《基坑变形估算课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基坑变形估算课件（119页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、基坑变形估算,1.概述及研究现状 2.基坑变形现象 3.基坑变形机理 4.地层损失法,5.估算法 6.纵向沉降 7.基底隆起变形 8.刚性挡土墙位移,1. 概述及研究现状,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，
2、因而是一项很复杂而带风险性的工程。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。,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
3、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。,基坑变形控制的研究现状,土建工程施工控制的概念，最初是由 Yao JT 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
4、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。,典型预测方法综述,灰色系统预测法 时间序列预测法 人工神经网络预测法,灰色系统预测法,对灰色系统模型分析可发现，其实质为一种曲线拟合。 其使用条件 为： （1）灰色系统建模的前提是数据序列为光滑的离散函数，其关系可用一个初等函数来表达；（2）灰色系统模型仅描述一个随时间按指数规律单调增长的或衰减的过程。灰色系统模型的应用范围非常狭小，它既不适用于数据变化规律上凸的情
5、况，又不适用于数据中有负数的情况。因此，在岩土工程位移预测中应慎用灰色系统建模进行预测研究。,时间序列预测法,对时间序列ARMA模型进行分析，可发现此模型本身为一种线性自回归模型，可认为它是一种差分方程形式的参数模型。其应用条件为：（1） 要求数据序列为平稳、正态的序列；（2） 序列中的数据应该是其历史数据的线性组合。由于时间序列模型表示一种随机信号的统计特性，从而要求数量应该比较大，这就使在容许观测时间短且位移变化不大的情况下，量测有一定难度，实施起来并不方便。在实际的岩土工程中，所观测得到的位移序列一般不可能为平稳、正态的随机序列；很多情况下，观测序列都不能符合是其历史数据线性组合的特点。
6、这些均限制了时间序列模型的应用。,人工神经网络预测法,由神经网络模型的建模过程可发现，该方法实质为非线性自回归模型。对观测序列几乎没有什么要求，它几乎可以对任何可能的序列进行分析。目前岩土工程位移预测均采用最简单、常用的无反馈前向神经网络模型（BP模型），预测方法采用自回归法。分析这样构造的模型，可发现使用中存在大量有待解决的问题。如： （1） 网络结构的确定 （2） 结点单元作用函数的确定 （3） BP算法问题 （4） 神经网络的外延性 尽管人工神经网络模型的观测数据序列要求不多，但正是这种普适性增大了神经网络模型建模的难度。,神经网络在基坑工程中的应用现状,神经网络在土木工程领域内的应用已
7、有大量的工程实例，目前主要应用于结构探伤、振动分析、结构优化和控制等方面。袁金荣博士等曾将其作为一种工具引入到地下工程，研究其在地下工程设计、施工各方面的应用可行性，并和模糊控制相结合，建立一套集地下工程施工变形预测和控制为一体的智能化控制系统。在基坑工程方面，目前主要用于变形预测、工程或研究分类、评估与分析等方面。,深基坑变形预测方法及警戒值研究,研究方法综述深基坑变形预估方法基坑变形预警值的研究,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
8、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。,深基坑变形预估方法,Clongh 和 Schmidt经验方法G.Wayne Clongh和Birger Schmidt将深基坑开挖释放应力而引起的墙体移动分为“”和“ ”两种基本型式。,候学渊经验方法,对于第种型式： 沉降影响范围,最大地面沉降,对于第种型式； 沉降影响范围x0 同上,地面沉降量,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0.3%H, H为坑深，
9、如按 50m计，则应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，应5cm；最大容许变形速率，应2mm/天。,2. 基坑变形现象,本节包括： 2.1 基坑变形现象 2.2 基坑破坏现象,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
10、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，围护墙在开控中会下沉，地面也下沉。,在开挖深度不大时
11、，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。,二. 基坑底部的隆起,图2 基底的隆起变形,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。,三
12、. 地表沉降,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、墙体人土深度、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(14)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。,图4 基坑开挖变形的影响范围,(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),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
13、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：,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。,一. 放坡开挖基坑,图5 放坡开挖基坑破坏形式,9m,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
14、覆，见图6(b)；,二. 无支撑刚性挡土墙基坑,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)。,图6 刚性挡土墙基坑破坏形式,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
15、致墙体折断、见图7(b)。,三. 无支撑柔性围护墙围护基坑,图7 无支撑柔性围护墙基坑破坏形式,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)；,四. 内支撑基坑,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
16、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(f)突涌破坏,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 (e)底部隆起破坏,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)；,
