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软土地区承压水基坑突涌稳定计算法研究综述_丁春林

第3卷第2期 2007年4月

地下空间与工程学报 Chine se Joumal of Unde rground Space and Eng ineering

DB37／T 3263-2018 矿山在用电力电容器电气试验规范Vol3No Apr 2007

软土地区承压水基坑突涌稳定计算法研究综述

同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海200092

Summary of Study on Ca lulation M ethod of Inrushing for

Abstract The ex isting calkulation methods of inushing for confined w ater fundation pit are summ arized and heir shortcm ings w ere analyzed In the end this paper siggests that the anti inrushing stability of confined w atel oundation pit in soft soil area shouH be analy zed fiom perviousness and n ushngm echanism of so il at the bottom o he pit For m pervious layer the an ti inrushing stab ility of the pit is analyzed fiom the plastic dam age of soil but foi sm pervious hyer the anti inrushing stability of the pit is analy zed fram the seepage dam age of soil Keyword s foundation pit confined w a ter inrushing of soil and watey cakula tion me thod

近年来，随着我国城市地下铁道、高层建筑、人 防工程等基础设施的迅速发展，深基坑工程日益增 多，深基坑工程开挖施工的地质条件和环境也日益 复杂，其工程事故率和损失也越来越大【12]。在深 基坑工程中，一项事关全局的工作就是地下水防 治，特别是在沿海地区，地下水是深基坑工程的关 敌，是导致基坑工程事故最直接的原因之一。根据 王曙光13]、蒋红星【4、叶琳昌【5]等人的统计数据显 示，与地下水有关的基坑事故约占总事故的45% ～70%，另据唐业清1对深基坑事故的调查资料 约有22%的基坑事故与地下水处理有关，

基坑工程中有关的地下水按其理藏条件一般 包括上层滞水、潜水和承压水这三类。其中，承压 水是地表以下充满于两个稳定隔水层之间承受静 水压力的含水层中的重力水，承压水常分布于松散 地层，埋藏于场地下部，具有承压性，承压力大小与 该含水层补给区与排泄区的地势有关；水量由含水 层或含水构造的性质、渗透性等决定[38] 承压水的这种承压性和渗流性使得含承压水 基坑有以下几个工程特点： （1）承压水基坑在施工中容易产生突涌。当 承压水基坑开挖到一定深度，基底下隔水层厚度所 产生的自重力小于承压水压力，土体发生剪切破坏 时，就会引起基坑突涌，最后导致基坑失稳破坏，

列如：上海某路煤气越江工程竖井深基坑的突水破 坏【11；某市24层大厦深基坑开挖过程中坑底的涌 水涌浆现象（1A等。 （2）对于承压水基坑，由于承压水的承压性， 易造成基坑底隆起变形和围护结构变形增天，影响 基坑稳定。例如：上海地铁某车站深基坑，坑底存 在③2层微承压含水层，工程原设计未采取降水措 施，当基坑自端头井开挖至标准段中段时，地下墙 墙趾水平位移速率突然加大，日变化量达到658 mm/Q墙体出现了明显的踢脚现象，坑底立柱上浮 达133mm，随时有险情发生。后经研究分析，采取 了井点降水和注浆加固措施，险情才得到控制【13。 （3）对于承压水基坑.施工时易产生管涌、流 砂或流土[13 14] 由于承压水基坑在开挖施工中易产生基坑突 涌、坑底隆起、管涌或流砂等破坏。因此，对于承压 水基坑，当基坑开挖深度过深或承压水头过高，基 坑的抗突涌稳定性得不到满足时，则应采取一定的 承压水基坑抗突涌稳定？这是一个值得深入研究 的课题，特别是2003年上海地铁4号线越江隧道 的透水事故和2005年广东煤矿频频发生的透水事 故，显示了这一课题的研究价值。目前，对于承压 水基坑突涌稳定性的判断分析方法，不论是现行的 基坑工程规范，还是一般的教科书和工程设计施工 论只考虑了承压含水层顶不透水层土体自重力引 起的抗力，忽略了不透水层土体的抗剪强度，其计 算结果显然不合理。尽管有些学者在探索采用其 它方法进行研究，但这些研究仍存在一些不足或缺 陷。因此，本文首先对目前承压水基坑突涌稳定性 分析方法进行总结，分析这些方法存在的不足，然 后提出基坑抗突涌稳定分析新的思路，

2承压水基坑突涌稳定分析方法

目前，关于承压水基坑抗突涌稳定的定量分析 方法，可归结为以下几种

2 1 经典的压力平衡法

压力平衡法假定承压水基坑的承压水头只要 克服含水层顶板不透水层土体自重力，即可发生突 涌，这也是现行的基坑工程规范和教科书里普遍采 用的方法。如图1所示，基坑突涌稳定临界厚度判 断公式为：

式中：H.为坑底不透水层临界厚度；为不透水层 土的重度；为水的重度；H为承压水头高于含 水层顶板的高度；k为安全系数， 当实际不透水层厚度H≥H.时，基坑不发生 突涌； 当HKH.时，基坑可能发生突涌

22均质连续梁、板分析法

均质连续梁、板分析法主要是将坑底隔水层土 体简化为均质、连续的梁或板，根据材料力学或弹 性力学理论，从强度破坏和刚度破坏的角度推导出 基坑发生突涌破坏时临界厚度公式， （1）若将坑底隔水土层简化成均质、连续的固 端梁（22，如图2所示。考虑土体的抗剪强度，可推 导出由剪切强度破坏控制的突涌临界厚度为：

式中：her为坑底不透水层临界厚度；Cu为底板土不 固结不排水粘聚力；b为基坑宽度；k为安全系数： 其它符号含义同前 由刚度要求可推导得到的突涌临界厚度为

H +3h E Yw msb) Yeb

式（3）为隐式不等式，可用试算法求得h。式中： 为坑底不透水层临界厚度；E为底板土弹性模量； m，为挠度系数，可由规范查得或根据经验得到；其 它符号含义同前。 因此。突涌临界厚度

H.. =Max(h.. h)

（2）若将坑底隔水土层简化成均质、连续、矩 形固支板【23]，如图3所示。运用弹性薄板理论，可 推导得到由剪切强度破坏控制的突涌临界厚度为：

丁春林.软土地区承压水基坑突涌稳定计算法研究综述

式（6)为隐式不等式，可用试算法求得h。式中： ab为基坑底板长宽之比；ms为挠度系数，可由 规范查得或根据经验得到；其它符号含义同前。 同样,突涌临界厚度 H。=Max(hch) (7)

式（6）为隐式不等式，可用试算法求得h ab为基坑底板长宽之比；ms为挠度系 规范查得或根据经验得到；其它符号含义 同样,突涌临界厚度 H。一Max(hch

由刚度要求可推导得到的突涌临界厚度为

为土的侧压力系数；D为基坑开挖深度；c为底板 土固结不排水粘聚力；b为基坑宽度；其它符号含 义同前。

为土的侧压力系数；D为基坑开挖深度；c为底板 土固结不排水粘聚力；b为基坑宽度；其它符号含 义同前

图3基坑底板受力简图 F ig 3 Force analy sis of the base plate

带预应力均质连续梁、板分析法是在均质连续 梁、板分析法基础上，考虑了基坑围护结构传给坑 底隔水层土体侧向压力，根据弹性力学理论，从强 度破坏角度推导出基坑发生突涌破坏时临界厚度 公式。 （1）若将条形基坑坑底隔水层视为匀质、连 续、两端固定的单向板（梁）24，且受力构件端部受 有坑侧土压力的轴向挤压作用及附加弯矩作用，如 图4所示。借助材料力学和结构力学理论，可推导 得到由剪切强度破坏控制的突涌临界厚度为：

图5基坑隔水土层受力图和计算简图 Fig 5 Force analysis of the aquichde bebw the pit & ca lcu h tion sketdh

（2）若在小变形范围内，假设基坑底板隔水王 层为一匀质、四边固支的弹性体板，基底上受有均 布荷载及作用在端面上的土压力[25]GBT 36160.2-2018 分布式冷热电能源系统技术条件 第2部分：动力单元，如图5a所 示；当 >2时，基坑底板当作单向板处理，否则当 1 作双向板处理；基坑底板可简化为两端固定的梁， 梁取单位宽度1m它的受力为向上的均布荷载和 两端的土压力，如图5b所示。根据计算简图得到 的内力图，土梁有两个危险截面，一是跨中截面，此

图4基坑隔水士层受力分析图

Fg 4Foice analysis of the aqurlude bebw the pit 式中：α为挤压作用抗剪系数.建议值为007k

式中：α为挤压作用抗剪系数，建议值为

截面，此处有最大剪力，当基坑为无支护开挖时，此 处的最大剪力可导致剪切破坏，当基坑为有支护开 挖时，此时土体与支护结构间为摩擦接触，最大剪 力可导致接触破坏。 根据弯曲强度破坏，推导出基坑底板临界厚 度：

co t( 45° + ho. = ↑o+ 16c

当基坑为无支护开挖时JGJ／T 421-2018 冷弯薄壁型钢多层住宅技术标准，基坑底板临界

当基坑为有支护开挖时，基坑底板临界厚度