 1 7基坑平面內(nèi)的水平位移 長(zhǎng)條形基坑的變形性狀 坑外土體位移曲線 基坑陽(yáng)角的空間效應(yīng) 1 8開挖過程中的墻后土體的水平位移 第一道支撐的位置對(duì)基坑的變形有重要意義 在第一道支撐未架設(shè)時(shí) 圍護(hù)墻處于懸臂狀態(tài) 當(dāng)懸臂長(zhǎng)度過大時(shí) 圍護(hù)墻的變形將較大 當(dāng)墻頂?shù)奈灰瓢l(fā)生后 在后續(xù)的開挖工序中基本保持不變 合理控制第一道支撐的架設(shè)位置 控制未支撐的開挖深度 對(duì)于控制基坑的變形有著重要的作用 2 基坑變形的影響因素 2 1基坑開挖前的變形影響因素 2 2基坑開挖過程中的變形影響因素 2 3基坑開挖完成后的變形影響因素 2 1基坑開挖前的變形影響因素 1 圍護(hù)墻施工影響 擠土式 鋼板樁 預(yù)制樁等樁墻 非擠土式 鉆孔或者掏槽的樁墻 地連墻施工對(duì)周邊土體位移的影響程度 主要與溝槽的寬度 深度及長(zhǎng)度 以及泥漿護(hù)壁效果緊密相關(guān) 由于地連墻成槽施工引起的土體的位移占整個(gè)基坑開挖變形總量的比例很小 但是在一些工程中 地連墻成槽施工引發(fā)的沉降量卻占總沉降量的40 50 其水平位移及沉降影響范圍一般為1 5 2 0倍的槽深 最大的沉降值可達(dá)0 05 0 15 倍的槽深 最大水平位移一般小于0 07 倍的槽深 連續(xù)墻施工引發(fā)地表沉降包絡(luò)圖 開挖前降水影響 某地下連續(xù)墻圍護(hù)地鐵車站基坑開挖前10天 在基坑內(nèi)進(jìn)行降水 結(jié)果地下連續(xù)墻側(cè)移 側(cè)移情況由圖可知 隨著降水的開展 地下連續(xù)墻發(fā)生了懸臂式的位移 墻頂最大位移達(dá)到了9 7mm 可見基坑開挖前的降水對(duì)地連墻的位移產(chǎn)生了明顯的影響 2 2基坑開挖過程中的變形影響因素 1 土層特點(diǎn)及地下水條件 2 基坑的幾何形狀及尺寸 3 圍護(hù)墻與支撐的性能 4 圍護(hù)墻剛度及插入深度 5 支撐的橫向與豎向間距 1 土層特點(diǎn)及地下水條件 軟弱土層的影響 地下水位以及滲流也將對(duì)基坑變形產(chǎn)生影響 尤其是當(dāng)承壓水頭較大時(shí) 將對(duì)坑底隆起產(chǎn)生重要的影響 在條件允許的情況下 盡可能避開對(duì)基坑施工或建 構(gòu) 筑物承載不利的地層及地下水條件 2 基坑的幾何形狀及尺寸 基坑的幾何形狀的影響 主要體現(xiàn)為基坑的空間效應(yīng) 如長(zhǎng)條形基坑 不規(guī)則基坑的陽(yáng)角等均表現(xiàn)出特殊的變形特點(diǎn) 基坑開挖深度的大小直接影響原狀土體的應(yīng)力變化 大面積基坑的開挖對(duì)基坑的變形有更大的影響 3 圍護(hù)墻與支撐的性能 圍護(hù)墻類型 厚度 插入深度 支撐與錨固的種類 水平與豎向間距 預(yù)加載大小 反壓土的預(yù)留 對(duì)于地鐵車站或者寬20m左右的條形深基坑工程 圍護(hù)墻的插入深度一般取0 6 0 8倍的基坑開挖深度 當(dāng)周邊環(huán)境對(duì)變形要求較為嚴(yán)格時(shí) 可適當(dāng)增大插入深度 除了滿足支撐間距的布置要求外 第一道支撐的位置對(duì)基坑的變形有重要意義 最下一道支撐距離開挖面的高度對(duì)于基坑變形有著較大的影響 施工超載 交通荷載 周圍建構(gòu)筑物及管線荷載等 無支護(hù)暴露時(shí)間 未架設(shè)支撐的開挖深度 支撐安裝快慢 開挖初始階段的懸臂深度 擋墻接縫以及水平冠梁和腰梁的設(shè)置與剛度也將影響到基坑的變形 擋墻最大側(cè)移與支撐系統(tǒng)剛度關(guān)系曲線 2 3基坑開挖完成后的變形影響因素 滲流固結(jié) 在澆筑地下室樓板后的形成強(qiáng)度期間 隨著土體內(nèi)部超孔壓水壓的消散及土顆粒間有效應(yīng)力的形成 土體的固結(jié)變形仍在不斷進(jìn)行 基坑內(nèi)部及外部的荷載將不斷發(fā)生變化 對(duì)于軟黏土 其固結(jié)的時(shí)間歷程往往遠(yuǎn)大于施工的周期 并將在施工后較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)發(fā)生位移 土體的蠕變 基坑開挖完成后 坑底封底并實(shí)施地下結(jié)構(gòu)施工的階段 隨著地下結(jié)構(gòu)的施工及支撐的拆除 基坑周邊的土體仍將發(fā)生一定的變形 一般情況下 此后土體的位移速率將隨時(shí)間不斷減小 并隨著施工的逐漸完成而趨于穩(wěn)定 3 平面圍護(hù)墻的變性計(jì)算 彈性地基梁法 對(duì)于z H 對(duì)于z H 土的水平抗力系數(shù)kh 基床系數(shù) kN m3 z kh m 1 m法 kh 水平抗力系數(shù)kh的系數(shù)m 單樁水平載荷試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)公式 經(jīng)驗(yàn)數(shù)值表 kh 2000N kN m3 基坑規(guī)程 地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m值 上海地區(qū)m的經(jīng)驗(yàn)取值 圍護(hù)墻的變形形式 a 標(biāo)準(zhǔn)型 b 旋轉(zhuǎn)型 c 多折型 d 懸臂型 圍護(hù)墻最大水平位移的位置 在基坑開挖初期 支撐尚未架設(shè)時(shí) 圍護(hù)墻處于懸臂狀態(tài) 其最大水平位移發(fā)生在墻頂 隨著開挖深度的增大及墻頂支撐的架設(shè) 墻頂水平位移受到了限制 墻體中部逐漸向坑內(nèi)凸出 最大水平位移也相應(yīng)地逐漸下移 并發(fā)生在開挖面附近 對(duì)于深度在16m以上的深基坑 上海地區(qū)的工程經(jīng)驗(yàn)則表明 圍護(hù)墻的最大水平位移的位置逐漸上移 底部的土體將為土質(zhì)更好的黏土層 故當(dāng)開挖這層黏土?xí)r 最大水平位移仍保持在上部淤泥質(zhì)土層位置 墻體最大水平位移的發(fā)生位置還與最下道支撐的位置及墻體的插入深度等有密切的關(guān)系 圍護(hù)墻水平位移最大值 支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大側(cè)移與土層條件 圍護(hù)結(jié)構(gòu)種類 支撐形式等密切相關(guān) 不同地區(qū)的有關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果差別較大 針對(duì)具體某個(gè)地區(qū)的基坑工程 其支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大側(cè)移的預(yù)測(cè)可參考總結(jié)的工程經(jīng)驗(yàn) 對(duì)基坑的變形進(jìn)行初步的預(yù)測(cè) 墻體最大水平位移與開挖深度的關(guān)系 4 坑外土體位移的預(yù)測(cè) 4 1Peck經(jīng)驗(yàn)曲線法 10 K a H mm K 修正系數(shù) 圍護(hù)墻取K 0 3 柱列式支護(hù)結(jié)構(gòu)取K 0 7 板樁墻取K 1 0 基坑開挖深度 m a 地層沉降值與基坑開挖深度的比值 4 2地層損失法 面積相關(guān)性 a 計(jì)算墻體的變形曲線 撓度曲線 b 計(jì)算墻體撓度曲線與原始軸線之間的面積Sw 并根據(jù)地質(zhì)條件 支護(hù)類型 基坑深度等各種因素對(duì)Sw進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)修正 c 假設(shè)地表沉降影響范圍為x0 其中Hw為圍護(hù)墻的高度 為土體的平均內(nèi)摩擦角 d 選取典型的地表沉降曲線 并根據(jù)地表沉降曲線面積Ss與圍護(hù)墻側(cè)移面積Sw相等的原則 求得地表沉降曲線 這種情況適用于飽和軟黏土不排水條件 4 3地層損失法 位移相關(guān)性 a 預(yù)測(cè)支擋墻水平位移最大值 hm 可采用有限元方法或者彈性地基梁的方法進(jìn)行計(jì)算 b 通過支擋墻的變形情況 確定沉降曲線模式 i 分別計(jì)算初始階段和最終開挖階段的擋墻變形量 包括Ac1 Ac2 As 取Ac max Ac1 Ac2 ii 當(dāng)As 1 6Ac 沉降模式為凹槽型 當(dāng)As 1 6Ac 沉降模式為三角形 iii 通過 vm 0 5 0 7 hm的關(guān)系 確定地表沉降最大值 vm hm為墻體最大水平位移 對(duì)于極軟的粘性土 也可能 vm hm的情況 iv 根據(jù)第 ii 步的曲線模式選擇和第 iii 步計(jì)算得到的 vm 確定相應(yīng)的地表沉降曲線 4 4穩(wěn)定安全系數(shù)法 墻體最大位移比 hm He與坑底抗隆起安全系數(shù)FS關(guān)系 a b 墻體最大水平位移 hm與坑外土體最大沉降值 vm的關(guān)系 墻體最大水平位移 坑外土體最大沉降與坑底抗隆起安全系數(shù)關(guān)系 若干項(xiàng)修正 各修正系數(shù) 1 圍護(hù)墻剛度和支撐橫向間距 修正系數(shù)為 2 支撐剛度與間距 修正系數(shù)為 3 硬土層埋深 修正系數(shù)為 4 基坑寬度 修正系數(shù)為 5 支撐預(yù)加軸力 修正系數(shù)為 6 土體模量乘子 即模量與不排水抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系的修正系數(shù)為 坑底隆起的估算 5 1規(guī)范建議法 日本 建筑基礎(chǔ)構(gòu)造設(shè)計(jì)基準(zhǔn) 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范 GB50007 2002 5 2模擬試驗(yàn)取得的經(jīng)驗(yàn)公式 同濟(jì)大學(xué)對(duì)基坑隆起進(jìn)行了系統(tǒng)的模擬試驗(yàn)研究 提出了如下的經(jīng)驗(yàn)公式 5 3殘余應(yīng)力法 第i層土的卸荷量 kPa 開挖面積修正系數(shù) 坑底暴露時(shí)間修正系數(shù) 殘余應(yīng)力影響深度 m 考慮插入比的坑底回彈增量 坑底以下z深度處的回彈量 不同插入比下坑底回彈增量 cm 殘余應(yīng)力系數(shù) 6 數(shù)值計(jì)算方法 有限元法 有限差分法 本構(gòu)關(guān)系的選取與模型計(jì)算參數(shù) 選擇適合其變形特點(diǎn)的本構(gòu)關(guān)系 如 對(duì)于軟粘土 采用修正劍橋模型或者硬化模型 對(duì)于硬粘土 砂土 巖石以及加固體 可以采用摩爾庫(kù)倫模型彈 塑性模型 對(duì)于支護(hù)結(jié)構(gòu) 采用線彈性模型 合理地考慮基坑工程中地基土的特殊的應(yīng)力路徑 模型計(jì)算參數(shù)至關(guān)重要 通過有效的室內(nèi)及室外試驗(yàn) 得到模型所需的計(jì)算參數(shù) 同時(shí)在大量的工程實(shí)測(cè)中給予驗(yàn)證和調(diào)整 才會(huì)真正合理地反映實(shí)際工程基坑的變形性狀 合理地對(duì)施工過程進(jìn)行簡(jiǎn)化模擬 在數(shù)值分析中 合理地模擬圍護(hù)結(jié)構(gòu)與支撐之間 支撐與立柱之間 樓板與立柱之間的連接關(guān)系 對(duì)于逆作法施工時(shí) 樓板與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的連接關(guān)系 將對(duì)整個(gè)支撐系統(tǒng)的受力及變形有著一定的影響 圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土體之間的接觸面處理 對(duì)于預(yù)測(cè)坑外土體的位移有著重要的影響 流固耦合的問題 基坑地下水的運(yùn)動(dòng)土體的土水壓力有很大影響 降水對(duì)基坑變形影響 而基坑地基土中的超靜孔隙水壓力的滲流固結(jié)對(duì)基坑的變形也有很大的影響 當(dāng)需要對(duì)基坑的變形進(jìn)行準(zhǔn)確模擬時(shí) 考慮滲流及固結(jié)的耦合計(jì)算是十分必要的 時(shí)空效應(yīng)考慮的必要性 在一般的數(shù)值分析中 常常忽略基坑的三維空間效應(yīng) 而僅僅采用平面應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行模擬 而且常因考慮基坑的對(duì)稱性而僅取1 2的基坑模型 這樣簡(jiǎn)化的結(jié)果能夠極大地減小計(jì)算量 且能滿足計(jì)算需求 當(dāng)實(shí)際工程中的