软土基坑工程对周围环境影响的分析方法和控制标准

软土基坑工程对周围环境影响软土基坑工程对周围环境影响的分析方法和控制标准的分析方法和控制标准黄茂松黄茂松同济大学地下建筑与工程系同济大学地下建筑与工程系报告内容报告内容„„研究目的与研究思路研究目的与研究思路„„自由场土体位移自由场土体位移„„结构物的自身承受能力结构物的自身承受能力„„位移控制分析方法位移控制分析方法„„控制标准控制标准研究目的研究目的„„基坑工程对周边现有建筑物、构筑物的保护基坑工程对周边现有建筑物、构筑物的保护„„设计和施工从设计和施工从稳定控制稳定控制向向变形控制变形控制的根本转变的根本转变基坑开挖基坑开挖自由土层位移场自由土层位移场周边结构物的响应周边结构物的响应„„基坑开挖引起的自由土体位移场因土层条件、围护基坑开挖引起的自由土体位移场因土层条件、围护结构形式、施工过程等而各有差异结构形式、施工过程等而各有差异„„建（构）筑物自身抵抗变形的能力有所差异建（构）筑物自身抵抗变形的能力有所差异„„处于自由土体位移场的建（构）筑物的附加变形研处于自由土体位移场的建（构）筑物的附加变形研究涉及复杂的结构物与土体的相互作用究涉及复杂的结构物与土体的相互作用要得到一个要得到一个统一的控制标准统一的控制标准非常困难非常困难上海市基坑工程技术规范上海市基坑工程技术规范基坑变形设计控制指标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%HHH为基坑开挖深度为基坑开挖深度问题：问题：11基坑变形控制标准粗略基坑变形控制标准粗略22没有考虑基坑周边环境本身抵抗附加变形的能力没有考虑基坑周边环境本身抵抗附加变形的能力33环境保护等级定义标准模糊，与建筑物的类型，基坑开环境保护等级定义标准模糊，与建筑物的类型，基坑开挖距离等都有关。挖距离等都有关。研究思路研究思路开挖开挖深度深度围护结构的最围护结构的最大侧向变形大侧向变形结构物抵抗结构物抵抗附加变形的能力附加变形的能力（控制点：判别依（控制点：判别依据）据）（控制标准：最终结（控制标准：最终结果）果）基坑开挖基坑开挖自由土体位移场自由土体位移场周边结构物的响应周边结构物的响应关键点：（1）建立自由土体位移场的经验预测曲线（2）位移控制的分析方法优点优点„„规避了复杂的基坑开挖过程模拟，直接从规避了复杂的基坑开挖过程模拟，直接从变形控制标准的角度，对环境结构物的保变形控制标准的角度，对环境结构物的保护转变为对基坑围护结构的变形控制，将护转变为对基坑围护结构的变形控制，将基坑开挖深度与围护墙的变形建立联系，基坑开挖深度与围护墙的变形建立联系，建立了一个基坑环境保护的临界面，概念建立了一个基坑环境保护的临界面，概念清晰明了，操作简单易行，适合于规范的清晰明了，操作简单易行，适合于规范的推广。推广。基坑周围自由土体位移场的性状基坑周围自由土体位移场的性状自由土体位移场自由土体位移场„„基坑自身的变形性状基坑自身的变形性状••围护墙的侧向变形围护墙的侧向变形••地表横向、纵向沉降曲线地表横向、纵向沉降曲线„„土体沉降沿深度的变化规律土体沉降沿深度的变化规律„„土体侧向变形沿水平方向的变化规律土体侧向变形沿水平方向的变化规律zxy,maxvδ坑底围护墙HL地表,maxhδ横向：x轴方向纵向：y轴方向板式支护基坑围护墙水平变形曲线板式支护基坑围护墙水平变形曲线由上海一系列典型基坑工程实测数据，由上海一系列典型基坑工程实测数据，总结出基坑对称面上围护墙的侧向变形曲线公式：总结出基坑对称面上围护墙的侧向变形曲线公式：21.5(),max(0,0,)zHHhhzeδδ−−=⋅00.511.522.50.00.20.40.60.81.0δh/δmaxZ/H围护墙的三维侧向变形曲线围护墙的三维侧向变形曲线：：围护墙变形沿纵向分布曲线围护墙变形沿纵向分布曲线（唐孟雄）：（唐孟雄）：2,,yAhhyzzeπδδ⎛⎞−⎜⎟⎝⎠=i（0）（0,0,）板式支护基坑围护墙侧向变形曲线板式支护基坑围护墙侧向变形曲线221.5()(),max(0,,)zHyHAhhyzeπδδ−−−=⋅地表横向沉降曲线地表横向沉降曲线,max,max,max(0.5)(00.5)(,0,0)(0.61.3)(0.52)(0.050.2)(24)vvvvxHxHxxHHxHxHHxHδδδδ⎧+≤≤⎪=−+≤≤⎨⎪−+≤≤⎩HsiehHsieh和和OuOu基于现场实测基于现场实测得到的地表沉降得到的地表沉降横向预测曲线横向预测曲线1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10.04.03.02.01.00.0d/Hδv/δvmax0.5地表沉降曲线地表沉降曲线2,,0,0,0yAvvxyxeπδδ⎛⎞−⎜⎟⎝⎠=i（）（）地表沉降沿纵向分布曲线地表沉降沿纵向分布曲线（唐孟雄）：（唐孟雄）：地表沉降的三维曲线地表沉降的三维曲线：：222(),max(),max(),max(0.5)(00.5)(,,0)(0.61.3)(0.52)(0.050.2)(24)yAvyAvvyAvxHexHxyxHeHxHxHeHxHπππδδδδ−−−⎧+⋅≤≤⎪⎪⎪=−+⋅≤≤⎨⎪⎪−+⋅≤≤⎪⎩土体沉降沿深度的变化规律土体沉降沿深度的变化规律基于位移控制有限元方法（后面介绍），对地表以基于位移控制有限元方法（后面介绍），对地表以下下00～～6m6m深度范围和坑外深度范围和坑外00～～45m45m横向范围内的横向范围内的7272条土条土体沉降变形曲线分别进行了归一化分析，得到上海软粘体沉降变形曲线分别进行了归一化分析，得到上海软粘土地区板式围护基坑体系坑外土体沉降沿深度的衰减变土地区板式围护基坑体系坑外土体沉降沿深度的衰减变化规律。化规律。-/(,,)(..)(,)(,,)(,,)(.)(,.)(,,)(.)(,.)z3xHxy0154e0540z60xv2zHxyzxy00610z6x15Hvv2zxy01510z6x15Hvxxδ−≤≤≤δ=δ−+≤≤≤δ−+≤≤⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩当某点至基坑开当某点至基坑开挖面距离一定时，则可以根据该点的地表沉降量和以上递减公式计算地表以下0～6m范围内任意点的土体沉降量，公式表达如下:土体侧向变形沿水平方向的变化规律土体侧向变形沿水平方向的变化规律到基坑边缘x距离处侧向变形量),,(zyxhδ到基坑距离xzxy坑底围护墙地表深度z),,0(zyhδH围护墙变形递减间距y基于位移控制有限元方法（后面介绍），对地表以基于位移控制有限元方法（后面介绍），对地表以下下00～～6m6m深度范围和坑外深度范围和坑外00～～45m45m横向范围内的横向范围内的290290条条土体侧向变形曲线分别进行了归一化分析，得到上海软土体侧向变形曲线分别进行了归一化分析，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。的衰减变化规律。zxahhezzx⋅=),0,0(),0,(δδ对于同一深度对于同一深度zz，土体侧向变形沿水平，土体侧向变形沿水平方向近似方向近似指数衰减指数衰减。。(0.0760.096)(,0,)(0,0,)(0,03.5)zxHzhhxzzezHxHδδ−+⋅=⋅≤≤≤基坑周边现有结构物的基坑周边现有结构物的附加变形承载能力附加变形承载能力„„建筑物建筑物••砌体承重结构变形承受能力砌体承重结构变形承受能力••框架结构独立基础变形承受能力框架结构独立基础变形承受能力••框架结构桩筏基础变形承受能力框架结构桩筏基础变形承受能力„„市政管线市政管线砌体承重结构变形承受能力砌体承重结构变形承受能力左上图为不同规范中左上图为不同规范中砌体承重结构砌体承重结构倾斜倾斜的对的对比。比。左下图为中外关于砌左下图为中外关于砌体结构承重墙体结构承重墙开裂破坏开裂破坏的的分类和比较。分类和比较。建筑倾斜基础中心沉降(mm)上海市地区规范0.004150~200GB50007-20020.002~0.003-砌体承重结构损坏程度裂缝宽度可忽略0.1mm极轻微1mm轻微1mm~5mm中度5~15mm严重15~25mm及严重25mm砌体结构墙体破坏（裂缝宽度）Cording和Son危险房屋鉴定标准JGJ125-99受压墙柱沿受力方向裂缝宽度大于2mm，缝长超过1/2层高、墙柱应偏心压产生裂缝0.5mm、墙柱倾斜率0.7%框架结构独立基础变形承受能力框架结构独立基础变形承受能力多层框架结构独立基础形式建筑物的多层框架结构独立基础形式建筑物的倾斜和沉降容许倾斜和沉降容许值值的对比，其中的对比，其中SkemptonSkempton和日本建筑学会的标准为黏性土和日本建筑学会的标准为黏性土条件下的变形值。条件下的变形值。建筑倾斜基础中心沉降(mm)差异沉降(mm)上海市地区规范0.0032000.003LGB50007-20020.002~0.003-0.002LSkempton等-7530日本建筑学会-100-多层框架独立基础框架结构桩筏基础变形承受能力框架结构桩筏基础变形承受能力多层框架结构筏板基础形式的建筑物的多层框架结构筏板基础形式的建筑物的倾斜和沉降容许值倾斜和沉降容许值的对比，的对比，SkemptonSkempton和日本建筑学会的标准为黏性土条件下的变和日本建筑学会的标准为黏性土条件下的变形值。形值。建筑倾斜基础中心沉降(mm)差异沉降(mm)上海市地区规范0.004150~2000.004LGB50007-2002b/100H--Skempton等-75~12545日本建筑学会-200~300-多层框架桩筏基础z刘月梅，城市施工中地下管线的保护[J]，市政技术既有管线监测点的位移沉降每次不得超过3mm，累计不超10mmz上海市政部门对煤气管线的允许水平位移规定为10-15mmz《广州地区建筑基坑支护规定（GJB02-98）》限定：采用承插式接头的铸铁水管、钢筋混凝土水管两个接头之间的局部倾斜值不应大于0.0025；采用焊接接头的水管两个接头之间的局部倾斜值不应大于0.006；采用焊接接头的煤气管两个接头之间的局部倾斜值不应大于0.002z参考施工单位提供的数据,管线两接头之间的倾斜不得超过2/1000,即通用的5m长的管线接头之间的沉降差不得超过10mmz参考北京地铁、重庆地铁施工总结的相关技术标准,地表最大斜率取2.55mm/mz德国建筑标准规定：管线允许水平变形0.6mm/m，容许倾斜1-2mm/m管线变形控制管线倾斜角度管线倾斜角度相关参考绝对位移(cm)每节管差异沉降(cm)转化为倾斜角度(o)《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最小值：0.057°最大值：0.172°环境引起邻近管线允许倾斜的范围：建议管线倾斜角控制标准：0.1°国内允许倾斜值：最小值：0.114°最大值：0.172°德国允许倾斜值：最小值：0.057°最大值：0.114°基坑开挖对环境影响的位移控制基坑开挖对环境影响的位移控制分析方法分析方法„„位移控制有限元分析位移控制有限元分析（（DCFEMDCFEM））„„位移控制两阶段简化理论分析位移控制两阶段简化理论分析位移控制有限元分析位移控制有限元分析位移控制有限元方法（DCFEM-displacementcontrolledfiniteelementmethod）不关注详细的基坑开挖施工过程，通过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（即在基坑开挖临空面和坑外地表施加位移边界条件）。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。位移控制两阶段分析方法位移控制两阶段分析方法位移控制两阶段分析方法把基坑开挖施工对位移控制两阶段分析方法