李广信：深基坑工程设计中的一些问题

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,深基坑工程的设计中的一些问题,清华大学,1,目录,基坑事故,基坑设计中土的强度指标,欠固结土与高灵敏度土,坑边超载计算,土的固结不排水强度与饱和重度,结论,2,基坑事故,3,杭州地铁,1,号线湘湖站北二基坑事故,西侧,2008,年,11,月,15,日下午,3,时,20,分。,4,工程事故的统计分析,根据国际隧道工程保险集团对施工现场发生安全事故的原因的调查结果表明：地下工程发生事故原因是多方面的，由施工方完全承担这些风险显得不够合理。,5,2008,年杭州湘湖地铁事故,2004,年新加坡,Nicoll,大道地铁基坑事故,6,设计的问题,是否正确使用了规范？,规范本身是否正确？,（,1,）欠固结土,（,2,）高灵敏度土,（,3,）超载引起的土压力计算,（,4,）稳定分析中土的重度,7,基坑设计中土的强度指标,8,基坑工程中的地基土,在漫长的地质历史中，一般在自重应力下已经固结；,在基坑开挖过程中，主应力,3,(,p,),没有增加；,开挖增加了剪应力,1,-,3,，直到达到主动或被动极限应力状态。,9,地基规范,中的强度指标,9.1.6,1,、对淤泥及淤泥质土，应采用,三轴不固结不排水剪强度指标,；,2,、对正常固结的饱和黏性土应采用在土的有效自重应力下预固结的,三轴不固结不排水剪强度指标；,3,、当施工挖土速度较慢，排水条件好，土体有条件固结时，可采用三轴固结不排水剪强度指标；,10,“Foundation Engineering Handbook”,13.4,当基坑开挖过去一段时间，孔隙水压力随后有变化时，考虑采用三轴排水试验指标：正常固结土,c,c,=0,=15-25,，对于长期的基坑设计用不排水指标过于保守。,11,基坑中采用不排水强度指标的困难,地基承载力只涉及持力层的强度,c,u,；,基坑支挡结构常常涉及几十米后的黏土层；,c,u,；是与深度有关的。,12,地基规范中的一个悖论,取,K,D,1.60,插入比越大，安全系数越小？,这里必须明确强度,c,u,的具体深度。,t,t,(,t,+,H,)+,q,13,十字板剪切试验,z,c,u,b,a,1,正常固结土,14,土层,三轴不固结不排水,无测限抗压强度,十字板试验,快剪,固结快剪,固结不排水,c,u,kPa,u,q,c,(kPa),c,u,（,kPa,）,c,q,q,c,cq,cq,c,cu,cu,2,11.0,0.2,25.34(47.9,28.4,8.1,6.1,15.8,11.9,17.1,9.7,1,9.0,0.4,24.06(51.9,34.1,7.1,8.3,13.8,13.6,17.8,13.2,15,地基土的正常固结与超固结,z,z,z,z,两点的强度是否相等？,16,三轴固结不排水实验的分析,被动侧,主动侧,对应土样深度,z,的应力,p,试验点,17,结论,基坑工程的勘测不完全等于地基基础的勘测；,对于深厚土层墙前、后取样深度不同；,即使是正常固结土墙前土也应采用超固结强度。,18,欠固结土与高灵敏度土,19,欠固结土,使用固结不排水强度指标，偏于危险；在有效自重应力,z,下并没有固结；,“基坑规程”：,对欠固结土，宜采用有效自重压力下预固结的三轴不固结不排水抗剪强度指标,c,uu,、,uu,；,(1),如何定义有效自重压力？,(2),如何确定欠固结度？,(3),为什么不用,c,cu,cu,的计算强度乘以欠固结度？,20,高灵敏性土,地层层序,外围土无侧限抗压强度,q,u,/,灵敏度,St,坑外,12-12,16-16,剖面线扰动区无侧限抗压强度,q,u,/,灵敏度,St,坑内土无侧限抗压强度,q,u,/,灵敏度,St,-2,47.9/,6.6,37.5/4.8,-3,58.2/3.8,38.4/2.4,-1,51.9/,9.1,40.3/6.4,45.0/7.5,-2,60.5/,11.5,47.5/8.0,54.2/8.0,-1,76.0/8.0,61.2/6.8,28.5/3.7,事故后勘察的灵敏度,21,高灵敏性土,22,23,杭州地铁灵敏性土,坑内扰动后土体静探锥尖阻力最小值仅为原状土的,35%,，,24,基坑阳角,北京万亨大厦基坑事故,25,坑边超载,q,0,计算,26,均布附加荷载,q,0,的土压力,与自重应力一样，用固结不排水强度指标计算,q,0,对土压力与稳定性的影响。,27,超载,q,0,与固结不排水强度指标,如果,q,0,为临近建筑物产生的荷载，这要看该建筑物建成的年代，如果它是几十年前建成的，那么在这个荷载下，坑边土体已经被,q,0,所固结，可用固结不排水强度指标计算土压力；,但有的开发商为了尽快卖房收钱，先建房，后挖坑，那么,q,0,所产生的土压力要用不排水指标,u,=0,计算土压力，亦即产生的都是超静孔隙水压力，,对于施工期坑边堆载、交通荷载、机械荷载等也应,u,=0,计算。,28,大面积超载引起的土（水）压力,对于饱和软黏土,=0,K,a,=1.0,产生的超静孔隙水压力,u,=,q,0,。,q,0,u,=,q,0,29,上海闵行区莲花河畔景苑,30,土的固结不排水强度与饱和重度,31,稳定中的自重计算,对于饱和软粘土：,圆弧滑动面稳定分析中，抗滑力矩用饱和重度还是浮重度？,验算坑底隆起时，承载力的深度部分采用什么重度？,滑移与倾覆稳定中墙底水压力的考虑,32,圆弧滑动整体稳定,基坑规程图,6.1.3,G,j,第,j,土条的自重,(kN),，,按天然重度计算,。,K,s,圆弧滑动稳定安全系数,1.3,规定对于水下的黏性土,u,=0,；,33,坑底隆起稳定性验算,锚拉式和支撑式支挡结构嵌固深度基坑规程,:,图,4.2.5,K,he2,以最下层支点为轴心的圆弧滑动稳定安全系数；安全等级为,1,、,2,、,3,级的支挡式结构，,K,he2,分别不应小于,2.2,、,1.9,、,1.7,。,G,j,第,j,土条的自重,(kN),，,按天然重度计算,。,34,M,点的抗剪强度,f,M,35,瑞典条分法,-,替代法,i,h,3i,h,2i,h,1i,浸润线,h,3i,部分用浮重度计算，,h,2i,分母用饱和重度；分子用浮重度,替代法：不计水压力,u,i,36,坑底隆起承载力验算,基坑规程,图,4.2.4-1,m1,基坑外挡土构件底面以上土的重度,(kN/m,3,),；对地下水位以下的砂土、碎石土、粉土取浮重度；对多层土取各层土按厚度加权的平均重度；,m2,基坑内挡土构件底面以上土的重度,(kN/m,3,),；,对地下水位以下的砂土、碎石土、粉土取浮重度；,对多层土取各层土按厚度加权的平均重度；,37,坑底隆起的验算,f,a,=,M,b,b,+,M,d,m,d,+,M,c,c,k,(5.2.5),m,基础底面以上土的加权平均重度（,kN/m,3,），,位于地下水位以下的土层取有效重度；,f,a,=,f,ak,+,b,（,b,-3,）,+,d,m,(,d,-0.5) (5.2.4),38,土层指标,表,1,土层,层底标高,(m),层厚,(m),重度,(kN/m,3,),(,),c(kPa),孔隙比,e,塑性指数,I,L,m(kN/m,4,),k,max,(kN/m,3,),1-2,4.97,1.53,19,10,10,0.995,0.91,2000,5000,2-2,-0.64,5.61,19,31.8,10.2,0.868,0.55,18000,10000,4-2,-12.66,12.02,17.1,11.9,15.8,1.430,1.38,3000,6000,6-1,-28.38,15.72,17.1,13.6,13.8,1.353,1.48,3500,7000,8-2,-43.5,15.12,17.9,18.2,14,1.040,0.94,7000,8000,欠固结土！,39,应力路径与水土合算,40,墙后土体的应力路径,小主应力减少，,3,0,大主应力不变，,1,=0,z,H,N,41,p,q,0,1,=,v,=,z,3f,=,p,a,p,0,=,3,=,K,0,v,c,A,O,42,几种不同的三轴试验应力路径,43,墙后土体的应力路径,z,H,N,p,p,q,K,0,M,0,2,c,u,是从,K,0,状态开始，小主应力减小，大主应力不变的,RTC,试验，它是最接近墙后土体的实际应力路径的；,是从,K,0,状态开始，小主应力不变，增加大主应力的,CTC,试验，亦即,K,0,固结的常规三轴试验，它与墙后土体的初始应力状态一致；,是从等向压力固结出发的常规三轴试验,(,CTC),，是一般勘察报告提供的试验结果。,44,各类土的孔压系数,A,的数值范围,土类,孔压系数,A,高灵敏度土,0.75-1.5,正常固结黏土,0.5-1.0,轻超固结黏土,0-0.5,重超固结黏土,-0.5-0,45,固结不排水强度指标与三轴应力路径的关系,3,增加,正孔隙水压力，,cu,小于,；,3,减少,负孔隙水压力；,cu,大于,；,46,不同应力路径和不同的孔压系数,A,下的,CU,强度指标,编号,试验,RTC,K,0,初始状态,CTC,K,0,初始状态,CTC,，等压初始状态,A,1/3,2/3,1.0,1/3,2/3,1.0,1/3,2/3,1.0,c,cu,(kPa),0,0,0,0,0,0,0,0,0,cu,(,),41.8,33.75,30.0,26.4,24.6,23.6,22.0,17.5,14.5,正常固结黏土，,c,=0,=30,sat,=20kN/m,3,孔压系数,B,=1.0,47,应力路径与水土合算与分算,编号,条件,A,c,cu,cu,分算,合算,p,w,p,a,P,=,p,w,+,p,a,E=,E,w,+,E,a,误差,%,p,=,p,w,+,p,a,E=,E,w,+,E,a,误差,%,I,RTC,1/3,0,41.8,100,20,120,600,0,40,200,-67,2/3,0,33.75,100,28.5,128.5,643,0,57,285,-64,1.0,0,30,100,33.3,133.3,667,0,67,335,-50,III,CTC,1/3,0,22,100,45.4,145.4,728,28,91,455,-24,2/3,0,17.5,100,53.8,153.8,769,29,107.5,538,-16,1.0,0,14.5,100,77.4,177.4,887,33,120,600,-10,对于正常固结土与轻超固结土，合算：水土压力偏小，但误差不大！,48,讨论,由于墙后土体的应力路径是,3,减少，在固结不排水条件下会产生负的超静孔压，使固结不排水强度指标增高。,常规三轴压缩试验固结不排水条件下会产生正的超静孔压，固结不排水强度指标偏低，分算计算的土压力偏大；,用常规三轴压缩固结不排水试验的强度指标，进行水土合算，与实际情况接近。,这是一种经验的方法。,49,经验与经验主义。,基坑规程,在条文,3.1.14,中指出：,“,土压力及水压力计算、土的,各类稳定性验算时,，土、水压力的分、合算方法及相应的土的抗剪强度指标类别应符合下列规定：对地下水位以下的黏性土、黏质粉土，可采用土压力、水压力,合算方法,，,.,土的抗剪强度指标应采用三轴固结不排水抗剪强度指标,c,cu,、,cu,或直剪固结快剪强度指标,c,cq,、,cq,。,”,对于饱和软黏土的稳定分析，采用水土合算是不合理的。,50,荷载还是抗力,51,“基坑规程”水土分算的土层,u,a,主动侧的水压力荷载；,u,p,被动侧的水压力抗力。,52,土中,安全系数的意义与目的,安全系数是为了考虑可能的不确定性，并保证一定的安全度；,均衡的水、土压力，不存在不确定性，可不计入荷载与抗力；,两侧不平衡的静水压力也可以部分抵消；,土中,静水中,53,抗倾覆安全系数,=1kN/m,3,=11kN/m,3,54,安全系数的意义与目的,不能以两侧土压力差进行稳定分析！,当两侧土压力相等时，,E,a,=,E,p,，在抗滑移稳定分析中二者也不能抵消；,因为主、被动土压力计算涉及土层分布、土性指标、计算理论等一系列不确定性。,荷载与抗力的确定、是否可以抵消有时有歧义、有习惯、规定的不同；但基本原则不能破坏。,E,a,E,p,55,水压力不同处理的例题,墙高,h,=10m,，埋深,h,d,=4m,，墙宽,B,=5m,，水泥土重度为,cs,=20kN/m,3,所在土层,c,=0,=30,=18kN/m,3,，地下水位与坑底齐平。,按照不同方法处理水压力计算其抗倾覆稳定,计算安全系数,K,ov,U,E,wa,E,wp,56,方法,计算方法,计算公式,安全系数,水泥土用,浮重度,计算，两侧水、土压力分算,(,不计侧向水压力,),1.20,不计侧向水压力,，从自重中扣除扬压力,U,1.20,主动侧水压力为荷载，被动侧水压力为抗力，墙自重中扣除扬压力,U,1.19,主动侧水压力为荷载，被动侧水压力为抗力，扬压力为荷载,1.16,57,上海规范,-6.4.1,E,w,作用于水泥土墙上的主动、被动侧水压力差,“,净水压力”,K,si,抗滑移稳定安全系数，可取,1.2;,u,m,水泥土墙底面的平均孔隙水压力,(kPa);,E,w,u,m,G,E,p,E,a,58,结论,基坑工程中仍有很多问题有待澄清；基坑工程中有关土的设计十分复杂；,应当说一些基坑事故，设计者是难逃其责的；按照规范设计就免责是不合理的；,是否合理地使用规范？规范本身是否合理是值得讨论的。,目前一些与基坑有关的规范中的某些规定是不合理的，违反了土力学的基本原理。,59,欢迎批评指正！,60,