地铁深基坑支护结构受力分析毕业论文.pdf

西南交通大学 研究生学位论文 年级 三QQ 扛级 姓名 陵邀 申请学位级别 王猩亟 专 业童适运猃王猩 指导老师塞堕昌渲基塾援 二零一一年九月 一令一一牛兀月 C l a s s i f i e dI n d e x ：U 213 1 U D C ： S o u t h w e s t J i a o t o n gU n i v e r s i t y M a s t e rD e g r e eT h e s i s T h eF o r c eA n a l y s i so fM e t r o D e e p F o u n d a t i o nP i t G r a d e ：C i v i lE n g i n e e r i n g2 0 0 9 C a n d i d a t e ：C h e nJ i n g A c a d e m i c D e g r e eA p p l i e df o r ：M a s t e ro fE n g i n e e r i n g S p e c i a l i t y ：T r a f f i ca n dT r a n s p o r t a t i o nE n g i n e e r i n g S u p e r v i s o r ：A s s o c P r o fL i uC h a n g q i n g S e p 2 0 11 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在 年解密后适用本授权书； 2 不保密勺磕用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：F 末教 日期：洳 。7 弘 指导老师签名： 日期：劢f f 磊 ，7 多、 LC够 、7_ 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 本文结合深圳地铁某深基坑工程项目，采用经典土力学理论与M I D A S G T S 有限 元软件数值模拟分别对深基坑支护结构进行受力计算与变形分析，与实测结果相比较， 并通过对连续墙厚度与内支撑钢板厚度的改变，总结不同参数对连续墙变形的影响规 律。 产寿夺 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 量曼寡暑璺I 一。E E l 一 I ；一一l i e 。 一一一I 舅皇置皇曼皇蔓鼍篡曼皇皇曼 摘要 现如今的城市建设发展迅猛，伴随而来的是越来越多的高层、超高层建筑，并且 城市的地下空间也被更多的开发利用，于是出现了大量的深基坑工程。目前基坑工程 以控制受力及变形为主，怎样有效控制好基坑受力及变形，保证基坑安全稳定是各设 计单位和施工单位追寻的目标。 本文结合深圳地铁某车站工程实例，在总结以往基坑工程研究成果的基础上，通 过理论分析和数值模拟方法对深基坑开挖与支护过程中的支护结构进行受力分析，并 对影响地下连续墙水平位移、墙后地表沉降的因素进行了系统研究。文章主要工作及 研究内容如下： ( 1 ) 论文通过查阅研究国内外深基坑工程有关资料与文献，对深基坑工程现状进 行了阐述，对深基坑工程设计中的支护结构设计、止水帷幕设计和降水设计等主要工 作进行了介绍，对涉及基坑计算的结构内力分析法、经典土压力计算理论和有限元理 论进行了论述总结。 ( 2 ) 模拟基坑开挖与支护的施工过程，利用经典土力学理论以及结构力学方法对 基坑支护结构进行了受力计算，分析了各工况支撑轴力的动态变化，与实测结果进行 了对比分析。 ( 3 ) 采用M I D A S G T S 有限元软件，建立了深基坑三维实体模型，选取M o h r C o u o m b 弹塑性本构模型，模拟深基坑开挖与支护施工过程中的最不利状况，即基坑开 挖后结构变形完成再架设支撑，计算得到了支护结构受力变形情况，与实测结果进行 了对比分析。 ( 4 ) 在有限元软件模拟基坑开挖与支护施工过程中，分别对基坑开挖后结构变形 完成再架设支撑与基坑开挖后结构尚未发生变形即架设支撑两种极限状况进行了计 算，分析了两种状况下支护结构受力及地下连续墙的变形情况。 ( 5 ) 利用有限元软件，选取不同的支护结构参数，包括连续墙的厚度以及支撑的 钢管管壁厚度，总结连续墙厚度对支护结构变形和地表沉降的影响规律，以及支撑钢 管管壁厚度对结构变形的影响规律。 关键词：地下连续墙；支护结构：深基坑；数值模拟；地表沉降 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 I 贾 A bs t r a c t N o w a d a y st h ec i t yc o n s t r u c t i o ni s s w i f t l ya n dv i o l e n t l yd e v e l o p i n g M o r e 如dm o r e h i g h 。r i s eb u i l d i n g sa n ds u p e rh i g h - r i s eb u i l d i n g sw e r eb u i l t ，a n dc i t yu n d e r g r o u n ds p a c ei s m o r ed e V e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o n M a n yd e e pf o u n d a t i o np i t sa r e a p p e a r e d A tp r e s e n t ，t h e m a i nw o r ko ft h ef o u n d a t i o np i ti s t Oc o n t r o lt h ef o r c ea n dd e f o r m a t i o n S o ，t h et a r g c to f d e s l g n i n gi n s t i t u t ea n dc o n s t r u c t i o no r g a n i z a t i o ni st oc o n t r o lt h ef o r c e 锄dd e f o r n l a t i o nw e l l t om a k et h ed e e pf o u n d a t i o ns a f ea n ds t a b l e T h i s p a p e rb a s e s o n o n ef o u n d a t i o n p r o j e c t c a s eo fS h e r l z h e I l s u b w a ys t a t i o n s u m m a r i z e st h er e s e a r c hr e s u l t si n t h e p a s t ， u s e st h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n dn u m e 订c a l s l m u l a t i o nm e t h o dt o a n a l y z et h ef o r c eo fs u p p o r t i n gs t r u c t u r ew h e n e x c a v a t i n g 锄d s u p p o r t i n g ，t h e n ，d o e sas y s t e m a t i cs t u d ya b o u tt h ee f f e c tf a c t o r so f u n d e r g r o u n dd i a p l 瑚舯 w a l l - d e f o r m a t i o na n ds u r f a c es e t t l e m e n tb e h i n dt h ew a l l T h i s P a p e r ，sm a i nw o r ka n d r e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) T h r o u g ht h em a s s i v el i t e r a t u r e s c o n s u l t i n ga n ds t u d y i n g ，t h i sp a p e rh a sd i s c u s s e d a n ds u m m a r i z e dt h es t a t u so fd e e pf o u n d a t i o np i t ，t h ed e s i g no f s u p p o r t i n gs n l l c t u r c t l l e d e s i g no fw a t e r p r o o fc u r t a i n ，a n dt h ed e s i g no fd e w a t e r i n g T h ep a p e ra l s os 啪m a d z e s 也e m e t l l o ao fc a l c u l a t i o ns u c ha si n t e r n a lf o r c ea n a l y s i s ，c l a s s i c s o i lm e c h a n i c st h e o r ya n d6 n i t e e l e m e n tm e t l l o d ( 2 ) T h r o u g hs i m u l a t i n gt h ep r o c e s so fe x c a v a t i n ga n ds u p p o r t i n g ，t h ep a p c ru s e sc l a s s i c s o i lm e c h a n i c sa n ds t r u c t u r a lm e c h a n i c st oc a l c u l a t et h ef o r c eo f s u p p o r t i n gs 饥】c t I l r e 廿l e l l a n a l y z e st h ed y n a m i cc h a n g eo fe a c hs t e p ，a n dc o m p a r e sw i t ht h ea c t u a 】s i t l l a t i o n ( 3 ) U s i n gf i n i t ee l e m e n t ss o f t w a r e ，t h eP a p e rc r e a t e sa3 - d i m e n s i o n a lm o d e l w i t h M o h r - C o u l o m be l a s t i c - p l a s t i cc o n s t i t u t i v em o d e l ，s i m u l a t e st h ep r o c e s so fe x c a v a t i n 2a n d 哪驴r t i n gI tc a l c u l a t e st h ef o r c ea n dd e f o r m a t i o no ft h es t r u c t u r e ，t h e nc o m p a r e sw i t l lt l l e a c t u a ls i t u a t i o n ( 4 ) T h r o u g ht h ef i n i t ee l e m e n t ss o f t - w a r e ，t h ep a p e rs i m u l a t e st w o l i r a i t i n gc o n d i t i o n ，o n e 1 St h a td e f o r m a t i o nh a v ef i n i s h e db e f o r e s e t t i n gu pt h es t e e ls u p p o r t ，a n o t h e ro n ei st l l a t d e f o r m a t i o nh a v e n ts t a r t e da f t e rs e t t i n gu p d e f o r m a t i o no fe a c hc o n d i t i o n t h es t e e ls u p p o r t ，t h e na n a l y z e st h ef o r c ea n d t h e ( 5 ) T h r o u g ht h ef i n i t ee l e m e n t ss o f t w a r e ，p i c k i n gd i f f e r e n tp a r a m e t e r so f t h es u p p o r t i n g s 仃u c t u r e ，i n c l u d i n gt h et h i c k n e s so fd i a p h r a g mw a l la n dp l a t et h i c k n e s s 0 ft h es t e e l s u p p o r t i n g ，t h ep a p e rs u m m a r i z e st h ei n f l u e n c el a wo fs t r u c t u r e ，sd e f o 彻a t i o nw i n lt h e s e d i f f e r e n tp a r a m e t e r s 一 堕重奎通大学硕士研究生学位论文第1 Il 页 I K e yw o r d s ：u n d e r g r o u u dd i a p h r a g mw a l l ；s u p p o r t i n gs t r u c t u r e ； d e 印f o u n d a t i 佃 p i t ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；s u r f a c es e t t l e m e n t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 V 页 L笪i i u 一I I 曼H i 曼曼曼 目录 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 深基坑工程国内外现状1 1 3 地下连续墙支护技术的发展现状2 1 3 1 地下连续墙发展历史“2 1 3 2 连续墙的受力计算理论现状。2 1 4 基坑的变形2 1 4 1 支护结构的变形3 1 4 2 基坑底部隆起3 1 4 3 地表沉降3 1 5 基坑支护工程存在的问题和事故原因4 1 5 1 基坑工程的失效模式4 1 5 2 基坑设计常见问题5 1 5 3 施工常见问题一6 1 5 4 基坑事故的原因分析7 1 6 本文主要的研究内容及方法7 第2 章深基坑工程设计理论9 2 1 深基坑支护结构设计9 2 1 1 支护结构的类型9 2 1 2 基坑支护结构设计原则10 2 1 3 基坑支护设计要求11 2 2 深基坑止水帷幕设计11 2 2 1 止水帷幕概念1 1 2 2 2 竖向止水帷幕设计11 2 2 3 基坑底部水平止水帷幕设计1 2 2 2 4 提高帷幕止水效果的技术措施1 3 2 3 基坑降水设计13 2 3 1 基坑降水方法1 3 2 3 2 并点降水方案设计1 4 2 4 基坑变形监测方法19 2 4 1 测试原理以及技术1 9 2 4 2 测斜管的埋设形式2 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第V 页 曼曼曼曼皇曼曼曼皇舅曼曼皇舅曼曼鼍皇曼曼曼曼詈皇曼曼曼曼曼曼量曼鼍曼曼m 一曼| l l 曼曼曼曼皇! 曼皇鼍皇皇曼曼曼曼曼璺蔓曼曼曼曼曼皇蔓葛 第3 章深基坑支护结构计算理论2 1 3 1 概述2 1 3 2 支护体系内力分析方法2 1 3 2 1 内力分析的古典方法2 1 3 2 2 支护结构体系内力分析的有限元法2 2 3 3 土压力计算经典理论2 3 3 3 1 郎肯土压力理论2 3 3 3 2 库伦土压力理论2 5 3 3 3 土压力经典理论存在的主要问题2 7 3 4 有限元法的基本理论2 7 3 4 1 概述2 7 3 4 2 基坑工程中的有限单元2 8 3 4 3 土体M o h r c o u l o m b 本构模型3 0 3 4 4 平衡初始地应力一3 2 第4 章基坑支护结构受力计算与数值分析3 3 4 1 地铁深基坑工程实例介绍3 3 4 1 1 工程概况3 3 4 1 2 该基坑工程施工方法与主要技术要求3 3 4 1 3 深基坑设计参数的选取3 6 4 1 4 工况的设定3 7 4 2 深基坑支护结构经典土力学方法的计算4 0 4 2 1 经典土力学计算4 0 4 2 2 结果分析4 4 4 3 基于M I D A S G T S 有限元软件的深基坑支护结构数值分析4 5 4 3 1 M i d a sG T S 有限元软件的功能及特点4 5 4 3 2M i d a s G T S 软件建模中的问题4 6 4 3 3 M i d a S G T S 有限元计算模型4 6 4 3 4 结果分析4 7 4 4 本章小结5 8 结论与展望5 9 虱【谢6 0 参考文献6 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 引言 目前，众多城市建筑基坑的发展有着深度更深、面积更大的特点，开挖深度般 在1 5 至2 0 m 之间，某些基坑工程基坑深度甚至达到2 5 m 以上，其宽度与长度也达到了 0 0 m 。同时，考虑到这些基坑地质条件复杂、数量繁多、分布密集、周围建筑物影响 以及复杂的基坑形式，使得基坑开挖的难度变得越来越大，所以对深基坑的开挖支护 计算与设计理论、施工技术等方面的要求也就越来越高。 伴随着深圳市经济发展和城市建设，该地区的深基坑工程数量变得越来越多、结 构本身越来越复杂，同时基坑周边的复杂环境给深基坑支护技术提出了更高的要求。 要怎样做到技术先进、保护环境、安全适用和经济合理就成为了深圳地区深基坑建设 研究的热点之一。 1 2 深基坑工程国内外现状 国外早在2 0 世纪4 0 年代，就由T e r z a g h i t 等人提出了对基坑的分析方法，他们提 出了用来计算支撑荷载大小的总应力法和预估挖方稳定程度得分析法，经过逐步修正， 这个方法到现在还被人们所使用。5 0 年代B j e r r u m t 等人对基坑底部隆起进行了分析。 6 0 年代在奥斯陆的软粘土基坑中对工程进行了监测，提高了对基坑预测的准确性。7 0 年代开始，基坑工程开挖相关的法规产生1 1 】。众多经济发达的城市立体化发展在7 0 年 代末基本完成，日本开始对更大深度的地下空间进行开发，深度达5 0 1 0 0 m 。 7 0 年代以前，我国的基坑深度都比较浅，深基坑支护设计的起步也比较晚，在7 0 年代初，北京成功完成深度达2 0 m 的基坑工程。8 0 年代以后，随着我国经济迅猛发展， 大量高层建筑拔地而起，上海、北京等城市深基坑工程持续增加，为以后基坑工程的 设计和施工提供经验。多年来我国基坑工程水平不断进步，学习参考国外的先进理论 与计算方法，形成了自己的一套基坑工程设计与计算方法。到了9 0 年代中期，经济发 达的地区如北京、上海、江浙一带，陆续形成了各自的规范，于1 9 9 9 年形成了国家规 范f 2 1 。随着城市发展，地下空间被越来越多的利用，比如城市地铁车站和地下商业中心 等。随之而来的，出现了很多基坑工程软件，如中国建筑科学研究院、北京理正软件 设计研究院以及上海同济大学等各自开发的软件【3 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 3 地下连续墙支护技术的发展现状 1 3 1 地下连续墙发展历史 地下连续墙技术源于欧洲，它是由打井和石油钻井所用的泥浆护壁以及水下浇筑 混凝土施工方法结合而发展起来的。1 9 5 0 年左右开始应用于工程，以法国和意大利应 用的最多，之后，在墨西哥也有所发展，并在地铁建造中采用地下连续墙技术，并创 造了高速施工的记录。随后，欧、美、以及日本等国相继使用，逐步变成一种地下墙 体和基础类型。 我国于1 9 5 8 年开始使用地下连续墙技术，随后在全国各地的一些高层建筑基坑上 使用，目前我国已施工的地下连续墙深度最深已经达到了5 7 m 。地下连续墙技术的主要 优点是适用于多种地质条件，施工时无振动，噪音低，不必放坡，不须要支模，墙体 刚度大于一般挡土墙，能承受较大的土压力，可避免地基沉陷与塌方，可用于建筑物 密集地区，在城市地下工程中是一种很好的施工方法。不足之处在于要用专门的设备 进行施工，单体工程造价略高，如现场管理不善，会造成施工环境泥泞潮湿。 1 3 2 连续墙的受力计算理论现状 地下连续墙施工阶段的静力计算方法目前还在发展中，尚未形成一个完善的设计 计算理论体系，目前的理论和计算方法大致有四类： ( 1 ) 较古典的计算方法：考虑土压力已知，不考虑墙体和支撑的变形，属于此类 方法的有等值梁法、二分之一分担法、泰沙基法等； ( 2 ) 弹性计算法：认为墙体弯矩和支承轴力不随开挖过程变化。计算条件为土压 力已知，考虑墙体变形，但不考虑支撑变形； ( 3 ) 考虑墙体弯矩和支承轴力随开挖、添加支撑而变化的一种计算方法。计算条 件：考虑土压力为已知，同时，既考虑支撑的弹性变位，又考虑墙体的变形； ( 4 ) 共同变形计算方法。认为土压力随墙体变形影响而变化，同时考虑墙体和支 撑的变形。 1 4 基坑的变形 变形包括三部分：支护结构或墙体变形、基坑底部向上隆起变形和基坑外地表沉 降。有研究显示三部分变形相互关联，支护结构变形对基坑稳定性有很大影响，同样 地表沉降对环境有很大影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 曼_ 一一一一 ； i m 一 一一i ；I 一一I I 皇鼍曼皇曼皇皇曼皇曼曼曼舅舅皇 1 4 1 支护结构的变形 ( 1 ) 结构的水平变形 基坑的支护结构不论是柔性结构或是刚性结构，刚开始开挖，深度不深，且支撑 尚未架设，结构项部水平位移最大，向下逐渐变小。支护结构是刚性结构，基坑开挖 深度增加，结构仍然保持着顶部位移最大，向下位移逐渐减小，呈三角形分布，或者 结构整体做朝着基坑内部平向移动。柔性结构项部水平位移保持不变或者顶部向基坑 外发生位移，结构腹部向基坑内突出。这是由于随着基坑的开挖，支护结构内侧原有 土压力卸载，同时基坑外侧受主动土压力作用，基坑底部支护结构的内侧将受全部或 部分的被动土压力作用，致使支护结构产生变形。 ( 2 ) 竖向变形 实际工程中，施工人员往往忽视了支护结构竖向变形监测，基坑开挖由于土体的 自重应力释放，使墙体在土体的带动下浮起，给基坑整体稳定、墙体自身的稳定和墙 后地表沉降都带来了一定的危害，尤其在软土基坑中。支护形式如采用灌注桩或地下 连续墙时，清孔不净、桩底有沉渣，则基坑开挖阶段支护结构也有可能下沉，地面也 会下沉 4 1 。 1 4 2 基坑底部隆起 基坑开挖解除了支护结构内部土体的自重应力，致使基坑底部土体产生回弹，开 挖还导致基坑底部的土体产生负孔隙水压力，土体吸水膨胀、软化使基坑底部隆起。 如基坑较窄，隆起形状中间大两侧小；如基坑较宽，基坑开挖刚开始不久，深度较浅 时，基坑底部向上隆起形状依旧中间大两侧小，当开挖深度达到一定程度时，基坑底 部向上隆起形状为中间小两侧大。 1 4 3 地表沉降 基坑的开挖会引起支护结构后一定范围的地表沉降，尤其是软土地基，地表沉降 对周边环境将造成危害。当开挖深度较大且土质软弱时，基坑周围土体塑性区范围较 大，土体的塑性流动也比较大，土体从支护结构外侧向基坑内部移动，由此使支护结 构后方地表产生沉降，这是地表沉降的主要原因。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 量曼曼曼曼量曼皇曼寰曼皇曼曼舅舅曼曼毫曼曼皇曼舅曼曼寰曼皇鼍, I 一 I I 皇曼曼曼曼鼍鼍曼 1 5 基坑支护工程存在的问题和事故原因 1 5 1 基坑工程的失效模式 基坑工程设计其最终目的是为了确保基坑支护结构能够有效地发挥其预定的作 用，不使基坑支护结构发生破坏或者功能性失效。基坑发生破坏或失效情况有以下几 种： ( 1 ) 基坑整体失稳：该失稳情况指在土体中形成滑动面，基坑支护结构、基坑外 部土体与基坑底部土体共同一齐丧失稳定性。一般来说，支护结构失稳后的变形形状 是其上部向坑外倾倒，而支护结构的底部向坑内移动，基坑底部的土体向上隆起，基 坑支护结构之外的土体下沉。 ( 2 ) 基坑底部隆起：该情况是指基坑底部受到土压力作用影响，会发生方向向上 的竖向变形。基坑底部土体隆起的原因有两种，一个原因是土体卸荷所引起的回弹， 一般来说数值较小，对于基坑工程安全的影响不会太大：另一个原因是在由于基坑开挖 所导致支护结构两侧产生土压力差，则基坑底部土体将产生塑性流动变形，一般来说 如果此类变形较大，说明土体中塑性流动已经比较严重，对基坑工程的安全有一定影 响。 ( 3 ) 基坑支护结构倾覆失稳：该情况在重力式支护结构或者悬臂式支护结构中比 较容易发生，基坑支护结构受到墙后主动土压力的作用，绕支护结构下部的某点转动， 其项部向基坑内侧倾倒。 ( 4 ) 基坑支护结构滑移失稳：该情况在重力式支护结构中容易发生，基坑支护结 构受到主动土压力作用向着基坑内部发生平移。而抵抗这样的滑移需要靠支护结构底 面的摩擦阻力与基坑内部的被动土压力来使结构不发生失稳。如果基坑支护结构底部 的地基土出现软化或者基坑底部土质本身软弱，则基坑工程可能会发生滑移失稳。 ( 5 ) 基坑支护结构底部地基承载力失稳：该情况是指重力式支护结构其本身自重 较大，结构底面压力过大，致使支撑该支护结构的地基承载力不足，进而引起结构失 稳。 ( 6 ) “踢脚”失稳：该情况是指基坑设置单支撑，有可能会发生绕着支撑点的转 动，如果支撑架设的位置较高，则支护结构上部将会向基坑外侧发生位移，而支护结 构的下部向基坑内部发生位移，最终支护结构上部向一侧倾倒，下部向另一侧上翻， 我们形象地称之为“踢脚失稳。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 量曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼皇I I I 一_ I 曼! 曼曼曼! 皇曼曼曼曼曼皇 ( 7 ) 基坑支护结构的止水帷幕功能丧失以及坑底渗透变形破环：该情况是指基坑 支护结构的止水帷幕的挡水功能丧失，使得基坑发生渗透、涌水、流土或流砂等情况， 这将导致基坑部分水土流失，基坑支护结构外侧地面会发生下沉甚至塌陷，使临近建 筑物发生结构开裂损坏或者倾斜。支护结构止水帷幕功能丧失以及坑底渗透变形一般 来说主要的原因是施工不当所造成的，其次是设计不当和材料问题所造成。 ( 8 ) 基坑支护结构的结构性破坏：该情况是指支护结构其本身出现裂缝、受剪折 断或者受压屈服破坏，导致支护结构丧失承载功能。 ( 9 ) 基坑支、锚体系失稳破坏：该情况的破坏有两种不同的模式，其中种是锚 杆发生断裂、拔出或预应力松弛。土锚的破坏大多是局部的，而群锚的破坏是土体失 稳造成的并非是锚杆的结构性破坏；另一种是支撑的失稳，该情况一旦发生很可能是 整体性的，因为支撑体系大多是超静定的，局部的破坏会造成整体的失稳，尤其是钢 支撑体系的局部节点失效概率比较大【5 】。 1 5 2 基坑设计常见问题 目前在深基坑支护结构的设计理论有着十分显著的发展，但仍然存在许多不足之 处。这些不足主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 计算时的支护结构受力与实际受力不符 基坑支护结构是用极限平衡理论来计算的，而支护结构的实际受力并非一个简单 的、可以精确简化的形式。众多实际的工程证明，一些支护结构的设计计算通过用极 限平衡理论来进行，结果显示其安全系数在工程中是处于绝对安全的范围，但最终基 坑还是发生了破坏；相反一些支护结构的安全系数值很小甚至低于规范要求，可在实 际工程中却未发生破坏并且一切功能正常。实际工程中开挖后的土体是一种动态平衡 状态，随着开挖的进行，土体强度随之降低，土压力的改变使得土体发生位移，进而 支护结构形状也发生相应改变，而基坑支护结构用极限平衡理论设计是一种静态设计。 这种改变在设计中应当考虑在内，目前设计计算常常忽视这种改变。 ( 2 ) 对于土体的物理力学参数选择不适当 基坑的安全度主要取决于支护结构所承受的土压力大小，于是土压力的计算结果 精确与否尤为重要，要精确的计算土压力就要对土体选择适当的力学参数。由于目前 我们仍采用库伦公式或朗肯公式，摩擦角、弹性模量、粘聚力等参数的选择成为了一 个非常复杂的问题，因为随着基坑的开挖，参数值都是变化的，支护结构的实际受力 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 也将会很难的精确计算。可见，在支护结构设计时，如果土体的物理力学参数选值不 当，设计结果会有很大的偏差。 。 ( 3 ) 未能考虑深基坑开挖所存在的空间效应 基坑工程是一个空间问题，通过以往基坑工程实测资料表明，基坑发生的水平位 移是中间大两边小。长边的居中位置往往是深基坑边坡失稳最常发生的部位。通常把 基坑支护看作平面应变问题来考虑，对与长与宽比值较大的基坑来讲，用平面应变假 设可以成立，但对与长宽比较小近似方形的深基坑工程，再用平面应变假设则与实际 情况相比差别较大【7 】1 8 】。因此，在应用平面应变假设设计时，应考虑到其空间问题，进 行相应的处理，相应的调整支护结构构造，满足开挖时的空间效应要求【9 】。 ( 4 ) 地质勘查阶段对土体的勘察具有局限性 在设计基坑工程支护结构前，首先要对该地区的地质情况进行勘察，土体取样分 析以及试验得到土体的各项参数。按规范以一定的密度进行取样，有时为了降低工程 造价而减少勘探的工作量，设置钻孔时由于分布稀疏，取样具有一定的随机性。与此 同时土层地质的构造复杂多变，得到的土样只能片面的反映该地区的地质情况。故不 能在完全符合实际地质情况条件下进行基坑支护结构的设计。 1 5 3 施工常见问题 基坑工程施工时，通常存在以下几方面的问题： ( 1 ) 现场管理不到位，在施工前对基坑工程施工设计马马虎虎不细致，未能预测 在施工过程中可能会发生的问题。有的施工单位虽有相对完整的一套施工设计，但单 凭感觉不按规定施工，或施工方为了省钱，擅自发包施工任务、自行管理，很容易发 生事故，如发包任务后，一个施工队进行支护工程施工，另一个施工队进行开挖土方， 结果开挖后，两个施工队未能衔接起工作，支撑迟迟未能架设，导致支护结构变形过 大，支护体系失稳，还会使周围地表沉降，严重的会使邻近建筑物整体沉降或局部倾 斜沉降以及地下管道变形。 ( 2 ) 施工时因施工场地地面超荷载过大或局部超荷载过大，造成基坑结构破坏塌 方事故。 ( 3 ) 排水工作、降水措施使用不当，会降低边坡土体的抗剪强度、加大基坑的变 形和支护结构外侧地表沉降，同样会引起基坑破坏； 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 ( 4 ) 随基坑的开挖，基坑内部土体卸载产生底部向上的隆起或管涌现象，如果不 能及时处理，支护结构将会受到破坏，引发基坑失稳，以及支护结构外侧地表沉降过 大，造成邻近建筑物倾斜沉降及临近的地下管线受到破坏f 6 】。 ( 5 ) 监测技术同样是施工的一个重要问题，应给予足够重视。地质情况不明确、 施工环境复杂等基坑工程的特点决定了深基坑施工是一项很复杂的技术工作，如果各 项工作不给予足够的重视，往往会造成重大事故，对生命财以及对工期都会造成很严 重的影响。例如一些建设单位对施工监测工作不给予重视，未进行任何监测手段，单 纯凭借经验施工；一些基坑工程虽然对监测足以重视，每天进行监测，但却没有专业 人员分析，现场管理人员未能发现问题，同样会造成基坑事故发生。 1 5 4 基坑事故的原因分析 ( 1 ) 基坑设计时采用悬臂桩，对变形的控制不善，或设计时有设计内支撑，不过 施工开挖引起结构变形已经很大了，而支撑未能及时加上，导致支护结构失效破坏。 ( 2 ) 基坑侧壁帷幕功能丧失，或者使用锚杆系统时，锚杆深入到了承压含水层未 能采取相应措施，导致基坑壁沿锚孔漏水析土。 ( 3 ) 基坑底部封闭不严，基坑向上隆起发生管涌、承压水上涌造成基坑底部建筑 破坏。 ( 4 ) 在深厚淤泥质土层中，土方开挖失控致使桩体严重倾斜，支护功能失效。 ( 5 ) 基坑设计时，没有进行稳定性分析计算，边坡失稳，桩身受土体挤压倾斜偏 移。 ( 6 ) 粘性土、非饱和土或者软岩受到水的浸润，地层强度大幅度下降，土压力增 大，使得桩体承载力不足失稳。 1 6 本文主要的研究内容及方法 影响基坑开挖的因素十分繁多复杂，如在现场或室内做相关试验，操作复杂、费 用高昂、荷载条件与边界约束条件很难模拟，采用有限元法进行数值模拟可以灵活的 模拟复杂条件，且花费很少，因此工程在设计时经常用有限元数值模拟来进行分析。 论文所结合的深圳地铁某车站深基坑工程由于开挖深度最深达到2 5 m ，并且基坑周围是 城市的重要道路以及管线，以及部分采用浅基础的建筑物，所以工程的开挖与支护难 度十分大。在没有相关类似工程经验的情况下，十分有必要对该工程进行有限元数值 模拟分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 量一一一 I I ； 一一I 曼曼毫曼量舅舅! ! 一般来说，基坑工程具有临时性，因此需要设计人员一方面对其安全性给予保证， 另一方面对其经济性给予重视，设计人员通过对工程进行数值模拟，对基坑的性状进 行深入研究，了解支护结构受力情况以及支护结构伴随土体的变形特性，从而确定一 种即合理的护形式且使用最少造价的方案。 本文以M I D A S G T S 软件，结合工程实例，对深基坑工程支护结构进行理论计算与 数值模拟，就以下述几个方面进行研究： ( 1 ) 结合车站深基坑工程，运用经典土力学理论与M I D A S G T S 软件，模拟施工过 程，对结构进行受力计算分析； ( 2 ) 分析基坑支护结构的变形量和墙后地表的沉降量，总结出基坑施工过程时的 变形规律； ( 3 ) 计算支护结构内支撑的轴力，分析各工况下轴力的动态变化； ( 4 ) 将M I D A S G T S 软件数值分析结果与实测结果对比，验证基坑支护结构设计的 合理性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章深基坑工程设计理论 2 1 深基坑支护结构设计 2 1 1 支护结构的类型 深基坑支护结构类型大致可分以下几种，可根据不同情况选择相应的支护结构类 型： ( 1 ) 钢板桩支护 钢板桩支护技术一般是由钢板桩配搭锚拉杆或者钢板桩配搭内支撑组成。其特点 是：施工简单，投资经济，但由于钢板桩本身柔性较大，如果内支撑或锚拉系统的安 排设置不合理，钢板桩的变形便会很大。 ( 2 ) 地下连续墙支护 该支护技术是当有泥浆护壁的时候，用专f - 3 锘a J 作的挖槽机械来开挖相应深度的沟 槽，通过吊车将钢筋笼吊放入沟槽，然后浇筑混凝土。其形式多种多样，还兼有承重、 挡土、截水和防渗透等功能，还可以作地下室的外墙。其不足在于此项技术需要专用 的设备来进行施工，如仅对于一个单体施工，其造价就会相对较高。但对复杂的地质 条件以及复杂的施工环境，连续墙支护的适应能力较强，施工时不必放坡施工，国内 的地下连续墙深度已经达到3 6 m ，壁厚1 m 。 ( 3 ) 排桩支护 排桩支护是指以队列的形式，有间隔的布置钻孔灌注桩和钢筋混凝土挖孔桩，将 其作为挡土支护结构，支护结构形式一般可分为悬臂支护、悬臂配合单锚杆和悬臂配 合多锚杆结构，桩的形式可分为单排桩或双排桩。这种支护方法适用于开挖深度小于 l O m 的粘土地层，以及小于8 m 的砂性土地层，以及小于5 m 的淤泥质土地层。 ( 4 ) 土钉支护 此项支护技术用于开挖土体与边坡稳定，是一种新型挡土的技术。土钉是一个用 来加固现场原位土体的细长杆件。通常，先钻孔再放入变形钢筋，并沿洞孔全长注浆， 依靠土体相互间的粘结力与摩擦力相互作用，土体发生变形时土钉被动承受拉力，最 后由密集的土钉群以及加固了的土体喷射混凝土形成面层作为支护体系。该技术边开 挖边支护，这样能够有效的减少土体的扰动，并且能够保持土体强度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 篡皇曼曼曼曼蔓曼蔓曼皇曼曼量曼曼蔓皇曼詈曼曼曼曼蔓曼皇皇曼量寰! 曼曼皇曼曼曼曼皇皇曼曼曼曼寰曼曼! 曼曼皇曼曼鼍! 曼曼皇曼蔓曼曼曼量曼曼蔓曼鼍皇曼鼍I I 曼曼曼量曼曼皇 ( 5 ) 深层搅拌支护 该方法将水泥固化剂与软土剂拌合，软土剂与固化剂产生一系列物理化学反应， 达到强化效果，最后形成一个具有一定强度的水泥土桩墙。适用于淤泥质土、粘土、 粉质粘土、粉土等土层。 ( 6 ) 锚杆或喷锚支护 锚杆支护技术与土钉墙支护技术相似，其步骤是将锚杆锚入稳定的土体中或者岩 石层中，锚杆的外端与支护结构连接来维护基坑稳定，并根据情况考虑施加预应力。 并且锚杆可以与地下连续墙、单排桩或多排桩、土钉墙等支护结构联合一齐使用。但 是此方法不宜用于地质情况为有机土的地层，以及液限高于5 0 的粘土地层以及相对密 度小于0 3 的砂土地层【1 0 1 。 ( 7 ) 拱圈支护结构 拱圈分为闭合拱与非闭合拱两种，其形式包有圆拱圈、椭圆拱圈和二次曲线拱圈， 拱圈挡土结构能够承受水平方向的土压力，因为拱圈受的内力主要是压力，弯矩很小， 由于混凝土构件抗压强度高，能够很好的起到支护作用。同时该支护技术施工便捷， 节省短。但是这种技术对施工场地有要求，要适合拱圈布置，基坑构造应符合圆环受 力的特点，同时要重视拱脚的稳定性，提供可靠的保证措施【1 1 1 。 2 1 2 基坑支护结构设计原则 基坑支护结构设计包括支护体系的选型、支护结构强度与变形计算、土体稳定性、 降水设计、渗透稳定性、监测内容等，设计的基坑工程基本功能应满足地下工程施工 空间要求，还应满足主体工程地基及桩基安全的要求，以及对周边环境的安全要求等。 基坑支护结构一般为临时性结构，综合考虑当地水文地质条件、场地大小、开挖 深度和周围环境等因素因地制宜，应遵循以下四点原则布置支护结构体系： ( 1 ) 基坑支护结构的构件不可超出建筑用地范围，如桩、板、墙，止水帷幕，支 撑、锚杆等。 ( 2 ) 基坑支护结构构件如内支撑，不能影响地下主体建筑的施工，确保邻近建筑 物和地下管线不受影响。 ( 3 ) 基坑平面尽量选择圆形、正方形和矩形等受力情况较好的形状，便