基坑工程時空效應

1、劉國彬 2001年9月15日課程內容（一）n緒論n方案設計n基坑的穩(wěn)定、事故的分析n基坑工程施工中的土工問題n內力計算n周圍環(huán)境變形的計算n基坑圍護結構的設計要點劉國彬 2001年9月15日課程內容（二）n施工方法的選擇n時空效應規(guī)律n時空效應施工工藝n時空效應法施工參數(shù)n基坑內地基加固n深基坑施工各道工序可能出現(xiàn)的問題及處理方法劉國彬 2001年9月15日課程內容（三）n深基坑施工環(huán)境保護技術n監(jiān)測數(shù)據(jù)的判讀、險情征兆、搶險措施n信息化施工監(jiān)控技術n基坑工程的發(fā)展劉國彬 2001年9月15日研究生課程基坑工程總論 深基坑工程第九課劉國彬 2001年9月15日時空效應的原理和施工方法劉國彬 2

2、001年9月15日第一部分 概 述劉國彬 2001年9月15日日本某基坑工程日本某基坑工程（采用大面積注漿加固，圖中為注漿設備）（采用大面積注漿加固，圖中為注漿設備） 新加坡某基坑工程新加坡某基坑工程（為保護距基坑（為保護距基坑22m的地鐵隧道，采用的地鐵隧道，采用2層層2.5m厚的旋噴注漿滿膛加固坑內土體）厚的旋噴注漿滿膛加固坑內土體）Boston某基坑工程某基坑工程（為保護周圍環(huán)境采用密集支撐）（為保護周圍環(huán)境采用密集支撐） 國外為解決軟土基坑周圍的國外為解決軟土基坑周圍的環(huán)境保護問題，常采用坑內滿膛環(huán)境保護問題，常采用坑內滿膛加固、設置密集支撐等方法，工加固、設置密集支撐等方法，工期長，

3、代價大。期長，代價大。劉國彬 2001年9月15日 在上海軟土地區(qū)，若在基坑變形預測中不考慮軟土流變特征，并在施工中缺乏及時有效的監(jiān)控手段，基坑變形預測值和實測值會存在較大差異，給基坑周圍環(huán)境保護帶來很大的困難。劉國彬 2001年9月15日時空效應理論和方法的特征時空效應理論和方法的最重要特征在于： 在軟土基坑變形的預測和監(jiān)控中，定量地考慮施工因素的影響。劉國彬 2001年9月15日第二部分第二部分 時空效應的基本原理時空效應的基本原理劉國彬 2001年9月15日 上海軟土流變試驗曲線上海軟土流變試驗曲線1、應力水平越低、蠕變時間越短，流變位移越??；2、土體在排水固結條件下要比不排水條件下穩(wěn)定

4、。劉國彬 2001年9月15日劉國彬 2001年9月15日 通過對流變試驗和大量相關研究，可以取得有關控制軟土深基坑變形的幾點重要啟示： 一、分層分塊開挖能夠有效地調動地層的空間效應，以降低應力水平、控制流變位移。 二、減少每步開挖到支撐完畢的時間，即無支撐暴露時間，可明顯控制擋墻的流變位移，這在無支撐暴露時間小于24小時效果尤其明顯。 三、解決軟土深基坑變形控制問題的出路在于規(guī)范施工步序和參數(shù)，并將其作為實現(xiàn)設計要求的保證。時空效應規(guī)律劉國彬 2001年9月15日 當施工參數(shù)和地基土參數(shù)、支護結構參數(shù)一起被作為基坑變形預測的計算參數(shù)，就能合理準確地預測軟土基坑周圍地層位移。劉國彬 2001年

5、9月15日長條形基坑施工工序和參數(shù)劉國彬 2001年9月15日劉國彬 2001年9月15日每步開挖寬度每步開挖寬度B無支撐暴露時間無支撐暴露時間Tr基坑角部的斜支撐部分基坑角部的斜支撐部分每層施工工序和參數(shù)每層施工工序和參數(shù)車站端頭井施工步序和參數(shù)車站端頭井施工步序和參數(shù)劉國彬 2001年9月15日大寬度、不規(guī)則基坑施工工序和參數(shù)劉國彬 2001年9月15日主要施工參數(shù)主要施工參數(shù)1、開挖深度、開挖深度Hj2、開挖層數(shù)、開挖層數(shù)3、每層開挖厚度、每層開挖厚度4、每步開挖尺寸、每步開挖尺寸5、每步開挖無支撐暴露時間、每步開挖無支撐暴露時間天然地基土參數(shù)：天然地基土參數(shù)：Cu，Ps加固體參數(shù)加固體

6、參數(shù) ： Cu，Ps被被動動區(qū)區(qū)加加固固預留土堤預留土堤土堤土堤基坑擋墻基坑擋墻大寬度不規(guī)則基坑施工步序和參數(shù)大寬度不規(guī)則基坑施工步序和參數(shù)劉國彬 2001年9月15日第三部分 工程應用劉國彬 2001年9月15日一、長條形基坑工程實例劉國彬 2001年9月15日地鐵一號線徐家匯車站劉國彬 2001年9月15日(a)原設計開挖原設計開挖支撐方案支撐方案(b)優(yōu)化后的開挖優(yōu)化后的開挖支撐方案支撐方案地鐵二號線東方路車站(通過調整開挖空間和時限來減少變形)劉國彬 2001年9月15日二、地鐵車站端頭井工程實例劉國彬 2001年9月15日第三層土方開挖中的變形增量減至第三層土方開挖中的變形增量減至3

7、mm 開挖第二層土時東端墻最大水平開挖第二層土時東端墻最大水平位移增大至位移增大至6mm超過了警戒值超過了警戒值 調整施工參數(shù)控制地墻位移調整施工參數(shù)控制地墻位移地鐵二號線人民公園車站劉國彬 2001年9月15日劉國彬 2001年9月15日三、不規(guī)則基坑工程實例劉國彬 2001年9月15日劉國彬 2001年9月15日新世界商廈剖面圖劉國彬 2001年9月15日新世界商廈支撐平面圖劉國彬 2001年9月15日新世界平面圖劉國彬 2001年9月15日劉國彬 2001年9月15日劉國彬 2001年9月15日劉國彬 2001年9月15日劉國彬 2001年9月15日香港廣場劉國彬 2001年9月15日車

8、站及其周圍環(huán)境示意圖二車站及其周圍環(huán)境示意圖二車站及其周圍環(huán)境示意圖一車站及其周圍環(huán)境示意圖一-30-25-20-15-10-505C37C37C38C39C40C41C42C43C44C45C46C47C48C49C50測點布置沉降(mm)樹根樁施工完畢西井至-10m，地墻結束地下連續(xù)墻施工期間東海大樓沉降地下連續(xù)墻施工期間東海大樓沉降西西東-60-50-40-30-20-100C37C37C38C39C40C41C42C43C44C45C46C47C48C49C50測點編號沉降(mm)實施變形控制措施前的工況實施變形控制措施前的工況該工況下東海大樓東西向沉降該工況下東海大樓東西向沉降變形控

9、制措施之一優(yōu)化開優(yōu)化開挖步序挖步序和開挖和開挖參數(shù)參數(shù)原開挖步序和參數(shù)原開挖步序和參數(shù)調整后的西標段施工步序和參數(shù)調整后的西標段施工步序和參數(shù)挖土參數(shù)作以下調整：1、將運土通道移至超載較小的北面2、將西標準段的每小段開挖寬度由6m減少至3m，無支撐暴露時間減為16hrs，而東標準段因位移較小，仍維持原施工參數(shù)。變形控制措施之一優(yōu)化開優(yōu)化開挖步序挖步序和開挖和開挖參數(shù)參數(shù)-35-30-25-20-15-10-50050100150200水平位移( m m )深度( m )挖至- 7 .5的 實 測值按照原先施工參數(shù)的預測值調整參數(shù)，不考慮注漿的預測值調整開挖參數(shù)前后的基坑擋墻變形計算值對比調整開

10、挖參數(shù)前后的基坑擋墻變形計算值對比劉國彬 2001年9月15日157#地塊基坑周圍環(huán)境示意圖地塊基坑周圍環(huán)境示意圖劉國彬 2001年9月15日157#地塊基坑周圍環(huán)境示意圖劉國彬 2001年9月15日基坑開挖參數(shù)示意圖基坑開挖參數(shù)示意圖預留土堤寬預留土堤寬度度10m每小段開挖每小段開挖寬度寬度68m每小段在每小段在18小時之內開小時之內開挖并支撐挖并支撐劉國彬 2001年9月15日研究生課程基坑工程總論 深基坑工程2001年12月18日第十課劉國彬 2001年9月15日劉國彬 2001年9月15日劉國彬 2001年9月15日劉國彬 2001年9月15日劉國彬 2001年9月15日時空效應方法的

11、設計與計算計算方法(經(jīng)驗公式、半理論半經(jīng)驗解析法、桿系有限元法、平面有限元法、三維有限元法)主要計算參數(shù)的取值(以土壓力、被動抗力系數(shù)的取值為例)時空效應法的計算就是定量地考慮施工因素的影響的方法劉國彬 2001年9月15日基坑擋墻位移內力二維計算模型基坑擋墻位移內力二維計算模型PaRankine主動土壓力主動土壓力Kh彈性計算條件下的被彈性計算條件下的被動抗力系數(shù)動抗力系數(shù)FPa實測土壓力實測土壓力bKh等效水平基床系數(shù)等效水平基床系數(shù)q地面超載地面超載K水平土壓力系數(shù)水平土壓力系數(shù)劉國彬 2001年9月15日劉國彬 2001年9月15日基坑擋墻計算模型基坑擋墻計算模型支撐系統(tǒng)的計算模型支撐

12、系統(tǒng)的計算模型擋墻位移內力的三維計算模型1、采用子結構方法和增量法，并考慮基坑擋墻和支撐系統(tǒng)的位移協(xié)調；2、為考慮時空效應規(guī)律，被動區(qū)抗力系數(shù)取值為ababK Kh h ，其中b bK Kh h為二維計算中的等效水平基床系數(shù)，a a則根據(jù)預留土堤寬度B B確定。劉國彬 2001年9月15日基坑周圍地層位移計算劉國彬 2001年9月15日劉國彬 2001年9月15日劉國彬 2001年9月15日劉國彬 2001年9月15日 運用上海經(jīng)驗公式，根據(jù)計算的基坑擋墻位移，可以預測墻后的縱向和橫向地表沉降。劉國彬 2001年9月15日 采用彈性平面有限元方法，并以計算的基坑擋墻位移為邊界條件，可以預測墻后

13、的地層位移場。劉國彬 2001年9月15日 縱向沉降數(shù)值分析縱向沉降數(shù)值分析劉國彬 2001年9月15日劉國彬 2001年9月15日劉國彬 2001年9月15日 彈性三維有限元方法可定性地預測大型基坑在不同開挖步序條件下的地層位移分布特征，其計算結果可作為確定合理的開步序的依據(jù)，以避免鄰近保護對象在開挖過程中出現(xiàn)過大的差異沉降。 劉國彬 2001年9月15日劉國彬 2001年9月15日劉國彬 2001年9月15日劉國彬 2001年9月15日 縱向沉降數(shù)值分析縱向沉降數(shù)值分析劉國彬 2001年9月15日縱向沉降的變化規(guī)律劉國彬 2001年9月15日計算參數(shù)的取值劉國彬 2001年9月15日土壓力

14、的取值劉國彬 2001年9月15日現(xiàn)場實測土壓力00.10.20.3051015202530深度( m )土壓力值( M p a )00.10.20.3051015202530深度( m )土壓力值( M p a )00.10.20.3051015202530深度( m )土壓力( M p a)00.10.20.30102030深度( m )土壓力值（M p a )劉國彬 2001年9月15日n側壓力系數(shù)隨開挖深度的變化0.40.50.60.70.80.901020 開挖深度( m )側壓力系數(shù)K11m14m16.1m19.1m23.1m27.1m0.40.50.60.70.80.902468

15、1012開挖深度 ( m )側壓力系數(shù)K2m7m12m16m20m劉國彬 2001年9月15日n水平側壓力系數(shù)K隨開挖深度的變化圖0.30.40.50.60.70.80.91810121416開挖深度 （m )側壓力系數(shù)K4.1m7.9m11.1m16.1m23.7m27.7m0.30.40.50.60.70.851015開挖深度（m ) 側壓力系數(shù)K2.6m8.35m19.1m22.9m0.30.40.50.60.70.80.90246810開挖深度 (m)側壓力系數(shù)K2.26m5.23m8.06m10.96m13.9m15.9m17.7m19.7m22.5m25.4m0.30.40.50.

16、60.70.80.9051015開挖深度 ( m )側壓力系數(shù)K2m6m10m14m18m22m劉國彬 2001年9月15日側壓力系數(shù)隨時間的變化0.40.50.60.70.80.905101520時 間 (天 ）水平抗力系數(shù)K2m7m12m16m20m750.350.450.550.650.750.850.9501020304050時 間 (天 ）水平抗力系數(shù)K2m7m12m16m20m劉國彬 2001年9月15日23.1m/17線西0.9911.011.021.030204060時間（天）土壓力時間系數(shù)16.1m/27線西11.11.21.31.41.50100200300時間（天）土壓力

17、時間系數(shù)14m/27線東11.081.161.241.321.40100200300時間( 天)土壓力時間系數(shù)15.9m/27線東11.11.21.31.41.51.60100200300時間( 天）土壓力時間系數(shù)19.8m/27線東11.041.081.1202040時間( 天)土壓力時間系數(shù)23.8m/27線東11.051.11.151.21.2502040時間( 天)土壓力時間系數(shù)劉國彬 2001年9月15日2m/中央公園1.001.101.201.30111213141時間( 天)土壓力時間系數(shù)14m/中央公園0.951.051.151.251112131時間( 天)土壓力時間系數(shù)4.

18、5m/楊高路11.11.21.31.41.501020304050607080時間 （天 ）土壓力時間系數(shù)7.5m/楊高路11.051.11.151.201020304050607080時間( 天 )土壓力時間系數(shù)劉國彬 2001年9月15日9.0m/楊高路11.051.11.151.21.2501020304050時間( 天 ）土壓力時間系數(shù)10.5m/楊高路11.051.11.151.21.251.30 1020304050607080時間( 天 ）土壓力時間系數(shù)12.0m/楊高路11.021.041.061.081.11.121.141.160204060時間 （天 ）土壓力時間系數(shù)13

19、.9m/陸家嘴T K 311.11.21.31.4040 80時間（天）土壓力時間系數(shù)15.9m/陸家嘴T K 311.051.11.151.2020 40 60 80時間（天）土壓力時間系數(shù)17.7m/陸家嘴T K 311.051.11.151.2020 40 60 80時間（天）土壓力時間系數(shù)劉國彬 2001年9月15日2.26m/陸家嘴T K 311.11.21.31.41.50 10 20 30 40 50 60 70 80時間（天）土壓力時間系數(shù)10.96m/陸家嘴T K 30.9811.021.041.061.081.11.12020 40 60 80時間（天）土壓力時間系數(shù)19.

20、7m/陸家嘴T K 30.940.960.9811.021.041.061.081.10 10 20 30 40 50時間（天）土壓力時間系數(shù)25.4m/陸家嘴T K 30.940.960.9811.021.041.061.081.11.120 20 40 60 80時間（天）土壓力時間系數(shù)5.5m/陸家嘴T K 10.9811.021.041.061.081.11.1205101520時間（天）土壓力時間系數(shù)劉國彬 2001年9月15日0.350.450.550.650.75T（Time）主動土壓力系數(shù)K00.1%H（特級）0.2%H（一級）0.5%H（二級）0.1%H(三級）臨界時間對應點

21、，一般為基坑開挖到最終開挖深度時的主動土壓力系數(shù)值劉國彬 2001年9月15日0.0010.0070.0130.01901020位移( m m)土壓力（m p a )0.050.060.070.0802040位移( m m)土壓力( M p a)0.030.050.0702040位移( m m)土壓力( M p a)0.030.050.070.090.110 10 20 30 40 50位移( m m)土壓力( M p a)0.080.090.10.110.120.13050100位移( m m)土壓力( M P a)0.10.120.140.16050100位移( m m)土壓力( M p

22、a)劉國彬 2001年9月15日0.120.140.160.180.20.220.24020406080位移( m m)土壓力( M P a)0.10.120.140.160.1804080位移( m m)土壓力( M P a)0.080.090.10.110.120.130移( m m)土壓力( M P a)劉國彬 2001年9月15日n土壓力實用取值方法 基坑?；颖?土性土性 側壓力系數(shù)側壓力系數(shù)K K 護等級護等級 一級一級 軟粘土軟粘土 0.750.750.550.55 二級二級 軟粘土軟粘土 0.700.700.500.50 三級三級 軟粘土軟粘土 0.6

23、250.6250.450.45劉國彬 2001年9月15日n由支撐軸力來估算主動土壓力系數(shù)公式)2()(61YHYHHraLNKniiia劉國彬 2001年9月15日Calculation formula of active earth pressurerestat pressureearth nt displaceme wallretaining theoft coefficien influence timeoft coefficien influence 0t0 xtxwhere)2/45(2)2/45(20ootgctgh劉國彬 2001年9月15日 wallretaining ofn

24、t displaceme positionn calculatio ofdepth 0138. 010430mh15m )0 . 160(30115mh )15(2014xhwherexbhhaeabxx劉國彬 2001年9月15日 timeelapsed 30mh16m 1000/ )19025. 6(16mh10m 1000/ )7010(10mh 1000/ )1055 . 7(9552. 0104510424twherehhhdhhctcdt劉國彬 2001年9月15日n 5m 15mn 計算 實測 比值 計算 實測 比值n (Mpa) (Mpa) (Mpa) (Mpa) n挖土至3m

25、 0.0357 0.0347 0.97 0.136 0.131 0.96n挖土至5m 0.056 0.0336 0.94 0.135 0.115 0.85n挖至6.5m 0.0346 0.0321 0.92 0.135 0.108 0.80 放坡階段 0.0347 0.0327 0.94 0.135 0.113 0.83土壓力計算值與實測值比較劉國彬 2001年9月15日n孔隙水壓力測值與由水位值計算出的靜止水壓力孔隙水壓力測值與由水位值計算出的靜止水壓力的平均值隨工況變化的比較表的平均值隨工況變化的比較表n n 5m 15mn 靜水壓值 孔壓力值 比值 靜水壓值 孔壓力值 比值n (Mpa）

26、 (Mpa) (Mpa) (Mpa) n挖土至4m0.03050.01650.470.1350.09690.71n挖土至10m0.03390.01800.530.1340.09420.70n挖土至14m0.03360.01750.520.1340.09190.68n端頭井澆底板0.03230.01770.540.1320.09290.70n端頭井澆中板0.03240.01820.520.1320.09410.71n端頭井澆頂板0.03300.01810.540.1330.09910.74n標一段澆中板0.03420.01890.550.1340.1030.77n標一段澆頂板0.03440.01

27、940.560.1340.09830.73n結構封頂后0.03760.02110.560.1380.1060.76劉國彬 2001年9月15日n反算出的土壓力項的側壓力系數(shù)反算出的土壓力項的側壓力系數(shù) n n工況號 實測孔隙水壓力 對應的實測土壓力 反算出的Ksn 5m深15m深5m深15m深 5m深15m深n工況1（挖土深3m）0.03470.1360.06348 0.23517 0.580.69n工況2（挖土深5m）0.03360.1150.056850.201750.470.61n工況3（挖土深6.5m）0.03210.1080.052150.17950.400.50n護坡階段0.032

28、170.1130.060070.18760.560.52劉國彬 2001年9月15日被動抗力系數(shù)的取值劉國彬 2001年9月15日1516171819202122232425100150200250被動土壓力（Kpa)深度(m)E31PP(h=0m)14/05E31PP(h=0m)9/06E31PP(h=5.5m)4/07E31PP(h=5.5m)23/07劉國彬 2001年9月15日1617181920212223242560100140180被動土壓力(Kpa)深度(m)1997-5-14(h=1.8m)1997-5-15(h=5.8m)1997-5-31(h=5.8m)1997-6-2(

29、h=10m)1997-6-8(h=13.5m)1997-6-9(h=15.2m)1997-6-11(澆注墊層)1997-6-22(回筑階段)劉國彬 2001年9月15日507090110130150170190210230250020406080開挖時間(天）被動土壓力(Kpa)16192225劉國彬 2001年9月15日劉國彬 2001年9月15日劉國彬 2001年9月15日Kh值與時間的關系值與時間的關系02468101214048121620242832時間(小時)劉國彬 2001年9月15日Kh值與值與土性土性的關系的關系0.60.811.21.41.62468101214161820

30、內摩擦角 Kh影響系數(shù)c=4c=8c=12c=16劉國彬 2001年9月15日Kh值與值與開挖空間開挖空間的關系的關系01234567891471013161922空間 (米)劉國彬 2001年9月15日Kh值與值與地基加固地基加固的關系的關系00.511.522.530.01.02.03.04.0比貫入阻力Ps地基加固影響系數(shù)劉國彬 2001年9月15日天然土層的Kh 計算公式76. 442. 124tan424tan635121iiiiiiiiihihhChhKjiijiijjHhhBhhTT208. 00 . 11 . 06 . 10 .12exp11dscrhiK 635劉國彬 2001年9月15日加固土層的Kh 計算公式jjshiT