地下工程开挖环境影响分析方法

1地下工程开挖环境影响分析方法梁发云黄茂松同济大学2015-07-20第十二届全国土力学及岩土工程学术大会上海2汇报提纲研究背景一土体自由位移场确定二建筑物变形承载能力确定三位移控制两阶段分析方法四基于建筑物承载能力的变形控制标准五结论与建议六一、研究背景4研究背景被动桩环境影响土层移动地下工程开挖对周边既有建（构）筑物的保护设计和施工从稳定控制向变形控制的转变地下工程开挖土层位移场周边结构物响应地下工程开挖对邻近建筑物变形及环境影响分析5地下工程开挖引起的土体位移场因土层条件、围护结构形式、施工过程等不同而各有差异建（构）筑物自身抵抗变形的承受能力有所差异存在问题：难以给出统一的基坑变形控制标准研究背景处于土体位移场影响范围的建（构）筑物附加变形分析涉及复杂的结构物与土体的相互作用6现行上海基坑工程技术规范：基坑变形设计控制指标基坑环境保护等级围护结构最大侧移坑外地表最大沉降一级0.18%H0.15%H二级0.3%H0.25%H三级0.7%H0.55%HH为基坑开挖深度（m）不足之处：没有充分考虑基坑周边环境（保护对象）自身抵抗附加变形的能力环境保护等级定义标准模糊，对保护对象类型、基坑开挖距离等确定较为粗略。研究背景7研究思路开挖深度围护结构最大侧向变形结构物抵抗附加变形的能力判别依据最终控制位移标准地下工程开挖自由土体位移场周边结构物响应需解决的关键问题：（1）建立自由土体位移场的经验预测曲线（2）基于位移控制的分析方法（DCM）8位移控制分析方法（DCM）直接从变形控制标准的角度，对周边结构物的保护转变为控制基坑围护结构的变形，建立基坑开挖深度与周边环境变形之间联系，避免了复杂的开挖过程模拟。优点和特点提出基于保护对象变形能力的分析方法，概念清晰，简单易行，细化了规范的分析精度，适合于规范的推广应用。位移控制分析方法（DCM）二、自由土体位移场确定10自由土体位移场基坑自身变形性状围护墙的侧向变形地表横向、纵向沉降曲线土体沉降沿深度变化规律土体侧向变形沿水平向变化规律zxy,maxv坑底围护墙HL地表,maxh横向：x轴方向纵向：y轴方向自由土体位移场确定：现场实测、经验统计或理论分析11土体侧向变形沿水平向变化规律到基坑边缘x距离处侧向变形量),,(zyxh到基坑距离xzxy坑底围护墙地表深度z),,0(zyhH围护墙变形递减间距y基于位移控制有限元方法对290条土体侧向变形曲线进行了归一化分析，得到上海软粘土地区板式围护基坑体系坑外土体侧向变形沿水平向的衰减变化规律。zxahhezzx),0,0(),0,(给定变形曲线的最大位移控制值即可确定曲线的形状三、建筑物变形承载能力确定13建筑物砌体承重结构框架结构独立基础框架结构桩筏基础构筑物市政管线建（构）筑物类型变形承受能力确定：规范规定、经验统计或设计控制指标14建筑物变形容许指标上海地基全国地基规范规范15管线控制位移与倾角相关参考绝对位移(cm)每节管差异沉降(cm)倾斜角度(°)城市施工专用地下管线的保护110.114上海市政部门1~1.51~1.50.114~0.172广州地区建筑基坑支护规定/1.250.143北京地铁、重庆地铁施工相关技术标准//0.146地铁施工对管线的影响/10.114德国建筑标准/0.5~10.057~0.114管线变形控制建议管线倾斜角控制标准：0.1°四、位移控制两阶段分析方法17位移控制分析方法不关注详细的基坑开挖施工过程，在应力自由面施加位移边界条件来模拟基坑开挖引起的应力释放，该方法的关键是施加合理的基坑开挖应力自由面的位移边界条件。易于实现复杂建筑物的基坑开挖环境影响分析I.位移控制有限元方法（DCFEM）第一阶段：分析开挖卸荷引起的周围自由土体应力场或位移场第二阶段：将土体应力场或位移场施加于既有结构物，分析其产生的附加位移和内力分析结果迅速及时，适用于基坑开挖对邻近建筑物基础及市政管线的影响II.位移控制两阶段分析方法18约束位移△=h(z)-U(z)两阶段分析方法被动桩19背景隧道开挖引起土体位移土体带动管线变形土体简化为弹簧管线简化为地基梁基于Winkler模型的弹性地基梁问题开挖对管线影响：简化示意图)(444444xswdxwd44IEkb)(xs柔度指标k竖向地基模量土体自由位移44[()]0bdwEIkwsxdx基于Winkler模型的弹性地基梁方法20开挖对桩基影响：简化示意图ijxRhSpringLineLTunnelPileΔH1Es1vs1ΔH2Es2vs2ΔH3Es3vs3)(444444zsydzyd地基反力法求解被动桩44IEkbk水平向地基模量地基模量k应该如何选取呢？基于Winkler模型的弹性地基梁方法21在目前的计算当中较多采用Vesic地基模量：Attewell等（1986）在研究隧道开挖对邻近管线影响时，建议采用扩大2倍的Vesic模量近似模拟管土接触条件。Klar等（2005）在研究该课题时认为：为了使基于Winkler模型的计算结果与弹性理论法计算结果一致Vesic模量需要扩大2倍甚至更多。41220.651bEEBkvEI地基模量k选取22Vesic模量的假定：无限长梁放置于地表受集中荷载适用条件：地表的弹性地基梁地基模量k选取23Vesic模量假定与现实问题的矛盾：1）管线和桩的埋深不可忽略Vesic模量忽略埋深是导致计算结果偏小的主要原因2）被动状态下的管线和桩受到了土体位移作用管线、桩在土体位移和外力直接作用下的变形和受力特性是不同的需要一个满足上述要求的被动地基模量地基模量k选取24被动地基模量的提出s0lsxlsx标准单位位移Px集中力P0Vesic离散分布外力为集中力离散任意土体位移为标准单位位移25被动地基模量的提出如何得到Vesic模量1）推导弹性半空间模型地表无限长梁受集中力作用位移解2）推导Winkler模型下无限长梁受集中力作用位移解3）拟合上述两组解得到Vesic模量被动地基模量1）推导弹性半空间模型地表无限长梁标准位移作用的位移解2）推导Winkler模型下无限长梁受标准位移作用的位移解3）拟合上述两组解得到被动地基模量26被动地基模量的提出11010010001000010000010000000.40.81.21.62.02.42.83.23.6h/b=7k(1-v2)/EEbI/Eb4Vesic模量被动模量b为梁的半宽，h为埋深27被动地基模量的提出利用水平向Mindlin解和Kevlin解获得任意深度水平被动地基模量8422143)1(5.11IEEDvEvvkbhvbhRRbhRvvRRRvRv872122)21)(1(4322432)87(111213231128管线算例验证：与弹性理论法对比Klar等（2005）利用弹性理论法计算了隧道开挖对上覆管线的影响（隧道开挖引起的土体沉降运用Peck公式计算）11010010001000010000010000000.00.20.40.60.81.0i/r0=2.5i/r0=5Mmaxi2/SmaxEbIEbI/Er40弹性理论法Klar(2005)Vesic模量修正模量i/r0=10最大归一化弯矩随管土刚度比变化29Marshall等(2010)利用剑桥大学离心机模拟研究基于地层损失比的隧道开挖对上覆管线的影响。管线算例验证：与离心机试验对比-25-20-15-10-5051015202530201000=2.5%0=1.0%0=0.5%离心机修正模量管线沉降(mm)到隧道中心线的距离（m）flexiblepipelines-25-20-15-10-505101520253025201510500=2.5%0=1.0%0=0.5%离心机修正模量管线沉降(mm)到隧道中心线距离(m)rigidpipelines30管线算例验证：与实际工程对比实例分析：上海轨道交通七号线隧道近距离穿越大口径污水管线-30-20-1001020309630-3管线沉降/mm沿隧道纵向　/m简化计算方法(左线穿越）简化计算方法(双线穿越）实测值理论预测结果与现场实测结果基本符合31算例文献：LOGANATHANN,POULOSHG,XUKJ.Groundandpile-groupresponseduetotunneling[J].SoilsandFoundations,2001,41(1):57–67.桩基础算例验证：与离心机试验对比01020304050302520151050深度(m)位移(mm)6m群桩测量值修正模量群桩，到隧道距离6m群桩，到隧道距离10m01020304050302520151050深度(m)位移(mm)10m群桩测量值修正模量群桩，到隧道距离10m32隧道开挖工程实例分析桩基础算例验证：与工程实例对比算例文献：LEERG,etal.Deformationscausedbytunnelingbeneathapiledstructure[C].Proc13thICSMFE.NewDelhi,1994:873–878.五、基于建筑物承载能力的变形控制标准34分析过程分为三步：(1)采用两阶段方法，得到一定的基坑开挖深度和基坑与建筑物距离条件下，基坑变形最大值与邻近既有建筑物附加变形的关系曲线。(2)改变基坑开挖深度，得到不同开挖深度条件下，基坑变形最大值与建筑物附加变形的关系曲线。(3)基于建筑物承载能力的角变量容许值，将基坑开挖深度与基坑变形容许最大值相互对应，形成基坑开挖环境保护的变形控制标准。变形控制标准35框架结构短桩基础按角变量0.002作为控制指标市政管线按倾斜角0.1度作为控制指标变形控制标准36基坑水平位移最大值与邻近建筑倾斜的关系曲线9m深基坑567891011121314150.0010.0020.0030.0040.005建筑物倾角基坑位移最大值/mm18m深基坑56789101112131415160.0010.0020.0030.004建筑物倾角基坑位移最大值/mm框架结构群桩基础第一步第二步37框架结构短桩基础在基坑位移最大值和建筑物倾角关系曲线中提取建筑物倾角为0.002和0.003所对应得基坑位移最大值得到基坑开挖深度和基坑变形最大值的关系曲线。0510152025300.00.51.01.52.0基坑围护墙最大变形与基坑深度比值(%)基坑深度（m）建筑物倾角0.002建筑物倾角0.0030.18%（一级）0.3%（二级）0.7%（三级）第三步基于周边建筑物承载能力的变形变形控制38柔性接口排水管选用管线参数：N型接口承插式铸铁管、DN600mm、外径635mm、壁厚9.9mm、弹性模量15000MPa、泊松比0.25、每节5m；中心埋深h=2m，中心距离基坑边b=2m；管线埋设走向平行于基坑边；土体参数：弹性模量2.124MPa、泊松比0.4、重度18.1kN/m3；基坑参数：宽度B=30m，开挖深度H取6~20m，采用板式围护结构加内支撑的支护体系。390.1°位移控制标准40市政管线管线倾斜控制标准0.1度0.18%0.3%0.7%六、结论与建议42推荐的地基模量在被动位移下更符合实际情况，直接印证了Attewell等和Klar等认为被动地基模量需比Vesic地基模量大两倍甚至更多的观点。通过与弹性理论法、离心机试验和实际工程对比验证了建议的两阶段分析方法的合理性。位移控制分析方法从变形控制标准的角度，对周边结构物的保护转变为控制基坑围护结构的变形。结论43建议：位移控制有限元方法采用与土体实际应变范围相适应的土性指标非常必要重大工程地下结构周围土体通常处于小应变状态，多在0.01%~0.1%而目前的工程分析多采用常规土工试验指标，其应变处于1%的水准。将常规试验指标应用于