（岩土工程专业论文）深基坑现场实测分析及数值模拟.pdf

硕十学位论文 摘要 摘要 目前，我国许多大城市都在建设和规划建设地下工程项目，相应 地出现了大量的深基坑施工工程问题，而且基坑规模和深度都在不断 加大，由此产生的城市环境岩土问题使地下结构的设计施工成为工程 建设中的重点难点问题。 本文结合深圳桂龙家园实际工程背景进行了相关的研究和分析， 在总结以往研究成果的基础上，针对基坑开挖过程中支护结构受力及 坑周土体位移等进行了现场实测研究，并对实际工程分步开挖过程中 土的支护体系受力和变形进行了有限元分析。本文的主要工作如下： ( 1 ) 对深圳市桂龙家园深基坑工程施工进行了现场实测，通过对 其支撑体系内力和坑周土体位移的现场施工监测和数据结果分析，讨 论了基坑开挖过程中支护体系的受力特点以及对周围环境的影响，得 到了基坑周边土体位移的变化规律。 ( 2 ) 对桂龙家园深基坑工程的支护体系进行了数值模拟，分析时 考虑了围护结构与土体的相互作用，计算了各种开挖工况下支护体系 和围护桩的受力以及变形情况。通过与现场实测数据的对比分析表 明，该支护型式适合在本地区深大基坑工程中推广应用。 ( 3 ) 本文围绕分步开挖过程中深基坑支护体系应力和变形进行了 较深入的研究，通过分析表明，研究成果是合理的，起到了施工超前 预测、预报的效果，为实际工程提供了理论依据和指导，有助于提高 深基坑的设计水平和安全性，并为类似工程的设计、施工和研究，丰 富和积累了宝贵的经验。 ( 4 ) 最后文章论述了深基坑工程的优化原理，提出了深基坑工程 优化设计的主要途径和方法，编制了优化程序，通过对实例分析，取 得了满意的效果。 关键词深基坑，开挖，桩锚支护体系，数值模拟，优化 硕十学位论文 ab s t r a c t a bs t r a c t i nr e c e n td e c a d e s ，ag r e a td e a lo fu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n gi su n d e r c o n s t r u c t i o no rr e v i e w si nm a n yc i t i e s ，a n da ts a m et i m em a n yp r o b l e m s i n d e e p e x c a v a t i o n p r o j e c t s w i l la l s oc o m ef o r t h s ot h e g e o e n v i r o n m e n t a lp r o b l e m sb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti nd e s i g n a n dc o n s t r u c t i o no fs u b s t r u c t u r e sw i t ht h es c a l ea n dd e p t ho fe x c a v a t i o n i n c r e a s i n g c o m b i n e d w i t hs h e n z h e n g u i l o n g h o m e s t e a de x c a v a t i o n e n g i n e e r i n g ，r e l a t i v es t u d i e si nt h i sd i s s e r t a t i o na r ec a r r i e do u t o nt h e b a s i so f r e a d i n ga l o to fl i t e r a t u r e sa n ds u m m a r i z i n gt h ef o r m e rr e s e a r c h a c h i e v e m e n t s ，i n s i t em o n i t o r i n gh a sb e e nd o n ei nv i e wo fr e s p o n s eo f s u p p o r ts y s t e ma n dd i s p l a c e m e n to fa d ja c e n ts o i ld u r i n gt h ep r o c e s so f d e e pe x c a v a t i o n f i n a l l y ，u s i n gf i n i t ee l e m e n tp r o g r a m ，d e f o r m a t i o n s ，s t r e s s d i s t r i b u t i o na n dt h e b r a c i n gr e s p o n s e h a db e e nc a l c u l a t e d d u r i n g u n d e r g r o u n de x c a v a t i o nb ys t e p so ft h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n g t h e c o n t e n t si n c l u d e ： ( 1 ) i n - s i t ee x p e r i m e n t a ls t u d yw a sc o n d u c t e df o rd e e pe x c a v a t i o ni n s h e n z h e ng u i l o n gh o m e s t e a d i ti n c l u d e ss u p p o r ts y s t e mr e s p o n s ea n d h o r i z o n t a lg r o u n dm o v e m e n t t h i ss t u d yu s e sf i e l dd a t af r o mc a s es t u d i e s t od i s c u s si nd e t a i lt h ec h a r a c t e r i s t i co fi n t e r n a lf o r c e c h a n g ea n d d e f o r m a t i o ni nc a b l ea n dt h ei n f l u e n c eo ne n v i r o n m e n ti nt h ec o u r s eo f e x c a v a t i o n t h r o u g ht h e s ea n a l y s e s ，t h el a wo fh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n ti n a d j a c e n ts o i lw a so b m i n e d ( 2 ) t h ef l a cn u m e r i c a la n a l y s i si sp e r f o r m e df o rt h es u p p o r t s y s t e mi ns h e n z h e ng u i l o n gh o m e s t e a de x c a v a t i o ne n g i n e e r i n g i nt h e a n a l y s i s ，s o i l s ，r e t a i n i n g s t r u c t u r ea n dh o r i z o n t a lc a b l es t r u c t u r ea r e m o d e l l e d i n t e g r a l l yw i t h e x c a v a t i o n s e q u e n c ea n dt h e i n t e r a c t i v e r e s p o n s eb e t w e e n s o i la n ds t r u c t u r ei s i n v e s t i g a t e d b yc o m p a r i n g b e t w e e nf i e l dd a t aw i t ht h ec o m p u t i n gr e s u l t ，t h er e s u l t so b t a i n e ds h o w t h ei m p o r t a n tr o l eo ff l a cc a np l a yf o rt h ep r e d i c t i o na n de v a l u a t i o no f t h ef i e l dr e s p o n s ea n ds u p p o r ta s s o c i a t e dw i t hu n d e r g r o u n de x c a v a t i o n s i n v o l v i n gm a n yc o m p l e xf a c t o r s t h ea p p l i c a b i l i t yo ft h es u p p o r ts y s t e m t y p eo nd e e pe x c a v a t i o ni sv e d f i e df u r t h e r m o r e ( 3 ) t h i st h e s i sh a sa n a l y z e dt h er e s p o n s eo fs o i l sa n dt h eb e h a v i o ro f s u p p o r ti nt h ep r o c e s so fe x c a v a t i o nb ys t e p s t h er e s u l t sa c q u i r e db y m e a n so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n i nt h i st h e s i si sr e a s o n a b l ea n dt h a tt h e p r e d i c t i o nb e f o r ec o n s t r u c t i o ni sp r o p e ri sa l s op r o v e d s ot h e o r e t i c a l b a s i sa n dg u i d a n c ea r e p r o v i d e d t oa c t u a l e n g i n e e r i n ga n dt h e s ec a n c o n t r i b u t et o i m p r o v et h es t r u c t u r ed e s i g nl e v e la n ds a f e t y v a l u a b l e d e s i g n ，c o n s t r u c t i o na n ds c i e n t if i cr e s e a r c he x p e r i e n c e sa r ec u m u l a t e d a n dp r o v i d e dt ot h es i m i l a re n g i n e e r i n g ( 4 ) f i n a l l y ，t h ep r i n c i p l eo fd e s i g n o p t i m i z a t i o no fd e e pe x c a v a t i o n e n g i n e e r i n gi se x p o u n d e di nt h et h e s i s t h em a i nm e t h o d sa n dw a y so f d e s i g n o p t i m i z a t i o na r ep r o p o s e d k e yw o r d s d e e pf o u n d a t i o np i t ，e x c a v a t e ，p i l e a n c h o rs u p p o r ts y s t e m ， 、t 一一一 n u m e n c a la n a l y s i s o p t i m i z a t i o n i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：鲢劁日期：2 堕年月盟日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：型年月= _ t e l 硕十学位论文第一章绪论 1 1 基坑工程的发展概况 第一章绪论 基坑工程是基础和地下工程施工中的一个传统课题。它涉及的内容很多，主 要包括围护体系设计和施工开挖。基坑支护体系的稳定和变形研究，主要包括下 述方面：围护体系的合理型式及适用范围、围护结构的设计及优化、围护结构的 变形，以及基坑开挖对周围环境的影响等等。但是基坑工程往往具有很强的整体 性和技术综合性，是一个复杂的系统工程。它涉及到岩土、结构、土力学、渗流 力学以及水文地质和工程地质等众多学科，并要考虑土与结构的共同作用，它集 稳定、变形、渗流以及时空效应、环境效应于一体。目前，深基坑围护结构设计 理论虽然有了很大的发展，但仍存在诸多不足。如开挖过程的模拟、本构参数的 选取还需进一步研究：在基坑整体稳定分析中，对承压水和渗透力很少考虑等等。 因此，需要更严密地系统地处理问题。另一方面，基坑还表现出明显的区域性和 个性。譬如，有的基坑工程由于土压力引起围护结构的稳定性是主要矛盾，有的 由于地下水渗流引起的水土流失破坏是主要矛盾，有的控制基坑周围地面变形量 是主要矛盾等等。目前土压力理论还很不完善，静止土压力一般按经验确定或按 半经验公式计算，主动土压力和被动土压力按库伦土压力理论或朗肯土压力理论 计算，这些都出现在t e 陀g h i 有效应力原理问世之前。在考虑地下水对土压力的 影响时，是采用水土压力分算，还是采用水土压力合算较为符合实际情况，在学 术界和工程界认识还不一致。作用在围护结构上的土压力与挡土结构的位移有 关，基坑围护结构承受的土压力一般是介于主动土压力和静止土压力之间或介于 被动土压力和静止土压力之f b j 。另外，土具有蠕变性，作用在围护结构上的土压 力还与作用时间有关。因此强调基坑工程地区域性和个性是很重要的。基坑围护 结构的设计施工、开挖以及位移应力监测都要因地制宜，不同地区的工程经验可 以借鉴，但是绝不能照抄照搬i l 儿2 j 1 3 】。 我国自2 0 世纪9 0 年代以来兴建了大量的高层建筑、道路桥涵及地下管线等 公共设施，另外，近年来我国许多大城市都在建设和规划建设地铁项目，相应的 出现了大量的深基坑施工工程问题，如基坑开挖、支护、降水等等，而且基坑规 模和深度都在不断加大，随之出现了许多新的岩土工程课题急待解决。尤其在建 筑物集中的闹市区、地下管线密集、交通要道等等施工条件苛刻的区段，深大基 坑的开挖、降水、支护体系的安全稳定性以及由此产生的城市环境岩土问题( 如 周围地表及地下管线沉降、周围建筑物倾斜开裂等) 使地下结构的设计施工成为 工程建设中的重点难点问题。目前，我国的工程技术人员在基坑的设计、计算、 硕十学位论文 第一章绪论 施工技术和监测手段等方面已经取得了长足的进步和丰富的经验。进入2 1 世纪， 随着计算机技术水平的不断进步、基坑测试技术的不断提高，基坑工程将会进入 一个快速发展的时期，特别是基坑支护体系的稳定、变形以及考虑地下水作用的 流固耦合等问题研究将是基坑工程发展的方向【4 】【5 1 1 6 j 【7 】。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内研究现状 从2 0 世纪8 0 年代至今，国内在基坑支护技术领域取得了很大的发展，总结 出了丰富的工程经验，同时在全国许多城市的基坑工程中由于经验不足和对该技 术掌握的不成熟等原因，也出现了一些工程事故，留下了惨痛的教训。国内在基 坑支护领域的发展现状主要体现在以下几个方面： 在2 0 世纪7 0 年代以前，较浅基坑常采用放坡开挖和钢板桩支护，到2 0 世 纪8 0 年代广泛采用钢筋混凝土护坡桩加锚或内支撑方法，由于这种支护结构产 生的水平变形较小，因此解决了深基坑支护的位移问题，有效保护了城市市区基 坑垂直丌挖和周边既有建筑物、地下管线的安全i s l 9 1 。 随后地下连续墙技术在基坑支护中得到应用，使得地下连续墙的优点得以充 分发挥，既可以挡土又能够有效的截止基坑内外的渗流，解决了基坑开挖造成周 边地面却建筑物的沉降问题，同时又可以作为地下室结构外墙，可扩大地下空间 的利用范围l l o 】。 2 0 世纪8 0 年代后期部分地区开始普遍采用土钉墙支护技术，这一技术与护 坡桩和地下连续墙相比，工程造价明显降低。土钉墙与土方开挖同步进行，施工 速度较快。该技术的应用已经从早期的8 m 以内发展到应用在1 5 m 以上深度的基 坑，目前也有基坑深度2 0 m 的工程采用了土钉墙支护技术。特别是近期出现的 复合土钉墙支护技术，将土钉墙与搅拌桩、旋喷桩或预应力锚杆结合起来，使得 土钉墙技术在深基坑中的应用及垂直土钉墙成为现实，并改善了土钉墙支护型式 变形较大的缺陷j i 陀j 。 锚杆技术自应用到基坑支护工程中以后，结合基坑支护的特点，其施工工艺 也得到了很大的提高和改进。为了提高锚杆的承载力，由常用的一次注浆发展为 二次、多次重复高压注浆。成孔工艺也出现了机械、水冲、爆破等扩孔方法。施 工机械大量引进了国外较为先进的设备，使适用地层的范围、成孔速度、锚杆施 工长度等方面的能力都有了明显提高i i 川。 2 0 世纪8 0 年代初期以前，在高地下水位的地层条件，基坑开挖与支护一般 常与井点降水相结合。施工期的场地降水，会引起场地周围地下水位的下降，易 2 硕十学位论文第一章绪论 造成周围房屋的下沉开裂和危及建筑物安全等严重问题，因此常造成建筑方与相 临建筑产权方的矛盾和纠纷。这类工程事故的发生使人们逐渐重视对周边环境的 保护，并成为基坑支护工程要解决的一个非常重要的问题。因而旋喷、摆喷、定 喷等喷射注浆截水帷幕和搅拌桩截水帷幕在目前的基坑截水中常被采用，并且化 学注浆的方法有时也被应用i l4 j 【l 引。 进入9 0 年代，人们对三维立体化空间的需求不断增长。一方面城市高层建 筑成为发展趋势，建筑基坑越挖越深：另一方面，地下空间的开发利用也已成为 发展方向之，地铁、地下商城、地下油库和地下停车场等大型建筑物不断增多。 基坑开挖与城市建设密集、地下管线众多、建设场地狭小，周围环境要求高等不 利因素的矛盾更加突出。大坡度大深度的基坑开挖给设计、施工及周围环境保护 都提出了许多新的问题，使岩土工程的经典理论面临着新的课题。这一阶段，全 国各地的科研机构、设计和施工单位，在学习外国先进理论、借鉴外国先进技术 的基础上，积极开展了基坑工程的理论研究，在基坑支护设计基本原则，水土压 力的分算与合算，土的强度等级，土压力计算方法；支护结构设计计算方法，支 护结构选型等多方面进行研究。比如在上海市，建筑物密集，地下管线众多，交 通网络纵横，环境保护要求高，给深基坑工程设计与施工带来极大困难，虽然也 有过一些事故，但总体来说设计和施工水平有很大提高，基本上达到了国际水平。 将先进的仪器和计算机技术应用于实验和实测分析，各种各样的新型支护结构在 我国开始大量应用；为总结我国深基坑设计与施工经验，一些大城市和地区深基 坑设计与施工的法规、指南等相继出台，全国性的法规规范也已问世。有关深基 坑工程方面的全国学术性会议几乎每年5 都在举行，其推动着我国深基坑工程理 论与实践向世界水平靠近并具有领先的水平【1 4 】f 1 5 】1 1 6 】1 1 7 l 【1 8 1 。 1 2 2 国外研究现状 在国外第二次世界大战后的2 0 多年间，欧美地区一些发达国家在城市建设和 工业化进程的推动下，高层建筑和修建城市地下铁路等，出现了大量的基坑工程， 基坑支护技术的研究随之开展起来。最早提出基坑分析方法的是捷克学者 t e r z a g h i 和p e c k 等人，他们早在2 0 世纪4 0 年代就提出了预估挖方稳定程度和支撑 荷载大小的总应力法。5 0 年代b j e r r u m 和e i d e 给出了分析深基坑坑底隆起的方法。 6 0 年代开始在奥斯陆和墨西哥城的软粘土深基坑中使用了仪器进行监测，这一时 期基坑支护技术发展的成就主要表现在：深化并发展了对基坑支护概念的认识， 发展了土压力理论，提出了较符合工程实际的挡土结构内力分析模型和计算方 法，试验和测量技术以及对土性参数的确定和土体本构模型的研究等方面都得到 了迅速发展。尤其是各种新型挡土结构的出现和应用为基坑支护技术的进一步发 硕十学位论文第一章绪论 展开辟了广阔的前景，并积累了大量的工程经验，形成了适用性较好的经验丰富 的设计、施工和颁测基坑变形的方法【1 w 1 2 。 值得一提的是土层人工冻结围护深基坑技术，是利用软土含量高的特点，在 拟开挖的场地周围土体中插入冻结管，通过冻结土体形成具有一定结构强度的墙 体，以此作为基坑施工的围护结构该技术具有土体强度提高幅度大、良好的防渗 性能、适应性强、环境影响小及造价低于常规方法等优点。该方法设计中可实现 冻结管布设、温度及墙体厚度的优化配置目前国内许多应用常规支护方法施工 的基坑都不同程度地出现过基坑倒塌失稳事故，造成了巨大经济损失。而人工冻 结施工的冻结墙体兼具有结构强度和防渗性双重作用，对于挖坑较浅，方便于常 规支护方法的基坑，冻结法的效益不十分显著：但对于挖深超过l o m 的深基坑，其 造价显著低于常规方法，而且效果甚好，此方法在国外广泛使用，目前国内还尚未 采用，应该在国内大力推广，以促进我国的基坑工程技术的发展【2 l 】【2 2 1 。 1 3 深基坑工程的若干问题 1 3 1 深基坑的开挖形式 深基坑开挖可采用不同的方法，设计前应根据所收集资料和建筑物要求、现 场调查和工程地质勘察报告，综合施工经济性、安全可靠性、施工场地的大小， 开挖面积大小、形状和深度、开挖时间和施工工期，场地周围建筑物的重要性等 诸多因素，拟定出在技术上、经济上合理的基坑开挖方式【5 】【2 3 】【2 4 】【2 5 】【2 6 】。 基坑开挖的形式大体可分为四类：放坡丌挖、挡土支护丌挖、分部开挖和组 合开挖。 放坡开挖是基坑开挖常用的一种形式，适用于硬塑、可塑性粘土和密实砂土， 当开挖底面位于地下水之下须先降水。采用放坡开挖时，基坑开挖的面积要大于 实际基坑的面积。因此，施工现场要有足够的放坡场地。同时还需要选择合理的 边坡，以保证开挖过程中边坡的稳定性。 挡土开挖是在建筑物较密集、施工场地受到限制的地区采用的一种方法，即 在施工开挖基坑周围设置支护结构：支护结构可采用支撑或者土层锚杆加固，以 减小其内力和位移。 分部开挖就是首先在基坑周围将板桩打好，开挖时，先在中间部分开挖，而 板桩周围一定范围内的土暂时不开挖，使之形成被动土压力，用以保证板的稳定 性，当中间的基坑或地下结构物施工完成后，用斜撑或水平撑把板桩支撑到已施 工完毕的基础或地下结构物上，然后再进行四周土体的挖掘和结构施工。 组合开挖就是在周围环境要求相对不严格，有一定的放坡的条件下，采用上 4 硕+ 学位论文 第一章绪论 部部分放坡，下部用挡土结构支撑土体的方法。这种方法可以节省工程费用。 1 3 2 深基坑支护的主要方法 深基坑支护首先要保证支护结构的安全性，同时也要兼顾经济性和施工便利 性。目前所采用的基坑支护措施多种多样，常用的支护结构类型有以下7 种 4 1 1 5 1 1 2 3 1 1 2 5 】【2 6 】【2 7 】。 ( 1 ) 钢板桩支护钢板桩应用于建筑深基坑的支护，是一种施工简单，投资经 济的支护方法。在软土地区过去应用较多，但由于钢板桩本身柔性大，如支撑或 锚拉系统设置不当，其变形会很大。因此对基坑支护深度达7i n 以上软土地层， 基坑支护不宜采用钢板桩支护，除非设置多层支撑或锚拉杆，但应考虑到地下室 施工结束后钢板桩拔除时对周围地基和地表变形的影响。 ( 2 ) 水泥土围护墙支护水泥土围护墙属重力式围护墙，在软土地区应用广泛， 支护深度一般不超过6m 。当被支护土层c 1 5k p a 时，可不降水使用水泥土挡土 墙支护，反之，要采取降水措施。由于水泥土的渗透系数k 1 0 1 0 8 c m s ，属 不透水结构，因此，既能挡土又能挡水。同时，由于它属重力式结构，靠本身重 量即可抵抗侧向力保持平衡，一般内部无支撑，便于基坑内机械挖土和地下结构 施工，且施工简便、费用较低，已有成熟经验。 ( 3 ) 土钉墙支护土钉支护是一种边坡原位加筋支护技术在2 0 世纪7 0 年代， 德国、法国、美国、日本等已开始研究并应用于实际工程中。目前，中国已出版 了与土钉支护技术有关的规程、手册和专著，并且在全国各地基坑工程、边坡治 理过程中得到一定的推广。基坑土钉支护技术规程规定，土钉支护方案仅适 用于砂性土、粉土、以及粘性土等土质较好的地区，所以，该技术在北方应用的 早一些。后来，东南沿海一带以淤泥及淤泥质土为主的软土地区亦开始应用此技 术为适应这一带软土的特性，发展了复合土钉支护技术。所谓复合型土钉支护 就是以水泥土搅拌桩帷幕等超前支护解决土体的自立性、隔水性以及喷射面层与 土体的粘结问题；以水平向压密注浆及二次压力灌浆解决土体加固及土钉抗拔力 问题；以相对较长的插入深度解决坑底的抗隆起、管涌和渗流等问题，组成防渗 帷幕、超前支护及士钉等的复合型土钉支护。目前该技术已应用于上海、宁波、 温州等软土地区。 ( 4 ) 地下连续墙支护地下连续墙是在泥浆护壁的条件下分槽段构筑的钢筋 混凝土墙体，地下连续墙最早于1 9 5 0 年开始应用于巴黎和米兰市的地下建筑工 程。我国在2 0 世纪6 0 年代初开始应用于水坝的防渗墙。后来国内将地下连续墙 用于城市深基坑的围护结构最早是广州白天鹅宾馆，现在全国各地已用得比较普 遍，如地下连续墙的施工深度国内已有超过8 0m ，厚度达1 4m 由于地下连续 硕十学位论文 第一一章绪论 墙具有整体刚度大和防渗性好，适用于地下水位以下的软粘土和砂土多种地层条 件和复杂的施工环境，尤其是基坑底面以下有深层软土需将墙体插入很深的情 况。因此，在国内外的地下工程中得到广泛应用，并且随着技术的发展和施工方 法及机械的改进，地下连续墙发展到既是基坑施工时的挡墙围护结构，又能作为 拟建主体结构的侧墙。 ( 5 ) 排桩支护排桩支护中最常用的是柱列式钻孔灌注桩支护。柱列式间隔布 置包括：桩与桩之间有一定净距的疏排布置形式和桩与桩相切的密排布置形式。 为降低工程造价和施工方便，柱列式灌注桩作为挡土围护结构有很好的刚度，但 各桩之间的联系差，必须在桩顶浇筑较大截面的钢筋混凝土帽梁加以可靠连结。 为防止地下水并央带土体颗粒从桩问空隙流入坑内，应同时在桩间或桩背采用高 压注浆、设置深层搅拌桩、旋喷桩等措施，或在桩后专门构筑防水帷幕。灌注桩 施工时无振动，对周围邻近建筑物、道路和地下管线影响危害比较少。具有一定 的优越性，但缺点是桩的施工速度较慢，且场地泥浆处理较困难，工期长。 ( 6 ) 土层锚杆支护土层锚杆是由岩石锚杆发展起来的，它是一种受拉构件， 整根锚杆在长度上分为锚固段和自由段，锚固段是它在土中以摩擦力形成传递荷 载的部分，使用水泥、砂浆等胶结物以压浆的形式注入钻孔中凝固而成的，其中 有受拉的锚杆( 钢丝束等) ，其上部连接自由段自由段不与钻孔土壁接触，仅把 锚固力传到锚头处，锚头是进行张拉和把锚固力锚定在结构上的装置，使结构产 生锚固力。采用该多，护形式可将悬臂式结构厚度减小到最经济的程度。 ( 7 ) 旋喷桩帷幕墙支护它是钻孔后将钻杆从地基土深处逐渐上提，同时利用 插入钻杆端部的旋转喷嘴，将水泥浆固化剂喷入地基土中形成水泥土桩，桩体相 连形成帷幕墙，可用作支护结构挡墙。在较狭窄地区亦可施工，它隶属于重力式 挡土墙。 ( 8 ) 水泥土深层搅拌桩用搅拌机械将水泥与饱和软粘土相搅拌，形成一根搅 拌桩或连成搅拌桩墙用于基坑的侧向支护。搅拌桩墙具有良好的防渗特性，在基 坑开挖时可以不用降水，从而避免了对周围地下管线及建筑物造成危害，而且施 工噪音低、振动小和无污染，对环境影响小，造价低，所以也成为近年来发展较 快的一项支护技术。少数沿江、沿海砂土地基的建筑工程有的也用水泥浆深层搅 拌桩作为重力式支护体系或加固措施之一。 ( 9 ) 喷锚网支护在高边坡和大跨度地下工程中，特别是在不良地质条件下， 通过喷锚网作用，形成喷射混凝土、锚杆( 索) 、钢筋网与土体共同作用的主动支 护体系，最大限度地利用边壁土体的自承能力，变土体为支护结构物的一部分， 这是一种新型的支护作用机理，取代了传统的桩、板、墙、撑或桩锚、板锚、墙 锚、撑锚的支护方法。 6 硕十学位论文 第一章绪论 ( 1 0 ) 组合法，目前工程上用的比较多的是s m w 工法。s m w 工法是指在水泥 土搅拌桩中加入工字形型钢，这样不但可以利用水泥土搅拌桩很好的刚度，而且 由于加入了工字型钢，使得围护结构的强度有了很大的提高。它的止水性能好， 适合于各种土层，在一定方式下可以取代地下连续墙，是一种很有发展前途的围 护型式。 ( 1 1 ) 沉箱法，施工占地面积小，挖土量小，可应用于工程用地与环境受到限 制或埋深较大的地下构筑施工中。 1 3 3 深基坑降水 1 概述 要保证深大基坑施工的顺利进行必须解决几个关键技术问题，深基坑降水就 是其中之一。 很多工程施工时需要开挖基坑而降低地下水位，基坑降水是基坑工程中的一 个难点。首先，如果地下水位于基坑开挖的基底以上，则需要首先采取地下水的 控制措施，保证基坑开挖工作面的工作条件。再有，由于土质及地下水动力条件 不同，基坑开挖施工方法也不同。在没有地下水的条件下，基坑可以轻易地挖几 米甚至更多，但在地下水位较浅或有地下水流的情况下，即便挖深2 ，3 m 也可能 会发生基坑塌方。所以，由于工程降水的不当而造成的基坑工程失稳现象和事故 时有发生。另外，在深基坑开挖过程中，渗流场、应力场都将随着工程的进行而 不断调整，且两场相互影响相互作用，处于一种复杂的动态变化过程之中，构成 一种耦合关系，它们经过长时间的协调基本达到一种平衡。大量抽排地下水会使 土体中水位降低，由此形成土体内应力状态的调整并以变形的形式表现出来，势 必影响周边建筑物的安全稳定【2 引。从过去的工程实录特别是一些失效工程的分 析来看，地下水的影响自始至终存在于基坑工程的方方面面，在影响工程的诸多 因素中几乎是最重要的。在建筑工程中，渗流问题造成的各方面的损失也越来越 严重，如：渗流引起的基坑边坡失稳：基坑支护体系的破坏：基坑涌水造成的淹没： 渗透变形和破坏以及引起的周围土体移动，引发的地面建筑和地下设施的破坏等 等。为此，进行基坑施工时必须做好地下水控制工作2 9 】【3 0 】【3 i 】1 3 2 】【3 3 】。 地下水造成不良影响的原因主要有下面几个方面【3 4 1 1 3 5 】【3 6 】： ( 1 ) 没有采取任何降水措施。例如：某工厂一车间建造在山脚平坦地带的侏罗 系地层上，持力层为砂岩，倾角为3 0 。，岩层具有涌水裂隙，砂岩上为3 5 m 的亚 粘土层，大部分基槽已挖到设计标高，在继续开挖地过程中，突遇水裂隙，地下 水大量涌出，由于事先做好的排水沟被堵塞，以至于一夜间水充满了基槽使土质 坑壁大量垮塌，结果延长了工期，耗费了建筑费用【3 7 】。 7 硕十学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 没有做止水帷幕或没有形成止水帷幕。由于没做止水帷幕，基坑内大量 降水，引起基坑外周围一定范围内的地基土产生不均匀沉降，造成基坑侧地面变 形过大，引起邻近建筑、道路或地下设施的破坏【3 引。 ( 3 ) 止水结构插入基坑下的深度不足，对于槽底土质为粉土或砂土时，可能 造成基底的管涌或基底抗隆起失效。例如，上海某工程基坑用深层水泥搅拌桩支 护，设计桩长为1 2 m ，开挖土方到5 m 时未发生事故，但挖到7 m 时发生管涌。由 于大量砂土冒出，最终导致支护结构部分全部倒塌，仅加固费用就增加了3 0 万 元( 原支护结构费为8 0 万元) ，工期延长2 个月【3 剐。 ( 4 ) 当基坑下有承压水存在时，开挖基坑减小了含水层上覆不透水层的厚度， 基坑开挖至基底后，由于上部土体的卸荷，承压水的水头压力能顶裂或冲毁基坑 底板，造成突涌现象。基坑突涌将会破坏地基强度，并给施工带来很大困难。 ( 5 ) 地下水控制不当还可能造成基槽侧壁土体的流失，威胁体系的整体稳定 性。同时，地下水可能引起锚杆或土钉与周围土体之间的握裹力降低，从而降低 抗拔力。 ( 6 ) 基坑稳定分析中没有考虑地下水的影响或处理不当造成分析不准确，影 响地基分析评价结果的准确性，从而使设计存在隐患。 2 在岩土和水工方面渗流计算方法的国内外动态 目前，在岩土和水工方面对渗流及渗流一应力场耦合计算的研究主要集中在 以下几个方面： ( 1 ) 对复杂条件下渗流计算的研究。如三维饱和非饱和、稳定非稳定渗流； 如降雨入渗模拟等3 9 】【4 0 】【4 1 儿4 2 】【4 3 】【删【4 5 】【4 6 】【4 7 】。 ( 2 ) 自由面和溢出面的求解。用有限元法求解无压渗流场时，如何高效地处 理并确定自由面位置，同时保证迭代过程的稳定性是问题的关键。因此，近年来 有关自由面搜索的研究，有众多的论文发表，其中较成功的有：张有天等人于 1 9 8 8 年提出“初流量法【4 8 】；速宝玉、朱岳明于1 9 9 1 年提出“节点虚流量法 【4 9 】；吴梦喜、张学勤于1 9 9 4 年提出“虚单元法 【5 0 1 ；武汉水利电力大学的彭华 等于1 9 9 6 ，1 9 9 7 年提出“子单元法 和“弃单元法”；k a n g k u nl e e 和d a r r e l l l e a p 于1 9 9 6 年提出的b f c ( b o u n d a r y f i t t e dc o o r d i n a t es y s t e mm e t h o d ) sn l ； 河海大学的王媛于1 9 9 8 年提出“改进的初流量法【5 2 l ；2 0 0 1 年6 月，黄蔚等人 在调整传导矩阵的基础上提出了“丢单元法”p 列：2 0 0 1 年8 月，朱军，刘光廷 提出了“改进的单元矩阵调整法”，对溢出面的处理也提出了新的见解【5 4 】；2 0 0 1 年1 0 月，j e a n p i e r r eb a r d e t 和t e t s u ot o b i t a ( u n i v e r s i t yo fs o u t h e r n c a l i f o r n i a ) 提出了“e p 法( e x t e n d e dp r e s s u r em e t h o d ) 1 5 5 】；李广信、葛锦宏等 ( 清华大学) 于2 0 0 2 年提出了有自由面渗流的无单元法【5 6 1 ，利用滑动最小二乘法 8 硕十学何论文 第一章绪论 来建立在全域高阶连续可导的插值函数，具有积分网络和节点相互独立的优点， 可以避免有限元网络在迭代过程中变化的问题，实现了真正意义上的网格固定， 计算实例表明，精度提高、简单灵活：浙江大学的凌道盛教授于2 0 0 2 年提出了能 精确描述跨越自由面单元渗透矩阵的“虚节点法”。该方法根据自由面，将跨越 自由面的单元划分成若干区域，单元渗透矩阵由分区积分得到，通过调整单元渗 透矩阵将溢出面的边界限制在单元内部，无需对初始网格信息作任何修改。 ( 3 ) 渗流场与温度场、变形场、应力场两场或多场耦合分析。解决深基坑开 挖稳定性问题就应该对地下水流对孔隙介质产生的渗透体积力给予高度重视。它 反映出地下渗流与开挖应力状态的相互影响，即渗流场与应力场的相互耦合。进 行这种耦合分析，目的是为了了解控制地下水流力学作用的规律，并把这种力学 作用反映到模拟土体力学性质的模型中去，考虑由于渗流场和应力场耦合作用而 引起的渗流、应力及位移场的变化是基坑开挖和后期施工过程中的重要研究课 题。耦合理论出现于本世纪5 0 年代。7 0 年代由w i t h e r p o o n 正式提出，后来 n o o r i s h a d 完善发展。近几年，耦合模拟方法在国内外很多领域得到研究，如一 些学者开展了油藏工程方面地质力学问题的研究，在热一流一固耦合理论及工程应 用方面作了大量的工作【5 7 1 。国内对地下水渗流多场耦合大多集中于复杂而不确 定的裂隙岩体的多场耦合，如常晓林( 1 9 8 7 年) 发表论文“岩体稳定渗流与应力 状态的耦合分析及其工程应用初探”【5 8 】对两场耦合进行了初步研究；杜延龄 ( 1 9 9 3 年) 对渗流一应力两场耦合控制方程进行了研究1 5 9 j ；王嫒( 1 9 9 5 年) 提出了 裂隙岩体渗流及应力的全耦合分析；y m l a i 等人发表的关于寒冷地区隧道的温 度一渗流一应力场的非线性耦合分析【6 0 】；李廷春等发表论文“厦门海底隧道的流 固耦合分析”【6 。 在土体的多场耦合方面，沈珠江等( 1 9 8 0 ) 采用有限元法对稳定流作用无支护 基坑边坡进行了耦合变形分析；周志芳等发表了“深基坑降水与沉降的非线性耦 合计算( 应力与渗流耦合) 的论文【6 2 1 ；罗晓辉在忽略固结效应的基础上进行了 基坑渗流场和应力场的耦合分析【6 3 】【删；同济大学杨志锡等发表论文“基坑中应 力场与渗流场直接耦合的有限元法【6 5 。 ( 4 ) 新方法的应用。如李广信等采用的无单元法【6 引。 ( 5 ) 各向异性岩土介质渗流研究。 ( 6 ) 渗流对边坡稳定、土体抗剪强度、有效应力的影响。如吴宏伟，陈守义 等的“雨水入渗对非饱和土坡稳定性影响的参数研究”；李尧臣，陈洁等的“铁 路路基施工的渗流一应力耦合模型分析方法”【d 7 1 。 ( 7 ) 面向对象的有限元程序设计。 用面向对象的方法来研究有限元，使得构造一个大规模复杂的有限元应用软 9 硕十学位论文第一章绪论 件的难度大为降低，开发周期缩短。面向对象的有限元程序设计是颇具潜力的有 限元发展方向之一。 ( 8 ) 非线性渗流研究、新模型的应用。 综上所述，目前，国内外渗流研究向综和化、复杂化发展，并且在程度上更 细，方法上更新。其中耦合场的分析已经成为该领域的一个生长点，但是理论研 究中还存在不少难题，工程应用仍处于起步阶段。 1 4 研究目的 在寸土寸金的城市里进行基坑工程，特别是进行旧城改造工程，对基坑开挖 技术和预测水准提出了更高、更严的要求，不仅要确保边坡的稳定，而且要满足 变形控制要求，以确保基坑周围的建筑物、地下管线、道路等的安全和正常使用。 这也是岩土工程界近期提出的围护结构变形控制理论的实践依据。 在复杂地质条件下，对地表建筑物林立，地下管网密布，道路交通拥挤的复 杂工程条件而占，进行深大基坑的施工的难度和风险极大，必须要保证施工安全 和环境安全。【夭1 此研究基坑的稳定性和周围土层移动的预测与治理是确保上述两 个安全的关键。 解决深基坑开挖的稳定性和周围土层移动问题，首先要以理论为指导，抓住 问题的要点，对问题进行较系统的理论分析，同时在理论的指导下做大量工程监 测，从测试资料中取得定量分析f 勺计算参数和经验，从而完善理论体系。国内在 城市环境土工方面研究的理论相对来说还比较薄弱，这与蓬勃发展的工程实践不 相协调。为了进一步对这些问题进行深化，本文结合深圳市桂龙家园深基坑工程， 以期通过实际深基坑工程中不同工况下的数值模拟结果的分析及与现场监测数 据的对比，使得工程设计人员对基坑工程中的重点问题有更进一步的认识，从而 为基坑丌挖设计中如何保证安全和经济提供一定的理论依据。 国内外学者对深基坑施工过程中支护体系及降水的研究取得了许多重要成 果，这些成果已经被广泛应用于大量的工程实践中，并且在工程实践中得到了丰 富和发展。深圳是典型的现代都市化大城市，在建筑物密集市区进行深大基坑的 施工会面临很多问题。本文在综合考虑基坑施工过程中各种影响因素的基础上， 根据深圳基坑工程实际，应用理论研究方法对基坑开挖过程进行分析，为深圳地 区深大基坑设计施工提供借鉴。 深圳桂龙家园基坑工程是典型的深基坑工程实例。本文以此基坑工程为出发 点，通过现场实测，分析了基坑开挖过程中支撑内力、土体位移等主要因素及其 产生机理和分布特征：并根据工程实际情况，运用理论方法对上述几个要素进行 计算，通过与现场实测数据的对比分析，为本地区深大基坑的设计施工提供依据。 1 0 硕十学位论文 第一章绪论 此外，本工程东侧采取的双排桩锚支护体系作为一个新型的支护结构越来越广泛 的应用到基坑工程中，已有不少地区成功的应用了双排桩作为围护结构，但双排 桩的计算设计理论仍然不够成熟，不利于更为广泛的应用推广。本文运用数值模 拟对双排桩支护结构影响参数进行研究，并提出最合理双排桩排距等相关结论。 硕十学位论文第二章深基坑l ：程现场实测研究 2 1 工程概况 第二章深基坑工程现场实测研究 桂龙家园拟建场地位于深圳市罗湖区笋岗桥南侧约2 0 0 米，南面毗邻原铁路 医院( 巾4 8 0 m m 直径灌注桩基础9 层建筑) ，东面靠近广深铁路。西侧为大塘龙住 宅区多层住宅楼( 巾4 8 0 m m 直径灌注桩基础7 层建筑) ，北侧西段临近铁路幼儿园 ( 强夯地基处理后条形基础2 层建筑) 。占地面积5 1 4 6 3 0 m 2 ，三