第３５卷第１期 ２０１７年３月 海南大学学报自然科学版 ＮＡＴＵＲＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＨＡＩＮＡＮ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ Ｖ０１．３５ Ｎｏ．１ ＭａＬ ２Ｏｌ７ 文章编号：１００４—１７２９（２０１７）０１—００５９—０５ 临近开挖对既有挡土墙稳定性的影响 王华俊 ，蒋建良 ，杨仙 ，曹运江 ，欧阳涛坚 ，杨超 （１．浙江省工程勘察院，浙江宁波３１５０１２；２．湘潭大学，岩土力学与工程安全湖南省重点实验室，湖南湘潭４１１１０５；３． 湖南科技大学，页岩气资源利用湖南省重点实验室，湖南湘潭４１１２０１；４．湖南科技大学，岩土工程稳定控制与健康监测湖 南省重点实验室，湖南湘潭４１１２０１；５．湖南科技大学，煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室，湖南湘潭 ４１１２０１） 摘要：基于Ｍｅｌａｎ解得出了临近开挖对既有挡土墙整体稳定性影响的计算公式，并分析了开挖距离和开 挖深度对抗滑移和抗倾覆安全系数的影响，分析计算结果与实际案例中的结果吻合． 关键词：开挖；应力松弛；抗滑移安全系数；抗倾覆安全系数 中图分类号：Ｐ ６４２．３ 文献标志码：Ａ ＤＯＩ：１０．１５８８６／ｊ．ｅｎｋｉ．ｈｄｘｂｚｋｂ．２０１７．００１１ 随着城市建筑密度越来越大，常需要在既有支护结构附近进行施工开挖，以便进行新的工程建设．近 年来，临近开挖造成既有支护结构破坏的案例越来越多¨Ｉ２ Ｊ．对于较大型的基坑开挖，传统的做法是将既 有挡土墙及其背后的土体等效成相应的荷载，作用于新开挖基坑的顶部，再运用极限平衡理论进行新建 基坑支护结构的设计计算 Ｊ．这种做法能保证新建基坑支护结构的稳定性，但是不能反映施工开挖对于 既有支护结构的影响．而对于一些小型的开挖施工，如在管线敷设沟槽等开挖时，甚至不会进行开挖支护 设计．实际上，不管是大型基坑还是小型沟槽开挖，施工开挖过程均会引起应力松弛，导致土体提供给既 有支护结构的支撑力减小，从而使其抗滑移和抗倾覆安全系数减小，引起既有支护结构的整体稳定性失 效．为此，本文基于Ｍｅｌａｎ解 分析了临近开挖对既有挡土墙整体稳定性的影响，旨在提出合理的施工开 挖支护设计方案，以便为维护既有挡土墙的安全稳定提供理论基础． １ 工程背景 某重力式水泥土挡墙附近拟进行一条宽 ２．３ ｍ、深５ ｍ的沟槽施工，以便敷设污水管 道．既有挡墙高度为９．２ ｍ，宽度为２．８ ｍ，埋 深为２．４ ｍ，墙体重度为２０ ｋＮ・ｍ～．新开挖 沟槽与既有挡墙的最近距离为５．６ ｍ，该截 。。。。－。●…－＿ 人工填土 粉质黏土 ！新开挖 Ｉ沟槽 Ｌ… 黏土 粉质黏土 面的位置关系如图１所示，拟建场地的土层 图ｌ新建基坑与既有挡土墙位置关系的示意图 情况如表１所示，地下水埋深为７．１ ｍ，对于新开挖的沟槽土层只作了简单的对撑支护，开挖至４．６ ｍ深 度时，临近的既有挡土墙出现了滑移失稳的趋势，在对开挖沟槽紧急进行回填后，既有挡土墙恢复稳定． 收稿日期：２０１６—０９—２３ 基金项目：岩土力学与工程安全湖南省重点实验室开放基金资助项目（１６ＧＥＳ０５）；湖南省教育厅一般资助项 目（１５Ｃ０５３０）；湖南科技大学博士启动基金（Ｅ５１４９７） 作者简介：王华俊（１９７９一），男，浙江宁波人，高级工程师，注册岩土工程师，研究方向：岩土工程、地质工程等 领域的施工和科研工作，Ｅ—ｍａｉｌ：２４２２０１３３＠ｑｑ．ｃｏｍ 通信作者：曹运江（１９６７一），男，湖南新化人，博士，教授，研究方向：地质工程等方面的教学与科研工作，Ｅ— ｍａｉｌ：１０２０００２＠ｈｎｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃａ ６０ 海南大学学报自然科学版 ２０１７年 ２理论分析 沟槽开挖前，ＡＢ处土体处于静止状态，可提供指向墙体的侧向土压力，如图２ａ所示；沟槽开挖后，ＡＢ 处临空，该处应力松弛，导致ＡＢ处不再提供指向墙体的侧向支撑力，如图２ｂ所示． Ｅ ａ开挖前 ｂ开挖后 图２ ｌ临近开挖对既有挡土墙影响的计算模型 根据弹性力学Ｍｅｌａｎ解来讨论沟槽开挖坑壁应力松弛对墙体稳定性的影响．假定土体是各向同性的 半无限体，在地面以下深度为ｗ的Ｍ处作用一个水平线荷载，如图３所示． 首先分析开挖前的情况．土压力的计算非常复杂，其与 支护结构的位移关系密切 Ｊ．为简化计算，根据《建筑基坑 支护技术规程》（ＪＧＪ１２０＿一２０１２） ，假设挡土墙墙背受到主 动土压力，靠墙前土体提供被动土压力来支撑墙体．如图２ａ 所示，根据该规范的假设，ＣＤ段土体位移达到被动极限状 态．ＣＤ段后的土体同时产生了水平位移，且距离ＣＤ段越远， Ｍ 、 ０ （Ｏ ， 、 ＼ ２ Ｍ‘ ＝ ＼Ｐ ＼ ＼ ＼ 、＼ 位移量越小．若ＡＢ离墙前ＣＤ点足够远，则ＡＢ处土体的水 平位移为零，此时可假设ＡＢ处为静止土压力，则ＡＢ处任一 点的土压力大小为： 尸＝ｙｗｋ。， （１） 、 ，Ｚ １ 将公式（１）代人Ｍｅｌａｎ解，然后对Ｍｅｌａｎ解进行积分，则 可得到ＡＢ处的静止土压力在挡土墙墙底ＣＤ段任一点（ 。， ）处产生的应力： 一 图３半无限平面内部受水平集中力的计算模型 ｛ ＋ ｒ２卜 盼 （２） （３） … ｛ 睁 Ｚ２ ＋ ／＇２卜 Ｚ１＝ ０一（ｏ， 其中： （４） （５） ｏ＋∞， 第ｌ期 王华俊等：临近开挖对既有挡土墙稳定性的影响 ６１ ｒ ＝￣／ ＋ 一。 （６） ｒ ＝ ＋ｚ ， （７） 开挖前假设ＣＤ段为被动土压力，则开挖前ＣＤ－段任一点的侧向土压力为： Ｏｒｐｘ：ｋｐＴｚ０＋２Ｃ￣／ ， （８） 开挖后，ＡＢ段卸荷，不再提供静止土压力，如图２ｂ所示，ＡＢ段侧压力为０．因此ＣＤ段任一点（ 。，ｚ。） 处的应力也减小． 开挖后，ＣＤ段任一点的垂直土压力： ＝ＴＺ０一 ， （９） ＣＤ段任一点的侧向土压力为： ＝ｋｐＯ￣ｚ＋２Ｃ 一ｏｒ ， （１０） 通过Ｍａｔｌａｂ编程计算可知，ＡＢ段卸荷时，对ＣＤ段任一点的垂直土压力的影响很小．因此公式（１０）也 可简化为： ＝ｋｐｔｒ ＋２Ｃ￣／ 一 ， （１１） 开挖后ＣＤ段的土压力为： Ｊ Ｏ＇ｐ ｄｚ， （１２） 不计地下水，按照图２ｂ所示，则开挖后挡土墙抗滑移安全系数的计算公式如下： ｜－ ， （１３） 开挖后挡土墙抗倾覆安全系数的计算公式如下： ， （１４） 各公式中字母的含义如下： Ｐ为开挖前ＡＢ段任一点的侧向土压力； 为土体重度； 为ＡＢ段任一点深度； ｏ、ｋ，为静止和被动土 压力系数； 为土体泊松比；ｔｒ 为开挖前ＣＤ段任一点的侧向土压力； 二：和 为开挖前后ｃＤ段任一点的 垂直和侧向土压力；Ｃ、 为土体黏聚力和内摩擦角；Ｇ为墙重；Ｅ 为墙背主动土压力；ｃｔ 为墙前和墙后 土压力合力作用点离墙底的距离． ３实例分析 对工程背景中的实例进行计算分析．理论分析中假设土体为均一弹性材料，根据勘察报告提供的土 层参数，得出土层的平均参数如下：土体黏聚力Ｇ为ｌ５．２ ｋＰａ，内摩擦角 为１４．４。，土体重度 为１８．４ ｋＮ・ｎｌ～．土体泊松比按０．３５计算，同时根据推导得出的公式编制Ｍａｔｌａｂ程序并进行计算，得到新建沟槽 与既有挡墙之间的距离以及开挖深度对抗滑移系数和抗倾覆系数的影响（如图４、图５所示）． 籁１．３ １．２ 馘１．１ 辇１．０ ０．９ ０ ５ １０ １５ ２０ ２５ ３０ １５ ２０ ２５ ３０ ３５ ４０ ４５ 开挖距离／ｍ 开挖距离／ｍ ａ抗滑移 ｂ抗倾覆 海南大学学报自然科学版 ２０１７年 开挖距离 十４ ｍ 开挖距离 —．．４ ｍ ■ 剞 １６ ｍ寸Ｈ —－ 一８ ｍ ｌ２ ｍ ｌ６ ｍ 淤 察 ．口 ０ ２ ４ 一－－－ … …… ６ ８ … １０ Ｉｎ警 …… ： ｉｒ ｎ譬 ＋－ｗ－－一２０ ２４ｍ２８ Ｉｎ 一＋２０ｉｆｌｉｌ ２４ ｎｆｌ ・—一２８ｍ —一３２ ＩＴＩ 一３６ ｍ ４０ ｍ ４０ ｍ １２ ０ ２ ４ ６ ８ １０ １２ 开挖深度，ｍ ａ抗滑移 图５开挖深度对安全系数的影响 开挖深度，ｍ ｂ抗倾覆 该案例中，若墙底无开挖，计算得到抗滑移安全系数为１．２９，抗倾覆安全系数为１．３６，挡土墙处于稳 定状态．对图４、图５进行分析。可得到临近开挖对挡土墙稳定性的影响： （１）随着开挖距离减小，抗滑移和抗倾覆安全系数都减小．当开挖距离大于２０ ｉｎ时，开挖距离对抗滑 移和抗倾覆安全系数的影响较小，当开挖距离小于２０ ｍ时，随着开挖距离减小，抗滑移和抗倾覆安全系 数降低较严重．特别是当开挖距离小于１２ ｎｌ时，对稳定性的影响显著． （２）随着开挖深度增加，抗滑移和抗倾覆安全系数都减小．当开挖深度小于４ ｍ时，开挖距离对抗滑 移和抗倾覆安全系数的影响较小，当开挖深度大于４ ｍ时，随着开挖深度增加，抗滑移和抗倾覆安全系数 降低较严重． 由此可见，即使坑壁土体保持较好的稳定性，也不能忽略开挖对临近挡土墙的影响．开挖应力松弛会 导致临近挡土墙失稳．开挖距离大于２０ ｍ，开挖深度小于４ ｍ时，影响较小，开挖过程相对安全；开挖距离 小于１２ ｍ，开挖深度大于４ ｍ时，开挖对稳定性的影响显著，需要密切关注开挖对临近挡土墙的影响．本 案例中新开挖沟槽距既有挡土墙最近处为５．６ ｍ，最大开挖深度为５ ｍ，按照本文计算方法可知，开挖导致 的抗滑移安全系数为１．１５，抗倾覆安全系数为１．２０．根据《建筑基坑支护技术规程》，重力式挡土墙抗滑 移安全系数应大于１．２．本案例在实际开挖过程中，开挖到４．６ｍ深度即出现了滑移失稳趋势，实际结果与 计算结果较一致． ４结论与建议 临近开挖过程会引起应力松弛，导致墙后土体提供给墙体的支撑力减小，从而使得墙体抗滑移和抗 倾覆安全系数减小，引起既有挡土墙的整体稳定性失效．基于弹性力学的Ｍｅｌａｎ解可以建立临近开挖坑壁 应力松弛对既有挡土墙稳定性影响的理论计算公式，并且可以通过Ｍａｔｌａｂ编程进行数值计算．由计算结 果可知：即使坑壁土体保持较好的稳定性，基坑开挖应力松弛也会对挡土墙的稳定性产生较大的影响，且 当开挖距离小于某一值和开挖深度大于某一值时，这种影响会非常显著．可以通过计算得出开挖距离和 开挖深度的显著影响值，在工程实际中，一旦开挖距离小于该显著影响值和开挖深度大于该显著影响值 时，就必须加强监测，并设置适当的支护措施． 该计算方法简单便捷，可以快速得出显著影响值，可为实际工程提供指导．然而该方法也有其需要改 进的地方： （１）Ｍｅｌａｎ解是基于弹性均质材料假设的弹性力学解，但由于土体是非均质的非连续材料，因此，在应 用该方法进行计算时，难免会出现误差．后续研究应基于大量的现场实测和数值模拟，应针对各类不同的 土体及土体分层情况，引入相应的修正系数，使基于Ｍｅｌａｎ解得出的应力解更加符合实际情况． （２）本文主要基于开挖前开挖面提供静止土压力和开挖之后开挖面应力为０的假设来进行推导计算 的．而在实际工程中，土中应力的情况非常复杂，且现场量测困难．相对而言，位移测量简单易行，且数据 可靠．后续的研究可以考虑建立土体应力与位移的关系，然后通过对开挖面附近位移的量测来得到应力 情况，再通过论文所建立的理论模型进行计算，扩大该计算方法的应用范围． 参考文献： 【Ｉ］刘兴远，陈伟，周珉．建筑基坑引起的挡土墙开裂事故分析［Ｊ］．地下空间与工程学报，２０００，２０（４）：２９４—２９８． 第１期 王华俊等：Ｉ临近开挖对既有挡土墙稳定性的影响 ［２］李志堂，彭振斌，杨鹏．深基坑施工对其临近重力式挡土墙影响的数值分析［Ｊ］．广东建材，２０１１，２７（６）：９３—９６． ［３］李志堂，彭振斌，彭文祥，等．既有重力式挡土墙与临近基坑开挖相互影响的研究［Ｊ］．湖南科技大学学报（自然科学 版），２０１１，２６（３）：４５—５Ｏ． ［４］张永兴，丁敏，王辉．基于Ｍｅｌａｎ解的地下连续墙结构分析方法［Ｊ］．岩土力学，２０１２，３３（１０）：２８９０—２８９６． ［５］姚国圣．考虑位移的土压力计算方法在基坑工程中的应用［Ｊ］．岩土工程学报，２０１３，ｓ２：６９３—６９６． ［６］宋飞，张建民．考虑挡墙位移效应的被动侧土压力计算方法［Ｊ］．岩土力学，２０１１，１：１５１—１５７． ［７］ＪＧＪ１２０－－２０１２，建筑基坑支护技术规程［ｓ］．北京：中国建筑工业出版社，２０１２． Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ａｔ ｔｈｅ Ｂｏｔｔｏｍ ｏｆ ｔｈｅ Ｗａｌｌ ｏｎ ｔｈｅ Ｅｘｉｓｔｉｎｇ Ｒｅｔａｉｎｉｎｇ Ｗａｌｌ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ｗａｎｇ Ｈｕａｊｕｎ ，Ｊｉａｎｇ Ｊｉａｎｌｉａｎｇ ，Ｙａｎｇ Ｘｉａｎ ＇ ，Ｃａｏ Ｙｕｎｊｉａｎｇ ＇ ’ ，Ｏｕｙａｎｇ Ｔａｏｊｉａｎ ，Ｙａｎｇ Ｃｈａｏ ， ， （１．Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｎｉｎｇｂｏ ３１５０１２，Ｃｈｉｎａ；２．Ｘｉａｎｇｔａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｕｎａｎ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｇｅｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓａｆｅｔｙ，Ｘｉａｎｇｔａｎ ４１１１０５，Ｃｈｉｎａ；３．Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕｎａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ ＳｈＭｅ Ｇａｓ Ｒｅ— ｓｏｕｒｃｅ Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ，Ｘｉａｎｇｔａｎ４１１２０１，Ｃｈｉｎａ；４．Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕｎａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉ— ｎｅｅｒｉｎｇ ｆｏｒ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ｈｅａｌｔｈ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，Ｘｉａｎｇｔａｎ ４１１２０１，Ｃｈｉｎａ；５．Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕｎａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ Ｋｅｙ Ｌａｈｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｐｔｅｓｏｕｒｎｅｓ Ｃｌｅａｎ—ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍｉｎｅ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，Ｘｉａｎｇｔａｎ ４１１２０１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｅｌａｎ ｓｏｌｕｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒｍｕｌａ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ａｔ ｔｈｅ ｂｏｔｔｏｍ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｌｌ ｏｎ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｒｅｔａｉｎｉｎｇ ｗａｌｌ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｄｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｄｅｐｔｈ ｏｎ ｔｈｅ ａｎｔｉ—ｓｌｉｄｉｎｇ ｓａｆｅｔｙ ｆａｃｔｏｒ ａｎｄ ａｎｔｉ—ｏｖｅｒｔｕｒｎｉｎｇ ｓａｆｅｔｙ ｆａｃｔｏｒ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｄａｔａ ｗｅｒｅ ｉｎ ａｇｒｅｅｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｃａｓｅｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ；ｓｔｒｅｓｓ ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ；ａｎｔｉ—ｓｌｉｄｉｎｇ ｓａｆｅｔｙ ｆａｃｔｏｒ；ａｎｔｉ—ｏｖｅｒｔｕｒｎｉｎｇ ｓａｆｅｔｙ ｆａｃｔｏｒ
