软土地区深基坑工程存在的变形与稳定问题及其控制——基坑施工全过程的稳定问题

ninth supports in the accident
此外， 在原支撑设计中， 第 7 ～ 10 道支撑与腰梁
万方数据
2011 No. 340
郑
刚等：软土地区深基坑工程存在的变形与稳定问题及其控制
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图4 Fig. 4
屈服的腰梁
图6 Fig. 6
地下连续墙转动使腰梁节点失稳 Waist beam failure with rotation of diaphragm wall
Stability and Deformation Problems During Deep Foundation Excavation in Soft Soil Area and Their Control Measures
— — — Stability Problems During the Whole Process of Excavation Construction Zheng Gang 1 ， Dou Huagang 2
Foundation excavation conditions before and after collapse
的极限承载力略 微 提 高， 但 其 延 性 大 大 降 低。槽 钢 在超过峰值承载力 后 屈 服 并 产 生 偏 斜 失 稳， 此后水 平支撑与腰梁节点承载力急剧下降并导致其原承担 的荷载向其他支撑 转 移， 使其他水平支撑腰梁连接 节点本身承载力不足的问题更加突出 。
万方数据
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施工技术
第 40 卷
基坑的稳定安全相关， 也与基坑变形关系密切 。 当基坑的支撑 强 度 和 刚 度 足 够 时， 基坑的水平 这时最容易发 方向位移被支护结 构 有 效 地 限 制 了， 生的就是 坑 底 隆 起 稳 定 破 坏 。 基 坑 土 体 开 挖 的 过 程， 实际上是对基坑底部土体的一个卸荷过程， 基坑 外的土体因基坑内 的 土 体 上 部 卸 载 而 向 坑 内 挤 入， 从而发生坑底隆起 稳 定 破 坏， 这种现象在基坑底部 为软土时尤其容 易 发 生 。 另 外， 在桩墙式支护体系 中， 基坑的整体稳定也是很重要的一方面 。 2 深基坑稳定问题的复杂性 我国城市基础 设 施 建 设 、 高层建筑建设均涉及 到深基坑开挖问题， 由于基坑开挖深度越来越大， 对 于由软土 -地下水 -支护 结 构 -坑 内 外 土 中 结 构 物 （ 包 在 外 荷 载 作 用 下， 括桩） 组成的复杂 多 体 多 场 系 统， 产生结构体的变形 、 土体变形和土中水的渗流， 形成 位移场 、 渗 流 场， 从而构成了多体在多场条 应力场 、 件下变形与稳定问题 。 国内外软土工程发生的大量 稳定破坏 问 题 已 表 明， 软 土 -地 下 水 -支 护 结 构 及 坑 内外工程桩等组成 的 复 杂 多 场 、 多体体系的相互作 用越来越复杂， 其稳定破坏机理越来越复杂， 稳定破 坏的风险识别越来越困难 。 2004 年 4 月 20 日 发 生 垮 塌 的 新 加 坡 例 如， Nicoll 地 铁 基 坑， 其 基 坑 剖 面 如 图 1 所 示。 新 加 坡 新 加 坡 地 铁 环 线 C824 标 段 的 时间下午 3 ：30 左 右， 一段明挖区段隧 道， 在 挖 至 第 10 道 支 撑 的 时 候， 长 约 100m 区段的围护体系 完 全 崩 溃， 基 坑 倒 塌， 造成 4 人死亡， 3 人 受 伤 。 事 故 现 场 塌 陷 区 宽 150m ， 长 100m ， 深 30m ， 紧邻 基 坑 的 Nicoll 快 速 道 中 断， 相关 的城市生命线等受损严重 。 此事故使地铁环线工程 延期， 车 站 被 迫 转 移 到 100m 以 外 。 基 坑 坍 塌 前 后 的情况如图 2 所示 。 虽然稳定破坏 常 常 被 认 为 是 一 个 突 然 的 过 程， 但该工程由开挖产生变形至发展至失稳破坏的过程 却是一个渐进的过 程， 并首先从第 9 道支撑与腰梁 连接的节点屈服开始 。 失事前支撑轴力的变化可以 2004 年 4 月 20 日 9 ：00 左 说明上述过程（ 见 图 3 ） ， 右， 第 9 道水平支 撑 的 轴 力 开 始 出 现 下 降， 同 时， 第 8 道水平支撑的轴力开始增加 。 至 10 ：00 开始， 第9 道支撑的轴力急 剧 下 降 。 至 失 事 前， 第 9 道支撑轴 而第 8 道支撑轴力 急 剧 上 升， 而后在 2 力急剧下降， 道支撑失效 的 情 况 下 地 下 连 续 墙 断 裂， 至 下 午 15 ： 30 左右整个围护体系彻底崩溃 。 实际施工时， 自第 7 道水 平 支 撑 开 始， 将第 7 ～ 10 道水平支撑与 腰 梁 节 点 处 H 型 钢 腰 梁 的 钢 板 加 强板改为槽钢， 如 图 4 所 示。 事 故 发 生 后 的 模 型 试 验和数值分析均表 明， 虽然将钢板改为槽钢使腰梁
设计人员在确定双肢型钢对撑作用在腰梁上的荷载时假定八字撑可承担当实际施工取消八字撑后对撑作用在腰梁上的轴力就变为100劲板的腰梁节点抵抗失稳的承载力为2218kn作用在腰梁上的实际荷载为543kn当设有图543kn373kn的抵抗失稳的承载力但如果腰梁加强钢板仍采用如图所示的钢板由于其延性较好在加强钢板发生失稳变形时作用在其上的冗余荷载必然可向八字撑转移而发生实际工程中的迅速45cm结构破坏示意figstructuralfailure基坑施工全过程存在的稳定问题根据国内外基坑失稳的研究成果和大量工程事故案例将基坑施工全过程的稳定问题根据其诱发失稳直接原因分为以下类对其失稳机理危害治理措施进行分析
（ 1. School of Civil Engineering ，Tianjin University ，Tianjin 300072 ， China ； 300051 ，China ） 2. Tianjin Urban Construction ＆ Communications Commission ，Tianjin
The failure waist beam
的连接有八字撑， 如 图 5 所 示。 八 字 撑 有 增 加 支 撑 整体性和稳定性 、 减 小 腰 梁 受 力 集 中 的 作 用。 但 是 实际施工中， 部分水平支撑省略了八字撑， 基坑坍塌 前最先屈服的支撑就是没有八字撑的 。 设计人员在 假定八 确定双肢型钢对撑 作 用 在 腰 梁 上 的 荷 载 时， 字撑可承担 1 /3 的 荷 载， 对 撑 承 担 剩 余 70% 荷 载 。 当实际施工取消八 字 撑 后， 对撑作用在腰梁上的轴 力就变为 100% 了 。 由 于 采 用 图 4b 所 示 的 槽 钢 加 劲板的腰梁节点抵抗失稳的承载力为2 218kN ， 作用 在腰梁上的实际荷载 为 3 543kN ， 当 设 有 图 5b 所 示 的 八 字 撑 时，由 钢 管 撑 作 用 在 腰 梁 上 的 轴 力 （ 3 543kN × 0. 67 = 2 373kN ） 虽 然 仍 大 于 腰 梁 腹 板 的抵抗失稳的承载 力， 但如果腰梁加强钢板仍采用 如图 4a 所 示 的 钢 板， 由 于 其 延 性 较 好， 在加强钢板 发生失稳变形时， 作用在其上的冗余荷载必然可向 八字撑转 移， 而 不 致 发 生 实 际 工 程 中 的 迅 速 破 坏。 此外， 由于地下连续 墙 产 生 了 较 大 的 挠 曲 和 水 平 位 移（ 最大 水 平 位 移 为 45cm ） ， 墙体的转动也客观上 促进了腰梁节点的失稳， 如图 6 所示 。 3
图3 Fig. 3 9 道支撑轴力变化 失事前第 8 ， Axial forces of the eighth and Fig. 2 图2 基坑坍塌前后情况 图1 Fig. 1 事故发生地点典型剖面 Typical profile of foundation
excavation at accident site
2011 年 5 月上 第 40 卷 第 340 期
施 工 技 术 CONSTRUCTION TECHNOLOGY
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软土地区深基坑工程存在的变形 与稳定问题及其控制
— — — 基坑施工全程的稳定问题
1 2 郑 刚 ， 窦华港
（ 1. 天津大学建筑工程学院 ， 天津
300072 ； 2. 天津市建设交通管理委员会 ， 天津
Abstract ： The stability problem must be carefully examined to minimize the impact of excavation on surroundings when deep excavation urban area is surrounded by various buildings ， roads ， buried pipelines and underground tunnels. The stability problems during the whole process of excavation are discussed and the complex of stability failure of braced deep excavation is illustrated. Based on the element whose failure directly leads to the stability failure of brace excavation ，the stability problems of braced deep excavation is classified into 6 categories ，namely stability problem induces by construction of retaining wall ， slip surface formed in ground ， stability problem due to the failure of retaining wall ， stability problem caused by the failure of horizontal struts ，stability problem due to the failure of vertical columns supporting horizontal struts ， stability problem due to and stability problem caused by underground water. The mechanism of the 6 categories of stability failure problems ，the damage may caused by these stability failure problems and the countermeasures are analyzed. Finally ，concept and classification of redundancy of retaining structure are presented. Key words ： soft soil ； deep foundation excavation ； braced excavation ； stability failure ； redundancy 1 深基坑的稳定问题 基坑的稳定性分析是深基坑设计施工中很重要 的一环， 国内外都曾 出 现 过 很 多 基 坑 失 稳 破 坏 的 实
300051 ）
［ 摘要 ］对基坑施工全过程可能产生的稳定问题进行 了 分 析， 指出了复杂深基坑的稳定问题复杂性。根据基坑失 稳的直接引发因素划分为基坑支护结构施工引发的稳 定 问 题 、 坑内外土体形成滑动面引发的稳定问题、 竖向支挡 结构（ 排桩 、 地下连续墙等） 破坏引发的基坑稳 定 问 题 、 水 平 支 撑 （ 锚 杆） 系 统 破 坏 引 起 的 基 坑 稳 定 问 题、 水平支撑 对其失稳机理 、 危害 、 治理 措 施 进 行 了 的竖向支承系统（ 立柱） 破坏引发的稳定问题和地下水引发的稳定问题 6 类， 分析 。 最后， 提出了基坑支护结构体系的冗余度设计概念和分类 。 ［ 关键词 ］软土；深基坑；支护开挖；稳定破坏；冗余度 ［ 中图分类号 ］TU447 ［文献标识码 ］A ［文章编号 ］10028498 （ 2011 ） 09000106
［ 04 08 收稿日期 ］2011［基金项目 ］国家重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 （ 973 计 划 ） 资 助 项 目 （ 2010 CB732106 ） ；天津市科技支撑计划资助项目（ 11ZCGYSF00800 ） ［作者简介 ］郑 刚， 天津大学建筑工程学院教授， 博士 生 导 师， 天津 300072 ，电 话： （ 022 ） 27402341 ， E-mail ： 市 卫 津 路 72 号 zhenggang1967 @ yahoo. cn
例 。 由于深基坑多位于人口众多 、 建筑密集的城市， 其一 旦 发 生 失 稳 破 坏， 后 果 不 堪 设 想 。 近 20 多 年 来， 仅上海市因基坑 失 稳 影 响 施 工 的 事 故 就 已 多 达 上百起， 造成了很大的经济损失 。 另外， 由于基坑的 稳定性与基坑的地 面 最 大 沉 降 、 墙体最大水平位移 等变形性状直接相 关， 即使基坑本身不发生失稳破 当其安全系数较小时也会导致很大的基坑变形， 坏， 从而对周围环境造成重大影响 。 抗隆起稳定不仅与