1、基坑的变形分析清华大学 岩土工程研究所李广信目录 基坑变形的种类与形态；基坑变形的影响因素;支挡结构的变形计算;坑外土体位移的预测；坑底隆起的估算；数值计算方法.1.基坑变形的种类与形态 围护结构变形：水平与竖向；坑底隆起；基坑周围土体的位移：沉降与水平位移：1.1坑外地面沉降与水平位移序号类型主要原因主要危害坑外地面沉降(1)支挡结构发生水平位移；(2)基坑降水使土层固结沉降；(3)桩、墙施工的钻孔、开槽；(4)坑边地面堆土、堆载、交通运输(5)由于降水或锚杆钻孔引起饱和砂土颗粒流失；(6)坑底流土；(7)坑底隆起；。(1)使相邻的建（构）筑物不均匀沉降；(2)使地面、路面和市政管线塌陷与开
2、裂。坑外地面水平位移(1)支挡结构发生水平位移；(2)桩、墙施工的钻孔、开槽；(3)坑边地面堆土、堆载、交通运输。对使相邻的建（构）筑物和市政管线与开裂与错位。1.2坑底隆起序号类型主要原因主要危害3坑底隆起(1)坑底地基土承载力不足；(2)地面超载大；(3)插入比过小，被动区支挡结构物向基坑前移（踢脚）；(4)坑底开挖减载土体回弹；(5)坑底下承压水的扬压力使坑底土层突涌；(6)基坑暴露时间长，产生过大的蠕变变形。(1)引起坑外土体的变形；(2)不利于主体工程地下部分的施工；(3)增加主体工程的工后沉降；(4)破坏内支撑结构(5)使预先施工的工程桩上浮。1.3支护结构位移序号类型主要原因主要
3、危害4支挡结构侧向位移(1)支挡墙及锚杆（内支撑）变形；(2)超挖及支撑(锚固)不及时；(3)插入比小；(1)是坑外地面沉降和水平位移的主要原因；(2)增加了主体工程地下部分施工的困难；(3)使支挡结构物开裂和破坏5支挡结构竖向位移(1)由于基坑开挖使土体回弹，引起向上位移；(2)由于孔底和槽底沉渣使桩、墙向下位移；(3)基坑降水、坑边堆载的负摩阻力。(1)影响支护结构的稳定性；(2)影响周边土体变形。1.4基坑围护墙的变形形式 （a）弓形 （b）上正弯，下反弯（c）前倾型（d）踢脚型(a)主要表现在深厚软土层中，且当有支撑的围护墙埋入坑底以下深度不太大时最为常见，(b)当围护墙插入深度大，且
4、采用内支撑时;(c)无支撑的悬臂挡墙结构；(d)基坑位于深厚淤泥中，且墙体插入深度不大时。1.5坑外地面沉降曲线其中I区地表沉降最小，最大沉降小于1%H（H为最终的基坑开挖深度），适用于砂土和软-硬粘土。II区和III区根据坑底以下软土的厚度及坑底抗隆起稳定系数而定，最大沉降可达1-3%H。主要采用排桩和板桩等刚度较小的支护结构，Peck的统计数据Clough&ORourke（1990）墙后地表沉降的分布模式 maxvv欧章煜等的坑外土体沉降模式 PIZ:主要影响区1.6地面影响范围 Peck：对于砂土及硬黏土，其沉降槽影响范围为2倍开挖深度，对于软黏土，影响范围则为2-4倍的开挖深度。Clo
5、ugh&ORourke：对于砂土、软到中等硬度黏土，沉降区域范围为2倍的开挖深度；对于硬黏土，沉降区域范围为3倍的开挖深度。Hsieh et al.和Ou et al.:将三角形和凹槽型的沉降影响范围分为主影响区域和次影响区域为主影响区域和次影响区域，其中主影响区域的范围为2倍的开挖深度，而次影响区域为主影响区域之外的2倍开挖深度。沉降影响范围-日本 1.7基坑平面内的水平位移长条形基坑的变形性状坑外土体位移曲线 基坑阳角的空间效应1.8开挖过程中的墙后土体的水平位移 第一道支撑的位置对基坑的变形有重要意义；在第一道支撑未架设时，围护墙处于悬臂状态，当悬臂长度过大时，围护墙的变形将较大；当墙顶
6、的位移发生后，在后续的开挖工序中基本保持不变，合理控制第一道支撑的架设位置，控制未支撑的开挖深度，对于控制基坑的变形有着重要的作用。2.基坑变形的影响因素 2.1基坑开挖前的变形影响因素;2.2基坑开挖过程中的变形影响因素;2.3基坑开挖完成后的变形影响因素.2.1基坑开挖前的变形影响因素(1)围护墙施工影响 挤土式：钢板桩、预制桩等桩墙；非挤土式：钻孔或者掏槽的桩墙；地连墙施工对周边土体位移的影响程度，主要与沟槽的宽度、深度及长度，以及泥浆护壁效果紧密相关。由于地连墙成槽施工引起的土体的位移占整个基坑开挖变形总量的比例很小，但是在一些工程中，地连墙成槽施工引发的沉降量却占总沉降量的40%50
7、%。其水平位移及沉降影响范围一般为1.52.0倍的槽深，最大的沉降值可达0.05%0.15%倍的槽深，最大水平位移一般小于0.07%倍的槽深。连续墙施工引发地表沉降包络图开挖前降水影响 某地下连续墙围护地铁车站基坑 开挖前10天，在基坑内内进行降水，结果地下连续墙侧移，侧移情况 由图可知，随着降水的开展，地下连续墙发生了悬臂式的位移，墙顶最大位移达到了9.7mm，可见基坑开挖前的降水对地连墙的位移产生了明显的影响。2.2基坑开挖过程中的变形影响因素(1)土层特点及地下水条件;(2)基坑的几何形状及尺寸;(3)围护墙与支撑的性能;(4)围护墙刚度及插入深度;(5)支撑的横向与竖向间距.(1)土层
8、特点及地下水条件 软弱土层的影响。地下水位以及渗流也将对基坑变形产生影响，尤其是当承压水头较大时，将对坑底隆起产生重要的影响;在条件允许的情况下，尽可能避开对基坑施工或建（构）筑物承载不利的地层及地下水条件。(2)基坑的几何形状及尺寸 基坑的几何形状的影响，主要体现为基坑的空间效应，如长条形基坑、不规则基坑的阳角等均表现出特殊的变形特点；基坑开挖深度的大小直接影响原状土体的应力变化；大面积基坑的开挖对基坑的变形有更大的影响。(3)围护墙与支撑的性能围护墙类型、厚度、插入深度，支撑与锚固的种类、水平与竖向间距、预加载大小，反压土的预留；对于地铁车站或者宽20m左右的条形深基坑工程，围护墙的插入深
9、度一般取0.60.8倍的基坑开挖深度，当周边环境对变形要求较为严格时，可适当增大插入深度；除了满足支撑间距的布置要求外，第一道支撑的位置对基坑的变形有重要意义；最下一道支撑距离开挖面的高度对于基坑变形有着较大的影响；施工超载、交通荷载、周围建构筑物及管线荷载等；无支护暴露时间、未架设支撑的开挖深度、支撑安装快慢，开挖初始阶段的悬臂深度、挡墙接缝以及水平冠梁和腰梁的设置与刚度也将影响到基坑的变形。挡墙最大侧移与支撑系统刚度关系曲线 2.3基坑开挖完成后的变形影响因素 渗流固结：在浇筑地下室楼板后的形成强度期间，随着土体内部超孔压水压的消散及土颗粒间有效应力的形成，土体的固结变形仍在不断进行，基坑
10、内部及外部的荷载将不断发生变化，对于软黏土，其固结的时间历程往往远大于施工的周期，并将在施工后较长的时间内发生位移。土体的蠕变：基坑开挖完成后，坑底封底并实施地下结构施工的阶段，随着地下结构的施工及支撑的拆除，基坑周边的土体仍将发生一定的变形。一般情况下，此后土体的位移速率将随时间不断减小，并随着施工的逐渐完成而趋于稳定。3.平面围护墙的变性计算弹性地基梁法 0)(44awabppdzxdEI对于zH：对于zH：0)(044awashbppvkbdzxdEI土的水平抗力系数kh（基床系数）（kN/m3）0)(044awashbppvkbdzxdEIzkhm1mzkh（m法）kh水平抗力系数kh
11、的系数m 单桩水平载荷试验 经验公式：经验数值表：32035xcrcrEIbvxHmkk2k2.01cmkh=2000N（kN/m3）基坑规程：地基土水平抗力系数的比例系数m值序号地基土类别预制桩、钢桩灌注桩m(MN/m4)桩顶水平位移（mm）m(MN/m4）桩顶水平位移（mm）1淤泥；淤泥质土；饱和湿陷性黄土24.5102.566122流塑（IL1）、软塑（0.750.9粉土；松散粉细砂；松散、稍密填土4.56.010614483可塑（0.25IL0.75）状粘性土；湿陷性黄土；e=0.750.9粉土；中密填土；稍密细砂6.010101435364硬塑（0IL0.25）、坚硬（IL0）粘性土
12、；湿陷性黄土；e25%水泥掺量13%40006000围护墙的变形形式（a）标准型 （b）旋转型 （c）多折型 （d）悬臂型围护墙最大水平位移的位置 在基坑开挖初期，支撑尚未架设时，围护墙处于悬臂状态，其最大水平位移发生在墙顶；随着开挖深度的增大及墙顶支撑的架设，墙顶水平位移受到了限制，墙体中部逐渐向坑内凸出，最大水平位移也相应地逐渐下移，并发生在开挖面附近；对于深度在16m以上的深基坑，上海地区的工程经验则表明：围护墙的最大水平位移的位置逐渐上移，底部的土体将为土质更好的黏土层，故当开挖这层黏土时，最大水平位移仍保持在上部淤泥质土层位置；墙体最大水平位移的发生位置还与最下道支撑的位置及墙体的插
13、入深度等有密切的关系。围护墙水平位移最大值 支护结构的最大侧移与土层条件、围护结构种类、支撑形式等密切相关，不同地区的有关统计结果差别较大。针对具体某个地区的基坑工程，其支护结构的最大侧移的预测可参考总结的工程经验，对基坑的变形进行初步的预测。墙体最大水平位移与开挖深度的关系研究学者土质及支护特点hmax/H（%）Goldberg et al.（1976）软黏土钢板桩1地连墙0.25砂土、砂砾土、硬黏土0.35Clough&ORourke（1990）软到中等硬度黏土0.2Ou et al.（1993）台北，黏土及砂土交替地层0.20.5Masuda（1993）日本，黏土，地连墙支护0.050.
14、5Carder（2019）硬黏土支撑刚度高0.125支撑刚度中等0.2支撑刚度低0.4吴佩轸等（2019）地连墙（台北地区）0.070.2Wong et al.（2019）下卧良好土层开挖深度内软土层厚度0.9He0.5开挖深度内软土层厚度0.6He50m1.5一般地基边长30m1.52.03050m2.02.550m2.5软弱地基边长30m2.53.53050m3.54.550m4.5Long（2019）开挖深度内软土层厚度0.6He，高FOS，开挖面位于硬土层，内支撑支护0.21悬臂墙0.36Yoo（2019）上覆硬黏土、残积土、砂土，下卧风化岩石、软岩、硬岩围护墙排桩0.15搅拌桩墙0.
15、13灌注桩0.14地连墙0.05支撑内支撑0.13锚杆0.11Wang et al.（2019）软土300.13王建华等（2019）逆作法0.10.6(0.26)徐中华等（2019）上海地区软土地连墙或排桩顺作法0.42逆作法0.25丁勇春等（2019）上海地区软土0.050.7徐中华等（2019）地连墙，顺作法0.11.0（0.42）徐中华等（2019）上海地区饱和软黏土逆作法，方形基坑0.10.6（0.25）逆作法，圆形基坑00.1（0.05）连续墙，灌注桩0.11.0（0.44）钢板桩0.33.5（1.50）SMW工法0.150.75（0.41）水泥土搅拌桩0.32.5（0.91）复合土
16、钉0.20.9（0.55）4.坑外土体位移的预测4.1 Peck 经验曲线法=10KaH（mm)K修正系数，围护墙取K=0.3，柱列式支护结构取K=0.7，板桩墙取K=1.0，基坑开挖深度（m），a地层沉降值与基坑开挖深度的比值 4.2地层损失法面积相关性（a）计算墙体的变形曲线-挠度曲线；（b）计算墙体挠度曲线与原始轴线之间的面积Sw，并根据地质条件、支护类型、基坑深度等各种因素对Sw进行经验修正。（c）假设地表沉降影响范围为x0，其中Hw为围护墙的高度，为土体的平均内摩擦角。（d）选取典型的地表沉降曲线，并根据地表沉降曲线面积Ss与围护墙侧移面积Sw相等的原则，求得地表沉降曲线，这种情况适
17、用于饱和软黏土不排水条件。HSini1w)2/45tan(w0Hx4.3地层损失法 位移相关性（a）预测支挡墙水平位移最大值hm，可采用有限元方法或者弹性地基梁的方法进行计算；（b）通过支挡墙的变形情况，确定沉降曲线模式，（i）分别计算初始阶段和最终开挖阶段的挡墙变形量，包括Ac1、Ac2、As，取Ac=max(Ac1、Ac2)；（ii）当As1.6Ac，沉降模式为凹槽型；当Ashm的情况；（iv）根据第（ii）步的曲线模式选择和第（iii）步计算得到的vm，确定相应的地表沉降曲线。4.4稳定安全系数法BSNSHF7.01ucusDSNSHFucus1墙体最大位移比hm/He与坑底抗隆起安全系
18、数FS关系(a)(b)墙体最大水平位移hm与坑外土体最大沉降值vm的关系墙体最大水平位移、坑外土体最大沉降与坑底抗隆起安全系数关系 hmaxpswhmaxMBDvmaxpswvmaxMBD若干项修正各修正系数wsDBpM（1）围护墙刚度和支撑横向间距，修正系数为（2）支撑刚度与间距，修正系数为（3）硬土层埋深，修正系数为（4）基坑宽度，修正系数为（5）支撑预加轴力，修正系数为（6）土体模量乘子，即模量与不排水抗剪强度之间的关系的修正系数为.坑底隆起的估算 5.1规范建议法 日本建筑基础构造设计基准:10log1isiiNiiiNiC hPPeP建筑地基基础设计规范（GB50007-2019）)
19、(111iiiiniciccczzEps5.2模拟试验取得的经验公式 同济大学对基坑隆起进行了系统的模拟试验研究，提出了如下的经验公式 54.004.05.0)(tan)1.0(53.0)(5.120167.017.29cHDHqHH5.3 残余应力法nziii=1tiatrzhEh zi第i层土的卸荷量（kPa）；a开挖面积修正系数；t坑底暴露时间修正系数；rh残余应力影响深度（m）考虑插入比的坑底回弹增量 r0.06120.19HhH坑底以下z深度处的回弹量不同插入比下坑底回弹增量(cm)t/H1.51.41.31.21.11.00.90.80.60.40.20.100.150.310.5
20、00.700.901.201.502.413.907.1911.88残余应力卸荷应力残余应力系数 200r2rr0.9501.0hhhhhhzi0i(1)6.数值计算方法 有限元法;有限差分法本构关系的选取与模型计算参数 选择适合其变形特点的本构关系，如：对于软粘土，采用修正剑桥模型或者硬化模型；对于硬粘土、砂土、岩石以及加固体，可以采用摩尔库伦模型弹塑性模型；对于支护结构，采用线弹性模型。合理地考虑基坑工程中地基土的特殊的应力路径。模型计算参数至关重要，通过有效的室内及室外试验，得到模型所需的计算参数；同时在大量的工程实测中给予验证和调整，才会真正合理地反映实际工程基坑的变形性状。合理地对施
21、工过程进行简化模拟 在数值分析中，合理地模拟围护结构与支撑之间、支撑与立柱之间、楼板与立柱之间的连接关系；对于逆作法施工时，楼板与围护结构的连接关系，将对整个支撑系统的受力及变形有着一定的影响。围护结构与土体之间的接触面处理，对于预测坑外土体的位移有着重要的影响。流固耦合的问题 基坑地下水的运动土体的土水压力有很大影响；降水对基坑变形影响；而基坑地基土中的超静孔隙水压力的渗流固结对基坑的变形也有很大的影响；当需要对基坑的变形进行准确模拟时，考虑渗流及固结的耦合计算是十分必要的。时空效应考虑的必要性 在一般的数值分析中，常常忽略基坑的三维空间效应，而仅仅采用平面应变状态进行模拟，而且常因考虑基坑
22、的对称性而仅取1/2的基坑模型，这样简化的结果能够极大地减小计算量，且能满足计算需求。当实际工程中的空间效应显著，或基坑存在显著的非对称性时，有必要采用三维数值分析来对模型进行准确模拟。在模拟坑内土体开挖的过程时，如何准确地模拟实际土方开挖的过程，并合理模拟支撑的架设工序，将直接影响基坑的变形模拟的准确性。开挖后带有支撑的网格10-1(U3)结语 与基坑稳定比较，基坑的变形问题更加依靠经验：经验预估法；弹性地基梁法:m 有限单元法：模型与参数。上海环球金融中心塔楼区基坑不同方法计算的基坑隆起对比 计算方法 日本 规范 规范（GB）模型 试验法(2)有限元法有限元法 实测值回弹量/cm10.96 14.5222.91 19.8(未考虑桩)5.1(考虑 桩及降水)2.2刘建航院士 理论导向，实测定量，经验判断，检测验证。谢谢！
