基坑工程时空效应

0 -10 -20 -30 -40 -50 -60
该工况下东海大楼东西向沉降
变形控 制措施 之一
优化开 挖步序 和开挖 参数
原开挖步序和参数
变形控 制措施 之一
优化开 挖步序 和开挖 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。
➢ 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
Pa——Rankine主动土压力 Kh——弹性计算条件下的被 动抗力系数 FPa——实测土压力 bKh——等效水平基床系数 q——地面超载 K——水平土压力系数
刘国彬 2001年9月15日
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
第二部分 时空效应的基本原理
刘国彬 2001年9月15日
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。
75
5 10 15 20 时间(天）
0.95
2m
0.85
7m
12m
0.75
16m
0.65
20m
0.55
0.45
0.35 0 10 20 30 40 50
时间(天）
刘国彬 2001年9月15日
土压力时间系数
1.03 1.02 1.01
1 0.99
0
23.1m/17线西
20 40 60 时间（天）
土压力时间系数
1.2 1.15
1.1 1.05
1 0 1020304050607080
时间(天 ）
土压力时间系数
1.16 1.14 1.12
1.1 1.08 1.06 1.04 1.02
1 0
12.0m/杨高路
20 40 60 时间 （天）
土压力时间系数
13.9m/陆家嘴TK3
1.4 1.3 1.2
1.1 1 0 40 80
侧压力系数K 侧压力系数K
侧压力系数随开挖深度的变化
0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4
0
11m 14m 16.1m 19.1m 23.1m 27.1m
10
20
开挖深度(m)
0.9
2m
0.8
7m
12m
0.7
16m
20m
0.6
0.5
0.4 0 2 4 6 8 10 12
开挖深度 (m)
刘国彬 2001年9月15日
土压力时间系数
15.9m/陆家嘴TK3 1.2
1.15
1.1
1.05
1 0 20 40 60 80
土压力时间系数
17.7m/陆家嘴TK3 1.2 1.15 1.1 1.05
1 0 20 40 60 80
时间（天）
时间（天）
时间（天）
土压力时间系数
刘国彬 2001年9月15日
预留土堤宽 度10m
每小段开挖 宽度6～8m
每小段在18 小时之内开 挖并支撑
基坑开挖参数示意图
刘国彬 2001年9月15日
研究生课程《基坑工程总论 • 深基坑工程》
第十课
2001年12月18日
刘国彬 2001年9月15日
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)
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。
刘国彬 2001年9月15日
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
长条形基坑施工工序和参数
刘国彬 2001年9月15日
1.25 1.2
1.15 1.1
1.05 1 0
23.8m/27线东
20
40
时间(天)
土压力时间系数
土压力时间系数
1.5 1.4 1.3 1.2 1.1
1 0
16.1m/27线西
100 200 300 时间（天）
1.4 1.32 1.24 1.16 1.08
1 0
14m/27线东
100 200 300 时间(天)
(a) 原 设 计 开 挖 支撑方案
(b)优化后的开挖 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
二、地铁车站端头井工程实例
刘国彬 2001年9月15日
地铁二号线人民公园车站
开挖第二层土时东端墙最大水平 位移增大至6mm超过了警戒值
第三层土方开挖中的变形增量减至3mm
1.15
1.1
1.05
1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 时间(天 )
土压力时间系数
土压力时间系数
刘国彬 2001年9月15日
1.25 9.0m/杨高路 1.2
1.15
1.1
1.05
1 0 10 20 30 40 50 时间(天 ）
土压力时间系数
1.3 10.5m/杨高路 1.25
3、每层开挖厚度
土堤
4、每步开挖尺寸
5、每步开挖无支撑暴露时间
基坑挡墙
天然地基土参数： Cu，Ps
大宽度不规则基坑施工步序和参数
刘国彬 2001年9月15日
第三部分 工程应用
刘国彬 2001年9月15日
一、长条形基坑工程实例
刘国彬 2001年9月15日
地铁一号线徐家汇车站
刘国彬 2001年9月15日
调整施工参数控制地墙位移
刘国彬 2001年9月15日
刘国彬 2001年9月15日
三、不规则基坑工程实例
刘国彬 2001年9月15日
刘国彬 2001年9月15日
新世界商厦剖面图
刘国彬 2001年9月15日
新世界商厦支撑平面图
刘国彬 2001年9月15日
新世界平面图
刘国彬 2001年9月15日
0 0
-5
水平位移(mm)
50
100
150
200
-10
-15
深度(m)
-20
-25
-30
挖至-7.5的实测值
-35
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
刘国彬 2001年9月15日
157#地块基坑周围环境示意图
刘国彬 2001年9月15日
157#地块基坑周围环境示意图
刘国彬 2001年9月15日
纵向沉降数值分析
刘国彬 2001年9月15日
刘国彬 2001年9月15日
刘国彬 2001年9月15日
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。
水平侧压力系数K随开挖深度的变化图
侧压力系数K
1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3
8
4.1m 7.9m 11.1m 16.1m 23.7m 27.7m
10 12 14 16 开 挖 深 度 （ m)
侧压力系数K
0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3
5
2.6m 8.35m 19.1m 22.9m
侧压力系数K
0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3
0
2m 6m 10m 14m 18m 22m
5
10
15
开 挖 深 度 (m)
刘国彬 2001年9月15日
水平抗力系数K 水平抗力系数K
侧压力系数随时间的变化
0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4
0
2m 7m 12m 16m 20m
基坑挡墙位移内力二维计算模型
刘国彬 2001年9月15日
刘国彬 2001年9月15日
基坑挡墙计算模型
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abKh ，其中bKh为二 维计算中的等效水平基床系数，a则根据预留土堤宽度B确定。
刘国彬 2001年9月15日
刘国彬 2001年9月15日
时空效应规律
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。
Boston某基坑工程 （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
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 期长，代价大。
刘国彬 2001年9月15日
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。
10
15
开 挖 深 度 （ m)
侧 压 力 系K 数
0 .9 0 .8 0 .7 0 .6 0 .5 0 .4 0 .3
0
2 4 6 8 10
开 挖 深 度 (m )
2 .2 6 m 5 .2 3 m 8 .0 6 m 1 0 .9 6 m 1 3 .9 m 1 5 .9 m 1 7 .7 m 1 9 .7 m 2 2 .5 m 2 5 .4 m
1.10 1.00
1
2m/中央公园
11
21
31
41
时间(天)
土压力时间系数
1.25
1.15 1.05
0.95 1
14m/中央公园
11
21
31
时间(天)
1.5 1.4 1.3 1.2 1.1
1 0
4.5m/杨高路 10 20 30 40 50 60 70 80
时间 （天）
土压力时间系数
1.2
7.5m/杨高路
刘国彬 2001年9月15日
时空效应的原理和施工方法
刘国彬 2001年9月15日
第一部分 概 述
刘国彬 2001年9月15日
日本某基坑工程 （采用大面积注浆加固，图中为注浆设备）
新加坡某基坑工程 （ 为 保 护 距 基 坑 22m 的 地 铁 隧 道 ， 采 用 2 层 2.5m厚的旋喷注浆满膛加固坑内土体）
刘国彬 2001年9月15日
每步开挖宽度B 无支撑暴露时间Tr
基坑角部的斜支撑部分 每层施工工序和参数
车站端头井施工步序和参数
刘国彬 2001年9月15日
大宽度、不规则基坑施工工序和参数
刘国彬 2001年9月15日
被
动
区 加
预留土堤
固
加固体参数 ： Cu’，Ps’
主要施工参数
1、开挖深度Hj
2、开挖层数
刘国彬 2001年9月15日
基坑周围地层位移计算
刘国彬 2001年9月15日
刘国彬 2001年9月15日
刘国彬 2001年9月15日
刘国彬 2001年9月15日
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
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
刘国彬 2001年9月15日
刘国彬 2001年9月15日
Leabharlann Baidu
刘国彬 2001年9月15日
香港广场
刘国彬 2001年9月15日
车站及其周围环境示意图二
车站及其周围环境示意图一
沉降(mm)
5
0
西
-5
西
东
-10
-15
-20
树根桩施工完毕 西井至-10m，地墙结束
-25
-30
C50 C49 C48 C47 C46 C45 C44 C43 C42 C41 C40 C39 C38 C37' C37 测点布置
地下连续墙施工期间东海大楼沉降
实施变形控制措施前的工况
沉降(mm)
测点编号 C50 C49 C48 C47 C46 C45 C44 C43 C42 C41 C40 C39 C38 C37' C37
刘国彬 2001年9月15日
刘国彬 2001年9月15日
刘国彬 2001年9月15日
刘国彬 2001年9月15日
计算参数的取值
刘国彬 2001年9月15日
土压力的取值
刘国彬 2001年9月15日
现场实测土压力
深度(m)
深度(m)
地铁2号线陆家嘴车站某断面实测土压力随工况变化图
土压力值(Mpa)
0
0.1
0.2
0.3
0
5
10
15
20
25
30
土压力值(Mpa) 0 0.1 0.2 0.3 0 5 10 15 20 25 30
土压力(Mpa) 0 0.1 0.2 0.3 0 5 10 15 20 25 30
土压力值（Mpa) 0 0.1 0.2 0.3 0
深度(m)
10
深度(m)
20
30
刘国彬 2001年9月15日
土压力时间系数
土压力时间系数
1.12
19.8m/27线东
1.08
1.04
1
0
20
40
时间(天)
1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1
1 0
15.9m/27线东
100 200 300 时间(天）
地铁1号线所得到的土压力与时间的关系图
刘国彬 2001年9月15日
土压力时间系数
1.30 1.20