深厚软土地区基坑墙底抗隆起稳定性Prandlt计算式的讨论

深厚软土地区采用Prandlt公式计算基坑抗隆起稳定性常常不满足规范要求,给基坑支护设计带来较大困惑。本文在分析基坑开挖与Prandlt公式计算地基极限承载力的力学边界条件差异的基础上,指出采用Prandlt计算式、临界宽度法和计入基坑内侧土体抗剪强度等改进计算方法的不足,提出同时考虑基坑支护体内外两侧土体抗剪作用的改进计算公式。通过对4个计算公式各参数的敏感度分析,发现内摩擦角是影响基坑墙底抗隆起稳定性的首要因素,基坑挖深和支护体插入深度是主要影响因素,土体黏聚力是次要影响因素,土体重度的影响可以忽略。软土内摩擦角较小,在基坑挖深一定的条件下,只有通过加大支护体插入深度才能保证基坑墙底抗隆起稳定性,因此,考虑基坑支护体内外两侧土体抗剪强度的有利作用可合理优化基坑支护设计。本文通过工程实例研究,验证了计入基坑支护体内外两侧土体抗剪强度作用的合理性;同时,根据浙江软土地区多项工程墙底抗隆起稳定安全系数计算结果的统计分析,指出目前规范取值标准偏高,在软土地区不尽合理,建议在积累工程经验的基础上,适当降低规范计算方法的标准限值。     

软土地区基坑墙底抗隆起稳定性Prandtl计算式的改进

软土地区,应用Prandtl地基承载力计算式验算墙底抗隆起稳定性安全系数存在两个问题：一是不能反映随着围护体插入深度的增加,墙底抗隆起稳定性安全系数也随之增大;二是不能体现基坑宽度对墙底抗隆起稳定性安全系数的影响。本文在分析基坑开挖卸荷与应用Prandtl公式计算地基承载力的力学边界条件差异的基础上,认为现有的Prandtl计算式不足以反映基坑隆起破坏滑动模式;依据极限平衡计算原理,提出考虑围护体墙底以上基坑内外两侧土体抗剪作用的改进计算模式。按基坑宽深比为3的标准划分宽、窄基坑,并分别给出宽窄基坑抗隆起稳定性安全系数计算式。通过工程实例计算表明：本文提出的改进公式与成功实施的工程实例安全状况相符,能解释在软土地区随着围护体插入比的增大,基坑抗隆起稳定性得到提高的规律;按照宽窄基坑划分,可以合理计算窄基坑的抗隆起稳定性安全系数。本文研究结果可有助于软土地区基坑抗隆起稳定性计算评价和基坑围护结构的优化设计,也有待于进一步理论研究的补充完善和工程实践的验证。     

各向异性软土基坑抗隆起稳定极限平衡分析

土体的各向异性与沉积环境和应力历史密切相关。以能够考虑土体特性的各向异性不排水抗剪强度公式为基础,利用圆弧滑动方法,并考虑破坏面上强度的折减（ ）,推导各向异性软土基坑抗隆起稳定极限平衡解。对软土基坑抗隆起稳定进行研究,系统分析了开挖深度H、围护结构插入深度D、最下道支撑与坑底相对距离He/H等几何因素及土体有效内摩擦角 、各向异性强度比k及强度沿深度非均质变化的斜率 等强度参数的影响。最后结合工程实例,验证了公式的适用性,为软土基坑工程抗隆起分析提供了新的思路。     

非均质软土基坑抗隆起稳定性的极限分析方法

考虑到实际工程中土体非均质以及软土地区基坑开挖过程中土体稳定性的特点,将极限分析上限方法应用于非均质软土基坑抗隆起稳定分析计算中,讨论了极限分析方法的适用性问题。选用Prandtl机构建立了非均质软土地区基坑抗隆起稳定分析的运动许可速度场,根据速度场推导了极限分析上限方法的计算公式。讨论了该方法中土体强度、基坑宽度、支护墙体入土深度、基岩埋置深度等因素对坑底抗隆起稳定的影响。通过几个工程的计算与对比,验证了该方法的适用性和优越性。     

内撑式支护的软土基坑开挖抗隆起稳定性分析

采用强度折减法有限元方法（SSRFEM）,分析了不排水条件下软土地基中内撑式排桩支护基坑开挖的抗隆起稳定性,并研究了软土不排水抗剪强度、支护结构条件、基坑尺寸对基底抗隆起的影响。研究表明,以往通常采用的极限平衡公式,对基坑开挖基底抗隆起稳定分析不能完全考虑支护结构的影响,也不能考虑基坑侧壁位移的影响,在一些条件下误差较大,而SSRFEM分析方法是求解基坑极限状态实际而自然的破坏形式,可很好地分析基底隆起稳定性。     

考虑水位和孔压影响的基坑抗隆起稳定性上限分析

分析了基坑围护墙内外水位和孔压的分布规律,基于极限分析上限定理,将孔压做功作为外力功代入上限定理能量平衡方程,选用Prandtl滑动模式建立了考虑地下水位和孔压影响的基坑抗隆起分析方法及其验算公式。通过该计算方法对坑外水位、土体强度、硬土层深度和基坑开挖宽度等参数的影响分析以及工程实例的对比计算,验证了公式的适用性。分析结果表明,基坑内外水位和孔压变化以及地下水渗流对抗隆起稳定性产生重要影响,地下水是影响基坑稳定性的一个重要的不利因素。与经典的Terzaghi、Bjerrum和Eide方法以及Chang方法相比,该分析方法可以考虑坑内外水位和孔压对抗隆起稳定性的影响,为软土地区基坑抗隆起稳定性分析提供了合理的计算方法。     

对基坑抗隆起稳定安全系数的改进

基坑的平面形状、尺寸以及围护结构的入土深度都会影响基坑的抗隆起稳定性,但现行规范推荐的抗隆起稳定安全系数算法均不能反映这些因素的综合影响。为解决这一问题,区分不同情况,对基坑底隆起破坏可能的模式做了必要的分类,分别给出了不同破坏模式情况下抗隆起稳定安全系数的计算方法。基于此方法,基坑围护结构的强度、刚度和入土深度都会影响基坑的抗隆起稳定性。计算分析表明,无论是对于排水情况还是不排水情况,狭窄基坑都具有更好的稳定性,而围护结构的入土深度可提高基坑的稳定性。改造后的基坑安全系数使传统算法可以考虑更多因素,为狭窄基坑缩小围护结构入土深度提供了一个理论手段。     

基坑的尺寸效应及考虑开挖宽度的抗隆起稳定安全系数计算方法

相比于宽基坑,狭窄基坑具有更好的稳定性和更小的变形,表现出明显的尺寸效应,相同挖深时窄基坑围护结构的入土深度可适当减小。目前设计采用的基坑稳定性分析方法基本上都没有考虑开挖宽度对安全系数的影响,导致狭窄基坑设计偏于保守。为保证窄基坑滑裂面也能够形成,通过移动滑动圆弧圆心方法,使滑裂圆弧通过围护墙底和基坑底与对侧围护墙的交点,以该滑裂面计算的抗隆起稳定安全系数 值可以考虑基坑宽度的影响。基于该理念,根据宽窄不同,把基坑分为不同种类,分别对应不同的Ks值计算方法。该方法可以在基坑足够宽时过渡到现有规范方法,保证与既有规范的统一,在狭窄基坑时, 。计算分析表明,在基坑设计时忽视尺寸效应,片面强调插入比是不科学的。由于仍然采用传统的抗隆起稳定安全系数的滑裂面形式,计算方法没有过大变化,适合在基坑设计和施工中推广应用,文中方法为狭窄基坑减小围护插入深度提供了理论依据。     

承压水地层基坑抗突涌稳定性的计算方法

现行规范计算基坑抗突涌稳定性采用压力平衡法,该方法未考虑上方土体强度和基坑尺寸的影响,对接近临界承压水压力情况的评价偏于保守。针对上述问题,首先根据强度折减原理定义安全系数,采用有效应力分析并考虑基坑被动区的存在,改进了已有的考虑土体四周抗剪强度抗突涌计算方法,并基于弹性板理论提出了新的基坑抗突涌计算方法;随后在平面应变条件下利用强度折减有限元计算结果进行了讨论,并进一步分析了基坑长宽比的影响;最后对工程实例进行了计算分析。分析表明,改进后和新提出的方法相较于现有方法能更好地说明基坑抗突涌稳定性随承压水压力的变化情况,在保证工程安全的前提下提高经济性。     

基于Terzaghi假定的基坑抗隆起稳定性计算方法研究

本文根据Terzaghi地基承载力理论,针对基坑隆起破坏时土体向基坑一侧滑移失稳的实际情况和地下水渗流对基坑稳定性影响,对Terzaghi法确定基坑抗隆起安全系数做了相应的改进,推导出新的计算抗隆起稳定安全系数方法。对影响基坑抗隆起稳定问题的因素进行了参数分析,并通过工程实例计算分析,证明新的计算方法提高了基坑抗隆起稳定设计的可靠性。     

土体强度各向异性基坑的抗隆起稳定性分析

天然土体通常为非均质、各向异性土体,目前常用的基坑抗隆起计算方法多是针对均质各向同性土体的。采用非均质非线性各向异性岩石破坏准则,考虑土体原生各向异性,假定Prandtl破坏模式,采用地基承载力模式进行基坑的抗隆起稳定性分析。根据滑移线理论计算承载力,利用有限差分法结合边界条件编制出相关计算程序,并定义基坑抗隆起稳定性系数。研究表明,各向异性比的提高会降低安全系数;内摩擦角和插入比的增大可有效提高基坑的稳定性。     

基于连续速度场的基坑抗隆起稳定性上限分析

传统的基坑抗隆起稳定分析上限法的变形机构在用于饱和黏土基坑时,往往不符合基坑的真实变形。根据软土地区基坑开挖引起的地表沉降曲线,构造了饱和黏土基坑抗隆起稳定性上限分析的变形机构和运动许可速度场,变形机构内部的土体作为连续变形体,且在边界处没有明显的破坏面。提出了一种新的基于上限法的基坑抗隆起稳定性分析方法,该方法采用的变形机构更符合实际的基坑变形,而且可以考虑支护结构入土深度对基坑隆起变形的影响。结合算例与工程实例,并与基于Terzaghi机构和Prandtl机构的上限法、多块体上限法进行对比,验证了本方法的合理性与适用性。     

考虑支撑作用的基坑抗隆起稳定安全系数计算方法

圆弧滑动法是国内规范计算基坑抗隆起稳定安全系数的主要方法之一。传统方法假设了滑动圆弧的圆心位置,最常用的位置是最下道支撑与围护墙的交点,这相当于假定支撑体系不会破坏,计算结果显然是偏于不安全的。给出一个计算模型,该模型不固定滑弧圆心位置,把通过试算得到的安全系数最小值作为最终的抗隆起稳定安全系数。同时,给出了考虑基坑宽度影响的算法。算例分析表明：针对传统地铁基坑,滑弧圆心可能位于最下道或以上各道支撑处,支撑体系的稳定性对安全系数有明显影响;当支撑极限轴力增大至临界值时可过渡为传统算法。进一步的分析表明,滑弧圆心最终位于基坑内一侧。所提方法是对传统圆弧滑动法的一个重要改进,适合在基坑设计和施工中推广应用。     

土钉支护基坑抗隆起稳定性计算方法研究

以基坑隆起破坏的根本原因是地基承载力不足为前提,运用Terzaghi地基极限承载力理论,推导了土钉支护条件下基坑抗隆起稳定性的计算方法。采用地基土单侧滑动失稳破坏假设,同时考虑了单侧滑动体上竖向抗剪力对抵抗基坑隆起所起的作用。通过基本算例,对影响基坑抗隆起稳定性的参数进行了讨论,并得出了各抗隆起安全系数与各因素之间的部分变化规律。与现有的基坑抗隆起稳定性计算方法对比分析表明,所建议的方法在实际工程应用中是可行的。     

软土狭长深基坑抗隆起破坏模式试验研究

针对软土地区基坑底土层为饱和软黏土的情况,设计了狭长深基坑的抗隆起离心模型试验,分析不同开挖深度和水位条件下的基坑围护墙弯矩、土压力分布、水平位移以及基坑隆起稳定破坏机制。基于离心模型试验的基本参数和工况,建立了有限元数值模型,分析试验工况基坑的抗隆起稳定性与破坏状态,并进行对比验证。试验结果表明：随着开挖深度和坑外水位的增加,坑底软土层产生向上的隆起变形,当隆起变形较大时,围护墙由于坑内土体侧向约束的减弱,底部产生较大的向坑内的水平位移,同时导致支撑轴力增大,基坑最终表现出围护墙绕某道支撑点向坑内的转动踢脚破坏。数值计算结果表明：随着坑外水位的升高,基坑抗隆起稳定性安全系数逐渐减小,当发生抗隆起稳定破坏时,基坑底产生较大的隆起位移,破坏机制与离心模型试验结果相同。     

地连墙槽壁加固深度和宽度计算方法研究

地连墙槽壁加固深度和宽度既要满足槽壁土体整体稳定性要求,又要满足加固体抗滑(剪)、抗倾覆和抗弯能力要求。首先分析了槽壁加固条件下影响槽壁稳定性的各影响因素与槽壁稳定性安全系数的关系,总结出加固体深度和宽度是关键影响因素,也是工程施工前需要求算的重要控制参数。其次提出了搅拌桩加固体抗滑(剪)、抗倾覆和抗弯能力验算原则和安全性判定标准,也提出了搅拌桩加固深度(长度)和宽度计算方法和在搅拌桩桩顶插入钢性筋并嵌固于导墙中和搅拌桩平面外拱布置等方法以提高槽壁稳定性的措施。利用工程实例,对文中提出的搅拌桩加固深度(长度)和宽度计算方法进行了演算,也对提出的搅拌桩桩顶插入钢性筋并嵌固于导墙和搅拌桩平面外拱布置提高的槽壁稳定性安全系数也进行了演算。最后提出了课题研究展望。     

考虑土体硬化的基坑开挖性状及隆起稳定性分析

基坑开挖过程中,土体应力路径、卸载回弹再压缩特性与简单加载或卸载不同,采用常规的理想弹塑性模型模拟基坑开挖,得到的围护墙位移、坑内土体回弹以及坑外沉降较大。分析了基坑开挖不同区域土体的性状,采用土体硬化模型模拟基坑开挖的卸载与土体硬化行为,结合工程算例,对比土体硬化模型和理想弹塑性模拟以及实测的围护结构土压力、围护墙水平位移和坑外土体沉降,并利用强度折减法分析基坑的稳定性。计算结果表明,考虑土体硬化的HS模型有限元方法能体现土体卸载再加载与开挖的特性,所得土压力、围护结构水平位移以及基坑抗隆起稳定性符合软土地区基坑工程的实践。     

冻融作用对不同初始状态基坑稳定性的影响研究

为研究季节冻土区冻融作用对基坑工程的影响,基于考虑冰-水相变的热传导理论、考虑黏聚力的修正剑桥模型和强度折减法,建立了适用于季节冻土区基坑稳定性分析的计算平台。在此基础上,结合具体的试验数据对不同初始状态的基坑算例进行计算,研究季节冻土区基坑冻融前后稳定性和位移的变化情况,并根据土体冻融前后的物理力学参数对上述变化规律作出分析。研究结果表明,冻融作用加剧季节冻土区基坑的局部变形,且土体的初始干重度对变形规律的影响较大,但基坑的整体安全系数并未受到冻融作用的显著影响。存在一个临界干重度γ_d0,基坑土体的初始干重度接近临界干重度时,围护桩水平位移在冻融前后的变化较小,随着土体初始干重度与临界干重度的差距增大,围护桩水平位移在冻融前后的变化量也随之增大。土体的初始干重度越小,基坑围护桩的竖向位移和坑底隆起位移在冻融前后的变化量越大,即土体初始干重度较小的基坑在经历冻融后,围护桩的竖向位移产生显著沉降,但坑底隆起情况有明显缓解。研究成果对季节冻土区基坑工程的设计和施工具有重要意义。     

基于块体剪流组合机构的黏土基坑抗隆起稳定性分析

现行规范中基坑抗隆起稳定性计算方法主要为基于极限平衡理论的圆弧滑动法,这种方法没有严格的理论基础,得到的安全系数普遍偏高,且当挡墙插入比较小时,安全系数明显不合理。极限分析法拥有严格的理论基础,已经建立了一些基坑抗隆起稳定分析上限机构,但是这些机构的适用性缺乏一定的研究。针对上述问题,首先介绍了基坑抗隆起稳定上限分析的理论框架,对机构优化概念与块体剪流组合机构的构造做了比较全面的探讨;随后在均质地基下利用弹塑性有限元的模拟结果进行了讨论,并在非均质地基条件下利用圆弧滑动法的计算结果进行了讨论;最后总结了不同块体剪流组合上限机构的适用条件。分析表明,挡墙刚度较大且插入比较小时,应该将挡墙刚度按无穷大处理;挡墙刚度较小且插入比较大时,应该考虑挡墙刚度的影响。通过工程案例分析,验证了提出的圆弧机构上限法的合理性。     

考虑附加应力作用的桩锚支护结构稳定性与位移关系研究

桩锚支护结构应用日益广泛,然而在基坑开挖过程中,基于锚杆预应力的基坑稳定性与位移的量化关系尚未解决。同时考虑锚杆预应力引起的附加应力对基坑稳定性和位移的影响,分别得到预应力与桩锚支护结构基坑整体稳定性安全系数、水平位移的计算公式,以及基坑整体稳定性安全系数与水平位移二者之间的关系表达式;通过典型基坑工程实例与现行通用基坑设计软件计算结果进行对比。结果表明：（1）将预应力以附加应力形式来计算基坑整体稳定性安全系数,安全系数随着预应力增加而增加,二者呈非线性关系;（2）以预应力在土体中产生的附加应力形式来计算桩锚支护结构水平位移,支护结构水平位移随着预应力增加而减小,二者呈非线性关系;（3）给出的支护结构稳定性安全系数和支护结构水平位移之间的关系表达式,更加符合理论与工程实际;（4）现行桩锚支护结构设计偏于保守,考虑预应力的基坑稳定性和位移计算方法,仍需根据大量工程实践进行验证与修正。（5）首次考虑附加应力作用的桩锚支护结构稳定性计算与水平位移关系研究,可为基坑开挖过程中的动态稳定性评价提供理论依据。