（地质工程专业论文）润扬大桥排桩冻结法深基坑监测分析与反馈研究.pdf

摘要 排桩冻结法首次应用于润扬长江公路大桥南汊南锚碇深基坑，成功的解决了 基坑围护和基坑封水的问题，由于排桩冻结法作为新的施工工艺，也存在一些难 点尚待认识和解决，依赖监测信息的反馈与预报可以修改或完善设计和施工方案， 也为类似工程的建设积累经验。 论文基于基坑监测数据，分析了排桩冻结法深基坑现场的各项监测数据分布 和变化规律，并进行了可信度分析；根据已有的施工监测数据资料，对监测数据 进行综合分析，得到了一些规律性结论，并验证监测数据的可靠性；根据监测数 据分析，提出了排桩水平位移校正的必要性和校正方法，并验证其正确性，为基 于监测的正反演分析提供准确的监测数据，其方法可应用于工程的分析。对润扬 长江公路大桥南汊南锚碇排桩冻结法深基坑进行施工监测反馈分析。 通过排桩水平位移、支撑轴力的监测数据和变化分布规律分析，判断冻胀力 平均值在o 5 m p a 左右，比设计时估计的o 1 0 2 卿a 大得多。说明相对于普通基 坑，冻胀力对排桩冻结法深基坑稳定的影响异常显著，是排桩冻结法深基坑设计 中需要特别关注的重要参数。论文论述了排桩水平位移校正的理论和方法，利用 现场监测数据对排桩水平位移校正公式进行了验证，结果表明排桩水平位移校正 公式能满足稳定性正反分析的需要。监测与反馈分析结果表明在国内外首创的施 工富含水深大基坑新技术排桩冻结技术，在润扬长江公路大桥南汉南锚碇深 基坑获得了成功应用。建立的大型基坑安全监测系统能够满足基坑监测与反馈分 析的需要，分析得到的规律性结果可以为今后的类似工程提供借鉴 关键词：排桩冻结法深基坑监测反馈润扬大桥 a b s t r a c t g r o u n df r e e z i n ga n dp i l e - s u p p o ni san e wc o n s t r u c t i o nm 砒o df o rd e 印f o u n d a t i o n p i t i tw 销u s e di nt h es o u t l l 加c h o r a g e0 fr u n y 锄gb r i d g eb u tg r o u n df k e z i n gm a d e t l l e m e c h a n i cs t a t e0 ff o u n d a t i o np i ts i o p eb e c o m em o r ec o m p i e xf o rg r o u n d 丘e e z i n g 觚d p i i e s u p p o r td e e pf 0 u n d a t i o np i t a c c o r d i n gs t l l j c t u r e c h a m c t e ro fg r o u n df r e e z i n ga n d p i l e s u p p o r td e e pf o u n d a t i o np i t ，a n dt h ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o n o fs i t e ，t h el a r g e s a f cm o n t o r i n gs y s t e mw a sb u i l t t h i sp a p e ri n t r o d u c e de n g i n e e r m gg e o l o g i c a lc o n d “i o no fs i t e ，s 呲t u r eo ft 0 u n d a t i o n p i t 锄dm o n i t o r i n gs y s t e m a n a l y s i st h ec h a n g er u l eo fs e v e m lk i n d s o fm o n i t o r i n gd a t a ， a i l dt h ef e e d b a c k 觚a l y s i sw 邪m a d eb a s e do nt h ec o n s 打u c t i o nm o n i t o r i n g ，g u a r a n t e et h e s a 龟t ya n ds t a b i l i t yo fg r o u n df k e z i n ga n dp i i e - s u p p o r td e e p f o u n d a t i o np i to fs o u t h 锄c h o r a g e b 孙e do nt h em e c h 锄i s ma 1 1 a l y s i s0 f 丘0 s t - h e a v i n gf o r c ee m e 唱i n g i nm e e x t e r i o r - p r o t e c t e dc o n s t r u c t i o no f 行o z e nr o w 巾i l e si nd e e pf o u n d a t i o np i t ，af i n i t ee l e m e n t m e t h o d0 ne l a s t i cf o 吼d a t i o ni su s e dt oa 1 1 a l y z et h ei n t e m a lf o r c e s 锄dd e f o r m a t i o no f e x t e r i o r - p r o t e c t e d c o n s t m c t i o n t h em e t l l o di s印p l i e di nt h et i e b a c kf o u n d a t i o n e n g m e e r i n go fs u s p e n s i o nb r i d g e o fr u n y a n gc h a i l 舀i a n gh i g h w a yb r i d g e a n dt h e i n t e m a lf o r c e s 锄dd e f o m l a t i o no ft h ee x t e r i o 卜p r o t e c t e dc o n s t m c t i o ni nd e e pe x c a v a t i o n a r ea n a l y z e d c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lm e t h o d s ，t h e r ci sab 甜e ra g r e e m e n tb 哪e e n t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sa n dt h em e a s u r e do n e s 行o ma na c t u a le n g i n e e r i n g t h e1 e s u l to fn l o n i t o ra n dt h ea n a l y s i si n d i c a 【t e d ，t h eg i o u n df r e e z i n ga n dp i l e s u p p o r t m e m o di sv i a b i ef o rc o n s t r u c t i o no fd e e pf o u n d a t i o np i t t h em o n i t o r i n gd a t ai n d i c a t e dt h e a c t u a la v e r a g ev a l u e 肫e z i n gf o r c e 、a so 5 m p a ，m o r et h e n0 2 m p aw h i c hw a su s e di n d e s i g ns t a g e a n a i y s i sr e s u l t so fa x i a lf o r c ei n n e rs u p p o r ，s 仃e s so fr e i n f o r c i n gs t e e lb a r o f r o wp i l e ，锄dd e f o n n a t i o nc h a r a c t e ro fb o r e h o i e ，i n d i c a t e dt h a tf 沱e z i n gf o r c ei si m p o n a n t f a c t o rf o rt h es 盈b i l i t yo fg r o u n d 矗e e z i n ga n dp i l e s u p p o r tf o u n d a t i o np i t a n dt h e e x p e r i e n c eo ff b u n d a t i o ne n g i n e e r i n go fs u s p e n s i o nb r i d g e o fl 沁n y a n gc h a n 萄i a n g h i g h w a yb r i d g ew a sb a c k i o gf o rc o n s t m c t i o no f s i m i l a re n g i n e e r i n ga r e r t i m e k e yw o r d ：( h o u n df - r e e z i n ga n dp i l e s u p p o r t d e e pf 1 0 u n d a t i o np i tm o n i t o r i n g f e e d b a c k r u n y a n gc h a n 舒i a n gh i g h w a yb r i d g e 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个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。与我一同工作的同事 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：墨建纽矽艿年，月刀日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所( 含万方数据库) 、国家图书 馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文 的复印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论 文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) 量蕉丝d 方年f 月2 罗日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 基坑工程是集地质工程和结构工程等多学科于一体的系统工程，具有强烈的 地域性、综合性、实践性和风险性。基坑工程不仅存在基坑本身的安全与稳定问 题，而且还存在因土方开挖引起的周围地层移动而危及相邻建筑物、地下管线网 和城市市政设施的正常使用等问题。近年来，由于各种复杂的原因，我国基坑工 程事故发生率较高，尤其是东南沿海开放城市，其中有的城市较大的发生事故的 基坑数目竟占基坑总数的l 3 左右。基坑工程事故给国家经济和人民生命财产造 成不同程度的损失，小到一场惊吓，大到造成直接经济损失达数千万元人民币， 伤亡数人，延误工期十多个月，同时也给周围的居民生活、城市建设和企业形象 造成了不良影响。所以，基坑工程是当前大家十分关心的地质工程热点，也是技 术复杂、综合性很强的难点，同时它又是提高工程质量、减少工程事故的重点咄1 。 传统的深基坑开挖一般采用水泥搅拌桩、排桩或地下连续墙来进行基坑支护。 采用水泥搅拌桩作为基坑支护结构，适用于深度小于1 5 1 8 m 的软粘土基坑，当 基坑开挖深度较深时，会增加施工的难度并对施工机械提出更高的要求：对于排 桩支护结构，适用于6 l o m 的基坑，止水性差；对于地下连续墙，由于其特殊的 施工工艺，并不能达到真正连续封水的目的，且当基坑开挖深度较大时，造价会 相应的大大增加“。 近年来发展起来的人工土冻结法h 。，由于适用于各种复杂、软弱地层，且不受 基坑形状和尺寸的限制，可形成任意深度、任意形状的冻土墙，以及能有效隔水 等优势，是一种比较安全又经济的新的坑壁支护方法。它的基本原理是：利用人 工制冷技术，将低温冷媒送入地层，使土层冻结，在预期要开挖的场地外围，构 筑起稳定且不透水的连续冻土墙，然后在该封闭冻土墙保护下进行开挖与永久支 护的施工，直到永久性构筑物建造起来为止。 目前，人工冻结法广泛应用于煤炭矿山凿井工程及地下隧道施工，不仅作为 止水结构，而且作为支护结构。由于人工冻结土表现出较大的脆性，具有较大的 抗压强度，但抗拉强度较低，因此，采用人工冻结土作为止水支护结构，一般平 面宜采用圆形，使之形成拱效应，承受较大的压应力。对于平面布置形状为矩形 的深基坑，由于存在较大的土压力和地下水压力，采用人工冻结土作为支护结构， 一旦其承受的拉应力过大，必将会导致基坑失稳。 为充分发挥人工冻结土的优点，同时避开抗拉强度较低的缺点，一种新的基 坑施工工艺一排桩冻结法产生了。该方法的思路是把含水地层冻结形成的冻结帷 河海大学硕士学位论文 幕墙作为基坑的封水结构，以排桩及内支撑系统为挡土支护结构，充分发挥各自 的优点。该施工工艺受力体系清晰，排桩作为结构支撑体系工艺成熟，冻结帷幕 具有良好的封水性能，两种技术的结合解决了基础支护结构的嵌岩问题，施工可 操作性强。两种技术的结合既是优势互补，又是一种大胆的技术创新、大规模跨 行业技术合作。 然而，新的工艺也会相应地带来新的问题。在冻结壁的形成过程中，土层中 的水相变成冰，体积发生膨胀，参与相变的水的数量越多，冻胀量就越大啼一1 。如 果土体冻结膨胀受到排桩的约束，被约束的土体就要对排桩产生力的作用，即冻 胀力，通常将沿着桩周表面上作用的冻胀力称为水平冻胀力。在实际工程中，冻 胀力可由室内试验得到。但是，实际工程中力学、热学及温度边界条件远比试验 模型复杂，且不易控制，因此，实际工程中排桩及内支撑结构所受的冻胀力与试 验结果相差较大。而且，由于边界条件的改变，冻胀力随空间和时间亦相应变化。 事实上，水平冻胀力常大于主动土压力几倍。因此，正确把握水平冻胀力的分布 及大小是基坑稳定与否、排桩冻结法工艺成功与否的关键之一。 基坑设计与施工涉及地质条件、岩土性质、场地环境、工程要求、气候变化、 地下水动态、施工程序和方法等许多相关的复杂性问题，是理论上尚待完善、成 熟和发展的综合技术学科口1 。由于复杂的工程地质因素和深基坑物理性态的力学机 制至今还无法完全查明和准确表述，因此，试图通过建立完全正确的力学模型进 行数值分析是困难的。基坑设计、施工和运行虽然已经积累了丰富的实践经验， 但由于其规模较大，难免存在一些不确定因素： ( 1 ) 、岩土体由于其复杂的地质成因和经受过复杂的地质变化，使其成分和结 构具有很强的不均匀性、各向异性及不连续性。岩土体成分和结构的不均匀性、 各向异性及不连续性决定了岩土体力学性质的复杂性。有限的工程勘探和岩土试 验取得的力学参数反映的岩土体力学性质难免与岩土体的实际力学性质存在偏 差，而且这些偏差存在不确定性。 ( 2 ) 、由于其结构的复杂性导致其应力分布的复杂性。构筑物应力分布的复杂 性决定了计算的应力分布与实际的应力分布难免存在偏差，这种偏差存在着不确 定性。 ( 3 ) 、自然环境和人类活动对工程构筑物的影响是设计中不可忽视的因素，如 风、地震、天气、洪水、交通运输等，这些因数具有突发性和不可预测性，这些 因素产生的荷载更具有不确定性和复杂性。 由于不确定因素的存在，即使完全采用设计标准，仍难完全避免在某些部位 发生局部变形和局部破坏，影响基础工程的稳定性。而大型、超大型桥梁是交通 枢纽干线上的咽喉要道，一旦不测，损失惨重。所以，通过对大桥及地基基础安 2 第一章绪论 全监控，随时掌握大桥及地基基础的稳定状况，及时发现不稳定因素，及时采取 安全措施，是保证大桥安全运行的必备措施。 通过在建设期间在基础关键部位埋设监测仪器，利用这些仪器的监测数据进 行基础稳定研究与安全监测，可以达到： ( 1 ) 、及时发现不稳定因素；岩土体成分和结构的不均匀性、各向异性及不连 续性决定了岩土体力学性质的复杂性，加上自然环境因素等的影响，人们在认识 上尚有一定的局限性，必须借助监测手段进行必要的补充。 ( 2 ) 、验证设计，指导施工：通过监测，可以了解地基基础的实际变形和应力 分布，用于验证设计与实际符合程度，并根据变形和应力分布情况为施工提供指 导性意见。 ( 3 ) 、为类似工程的建设积累经验：通过根据监测数据得到安全度与设计的安 全度进行对比分析，指导以后类似工程的设计。 润扬大桥南锚碇基坑采用排桩冻结法施工国内外没有可资借鉴的工程实例， 面临诸多技术难题：形成冻结帷幕的冻结温度场实际状况难以把握，冻结壁的厚 度难以控制，冻胀力大小难以估计；冻结壁和排桩支撑体系的相互作用关系复杂： 排桩间距小，且排桩内侧要形成永久结构体系，因此对排桩的施工要求高。综上 所述，南锚碇基坑采用排桩冻结工法，在设计、施工和科研等诸方面均带有探索 性和开拓性。 南锚基坑工程采用的排桩冻结方案无论是设计或施工都是没有先例可循的， 缺乏直接的工程经验，涉及到有关冻土力学的问题在理论上尚不成熟，加上存在 一些不确定的甚至还不清楚的影响因素，使得设计和施工方案不可能是静态不变 的，必须建立一套完善的工程监测系统，依赖监测信息的反馈与预报来修改或完 善设计和旌工方案。因此，基坑开挖施工的信息化系统的研究势在必行。 1 2 国内外研究进展 基础、边坡和地下工程等是以岩土体为重要组成部分的岩土工程，人为设计 的结构必须同自然形成的复杂的岩土体的结构和特性相适应，方能成为既安全可 靠，又经济合理的工程。然而，作为自然形成的岩土体在它的结构和特性方面具 有很多不确定性，在前期工作中很难做到完满的了解和认识，在设计中只好采取 留有很大安全储备的做法。但即使采用保守的设计标准，仍难避免在某些部位发 生变形或局部破坏事故，甚至导致重大的失事。现在工程师们越来越认识到，采 用动态设计，根据施工信息作出设计的修正，防止重大事故，达到优化的目的是 可行的和必要的。为此，对于大型的、重要的工程，建立一个可靠的、高效的、 能够提供必要的信息、保证工程安全和经济的监测系统是至关重要的噶3 。 河海大学硕士学位论文 随着工程建设规模不断增大，施工中变形破坏事故的增多，人们逐渐认识到 监测及监测信息反馈在设计施工中的重要性，监测理论与技术也随之发展起来。 表现在四个方面。 ( 1 ) 监测仪器不断涌现。 ( 2 ) 监测系统的布置理论也日趋成熟。 ( 3 ) 监测资料的分析方法也有一定的发展。 ( 4 ) 基于监测信息的反分析越来越受到重视。 由于人们对监测反馈在大型工程的重要性的认识逐步提高，岩土工程监测的 理论和技术将会进一步提高，下面四个方面将是努力研究的方向。 ( 1 ) 基于监测反馈的动态设计。 ( 2 ) 信息化施工。 ( 3 ) 基于监测信息的动态预报。 ( 4 ) 建立智能的自动监测系统。 与地质体有关的工程的安全与监测起步较晚，它是随着工程的失事为人们提 供教训后，不断地寻求稳定分析和监控手段而逐步发展起来的心1 。2 0 世纪5 0 年代 以来，工程界逐步认识到大坝和上部结构的失事多是因为地基失稳引起的，边坡 工程、地下工程的事故也是岩土体失稳所致，于是稳定分析与监测工作逐步受到 重视。由于岩土体复杂，岩土力学尚属半经验半理论的性质，在时间上和空间上 对地质工程的安全度作出准确的判断还有很大困难，通过稳定分析与监测可以保 证工程的施工、运行安全，同时又可以验证设计，优化设计和提高设计水平。2 0 世纪7 0 年代以来，对监测项目的确定、仪器的选型、仪器的布置、仪器的埋设技 术与观测方法、观测资料的整理分析等项目的研究工作逐步加深。2 0 世纪8 0 年代 以来，监测设计和监测方法不断地改进，相继提出了一些考虑地质地貌条件、岩 土体工程技术性质、工程布置、监测空间和时间连续性的要求等因素的安全监测 布置原则和方法。2 0 世纪9 0 年代以来，监测范围不断扩大，数据处理、资料分析、 安全预报系统不断完善，安全监测逐步发展为稳定分析与安全监控，并成为提供 设计依据、优化设计和可靠度评价不可缺少的手段，成为工程设计、施工质量控制 的重要手段叭。 上世纪3 0 年代，t e r z a g h i 等人已开始研究基坑工程问题。在以后的时间里， 世晃各国的许多学者都投入了研究，并不断地在这一领域取得丰硕的成果。4 0 年 代，t e r z a g h i 和p a c k 等人对开挖问题提出了预估挖方稳定程度和支撑荷载大小的 总应力法，这一原理一直沿用至今，只不过有了许多改进和完善。5 0 年代b j e r r u m 和e i d e 给出分析深基坑底板隆起的方法。6 0 年代在奥斯陆和墨西哥城粘土深基坑 中使用了仪器进行监测。此后，大量实测资料提高了预测的准确性，并从7 0 年代 4 第一章绪论 起制定了相应的指导开挖的法规。 基坑工程在我国进行广泛的研究是始于8 0 年代初，那时我国的改革开放方兴 未艾，基础建设如火如荼，高层建设不断涌现，相应地基础埋深不断增加，开挖 深度也就不断发展，特别是到了9 0 年代，大多城市都进入了大规模的旧城改造阶 段，在繁华的市区内进行深基坑开挖给这一古老课题提出了新的内容，那就是如 何控制深基坑开挖的环境效应问题，从而进一步促进了深基坑开挖技术的研究与 发展，产生了许多先进的设计计算方法，众多新的施工工艺也不断付诸实施，出 现了许多先进技术成功的工程实例。 基坑工程根据场地条件、施工、开挖方法，可以分为无支护( 放坡) 开挖与 有支护开挖n 。记。基坑工程的发展往往是一种新的支护型式的出现带动新的分析方 法的产生，并遵循实践、认识再实践、再认识的规律而走向成熟的。早期的开挖 方式常采用放坡式；后来随着开挖深度的增加，放坡面空间受到限制，产生了支 护开挖。迄今为止，支护型式已经发展至数十种。近几年，大型深基坑的不断出 现，造成基坑壁支护困难、施工工期长、工程投资大等问题，为此寻找新的安全 经济的坑壁围护方法，人工冻结法为其中之一。 1 8 6 2 年英国工程师率先在建筑基础基坑开挖施工中采用人工冻结法对护坡进 行加固处理，由此开创了人工冻结法在实际工程应用先河嘲。一个多世纪以来，随 着人们对该项技术认识水平的加深和施工技术的熟练掌握，人工冻结法的应用范围 不断扩大，其规模也越来越大。我国于1 9 5 5 年首次在开滦林西风井使用盐溶液冻 结法凿井并获成功1 ，之后便在全国推广使用。目前盐溶液人工冻结法已成为一种 较为成熟的凿井手段。仅安徽两淮地区已有3 6 个煤矿的1 1 1 个矿井在施工中使用 了人工冻结法，全国多达3 9 2 个。冻结深度在3 0 0 m 以上的有1 9 个，最大冻结深度 达4 3 5 m 朝。自上世纪7 0 年代初首次应用于北京地铁建设工程后n 剀，除凿井外的其 它人工冻结工程实例为数较少1 。1 9 7 5 年沈阳地铁2 号井采用冻结法施工；8 0 年 代，东海拉尔水泥厂开挖上料仓基坑和南通市在建筑物旁开挖沉淀池施工中也采用 了冻结法；1 9 8 6 年淮河大桥桥墩和1 9 9 8 年江西湖口大桥桥墩的基坑施工中使用了 冻结法并获得成功引。2 0 0 0 年，北京市丰台区方庄芳古园大型的地下停车库由于 受施工条件限制而采用了人工冻结法，成功的解决了施工对周边环境影响问题n 射。 由于地下工程的受力特点及其复杂性，自5 0 年代以来，国际上就开始通过对 地下工程的量测来监视围岩和支护的稳定性，并逐渐应用现场量测结果来校正和 修改设计。国内深基坑工程的全方位监测于2 0 世纪9 0 年代才开始起步，经过多 年来大量的研究工作，基坑工程监测技术得到了很大的进步和发展。一是监测方 法及仪器本身的进步。二是监测内容的不断扩大与完善。监测技术的进步与发展 又为基坑工程信息化施工得以实施提供强有力的物质基础和技术保障嵋引。 河海大学硕士学位论文 刘利民( 1 9 9 5 ) 嵋在分析了深基坑开挖监测时，埋设于基坑边缘土体和埋设于 支护结构中测斜管量测结果的特点的基础上，指出埋设于支护结构中测斜管的量 测结果更能真实地反映基坑的水平位移。姚伯金( 1 9 9 6 ) 嵋副针对现有基坑水平位移 的监测方法的弊端，提出了一种新的施测方法。黄立人( 1 9 9 7 ) w 副针对现行规范中 规定的监测方法、精度和监测的内容已不能适应深基坑施工的要求，介绍了变形 监测的一些进展。丁克胜( 1 9 9 7 ) “引详细介绍了深基支护结构的信息化施工，且认 为这是一种既安全可靠，又经济实惠的深基坑施工方法。 吴京生( 1 9 9 8 ) u 副总结了深基坑工程当前存在的问题、事故原因、深基坑支护 结构的选型和信息化施工并进行展望，主张加强监测工作，实行信息化施工。邵 现成( 1 9 9 8 ) 嵋”详细介绍了基坑围护工程的监测内容及项目、监测的目的和作用、 监测方法、测量测试设备的应用以及基坑围护结构总体监测方案的确定。郭栋 ( 2 0 0 0 ) 瞄详细介绍了在高层建筑地下室的基坑开挖过程中的监测一反馈技术，动 态控制基坑围护结构的安全。吴泳川等( 2 0 0 1 ) 比列介绍了在加内支撑支护结构的地 下连续墙的深基坑施工中，进行盆式挖土时，支护结构的监测情况及对监测中所 发现各种异常现象的分析与处理。 吴泳川( 2 0 0 1 ) 嵋剀回顾和综述了现场监测在深基坑工程中所发挥的安全预警作 用、对信息化施工的指导作用以及对支护结构设计的验证和完善作用，对在新兴 的基坑工程信息化监控设计与施工中，现场监测的重要意义和相关的要求进行了 展望。伍良仓( 2 0 0 1 ) u 训介绍了信息化施工和工程监测之间的关系，指出工程监测 是信息化施工的基础。信息化施工是现代施工新技术，是降低整个工程造价及保 证工程质量的前提。并以基坑工程为例，论述了基坑信息化施工中的工程监测技 术。金安石( 2 0 0 2 ) u 驯针对基础施工对环境影响的监测取值的传统处理方法的不足， 从理论的角度探讨了如何选取限值。 丁守贵( 2 0 0 2 ) u 副论述了现场监测在深基坑工程中所发挥的作用，对信息化施 工的指导作用及支护结构设计的验证和完善作用，并展望了在新兴的基坑工程信 息化监控设计和施工中，现场监测的重要意义和相关要求。李明峰，蒋辉( 2 0 0 3 ) 1 分析了基坑支护桩桩顶水平位移监测和桩体深层水平位移监测数据的特性，将两 种监测数据进行联合处理，提出利用二次曲面函数构建基坑监测面变形模型的方 法，并将抗差估计应用于监测数据的粗差分析与处理中，通过选权迭代，能很好 地求得监测面的变形模型，从而准确地求解监测面各点的水平位移和分析监测面 的总体位移情况。杨新( 2 0 0 3 ) 刨探讨了在地下连续墙支护的深基坑中的监测技术， 对监测内容及监测结果进行了详细分析。董明钢，杨峰( 2 0 0 4 ) p 副在总结当前深基 坑工程的技术现状的基础上，提出了几个急待解决的问题，其中包括信息化施工 的应用问题。 6 第一章绪论 基坑监控由于其重要性而倍受重视，基坑监控的理论和方法已日趋成熟。基 坑监测的内容已详细的写入中华人民共和国国家标准建筑地基基础设计规范 ( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 、中华人民共和国行业标准建筑基坑支护技术规程( j g j l 2 0 一9 9 ) 和中华人民共和国行业标准建筑基坑工程技术规范( y b 9 2 5 8 9 7 ) 口“删 等规范中，作为基坑工程中必不可少的一项工作。 在基坑工程问题中，一般都是根据已知岩土体的力学参数、本构模型、边界 条件和初始条件来求解区域内的应力、应变和位移分布等，这种分析过程通常称 之为正分析n 钔。近几十年来，正分析计算理论的研究取得了较大的进展。人们建 立了许多新的力学模型和弹、塑、粘性计算方法，而且已经采用室内模拟试验、 现场试验和原型观测等手段进行分析研究，辅以有限元、边界元等数值计算方法 进一步建立了现场监控量测信息用于指导工程的设计和施工。然而由于计算荷载 的确定往往带有主观随意性，且由室内试验所得的定量描述岩土体材料受力变形 性态的参数也常与工程实际情况不符，这些计算理论的价值显得有限，促使人们 转为研究根据现场量测信息反演确定有关不确定参数的理论和方法，以使已经建 立的计算理论可在工程实践中应用。但是在数值分析中，岩土体力学参数的取值 是一个相当重要的问题，它直接关系到分析结果可信性和真实性。岩土体是一个 极其复杂的介质体，并受到各种随机因素的影响，不可能对其进行完全真实的模 拟，数值方法的输入参数只能是岩土体的等效参数。 在基坑工程中，岩土体参数的确定方法大致可以分为三种：理论解析法、经验 法和工程类比法、试验法及理论与监测相结合的方法m 1 。理论解析法通常需要作 一些假设，而假设与工程实际往往不符，得出的结果有较大的偏差。经验法和工 程类比法要求掌握丰富的工程资料、具有丰富的工程实际经验，含有较多的人为 因素。试验法包括室内试验和原位试验，它们都存在着一些问题，如室内试验的 “尺寸效应”及室内与现场条件不符；原位试验存在数据离散性大、代表性不强 及成本昂贵等缺点。此外，试验所得的参数仅反映取样点附近一定范围内岩土体 的物理力学性质，而且由于取样的扰动，使得参数变化更加复杂。理论与实测相 结合的方法也就是通常所谓的“反分析法” 4 射。它是根据现场实测信息，应用 理论分析来求得岩土体参数。这种方法为岩土体力学参数的确定提供了一个实用 的方法，它自提出以来得到迅猛的发展。 一 在基坑工程反分析领域内，根据现场量测到的不同信息，反分析可以分为应 力反分析法、位移反分析法“鄙和应力( 荷载) 与位移混合反分析法m 】。又由于 位移信息较易获取，且精度较可靠，因此，位移反分析法应用最为广泛h 7 1 。位移 反分析法可分为解析法m 4 9 1 和数值法1 。解析法概念明确、计算速度快，但只适宜 求解简单几何形状和边界条件下的线弹性和线粘弹性等问题。数值法则主要解决 河海大学硕士学位论文 复杂基坑工程中的非线性问题。数值法就其求解过程的不同可分为逆解法啼、直 接法碍2 1 和正反耦合法嵋朝；就其是否考虑力学参数的非确定性可分为确定性反分析 法与非确定性反分析法嘲一引；根据是否利用神经网络等智能方法可分为非智能反分 析法与智能反分析法嘞 鲫1 。 排桩冻结法首次应用于润扬长江公路大桥南汉南锚碇深基坑，成功的解决了 基坑围护和基坑封水的问题呻1 。由于排桩冻结法作为新的施工工艺，也存在一些 难点尚待认识和解决，如冻结壁对排桩冻胀力的大小、冻结壁和排桩的共同作用 等。但是，作为先进的施工工艺，它开创了我国深基坑施工的先河，为以后施工 工艺的发展积累了宝贵的经验。 1 3 主要研究内容及技术路线 1 3 1 主要研究内容 ( 1 ) 根据基坑监测数据，进行了现场的各项监测数据规律及可信度分析： ( 2 ) 根据已有的施工监测数据资料，对监测数据进行综合分析，验证监测数 据的可信度； ( 3 ) 根据监测数据分析，提出排桩水平位移校正的必要性和校正方法，并验 证其正确性，为基于监测的正反演分析提供准确的监测数据； ( 4 ) 基于监测信息，进行基坑稳定性预测预报研究； ( 5 ) 进行基坑施工监测反馈研究。 l - 3 2 研究的技术路线 基坑安全监测反馈的思路如下：根据岩土试验参数和相关工程参数进行力学 计算分析，得到关键点的位移和应力( 关键物理量) 的计算值。利用关键物理量计 算值与工程允许值比较，预测工程的安全程度。利用关键物理量计算值与监测点 物理量实测值进行比较，对岩土试验参数进行反分析，计算关键物理量修正值。 利用关键物理量修正值与工程允许值比较，预报工程的安全程度。基坑安全监控 的流程图如图卜1 所示。 主要任务有： 根据现场基坑监测资料的分析，综合判断监测数据的可信度，结合数值 分析结果，及时分析基坑的稳定状况。 根据现场基坑施工情况和监测资料，对稳定性正反分析有重要作用的排桩 水平位移数据，论证其需要校正的必要性，并给出排桩水平位移校正的理论和方 法。 第一章绪论 图卜l 基坑安全监控的流程图 9 河海大学硕士学位论文 第二章排桩冻结法基坑工程及其监测系统 2 1 南锚碇基坑工程概况 国家重点工程润扬长江公路大桥位于镇江扬州汽渡上游约1 5 公里处，跨 越长江连镇江与扬州，是江苏省规划的“四纵、四横、四联”公路主骨架和南北 跨长江公路通道的重要组成部分。润扬长江公路大桥工程由北接线、北引桥、北 汉桥、世业洲互通、南汊桥、南引桥、南接线工程等部分组成，其中南汊桥采用 跨径为1 4 9 0 m 的单孔双铰钢箱梁悬索桥，通航净空为5 0 m ，为目前“国内第一、世 界第三 的大跨径桥梁。该桥的建设对于完善国道省道干线路网，促进镇江、扬 州乃至华东的地区经济发展具有重大的政治、经济意义。 南汊悬索桥的重要组成部分之一南锚碇位于镇江市润洲区蒋乔镇五摆渡 村西组南侧，距长江大堤4 7 0 m 。锚区工程地质与水文地质条件复杂，根据悬索桥 总体设计的要求，锚碇必须承受6 8 0 心的拉力，并传递给地基，锚碇散索鞍处变 位竖向必须小于2 0 c m ，横向必须小于1 0 c m ，因此，南锚碇必须采用重力锚结构， 锚碇基础必须坐落在基岩面上并保证设计要求的摩擦系数。采用何种基础结构和 施工方法保证锚碇基础施工质量和安全是大桥建设的重要研究课题之一，因此南 锚碇基础结构形式和施工方案的技术可行性、安全可靠性的研究始终是全桥工程 可行性研究、初步设计和技术设计等阶段重中之重的工作。为此建设单位和设计 单位对当时常用的基坑施工支护技术进行了大量的调研和论证工作。共考虑了冻 结法、沉井和地下连续墙等三种方案。其中沉井方案在江阴长江公路大桥北锚碇 基础施工中成功应用，但对于润扬大桥南锚碇这种着岩基础则由于岩面高差起伏， 存在沉井底部不能完全坐落在基岩面上，基础着岩困难的缺点；冻结法施工技术 在煤矿井筒施工中普遍采用，但没有在特大型基坑施工中应用的经验。 随着研究工作由工可设到技术设计的不断深入，地下连续墙方案因综合技术 指标优于其它比选方案而成为设计推荐方案。但地下连续墙方案对施工技术装备 要求高，关键设备供应不能满足大桥南、北锚碇基础同期施工，同步完成的客观 需求，因而选择既满足锚碇基础技术质量要求且与我国施工企业技术装备水平相 适应的锚碇基础结构形式和施工方案，成为业主、设计和审批部门的当务之急。 为慎重起见，建设单位在国内公路桥梁建设中首次采用“带案招标”，通过对十余 个投标方案的综合比选，“排桩冻结工法”方案因其能满足锚碇基础技术、质量要 求和工期要求且投标单位具备相应的技术、装备水平，而成为南锚碇基础首选施 工方案。排桩冻结工法方案的主要特点：排桩及内支撑作为支护结构体系，承担 水土压力，排桩作为结构支撑体系受力清晰；以含水地层人工冻结形成安全可靠 的封水止水帷幕冻结帷幕，两种技术相结合，不仅解决了基础维护结构的嵌岩问 1 0 第二章排桩冻结法基坑工程及其监测系统 题而且解决了封水问题，施工的可操作性强，也完全符合排水明挖的总体设计思 想。南锚基坑采用全新的排桩冻结施工方案，在国内外首次将两种工法集成运用 于特大型基坑工程，是我国深基础施工的一次大胆技术创新。 甚饲： 。 毒譬氯 连蒙冠 鼍压毳 - j薯注桩 图2 一l 基础结构各孔平面布置图( 单位：咖) 南锚碇基坑采用排桩冻结法施工国内外没有可资借鉴的工程实例，面临诸多 技术难题：形成冻结帷幕的冻结温度场实际状况如何把握，冻结壁的厚度如何控 制，冻胀力大小如何估计；冻结壁和排桩支撑体系的相互作用关系复杂；排桩间 距小，且排桩内侧要形成永久结构体系，因此对排桩的施工要求高。综上所述， 南锚碇基坑采用排桩冻结工法，在设计、施工和科研等诸方面均带有探索性和开 河海大学硕士学位论文 拓性。 南锚碇基础为矩形结构，基坑平面尺寸边长为6 9 o m 5 1 o m ，基坑开挖深度 为2 9 o m ，基坑规模之大在国内乃至世界都是屈指可数的。其基坑围护结构分为两 部分： ( 1 ) 支护结构 南锚碇基础支护结构由排桩和水平内支撑体系组成。 排桩：采用直径为中1 5 m 的c 3 0 钻孔灌注桩，沿基坑周边布设1 4 0 根，桩中心 之间的距离在横桥向( 基坑短边) 间距为1 7 0 m ，纵桥向( 基坑长边) 间距为1 7 2 5 m ， 桩长3 5 m ，嵌入强风化岩或弱风化岩。排桩具体布置见图2 一l 。 水平内支撑体系：设计布设7 道钢筋混凝土水平支撑，水平内支撑在坑内由2 9 根咖1 5 m 的c 3 0 混凝土桩加o 7 5 0 7 5 m 的立柱钢格构支撑。支撑体系布置见图 2 2 、图2 3 。 ( 2 ) 冻结注浆止水帷幕 冻结注浆止水帷幕采用单排冻结孔冻结封水，并在冻结孔外侧布设注浆孔对 基岩破碎带及裂隙实施地面预注浆形成注浆帷幕，达到基岩封水和保护冻结帷幕 的目的。 冻结孔：为了满足冻结壁封水需要，冻结孔与排桩采用插花布置，分布在相 邻排桩中心线的垂直平分线上，距离排桩中心1 4 m 。冻结孔数量为1 4 4 个，纵、横 向间距与排桩相同，平面布置尺寸为7 1 8 5 3 8 m ，冻结帷幕设计有效厚度为1 3 m ， 冻结孔底标高为一3 7 0 m 。 注浆孔：在冻结孔外侧，距离其中心0 6 m ，共设置7 4 个注浆孔。注浆段高为 8 0 m ( 一3 4 0 一4 2 0 m ) 的保护靴，见图2 2 。 卸压孔：为降低冻胀对结构的影响，减小在开挖过程中排桩支护结构所受到 的水平冻胀力，在冻结孔外侧距其中心1 3 0 m 位置处布设卸压孔，每个冻结孔对应 布置两个卸压孔，共有2 8 8 个卸压孔。卸压孔直径o 2 5 m ，深度为2 5 o m ，横桥向间 距o 8 5 m ，纵桥向间距0 8 6 m 。孔内充填护壁泥浆，各孔之间相对位置见图2 一l 。 南锚碇工程的施工工序为先施工排桩后实施冻结，然后再进行基坑开挖。基 坑施工根据围护结构特点采用“分层、分块、平衡、限时? 的时空效应法进行， 在深度方向共分8 级开挖。每级施工，根据“分区开挖，及时支撑”的施工原则， 先中间开挖，而后及时浇筑中间对撑和相应的围檩；继而开挖角撑部分土体，并 及时浇筑角撑，待混凝土围檩和支撑混凝土达到其强度的8 0 后，进行下一级施工， 如此循环直至坑底。为确保施工的顺利进行和基坑的安全稳定，指导施工，在施 工期间对排桩的钢筋应力、支撑轴力以及排桩的水平位移进行实时监测。排桩的 钢筋应力、支撑轴力采用应变计进行量测，排桩的水平位移采用测斜仪进行量测。 第二章排桩冻结法基坑工程及其监测系统 此外，除了采用足够厚度的冻结壁及其下部注浆加固形成保护靴的隔水措施 外，在坑内还采用近年来新发展的真空深井降排水、辅以轻型井点降水等措施提 供了基坑快速施工的干施工环境。 图2 2 设计基坑剖面图( 尺寸单位：厘m ) f 万： 1 1。弋烈。 锕格枸立挂t 桩f 、 斛 增 厂一。l 垆j 纠斟& r 么趁f l 、一 图2 3 基坑内支撑及降水井平面图( 尺寸单位：厘m ) 2 2 工程地质与水文地质条件 2 2 1 工程地质 ( 1 ) 第四系覆盖层 1 3 河海大学硕士学位论文 南锚碇锚位区第四系覆盖层总厚2 7 8 0 2 9 4 0 m ，起伏不定，东南偏高，东北 低，土性自上而下分别为灰色亚粘土、淤泥质亚粘土、亚粘土与粉砂互层、粉细 砂。各土层土力学参数见表2 1 。 ( 2 ) 基岩地层 南锚碇下伏基岩为燕山期侵入岩体，岩性主要为二长花岗岩，基岩面总体较 为平缓，东南见岩早，东北见岩迟，四周高，中间低，漏斗状曲面，基岩面埋深 2 7 8 0 2 9 4 0 m ，从上至下分别为全风化层、强风化层、弱风化层、微风化层。全 风化层厚度0 9 6 3 m ，强风化层厚度2 5 1 3 6 m ，弱风化层厚度2 0 3 4 0 m 。锚 碇基础座落在风化岩上，嵌岩深度在l 2 m 深。 ( 3 ) f 7 断裂构造带 南锚碇基坑西侧基岩有f 7 断裂构造带穿越，受其影响，该处岩体呈碎裂结构， 岩石破碎，有不规则隐裂隙发育。 表2 一l 各土层的主要物理力学指标 土层 厚度含水量重度摩擦角内聚力渗透系数 编号 土层名称 ( 1 1 1 )( )( k n 一)( 。)( k p a )( 1 0 气i s ) 1 亚粘土 o 7 2 53 7 51 8 71 84 41 9 2 1 淤泥质亚粘土 9 3 1 3 84 3 51 8 72 0 52 29 3 4 2 2亚粘土、粉砂互层7 4 1 2 。73 4 。51 9 。o3 l2 3 2 3粉细砂4 7 7 93 7 01 8 58 9 8 2 2 2 水文地质条件 南锚碇场区由于区域断裂构造的叠加影响及长江漫滩冲刷沉积，赋存两大含 水层组第四系孔隙微承压含水层组及基岩裂隙微承压含水层组。两个含水层 以及长江水位之间均有不同程度的水力联系。 ( 1 ) 第四系孔隙微承压含水层组 按锚区土层分布情况，亚粘土和淤泥质亚粘土构成含水层顶板，总厚度为 l o 2 0 1 4 1 5 m 左右；粉沙层以及亚粘土粉沙互层构成本场区空隙水含水层，总厚 1 5 1 9 m 左右；全风化基岩相对透水性弱，构成含水层底层。地下水埋深较浅，水 位标高1 9 1 2 5 9 m ，天然状态下地下水渗透系数k = 2 5 m d ，流速介于0 0 0 7 0 0 1 3 i i l d 左右。 ( 2 ) 基岩裂隙微承压含水层组 第二章排桩冻结法基坑工程及其监测系统 基岩含水层组呈现不同的水文地质特征，随母岩风化程度不同，透水导水性 明显不同：全风化层一般渗透性较小，其水理性接近孔隙水类型；强风化层水理 性介于孔隙裂隙水过渡型：弱风化及微风化层渗透性具备典型的裂隙水类型。 根据地质勘察报告，南锚碇区内的基岩全、强、弱风化带的渗透系数为0 0 0 6