基坑工程时空效应

刘国彬 2001年9月15日2021/7/11课程内容（一）n绪论n方案设计n基坑的稳定、事故的分析n基坑工程施工中的土工问题n内力计算n周围环境变形的计算n基坑围护结构的设计要点刘国彬 2001年9月15日2021/7/12课程内容（二）n施工方法的选择n时空效应规律n时空效应施工工艺n时空效应法施工参数n基坑内地基加固n深基坑施工各道工序可能出现的问题及处理方法刘国彬 2001年9月15日2021/7/13课程内容（三）n深基坑施工环境保护技术n监测数据的判读、险情征兆、抢险措施n信息化施工监控技术n基坑工程的发展刘国彬 2001年9月15日2021/7/14研究生课程基坑工程总论 深基坑工程第九课刘国彬 2001年9月15日2021/7/15时空效应的原理和施工方法刘国彬 2001年9月15日2021/7/16第一部分 概 述刘国彬 2001年9月15日2021/7/17日本某基坑工程日本某基坑工程（采用大面积注浆加固，图中为注浆设备）（采用大面积注浆加固，图中为注浆设备） 新加坡某基坑工程新加坡某基坑工程（为保护距基坑（为保护距基坑22m的地铁隧道，采用的地铁隧道，采用2层层2.5m厚的旋喷注浆满膛加固坑内土体）厚的旋喷注浆满膛加固坑内土体）Boston某基坑工程某基坑工程（为保护周围环境采用密集支撑）（为保护周围环境采用密集支撑） 国外为解决软土基坑周围的国外为解决软土基坑周围的环境保护问题，常采用坑内满膛环境保护问题，常采用坑内满膛加固、设置密集支撑等方法，工加固、设置密集支撑等方法，工期长，代价大。期长，代价大。刘国彬 2001年9月15日2021/7/18 在上海软土地区，若在基坑变形预测中不考虑软土流变特征，并在施工中缺乏及时有效的监控手段，基坑变形预测值和实测值会存在较大差异，给基坑周围环境保护带来很大的困难。刘国彬 2001年9月15日2021/7/19时空效应理论和方法的特征时空效应理论和方法的最重要特征在于： 在软土基坑变形的预测和监控中，定量地考虑施工因素的影响。刘国彬 2001年9月15日2021/7/110第二部分第二部分 时空效应的基本原理时空效应的基本原理刘国彬 2001年9月15日2021/7/111 上海软土流变试验曲线上海软土流变试验曲线1、应力水平越低、蠕变时间越短，流变位移越小；2、土体在排水固结条件下要比不排水条件下稳定。刘国彬 2001年9月15日2021/7/112刘国彬 2001年9月15日2021/7/113 通过对流变试验和大量相关研究，可以取得有关控制软土深基坑变形的几点重要启示： 一、分层分块开挖能够有效地调动地层的空间效应，以降低应力水平、控制流变位移。 二、减少每步开挖到支撑完毕的时间，即无支撑暴露时间，可明显控制挡墙的流变位移，这在无支撑暴露时间小于24小时效果尤其明显。 三、解决软土深基坑变形控制问题的出路在于规范施工步序和参数，并将其作为实现设计要求的保证。时空效应规律刘国彬 2001年9月15日2021/7/114 当施工参数和地基土参数、支护结构参数一起被作为基坑变形预测的计算参数，就能合理准确地预测软土基坑周围地层位移。刘国彬 2001年9月15日2021/7/115长条形基坑施工工序和参数刘国彬 2001年9月15日2021/7/116刘国彬 2001年9月15日2021/7/117每步开挖宽度每步开挖宽度B无支撑暴露时间无支撑暴露时间Tr基坑角部的斜支撑部分基坑角部的斜支撑部分每层施工工序和参数每层施工工序和参数车站端头井施工步序和参数车站端头井施工步序和参数刘国彬 2001年9月15日2021/7/118大宽度、不规则基坑施工工序和参数刘国彬 2001年9月15日2021/7/119主要施工参数主要施工参数1、开挖深度、开挖深度Hj2、开挖层数、开挖层数3、每层开挖厚度、每层开挖厚度4、每步开挖尺寸、每步开挖尺寸5、每步开挖无支撑暴露时间、每步开挖无支撑暴露时间天然地基土参数：天然地基土参数：Cu，Ps加固体参数加固体参数 ： Cu，Ps被被动动区区加加固固预留土堤预留土堤土堤土堤基坑挡墙基坑挡墙大宽度不规则基坑施工步序和参数大宽度不规则基坑施工步序和参数刘国彬 2001年9月15日2021/7/120第三部分 工程应用刘国彬 2001年9月15日2021/7/121一、长条形基坑工程实例刘国彬 2001年9月15日2021/7/122地铁一号线徐家汇车站刘国彬 2001年9月15日2021/7/123(a)原设计开挖原设计开挖支撑方案支撑方案(b)优化后的开挖优化后的开挖支撑方案支撑方案地铁二号线东方路车站(通过调整开挖空间和时限来减少变形)刘国彬 2001年9月15日2021/7/124二、地铁车站端头井工程实例刘国彬 2001年9月15日2021/7/125第三层土方开挖中的变形增量减至第三层土方开挖中的变形增量减至3mm 开挖第二层土时东端墙最大水平开挖第二层土时东端墙最大水平位移增大至位移增大至6mm超过了警戒值超过了警戒值 调整施工参数控制地墙位移调整施工参数控制地墙位移地铁二号线人民公园车站刘国彬 2001年9月15日2021/7/126刘国彬 2001年9月15日2021/7/127三、不规则基坑工程实例刘国彬 2001年9月15日2021/7/128刘国彬 2001年9月15日2021/7/129新世界商厦剖面图刘国彬 2001年9月15日2021/7/130新世界商厦支撑平面图刘国彬 2001年9月15日2021/7/131新世界平面图刘国彬 2001年9月15日2021/7/132刘国彬 2001年9月15日2021/7/133刘国彬 2001年9月15日2021/7/134刘国彬 2001年9月15日2021/7/135刘国彬 2001年9月15日2021/7/136香港广场刘国彬 2001年9月15日2021/7/1372021/7/138车站及其周围环境示意图二车站及其周围环境示意图二2021/7/139车站及其周围环境示意图一车站及其周围环境示意图一2021/7/140-30-25-20-15-10-505C37C37C38C39C40C41C42C43C44C45C46C47C48C49C50测点布置沉降(mm)树根桩施工完毕西井至-10m，地墙结束地下连续墙施工期间东海大楼沉降地下连续墙施工期间东海大楼沉降西西东2021/7/141-60-50-40-30-20-100C37C37C38C39C40C41C42C43C44C45C46C47C48C49C50测点编号沉降(mm)实施变形控制措施前的工况实施变形控制措施前的工况该工况下东海大楼东西向沉降该工况下东海大楼东西向沉降2021/7/142变形控制措施之一优化开优化开挖步序挖步序和开挖和开挖参数参数原开挖步序和参数原开挖步序和参数2021/7/143调整后的西标段施工步序和参数调整后的西标段施工步序和参数挖土参数作以下调整：1、将运土通道移至超载较小的北面2、将西标准段的每小段开挖宽度由6m减少至3m，无支撑暴露时间减为16hrs，而东标准段因位移较小，仍维持原施工参数。变形控制措施之一优化开优化开挖步序挖步序和开挖和开挖参数参数2021/7/144-35-30-25-20-15-10-50050100150200水平位移( m m )深度( m )挖至- 7 .5的 实 测值按照原先施工参数的预测值调整参数，不考虑注浆的预测值调整开挖参数前后的基坑挡墙变形计算值对比调整开挖参数前后的基坑挡墙变形计算值对比刘国彬 2001年9月15日2021/7/145157#地块基坑周围环境示意图地块基坑周围环境示意图刘国彬 2001年9月15日2021/7/146157#地块基坑周围环境示意图刘国彬 2001年9月15日2021/7/147基坑开挖参数示意图基坑开挖参数示意图预留土堤宽预留土堤宽度度10m每小段开挖每小段开挖宽度宽度68m每小段在每小段在18小时之内开小时之内开挖并支撑挖并支撑刘国彬 2001年9月15日2021/7/148研究生课程基坑工程总论 深基坑工程2001年12月18日第十课刘国彬 2001年9月15日2021/7/149刘国彬 2001年9月15日2021/7/150刘国彬 2001年9月15日2021/7/151刘国彬 2001年9月15日2021/7/152刘国彬 2001年9月15日2021/7/153时空效应方法的设计与计算计算方法(经验公式、半理论半经验解析法、杆系有限元法、平面有限元法、三维有限元法)主要计算参数的取值(以土压力、被动抗力系数的取值为例)时空效应法的计算就是定量地考虑施工因素的影响的方法刘国彬 2001年9月15日2021/7/154基坑挡墙位移内力二维计算模型基坑挡墙位移内力二维计算模型PaRankine主动土压力主动土压力Kh弹性计算条件下的被弹性计算条件下的被动抗力系数动抗力系数FPa实测土压力实测土压力bKh等效水平基床系数等效水平基床系数q地面超载地面超载K水平土压力系数水平土压力系数刘国彬 2001年9月15日2021/7/155刘国彬 2001年9月15日2021/7/156基坑挡墙计算模型基坑挡墙计算模型支撑系统的计算模型支撑系统的计算模型挡墙位移内力的三维计算模型1、采用子结构方法和增量法，并考虑基坑挡墙和支撑系统的位移协调；2、为考虑时空效应规律，被动区抗力系数取值为abKabKh h ，其中bKbKh h为二维计算中的等效水平基床系数，a a则根据预留土堤宽度B B确定。刘国彬 2001年9月15日2021/7/157基坑周围地层位移计算刘国彬 2001年9月15日2021/7/158刘国彬 2001年9月15日2021/7/159刘国彬 2001年9月15日2021/7/160刘国彬 2001年9月15日2021/7/161 运用上海经验公式，根据计算的基坑挡墙位移，可以预测墙后的纵向和横向地表沉降。刘国彬 2001年9月15日2021/7/162 采用弹性平面有限元方法，并以计算的基坑挡墙位移为边界条件，可以预测墙后的地层位移场。刘国彬 2001年9月15日2021/7/163 纵向沉降数值分析纵向沉降数值分析刘国彬 2001年9月15日2021/7/164刘国彬 2001年9月15日2021/7/165刘国彬 2001年9月15日2021/7/166 弹性三维有限元方法可定性地预测大型基坑在不同开挖步序条件下的地层位移分布特征，其计算结果可作为确定合理的开步序的依据，以避免邻近保护对象在开挖过程中出现过大的差异沉降。 刘国彬 2001年9月15日2021/7/167刘国彬 2001年9月15日2021/7/168刘国彬 2001年9月15日2021/7/169刘国彬 2001年9月15日2021/7/170 纵向沉降数值分析纵向沉降数值分析刘国彬 2001年9月15日2021/7/171纵向沉降的变化规律刘国彬 2001年9月15日2021/7/172计算参数的取值刘国彬 2001年9月15日2021/7/173土压力的取值刘国彬 2001年9月15日2021/7/174现场实测土压力00.10.20.3051015202530深度( m )土压力值( M p a )00.10.20.3051015202530深度( m )土压力值( M p a )00.10.20.3051015202530深度( m )土压力( M p a)00.10.20.30102030深度( m )土压力值（M p a )刘国彬 2001年9月15日2021/7/175n侧压力系数随开挖深度的变化0.40.50.60.70.80.901020 开挖深度( m )侧压力系数K11m14m16.1m19.1m23.1m27.1m0.40.50.60.70.80.9024681012开挖深度 ( m )侧压力系数K2m7m12m16m20m刘国彬 2001年9月15日2021/7/176n水平侧压力系数K随开挖深度的变化图0.30.40.50.60.70.80.91810121416开挖深度 （m )侧压力系数K4.1m7.9m11.1m16.1m23.7m27.7m0.30.40.50.60.70.851015开挖深度（m ) 侧压力系数K2.6m8.35m19.1m22.9m0.30.40.50.60.70.80.90246810开挖深度 (m)侧压力系数K2.26m5.23m8.06m10.96m13.9m15.9m17.7m19.7m22.5m25.4m0.30.40.50.60.70.80.9051015开挖深度 ( m )侧压力系数K2m6m10m14m18m22m刘国彬 2001年9月15日2021/7/177侧压力系数随时间的变化0.40.50.60.70.80.905101520时 间 (天 ）水平抗力系数K2m7m12m16m20m750.350.450.550.650.750.850.9501020304050时 间 (天 ）水平抗力系数K2m7m12m16m20m刘国彬 2001年9月15日2021/7/17823.1m/17线西0.9911.011.021.030204060时间（天）土压力时间系数16.1m/27线西11.11.21.31.41.50100200300时间（天）土压力时间系数14m/27线东11.081.161.241.321.40100200300时间( 天)土压力时间系数15.9m/27线东11.11.21.31.41.51.60100200300时间( 天）土压力时间系数19.8m/27线东11.041.081.1202040时间( 天)土压力时间系数23.8m/27线东11.051.11.151.21.2502040时间( 天)土压力时间系数刘国彬 2001年9月15日2021/7/1792m/中央公园1.001.101.201.30111213141时间( 天)土压力时间系数14m/中央公园0.951.051.151.251112131时间( 天)土压力时间系数4.5m/杨高路11.11.21.31.41.501020304050607080时间 （天 ）土压力时间系数7.5m/杨高路11.051.11.151.201020304050607080时间( 天 )土压力时间系数刘国彬 2001年9月15日2021/7/1809.0m/杨高路11.051.11.151.21.2501020304050时间( 天 ）土压力时间系数10.5m/杨高路11.051.11.151.21.251.30 1020304050607080时间( 天 ）土压力时间系数12.0m/杨高路11.021.041.061.081.11.121.141.160204060时间 （天 ）土压力时间系数13.9m/陆家嘴T K 311.11.21.31.4040 80时间（天）土压力时间系数15.9m/陆家嘴T K 311.051.11.151.2020 40 60 80时间（天）土压力时间系数17.7m/陆家嘴T K 311.051.11.151.2020 40 60 80时间（天）土压力时间系数刘国彬 2001年9月15日2021/7/1812.26m/陆家嘴T K 311.11.21.31.41.50 10 20 30 40 50 60 70 80时间（天）土压力时间系数10.96m/陆家嘴T K 30.9811.021.041.061.081.11.12020 40 60 80时间（天）土压力时间系数19.7m/陆家嘴T K 30.940.960.9811.021.041.061.081.10 10 20 30 40 50时间（天）土压力时间系数25.4m/陆家嘴T K 30.940.960.9811.021.041.061.081.11.120 20 40 60 80时间（天）土压力时间系数5.5m/陆家嘴T K 10.9811.021.041.061.081.11.1205101520时间（天）土压力时间系数刘国彬 2001年9月15日2021/7/1820.350.450.550.650.75T（Time）主动土压力系数K00.1%H（特级）0.2%H（一级）0.5%H（二级）0.1%H(三级）临界时间对应点，一般为基坑开挖到最终开挖深度时的主动土压力系数值刘国彬 2001年9月15日2021/7/1830.0010.0070.0130.01901020位移( m m)土压力（m p a )0.050.060.070.0802040位移( m m)土压力( M p a)0.030.050.0702040位移( m m)土压力( M p a)0.030.050.070.090.110 10 20 30 40 50位移( m m)土压力( M p a)0.080.090.10.110.120.13050100位移( m m)土压力( M P a)0.10.120.140.16050100位移( m m)土压力( M p a)刘国彬 2001年9月15日2021/7/1840.120.140.160.180.20.220.24020406080位移( m m)土压力( M P a)0.10.120.140.160.1804080位移( m m)土压力( M P a)0.080.090.10.110.120.130.14050100150位移( m m)土压力( M P a)刘国彬 2001年9月15日2021/7/185n土压力实用取值方法 基坑保基坑保 土性土性 侧压力系数侧压力系数K K 护等级护等级 一级一级 软粘土软粘土 0.750.750.550.55 二级二级 软粘土软粘土 0.700.700.500.50 三级三级 软粘土软粘土 0.6250.6250.450.45刘国彬 2001年9月15日2021/7/186n由支撑轴力来估算主动土压力系数公式)2()(61YHYHHraLNKniiia刘国彬 2001年9月15日2021/7/187Calculation formula of active earth pressurerestat pressureearth nt displaceme wallretaining theoft coefficien influence timeoft coefficien influence 0t0 xtxwhere)2/45(2)2/45(20ootgctgh刘国彬 2001年9月15日2021/7/188 wallretaining ofnt displaceme positionn calculatio ofdepth 0138. 010430mh15m )0 . 160(30115mh )15(2014xhwherexbhhaeabxx刘国彬 2001年9月15日2021/7/189 timeelapsed 30mh16m 1000/ )19025. 6(16mh10m 1000/ )7010(10mh 1000/ )1055 . 7(9552. 0104510424twherehhhdhhctcdt刘国彬 2001年9月15日2021/7/190n 5m 15mn 计算 实测 比值 计算 实测 比值n (Mpa) (Mpa) (Mpa) (Mpa) n挖土至3m 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 放坡阶段 0.0347 0.0327 0.94 0.135 0.113 0.83土压力计算值与实测值比较刘国彬 2001年9月15日2021/7/191n孔隙水压力测值与由水位值计算出的静止水压力孔隙水压力测值与由水位值计算出的静止水压力的平均值随工况变化的比较表的平均值随工况变化的比较表n n 5m 15mn 静水压值 孔压力值 比值 静水压值 孔压力值 比值n (Mpa） (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端头井浇底板0.03230.01770.540.1320.09290.70n端头井浇中板0.03240.01820.520.1320.09410.71n端头井浇顶板0.03300.01810.540.1330.09910.74n标一段浇中板0.03420.01890.550.1340.1030.77n标一段浇顶板0.03440.01940.560.1340.09830.73n结构封顶后0.03760.02110.560.1380.1060.76刘国彬 2001年9月15日2021/7/192n反算出的土压力项的侧压力系数反算出的土压力项的侧压力系数 n n工况号 实测孔隙水压力 对应的实测土压力 反算出的Ksn 5m深15m深5m深15m深 5m深15m深n工况1（挖土深3m）0.03470.1360.06348 0.23517 0.580.69n工况2（挖土深5m）0.03360.1150.056850.201750.470.61n工况3（挖土深6.5m）0.03210.1080.052150.17950.400.50n护坡阶段0.032170.1130.060070.18760.560.52刘国彬 2001年9月15日2021/7/193被动抗力系数的取值刘国彬 2001年9月15日2021/7/1941516171819202122232425100150200250被动土压力（Kpa)深度(m)E31PP(h=0m)14/05E31PP(h=0m)9/06E31PP(h=5.5m)4/07E31PP(h=5.5m)23/07刘国彬 2001年9月15日2021/7/1951617181920212223242560100140180被动土压力(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(h=10m)1997-6-8(h=13.5m)1997-6-9(h=15.2m)1997-6-11(浇注垫层)1997-6-22(回筑阶段)刘国彬 2001年9月15日2021/7/196507090110130150170190210230250020406080开挖时间(天）被动土压力(Kpa)16192225刘国彬 2001年9月15日2021/7/197刘国彬 2001年9月15日2021/7/198刘国彬 2001年9月15日2021/7/199Kh值与时间的关系值与时间的关系02468101214048121620242832时间(小时)刘国彬 2001年9月15日2021/7/1100Kh值与土性的关系值与土性的关系0.60.811.21.41.62468101214161820内摩擦角 Kh影响系数c=4c=8c=12c=16刘国彬 2001年9月15日2021/7/1101Kh值与开挖空间的关系值与开挖空间的关系01234567891471013161922空间 (米)刘国彬 2001年9月15日2021/7/1102Kh值与地基加固的关系值与地基加固的关系00.511.522.530.01.02.03.04.0比贯入阻力Ps地基加固影响系数刘国彬 2001年9月15日2021/7/1103天然土层的Kh 计算公式76. 442. 124tan424tan635121iiiiiiiiihihhChhKjiijiijjHhhBhhTT208. 00 . 11 . 06 . 10 .12exp11dscrhiK 635刘国彬 2001年9月15日2021/7/1104加固土层的Kh 计算公式jjshiTTpK0 .12exp9 .143134.29jiijiiHhhBhh208. 00 . 11 . 06 . 111dsrphiK刘国彬 2001年9月15日2021/7/1105设计与变形预测n基坑工程支护结构特性参数、地质特性基坑工程支护结构特性参数、地质特性参数（包括地基加固）以及施工参数的参数（包括地基加固）以及施工参数的计算方法计算方法n根据施工步序和施工参数，预测施工中根据施工步序和施工参数，预测施工中可能出现停顿、超挖以及开挖宽度过大可能出现停顿、超挖以及开挖宽度过大等等因素所引起的支护结构和地层位移等等因素所引起的支护结构和地层位移的动态设计计算模型的动态设计计算模型刘国彬 2001年9月15日2021/7/1106刘国彬 2001年9月15日2021/7/1107刘国彬 2001年9月15日2021/7/1108刘国彬 2001年9月15日2021/7/1109刘国彬 2001年9月15日2021/7/1110刘国彬 2001年9月15日2021/7/1111刘国彬 2001年9月15日2021/7/1112刘国彬 2001年9月15日2021/7/1113刘国彬 2001年9月15日2021/7/1114上海广场开挖顺序及支撑平面图上海广场开挖顺序及支撑平面图 刘国彬 2001年9月15日2021/7/1115157#地块基坑施工期间地块基坑施工期间 东海商都沉降东海商都沉降-40-35-30-25-20-15-10-505C1C2C3C4C5C6C7C8C9C10(C29)紧靠基坑的东海商都测点沉降（mm）地墙施工引起的沉降搅拌桩施工引起的沉降旋喷钻孔灌注桩及降水引起的沉降第一层开挖第二层开挖第三层开挖第四层开挖北（原车站基坑）南刘国彬 2001年9月15日2021/7/1116 实测数据证明，土压力随基坑开挖进程、基坑挡墙位移而变化。因此在考虑时空效应的基坑变形计算中，主动区土压力取开挖阶段的土压力，并根据基坑保护等级（即挡墙最大位移）取值。刘国彬 2001年9月15日2021/7/1117离心模型试验中的地表沉降曲线墙后地表沉降曲线(工况3)00.10.20.30.40.50.60.701020304050距离( c m)沉降( m m)模型1模型2模型4墙后地表沉降曲线(工况4)00.10.20.30.40.50.60204060距离( c m)沉降( m m)模型1模型2模型4刘国彬 2001年9月15日2021/7/1118基坑周围位移场的实测 0刘国彬 2001年9月15日2021/7/1119实测位移场实测位移场0510152025x(m)y(m)刘国彬 2001年9月15日2021/7/1120基坑周围位移场的计算公式)(2222)()()(),(xxxtyxyyxfsmyxg刘国彬 2001年9月15日 若有不当之处，请指正，谢谢！若有不当之处，请指正，谢谢！