基坑变形及估算.docx
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基坑变形及估算
1.概述及研究现状
1.1基坑变形控制的研究现状
深基坑开挖不仅要保证基坑本身的安全与稳定,而且要有效控制基坑周围地层移动以保护环境。
在地层较好的地区(如可塑、硬塑粘土地区,中等密实以上的砂土地区,软岩地区等)。
基坑开挖所引起的周围地层变形较小,如适当控制,不致于影响周围的市政环境,但在软土地区(如天津、上海、福州等沿海地区),特别是在软土地区的城市建设中,由于地层的软弱复杂,进行基坑开挖往往会产生大的变形,严重影响紧靠深基坑周围的建筑物、地下管线、交通干道和其他市政设施,因而是一项很复杂而带风险性的工程。
基坑的变形计算理论能否较好地反映实际情况受很多因素的制约,除围护体系本身及周围土体特性外,较多地受施工因素影响,计算参数难以准确确定,每一个计算理论都有其使用范围,故计算中必须充分考虑到这一点。
此外,在软土地区,基坑的变形计算还需考虑时空效应的影响,一般认为,在具有流变性的软土中,基坑的变形(墙体,土体的变形)随着时间的增长而增长,分块开挖时留土的空间作用对基坑变形具有很好的控制作用,时间和空间两个因素同时协调控制可有效地减少基坑的变形。
目前,在城市基坑工程设计中,基坑变形控制要求越来越严格,此前以强度控制设计为主的方式逐渐被以变形控制设计为主的方式所取代,因而基坑的变形分析成为基坑工程设计中的一个极重要的组成部分,这一点在软土地区尤为重要。
目前国内外有多种预测深基坑稳定性的计算理论,但很少有对基坑周围地层移动性进行估算的方法。
近几年大量的基坑工程实践积累了丰富的经验,也产生了一些较满意的地层移动经验预测方法,实际应用效果较好。
土建工程施工控制的概念,最初是由YaoJ.T.P.于1972年首次提出的,它的基本思想是依靠结构物与控制系统间的优化匹配,共同抵御工程及其他外荷载,进而控制其变形位移在允许的限值以内。
在我国,基坑工程施工变形控制的研究始于九十年代。
变形控制的基本思想是要求支护结构在满足强度及结构稳定的前提下,尚需满足控制变形位移的使用要求,也即,地下工程施工中既要保证其结构安全、不失稳,又要对周围环境不造成超出允许变形限值的不利影响。
对施工变形的主要研究方法有安全系数法、经验公式法、数值方法(正分析与反分析)、地层损失法、系统分析方法。
1.2基坑变形预估方法综述
采用的方法主要有,物理模拟法、数值模拟法、半理论解析法、经验公式预测法以及非线性预测方法等。
在实际工程中常采用一种或几种相结合的预测方法,而以经验公式所计算的墙后地面最大沉降量和以半理论解析法所算的墙体最大水平位移量,为验证和调整各种计算方法所用参数及计算结果的主要可信参照数据。
总体上,采取理论导向、测试定量和经验判断相结合的方法,以求可靠、实用、简易的技术效果。
1.3深基坑变形预估方法
Clongh和Schmidt经验方法
G.WayneClongh和BirgerSchmidt将深基坑开挖释放应力而引起的墙体移动分为“Ⅰ”和“Ⅱ”两种基本型式。
候学渊经验方法
对于第Ⅰ种型式:
沉降影响范围
最大地面沉降
对于第Ⅱ种型式;
沉降影响范围x0同上
地面沉降量
1.4基坑变形预警值的研究
某项研究中采用的各类变形预警值如下:
(1)允许地面最大沉降量δ≤0.3%H,H为坑深,如按50m计,则δ应≤15cm;
(2)允许围护墙体的最大水平位移值△≤0.4%H,则△应≤20cm;
(3)允许的最大坑深高程处的基底隆起量△≤0.7%H,则△应≤35cm
(4)变形速率:
墙体水平位移≤6mm/天;
坑周地表位移≤4mm/天。
(5)对长江大堤变形控制的警戒值:
最大容许变形,δ应≤5cm;
最大容许变形速率,δ应≤2mm/天。
2.基坑变形破坏现象
2.1基坑变形现象
一.墙体的变形
墙体水平变形
当基坑开挖较浅,还未设支撑时,不论对刚性墙体(如水泥搅拌桩墙,旋喷桩桩墙等)还是柔性墙体(如钢板桩,地下连续墙等),均表现为墙顶位移最大,向基坑方向水平位移,呈三角形分布(图1(a)),随着基坑开挖深度的增加,刚性墙体继续表现为向基坑内的三角形水平位移或平行刚体位移,而一般柔性墙如设支撑,则表现为墙顶位移不变或逐渐向基坑外移动,墙体腹部向基坑内突出(图1(b))。
图1墙体水平位移
墙体竖向变位
在实际工程中,墙体竖向变位量测往往被忽视,事实上由于基坑开挖土体自重应力的释放,致使墙体有所上升。
有工程报道,某围护墙上升达10cm之多。
墙体的上升移动给基坑的稳定、地表沉降以及墙体自身的稳定性均带来极大的危害。
特别是对于饱和的极为软弱的地层中的基坑工程,更是如此。
当围护墙底下因清孔不净有沉渣时,围护墙在开挖中会下沉,地面也下沉。
二.基坑底部的隆起
在开挖深度不大时,坑底为弹性隆起,其特征为坑底中部隆起最高(图2(a))、当开挖达到一定深度且基坑较宽时,出现塑性隆起,隆起量也逐渐由中部最大转变为两边大中间小的形式(图2(b)),但对于较窄的基坑或长条形基坑,仍是中间大,两边小分布。
图2基底的隆起变形
三.地表沉降
根据工程实践经验,地表沉降的两种典型的曲线形状如图3所示。
图3(a)的情况主要发生在地层较软弱而且墙体的入土深度又不大时,墙底处显示较大的水平位移,墙体旁边出现较大的地表沉降。
图3(b)的情况主要发生在有较大的入土深度或墙底入土在刚性较大的地层内.墙体的变位类同于梁的变位,此时地表沉降的最大值不是在墙旁,而是位于离墙一定距离的位置上。
图3地表的沉降曲线形式
地表沉降的范围取决于地层的性质、基坑开挖深度H、墙体入土深度、下卧软弱土层深度、基坑开挖深度以及开挖支撑施工方法等。
沉降范围一般为(1~4)H,日本对于基坑开挖工程,提出图4所示的影响范围。
基坑变形过大将导致基坑失稳破坏。
(a)砂土及非软粘土时的影响范围(b)软粘土时的影响范围(入土在良好地层的情况)
(c)软粘土时的影响范围(围护墙入土在软弱地层的情况)
图4基坑开挖变形的影响范围
2.2基坑破坏现象
当由于设计上的过错或施工上的不慎,往往造成基坑的失稳。
致使基坑失稳的原因很多,主要的可以归纳为两个方面:
一是因结构(包括墙体、支撑或锚杆等)的强度或刚度不足而使基坑失稳;
一是因地基土的强度不足而造成基坑失稳。
基坑的破坏主要表现为以下一些形式:
一.放坡开挖基坑
由于设计放坡太陡,或雨水、管道漏水等原因导致土体抗剪强度降低,引起基坑边土体滑坡,如图5所示。
图5放坡开挖基坑破坏形式
二.无支撑刚性挡土墙基坑
刚性挡土墙为水泥土搅拌桩、旋喷桩等加固土组成的宽度较大的一种基坑围护形式,其破坏方式有如下几种:
由于墙体的入土深度不够、或由于墙底土体太软弱,抗剪强度不够等原因,导致墙体及附近土体整体滑移破坏,基底土体隆起,如图6(a)所示;
由于基坑周围打排土桩或其它挤土施工、基坑边堆载、重型施工机械行走等引起墙后土压力增加、或者由于设计抗倾覆安全系数不够,导致墙体倾覆,见图6(b);
图6刚性挡土墙基坑破坏形式
当设计抗滑安全系数不够、或者墙前被动区土体强度较低时,导致墙体变形过大或整体刚性移动,见图6(c);
当设计挡土墙抗剪强度不够,或由于施工不当造成墙体的抗剪强度达不到设计要求,导致墙体剪切破坏,见图6(d)。
三.无支撑柔性围护墙围护基坑
柔性围护墙是相对于刚性围护墙而言的,包括钢板桩墙,钢筋混凝土板桩墙,柱列式墙,地下连续墙等,其主要破坏形式如下:
当挡土墙刚度较小时,会导致墙后地面产生较大的变形,危及周围地下管线、建筑物、地下构筑物等,见图7(a);
当挡土墙强度不够、而插入又较深或插入较好的土层、在土压力的作用、会导致墙体折断、见图7(b)。
图7无支撑柔性围护墙基坑破坏形式
四.内支撑基坑
由于施工抢进度,超量挖土,支撑架设跟不上、使围护墙缺少大量设计上必须的支撑,或者由于施工单位不按图施工,抱侥幸心理,少加支撑,致使围护墙体应力过大而折断或支撑轴力过大而破坏或产生危险的大变形,见图8(a);
由于支护体系设计刚度太小,周围土体的压缩模量又很低。
而产生很大的围护墙踢脚变形,见图8(b);
图8内支撑基坑的破坏形式
(a)缺支撑或超挖;
(b)围护墙的位移非常大;
在饱和含水地层(特别是有砂层、粉砂层或其他的夹层等透水性较好的地层)、由于围护墙的止水效果不好或止水结构失效,致使大量的水夹带砂粒涌入基坑,严重的水土流失会造成支护结构失稳和地面坍陷的严重事故,还可能先在墙后形成洞穴而后突然发生地面坍陷,见图8(c);
由于支撑的设计强度不够或由于支撑架设偏心较大达不到设计要求而导致基坑失稳;有时也伴随着基坑的整体滑动破坏,见图8(d);
图8内支撑基坑的破坏形式——(c)漏砂导致失稳;(d)支撑失稳;
由于基坑底部土体的抗剪强度较低,致使坑底土体产生塑性流动而产生隆起破坏见图8(e);
图8内支撑基坑的破坏形式(e)底部隆起破坏
在隔水层中开挖基坑时,当基底以下承压含水层的水头压力冲破基坑底部土层,发生坑底突涌破坏,见图8(f);
图8内支撑基坑的破坏形式——(f)突涌破坏
在砂层或粉砂地层中开挖基坑时,在不打井点或井点失效后,会产生冒水翻砂(即管涌)、严重时会导致基坑失稳,见图8(g);
在超大基坑,特别是长条形基坑(如地铁车站、明挖法施工隧道等)内,分区放坡挖土,由于放坡较陡、降雨或其它原因引致滑坡,冲毁基坑内先期施工的支撑及立柱,导致基坑破坏,见图8(h);
图8内支撑基坑的破坏形式——(g)冒水翻砂(管涌);
——(h)长条形基坑内部放坡破坏引致破坏
由于支撑设计强度不够,或由于加支撑不及时,可由于坑内滑坡,围护墙自由面过大,使已加支撑轴力过大,或由于外力撞击,或由于基坑外注浆、打桩、偏载造成不对称变形等等,导致围护墙四周向坑内倾倒破坏,俗称“包饺子”,见图8(i)
图8内支撑基坑的破坏形式——(i)内倾破坏
五.锚拉基坑
由于锚杆和围护墙,锚杆和锚碇连接不牢、或者由于锚杆张拉不够、太松弛,或者由于设计上或施工上原因造成锚杆强度不够或抗拔力不够,或者由于施作锚杆后出现未预料的超载,或者锚碇处有软弱夹层存在等原因,导致基坑变形过大或基坑破坏,见图9(a);
由于围护墙入土深度不够,或基坑底部超挖,导致基坑踢脚破坏,见图9(b);
图6拉锚板桩基坑的破坏形式——(a)、(b)
由于选用围护墙截面太小,或对土压力作了不正确的估计,或者墙后出现未预料的超载等原因、导致围护墙折断,见图9(c);
由于设计锚杆太短、锚杆整体均位于滑裂面以内致使基坑整体滑动破坏,见图9(d);
由于墙后地面超量沉降,使锚杆变位,或产生附加压力,危及基坑安全,见图9(e)。
锚杆基坑的破坏形式类似于拉锚基坑,此处略。
3.基坑变形机理
基坑变形包括围护墙的变形、坑底隆起及基坑周围地层移动。
基坑周围地层移动是基坑工程变形控制设计中首要问题,故本节主要讨论地层移动机理,其中也包括围护墙的变形和坑底隆起变形机理。
3.1基坑周围地层移动的机理
基坑开挖的过程是基坑开挖面上卸荷的过程,由于卸荷而引起坑底土体产生以向上为主的位移,同时也引起围护墙在两侧压力差的作用下而产生水平向位移和因此而产生的墙外侧土体的位移。
可以认为,基坑开挖引起周围地层移动的主要原因是坑底的土体隆起和围护墙的位移。
1.坑底土体隆起
坑底隆起是垂直向卸荷而改变坑底土体原始应力状态的反应。
在开挖深度不大时,坑底土体在卸荷后发生垂直的弹性隆起。
当围护墙底下为清孔良好的原状土或注桨加固土体时,围护墙随土体回弹而抬高。
坑底弹性隆起的特征是坑底中部隆起最
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