第１５卷 第２期 ２０１５住 中 国水运 Ｖｏ１．１５ Ｆｅｂｒｕａｒｙ Ｎｏ．２ ２Ｏ１５ ２月 Ｃｈ ｉ ｎａ Ｗａｔｅｒ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ 基坑支护结构中土体变形机理分析 李珍 ，张直云 ，费维水 （１．云南省西双版纳州交通运输局，云南景洪６６６１００； ２．国家林业局昆明勘察设计院，云南昆明６５０２１６；３．昆明理工大学建筑工程学院，云南昆明６５０５００） 摘要：基坑施工过程中，周围土体由于重力等作用将向基坑场地内侧挤压造成土体的位移，这种位移反映到地面 周围就会引起地面沉降。针对此种现象，首先需要观察地面沉降现状，然后用数学计算的方式将地面沉降量表示出 来，最终判断出地面的沉降规律并用数学方法表示出来。经力学计算分析后表明，基坑阳角产生相互垂直的两个方 向的位移，且阳角处所受土体约束最少，显然最大变形将发生在基坑阳角处；相应的，基坑阴角处由于受到两侧土 体约束作用较大，再加之支护作用在阴角处功效最大，基坑阴角处变形最小。 关键词：基坑支护；沉降变形规律；机理分析 中图分类号：ＴＵ４７０ 引言 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６—７９７３（２０１５）０２—０３０２—０３ 大面积发展，城市用地寸土寸金，往往基坑周围环境复杂， 地上建筑物和地下管隧众多，因此基坑开挖过程中对基坑的 众所周知，基础工程包括基坑施工阶段和基础施工阶段 等阶段。这些个阶段都会引起相应的环境岩土问题，本论文 以基坑工程为主要研究对象，说明基坑工程中可能引起的环 境岩土问题。基坑开挖、支护甚至支护拆除过程中，由于施 工工艺、支护方式、基坑降排水等因素不可避免的会对周围 土体产生扰动。如果措施不当，扰动可能会引起各种环境岩 土工程问题，不仅影响基础工程的施工进度，甚至可能威胁 人民群众生命财产安全。 一稳定性和变形要求越来越高【１】。国内基坑发生失稳塌坑现象 比比皆是。究其原因，除去因管理不善造成基坑破坏的人为 原因，理论分析手段的不够完善也是造成这一现象的重要因 素。 基坑失稳的过程一般都经历从局部支护机构破坏开始， 到基坑整体坍塌的破坏过程，因此，基坑支护体系的设计尤 为重要。在早期的设计和研究中，研究人员通常将整个基坑 简化为二维平面应变问题进行分析【２。。】，但是在实际施工过程 中，我们看到的基坑是一个具有长、宽、深的三维立方体矩 形结构。随着现代建筑理论的发展与深化，其三维空间性状 、基坑施工时所引起的常见问题 基坑施工过程中引起的环境岩土问题分类归纳大致为以 下几个方面：①基坑管涌和突涌。当在软土地区的高层建筑 地基基坑工程施工时，由于软土土体含水率高，渗透性大， 基坑开挖深度大造成可能的地下水位线下作业，必须进行降 排水，从而产生基坑内外水头差较大的情况。这种情况下易 出现渗透变形问题。变形的形式主要有管涌、突涌等。②支 结构日益为广大研究人员所关注ｉ４ｌ。 本文主要分两部分来详细分析基坑施工中基坑周边变形 情况、基坑支护结构自身的变形情况机理和计算方法，其中 基坑支护结构选用在工程中应用最广泛的桩锚支护形式进行 分析。 １．基坑开挖引起的地表沉降 护结构变形、地面沉降、塌陷。地面沉降、塌陷事故主要发 生在隧道施工中，由于施工方法和支护工艺的不合理，使得 支护结构变形过大，甚至引起地面土体产生沉降甚至塌陷。 近年来，由于２Ｏｍ以上深基坑越来越多，基坑工程中也出现 周围地面沉降、塌陷的情况。这主要是因为随着基坑深度的 地表最大沉降值分析思路： 基坑施工过程中，周围土体由于重力等作用将向基坑场 地内侧挤压造成土体的位移，这种位移反映到周围地表就造 增加，基坑及周围降水排水施工中，不可避免得引起周围地 成地表沉降。Ｂｏｗｌｅｓ＿５】所提出的计算方法主要由以下几个方 下水位的变化，使地面沉降、塌陷。 二、基坑周边变形情况分析 面组成：①首先要对基坑支护结构进行力学计算，推导出侧 向变形曲线公式，根据现有理论条件，对基坑支护结构的侧 向变形曲线做出假设，假定该曲线形式为抛物线结构， 目前基坑工程，特别是城市周边的基坑工程正向大深度、 收稿日期：２０１５一Ｏ１—２２ 作者简介：李珍（１９７６一），女，哈尼族，工学硕士，云南省西双版纳州交通运输局高级工程师，主要从事岩土、公路与 城市道路的管理与研究工作。 张直云（１９８６一），男，工学硕士，国家林业局昆明勘察设计院助理工程师，主要从事路线、特殊路基、路面、 地质等的设计与研究工作。 费维水（１９６４一），男，工学博士，昆明理工大学建筑工程学院教授，主要从事特殊路基、路面、岩土、边坡等 的教学与研究工作。 第２期 李珍等：基坑支护结构中土体变形机理分析 ３０３ 厂（ｚ）＝ａｚ ＋ ＋ｃ；②针对基坑支护结构计算和其横向变形曲 线的包络面积可以通过积分计算方式来进行处理；③对基坑 支护结构的影响区域 进行估算：可采用唐盂雄＿６ 及Ｃａｐｓｅ［ ｌ 的建议，Ｌ＝Ｈｔｇ（４５。一 ／２）或Ｌ＝（ ＋Ｈａ）ｔａｎ（４５ ＿妒／２）；④计 算基坑支护结构的沉降量趋势曲线的数学公式。 地表最大沉降值计算过程： 假设当基坑开挖时的下挖深度为ｈ，土体支护结构土体中 摩擦角为 ，基坑支护桩嵌固结构的深度为月 ，建筑物基础 结构的埋置深度为ｄ，基坑支护结构的长度设为 ，基坑开 挖过程中的影响范围为 ，从建筑物基础到基坑中一条边的 边距为，，基坑变形中的最大沉降量值为 一，具体可见下 图１中的形状所示。 图１ 在基坑开挖过程中导致的地面沉降计算示意图 根据Ｂｏｗｌｅｓ总结并提出来的计算方式可知： （Ｉ）护结构侧向变形曲线为抛物线形状，所以可设为： ＿厂（ｚ）＝ａｚ ＋６Ｚ＋ｃ （２一１） 在计算结构支护侧向位移拟合曲线时可按最小二乘法原 理来进行计算处理，系数ａ、ｂ、ｃ可由下列方程组求得： “ Ｚ Ｚｉ－］－Ｃｎ￣ （２—２） ｚ ＋。喜ｚ ＋ｃ萋 ｚ，＝喜ｚ ｏＺｚ ＋６∑ｚ ｃ∑ｚ ＝∑ｚ ｌ＝ｌ ｆ＝Ｉ ｆ：ｌ １ 若知道支护结构顶点坐标（Ｏ，ｃ）和极值点（ ｍ，Ｙｍ）， 则可求出系数ａ、ｂ： ３ Ｉ６：一 二 【 ｚ 以积分方法求出支护结构侧向水平位移曲线围城的面积 ＳⅣ为： ＝ 厂（ｚ ＝ｒ（ ２＋６ｚ＋ｃ）出＝ ＋ 坍 ＋ ‘２＿４） （２）地表沉降范围可用下式表示： Ｌ＝（ ＋Ｈａ）ｔａｎ（４５。一 ／２） （２—５） 对非粘性土 ＝Ｂ，Ｂ为基坑宽度；对粘性土 ＝０．５Ｂｔａｎ（４５。＋ ／２）。 （３）假设最大沉降变形量在建筑物靠近基坑一侧的角落 点处出现，在０＜ ＜，范围内的沉降量曲线形式为抛物线， Ｋ ＜三沉降曲线为直线，设最大沉降为 ～。 即可设沉降曲线： ａ（ｘ） ｌ１ （昌） ｌ， ｃ２ 即）＝ （】＿酉ｘ－Ｉ） ，一 沉降曲线所包络的面积为： ＿１－（ ］ ～（ 一 ］ ④由Ｍｉｌｌｉｇａｎ的研究结果可知，地表沉降曲线的包络面 积 ’ 与支护结构变形曲线的包络面Ｓ 面积相等： Ｓｖ＝ （２—８） ｆ 一Ｊ 一（ ］２ ＋』 一（ 一 ＝ ＋ 坍 ＋ 因此： ６（Ｌ一 ｓＨ （Ｌ－Ｉ） （２ａｌｌ＋３ｂＨ＋６ｃＨ）（２—１０） ３Ｃ一３ｉ？，一３Ｌ１ ＋， ３Ｃ一３Ｃ，一３Ｌｌ ＋ ２．基坑开挖引起侧向变形分布规律 当基坑进行开挖的过程中，基坑坑壁内侧会因为两侧压 力差的原因，引起基坑内壁的侧向变形，这些变形会随着内 侧压力的变化而变化，变形规律状况见下图２。由于场地建 设需要的原因，在基坑四周并没有建筑物时，由于基坑被露 天挖开，从而引起基坑的侧向变形，这种现状的平面俯视图 见下图２（ａ）可知，基坑角点处由于有相互垂直的坑壁，产 生相互约束的作用，故阴角处变形较小；相反，基坑坑壁中 心处受到的约束较小，故最大侧向变形值 阿 发生在基坑 长边的中心处。当在基坑四周有建筑物存在时，在有建筑物 存在的一侧基坑，因重力的原因使得建（构）筑物一侧的变 形比较大，其中侧向变形的最大值 Ｈ 仍在基坑长边的中 心处出现，这种变形状况可见下图２（ｂ）可知。 圉 （ａ） （ｂ） 图２基坑侧向变形模拟示意图 对存在建筑物的一侧，将基坑的侧向变形情况进行一番 简化，从而可以简单而快速的解决建筑物受基坑侧向变形程 度的影响大小情况，其简化模型见图３。为了解决这个难题， 这里可以假设靠近建筑物中心所在的基坑，该边所在一侧的 位移变形量为最大，该种侧向变形量线性趋势曲线分布，同 时在基坑阴角点处的位移变形量值为零。矩形截面１—１—３—３ ３０４ 中国水运 第１５卷 处的侧向位移变形量值可由其线性关系求得，而其中的基坑 侧向位移变形的剖面图见图４。 根据计算或实测支护结构侧向变形数据拟合侧向变形曲 线，通过公式（２—１０）求出靠近基坑侧建筑物角点的最大沉 降值 ，根据公式（２—６）所设的沉降曲线，既可求得建 筑物柱下基础的不均匀沉降，进而通过结构计算分析建 筑物框架结构变形位移和内力变化情况。 『、＼～～ｆ一一／： Ｉ图５不规则基坑位移示意平面图 四、结论 ３ ｌ ２ 综上所述，基坑阳角产生相互垂直的两个方向的位移， ｊ一 ８‰ １— 且阳角女晰受土体约束最少，显然最大变形将发生在基坑阳 角处；相应的，基坑阴角处由于受到两侧土体约束作用较大， 再加之支护作用在阴角处功效最大，基坑阴角处变形最小， 因此要严格控制建筑物边基坑的侧向位移范围，才能有效保 图３基坑侧向变形简化俯视示意图 证建筑物的使用安全。 参考文献 …侯学渊，刘国彬，黄院雄．城市基坑工程发展的几点看法 『ｌｌ＿施工技术，２０００，２９（１）：５－７． 【２１曾国熙，潘秋元，胡一峰．软粘土地基基坑开挖性状的研 究Ｕ】．岩土工程学报，１９８８，１０（３）：１３—２２． 【３】俞建霖，赵荣欣．软土地基基坑开挖地表沉降量的数值研 究Ｕ】．浙江大学学报（自然科学版），１９９８，３２（１）：９５—１０１． 【４１ Ｏｕ ＣＹ，Ｃｈｉｏｕ ＤＣ，Ｗｕ ＴＳ．Ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｆｉｎｉｔｅ 图４基坑侧向变形剖面示意图 ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｄｅｅｐ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９６，１２２（５）：３３７—３４５． 当建筑物开挖过程中，基坑形状并非对称分布时，将会 影响基坑的侧向变形，如图５某基坑平面图，基坑阳角产生 相互垂直的两个方向的位移，且阳角处所受土体约束最少， 显然最大变形将发生在基坑阳角处。相应的，基坑阴角处由 【５】Ｂｏｗｌｅｓ Ｊ Ｅ．Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ［Ｍ］．１９８８． ［６］唐孟雄，赵锡宏．深基坑周围地表沉降及变形分析 建筑 科学，１９９６，（４）：３１—３５． ｆ７１ Ｃａｓｐｅ Ｍ Ｓ．Ｓｕｒｆａｃｅ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ａｄｊａｃｅｎｔ ｔｏ ｂｒａｃｅｄ ｏｐｅｎ 于受到两侧土体约束作用较大，再加之支护作用在阴角处功 效最大，基坑阴角处变形最小。 ｃｇｌｔｓ［Ｊ１．１ｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｉｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ＆Ｆｏｕｎｄａｉｔｏｎｓ Ｄｉｖ，１９６６， ９２（ＡＳＣＥ＃４８６７ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ）． （上接第３０１页） ２．场地稳定性评价 上而下为上角砾层、下角砾层，层位较稳定，颗粒级配良好， 均匀性好，为良好的基础持力层，地基承载力３００ｋｐａ；场 拟建道路场地地形较平坦，场地内无不良地质作用，根据 地属抗震有利地段，适宜做建筑场地；地下水埋深大于１ Ｏｍ， 场地地基土覆盖层厚度，场地土特征综合判定，地基土属中硬 场地土，建筑场地类别为Ⅱ类，场地中及周边无断裂通过，属 抗震有利地段，适宜做建筑场地，场地土为稳定Ｊ陛性地基土。 对拟建道路工程无影响；地基土对混凝土结构具有弱腐蚀性， 对钢筋混凝土结构中的钢筋具有中等腐蚀性；建议地（路） 基处理方案为分３０ｃｍ一层进行分层碾压，使地基承载力能 较大的提高。通过地基岩土工程评价，为拟建道路工程项目 设计、施工提供了重要依据。 参考文献 【ｉ１，张敬东，殷立勤．某工程岩土工程勘察与评价【Ｊ１． 西部探矿工程，２００７，０８：１１１—１ １３． ３．地（路）基土岩土参数及承载力评价 据原位测试结果，结合地区工程经验，综合分析确定场 地土物理力学性质及工程特性指标，为ｆａｋ＝３ＯＯｋＰａ， Ｅ０＝２５．０ＭＰａ，Ｋ＝３５，０００ｋＮ／ｍ。。 ４．地（路）基处理方案建议 根据场地地（路）基土构成、工程特性等，建议地（路） 基处理方案为分层碾压，每３０ｃｍ为一层，使地基承载力能 【２１白先锋，崔同祝，胡永军．岩土工程勘察与评价实例分析 ［Ｉ１．建材与装饰，２０１１，０７：４９８—４９９． 较大的提高。且该方法施工简单，工程造价较低。 四、结论 【３１《岩土工程勘察规范》（ＧＢ５００２１—２００１）【Ｓ１．２０（ｉ）９． ［４］李保山，苟延海．某变电站场地岩土工程条件分析评价【Ｊ１＿ 科技传播，２０１１．０７． 拟建地表水场及输水管道工程道路场地层岩性垂向上自
