1、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序號(hào)類型主要原因主要危害坑外地面沉降(1)支擋結(jié)構(gòu)發(fā)生水平位移；(2)基坑降水使土層固結(jié)沉降；(3)樁、墻施工的鉆孔、開槽；(4)坑邊地面堆土、堆載、交通運(yùn)輸(5)由于降水或錨桿鉆孔引起飽和砂土顆粒流失；(6)坑底流土；(7)坑底隆起；。(1)使相鄰的建（構(gòu)）筑物不均勻沉降；(2)使地面、路面和市

2、政管線塌陷與開裂。坑外地面水平位移(1) 支擋結(jié)構(gòu)發(fā)生水平位移；(2) 樁、墻施工的鉆孔、開槽；(3) 坑邊地面堆土、堆載、交通運(yùn)輸。對(duì)使相鄰的建（構(gòu)）筑物和市政管線與開裂與錯(cuò)位。1.2坑底隆起序號(hào)類型主要原因主要危害3坑底隆起 (1)坑底地基土承載力不足；(2)地面超載大；(3)插入比過小，被動(dòng)區(qū)支擋結(jié)構(gòu)物向基坑前移（踢腳）；(4)坑底開挖減載土體回彈；(5)坑底下承壓水的揚(yáng)壓力使坑底土層突涌；(6)基坑暴露時(shí)間長，產(chǎn)生過大的蠕變變形。(1)引起坑外土體的變形；(2)不利于主體工程地下部分的施工；(3)增加主體工程的工后沉降；(4)破壞內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)(5)使預(yù)先施工的工程樁上浮。1.3支護(hù)結(jié)構(gòu)位

3、移序號(hào)類型主要原因主要危害4支擋結(jié)構(gòu)側(cè)向位移(1)支擋墻及錨桿（內(nèi)支撐）變形； (2)超挖及支撐(錨固)不及時(shí)；(3)插入比小；(1)是坑外地面沉降和水平位移的主要原因；(2)增加了主體工程地下部分施工的困難；(3)使支擋結(jié)構(gòu)物開裂和破壞5支擋結(jié)構(gòu)豎向位移(1)由于基坑開挖使土體回彈，引起向上位移； (2)由于孔底和槽底沉渣使樁、墻向下位移；(3)基坑降水、坑邊堆載的負(fù)摩阻力。 (1)影響支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；(2)影響周邊土體變形。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，

4、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 & ORourke（1990）墻后地表沉降的分布模式 maxvv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

5、則為2-4倍的開挖深度。 Clough & ORourke：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。 Hsieh et al.和Ou et al.: 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?yàn)橹饔绊憛^(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)的水平位移長條形基坑的變形性狀坑外土體位移曲線 基坑陽角的空間效應(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

6、狀態(tài)，當(dāng)懸臂長度過大時(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

7、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1.52.0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)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

8、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)，如長條形基坑、不規(guī)則基坑的陽角等均表現(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

9、、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0.60.8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

10、，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 0)(44awabppdzxdEI對(duì)于zH：對(duì)于zH：0)(044awashbppvkbdzxdEI土的水平抗力系數(shù)kh（基床系數(shù)）（kN/m3）

11、0)(044awashbppvkbdzxdEIzkhm1mzkh（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：32035xcrcrEIbvxHmkk2k2 . 01cmkh=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值序號(hào)地基土類別預(yù)制樁、鋼樁灌注樁m(MN/m4)樁頂水平位移（mm）m(MN/m4）樁頂水平位移（mm）1淤泥；淤泥質(zhì)土；飽和濕陷性黃土24.5102.566122流塑（IL1）、軟塑（0.750.9粉土；松散粉細(xì)砂；松散、稍密填土4.56.010614483可塑（0.25IL0.75）狀粘性土；濕陷性黃土；e=0.75

12、0.9粉土；中密填土；稍密細(xì)砂6.010101435364硬塑（0IL0.25）、堅(jiān)硬（IL0）粘性土；濕陷性黃土；e25%水泥摻量13%40006000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

13、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)系研究學(xué)者土質(zhì)及支護(hù)特點(diǎn)hmax/H（%）Goldberg et al.（1976）軟黏土鋼板樁1地連墻0.25砂土、砂礫土、硬黏土0.35Clough & ORourke（1990）軟到中等硬度黏土0.2

14、Ou et al.（1993）臺(tái)北，黏土及砂土交替地層0.20.5Masuda（1993）日本，黏土，地連墻支護(hù)0.050.5Carder（1995）硬黏土支撐剛度高0.125支撐剛度中等0.2支撐剛度低0.4吳佩軫等（1997）地連墻（臺(tái)北地區(qū)）0.070.2Wong et al.（1997）下臥良好土層開挖深度內(nèi)軟土層厚度0.9He0.5開挖深度內(nèi)軟土層厚度0.6He50m1.5一般地基邊長30m1.52.03050m2.02.550m2.5軟弱地基邊長30m2.53.53050m3.54.550m4.5Long（2001）開挖深度內(nèi)軟土層厚度0.6He，高FOS，開挖面位于硬土層，內(nèi)支撐

15、支護(hù)0.21懸臂墻0.36Yoo（2001）上覆硬黏土、殘積土、砂土，下臥風(fēng)化巖石、軟巖、硬巖圍護(hù)墻排樁0.15攪拌樁墻0.13灌注樁0.14地連墻0.05支撐內(nèi)支撐0.13錨桿0.11Wang et al.（2005） 軟土300.13王建華等（2005）逆作法0.10.6(0.26)徐中華等（2007）上海地區(qū)軟土地連墻或排樁順作法0.42逆作法0.25丁勇春等（2008）上海地區(qū)軟土0.050.7徐中華等（2008）地連墻，順作法0.11.0（0.42）徐中華等（2007）上海地區(qū)飽和軟黏土逆作法，方形基坑0.10.6（0.25）逆作法，圓形基坑00.1（0.05）連續(xù)墻，灌注樁0.11

16、.0（0.44）鋼板樁0.33.5（1.50）SMW工法0.150.75（0.41）水泥土攪拌樁0.32.5（0.91）復(fù)合土釘0.20.9（0.55）4. 坑外土體位移的預(yù)測(cè)4.1 Peck 經(jīng)驗(yàn)曲線法 =10KaH （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

17、，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。HSini1w)2/45tan(w0Hx4.3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)As1.6Ac，沉降模式為凹槽型；當(dāng)Ashm的情況；（iv）根據(jù)第（ii）步的曲線模式選擇和第（iii）步計(jì)算

18、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BSNSHF7 . 01ucusDSNSHFucus1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 hmaxpswhmaxMBDvmaxpswvmaxMBD若干項(xiàng)修正各修正系數(shù)wsDBpM（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 .

19、 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) :10log1isiiNiiiNiC hPPeP建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50007-2002） )(111iiiiniciccczzEps5.2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 54. 004. 05 . 0)(tan)1 . 0(53. 0)(5 .120167. 017.29cHDHqHH5.3 殘余應(yīng)力法nziii=1tiatrzhEh zi第i層土的卸荷量（kPa）； a開挖面積修正系數(shù)； t坑底暴露時(shí)間修正系數(shù)； rh殘余應(yīng)力影響深度（m） 考慮插入比的坑底回彈增量

20、 r0.06120.19HhH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)t/H1.51.41.31.21.11.00.90.80.60.40.20.100.150.310.500.700.901.201.502.413.907.1911.88殘余應(yīng)力卸荷應(yīng)力殘余應(yīng)力系數(shù) 200r2rr0.9501.0hhhhhhzi0i(1)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)