（岩土工程专业论文）北京魏公村异型深基坑变形和稳定性分析.pdf

c 0 n ：f ，j i 1|：r- 一 器 ) ad i s s e r t a t i o ni ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g y 18 4 0 5 6 ，0 钎 a n a l y s i so nd e f o r m a t i o n a n d s t a b i l i t yo f a l l o t y p i cf o u n d a t i o np i to fw e i g o n gv i l l a g e i nb e i j i n g b yh u y u n d u a n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rs h ac h e n g m a n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 、 一m 蠡l ；l 一 7 一 l ； l 二-，k扩+： g 潦“ 、 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志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谢 ：芷 恧。 学位做作者签名嘲高峰 e l 凝：凇譬、弓d 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年一年半d两年口 学位论文作者签名： 嘲么号 签字日期：乙印廖多、? f 7 翩躲蜘 签字日期：沙册乳7 ，眵 ， 一一y，i， h ，“ij ，声 i 气 i ，西0玉 7 j 东北大学硕士学位论文摘要 北京魏公村异型深基坑变形和稳定性分析 摘要 本文结合北京市魏公村热力管道异型深基坑围护开挖的具体实践，利用理论分析、 数值模拟、现场实时监测等手段，以异型基坑土与支护结构相互作用稳定性为核心，对 异型基坑开挖过程中引起的土层位移和稳定性、地表沉降、支护结构的位移和稳定性， 横支撑的受力情况和改进以及三维状态下土压力理论分析、土体抗滑稳定性理论分析、 灰色理论进行地表沉降的预测等相关内容进行了全面深入的研究，取得了一些有创见性 的成果。 分析了异型深基坑开挖过程中，水平面上存在着拱形线，竖直面上存在着凹形线， 并随开挖深度的增加，在土拱效应的作用下发生了应力迁移，使得变形土体的一部分能 量迁移到了稳定土体中，在变形土体与稳定土体的界面处形成了应力集中现象，形成了 滑移面，在滑移面处发生剪切破坏。 根据上述破坏状态，考虑土与支护结构相互作用建立了空间状态下直臂及异型基 坑的力学模型，推导了力学几何曲线方程，以静力平衡为基础，推导了直臂基坑的土 压力表达式和异型基坑的主动土压力表达式；推导了土体抗滑稳定性表达式。 运用工程软件p l a x i s3 d 进行了数值模拟，充分考虑了分层开挖效应和土与支护结 构相互作用。根据数值模拟结果，分析了异型深基坑在空间状态下土体和支护结构水位 位移场和竖直位移场的变化规律及其稳定性情况，分析了地表沉降的变化规律，了解了 异型深基坑开挖过程中土体和支护结构最不稳定需加以防范的时段。对横支撑受力模拟 结果进行分析，知道受力最大的支撑并对横支撑进行改进。从注浆范围和支护结构刚度 这两方面对异型深基坑稳定性的影响进行了分析，得出支护结构刚度的增加对稳定性影 响不是很显著；对于异型深基坑，注浆这种辅助支护措施非常有效，要注意注浆范围。 对异型深基坑工程的实际监测项目和方法以及监测的相关内容做了介绍，将监测数 据进行整理并分析，整理出井口沉降曲线和井口收敛曲线，可以知道井口沉降和收敛是 同步的，相互影响的，并与模拟结果进行比较，知道开挖5 米至9 米的过程中异型深基 坑沉降比较大。 利用灰色理论自适应模型g m ( 1 ，1 ) ，以监测数据为原始数据，对地表沉降值进行 预测，最大相对误差为1 0 8 6 ，并进行精度检验，为其它工程预测提供参考。 关键词：异型深基坑；变形；稳定性； 努睫黜聚：“、 土与支护结构相互作用；数值模拟 i i 11l1j ，01i， 、 ， 东北大学硕士学位论文 a b st r a g t a n a l y s i s o nd e f o r m a t i o na n ds t a b i l i t yo f a l l o t y p i c f o u n d a t i o np i to f w e i g o n gv i l l a g ei nb e i ji n g a bs t r a c t t h i sp a p e rc o m b i n e ss p e c i f i cp r a c t i c eo fa l l o t y p i cd e e pf o u n d a t i o np i td u r i n ge n c l o s e d e x c a v a t i o ni nw e i g o n gv i l l a g eo fb e i j i n gp r o j e c to ft h e r m a lp i p e i tm o s t l ys t u d i e so nt h e c o n t e n to fs t a b i l i t yo fi n t e r a c t i o nb e t w e e ns o i la n ds u p p o r ts 缸u c t l h cb ym e a n $ o f u t i l i z i n g t h e o r ya n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，o n - t h e - s p o tm o n i t o ri nr e a lt i m ee r e i tr e s e a r c h e st h e r e l e v a n tc o n t e n t sa b o u tt h es o i ll a y e rd i s p l a c e m e n t ，t h es t a b i l i t yo f t h es o i l ，t h ee a r t h ss u r f a c e s u b s i d e n c e ，t h es u p p o r t咖c 嘶d i s p l a c e m e n ta n di t s s t a b i l i t y ， f o r c ec o n d i t i o na n d o p t i m i z a t i o no ft h eh o r i z o n t a ls u p p o r t ，a n dt h et h e o r e t i c a la n a l y s i so fe a r t hp r e s s u r eu n d e r t h r e ed i m e n s i o n a ls t a t e ，t h et h e o r e t i c a la n a l y s i so fs o i la n t i s l i d es t a b i l i t y ，t h et h es u r f a c e s e d i m e n t a t i o np r e d i c t i o nb a s e do ng r e yt h e o r ye t c t h a tr e l a t e dc o n t e n t st ob ef u r t h e r c o m p r e h e n s i v es t u d i e d ， a n dh a so b t a i n e ds o m eo r i g i n a la c h i e v e m e n t s t h e r ea r ea r c h e dl i n ea n dc o n c a v el i n ee x i s ti nt h eh o r i z o n t a la n dv e r t i c a lp l a n e ，t h a t d u r i n gt h ee x c a v a t i o no fa l l o t y p i cd e e pf o u n d a t i o np i t w i t hi n c r e m e n to fe x c a v a t i o nd e p t h ， s t r e s sm i g r a t i o nh a sh a p p e n e du n d e rt h es o i la r c h i n ge f f e c t p a r te n e r g yo fd e f o r m a t i o ns o i l m i g r a t et os t a b l es o i l s t r e s sc o n c e n t r a t i o nw i l la p p e a ra ti n t e r f a c eb e t w e e nd e f o r m a t i o ns o i l a n ds t a b l es o i l ，a n dw h e r es h e a rf a i l u r eh a p p e n a c c o r d i n gt oa b o v e dd a m a g es t a t e ，h a ss e tu pt h em e c h a n i c sm o d e l so ft h es p a c es t a t e c o n s i d e r i n gt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ns o i la n ds u p p o r ts 缸u c t u r c i th a sa l s od e r i v e do u t m e c h n i c a lg e o m e t r i cc b r v ee q u a t i o n i th a sa l s od 耐v e do u tt h ee x p r e s s i o nf o r m u l ao ft h e e a r t hp r e s s u r eb a s e do ns t a t i ce q u i l i b r i u m ，a n dd 舐v e do u tt h ee x p r e s s i o nf o r m u l ao fs o i l a n t i - s l i d es t a b i l i t y i no r d e rt od e s c r i b et h ei n t e r a c t i o nm e c h a n i s mb e t w e e ns o i la n ds u p p o r ts t r u c t u r eb e t t e r u s i n gp l a x i s3 dp r o g r a mt oc a r r yo nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n i ti sf u l l yc o n s i d e r e dt h e e f f e c t so fs t r a t ad u r i n gt h ee n c l o s e de x c a v a t i o n i ta n a l y s e st h es o i la n ds u p p o r ts t r u c t u r e s c h a n g el a wo fh o r i z o n t a la n dv e r t i c a ld i s p l a c e m e n tf i e l du n d e rs p a c es t a t ea n di t ss t a b i l i t y ； a n dt h ec h a n g el a wo ft h ee a r t h ss u r f a c es u b s i d e n c e k n o wt h eu n s t a b l es t u a t i o no ft h es o i l r 、pt0-、 东北大学硕士学位论文 a b st r a c t a n ds u p p o r ts t r u c t u r e a n a l y s e st h ef o r c es i t u a t i o no fh o r i z o n t a ls u p p o r t a n dk n o wt h em a x f o r c e dh o r i z o n t a ls u p p o r t , t h e no p t i m u mt h eh o r i z o n t a ls u p p o r t i ta l s op r o v e st h a tt h es o i l a r c h i n ge f f e c te x i s t e d ，w h i c ha n a l y s e st h ee x i s t e n c ef o r mo fa r c h e dl i n ea n dt h ec h a n g el a wi n c o u r s eo fe x c a v a t i o n a n a l y s e st h ei m p a c to ft h es t a b i l i t yo fs l l o t y p i cf o u n d a t i o np i to n g r o u t i n gr a n g ea n ds u p p o r ts t r u c t u r es t i f f n e s s k n o w ne f f c c t i o no ft h es t i f f n e s s si n c r e m e n ti s n o ts i g n i f i c a n t ，e f f c c t i o no fg r o u t i n gi ss i g n i f i c a n t m u s tp a ya t t e n t i o nt ot h er a n g eo ft h e g r o u t i n g i n t r o d u c et h ep r a c t i c a lm o n i t o ro fa l l o t y p i cd e e pf o u n d a t i o np i ti nw e i g o n gv i l l a g eo f b e i j i n gp r o j e c to ft h e r m a lp i p e a r r a n g ea n dp r o c e s st h em o n i t o r i n gd a t a ，a n a l y z et h ec h a n g e l a wo ft h ee a r t h ss u r f a c es u b s i d e n c ea n dt h ew e l l h e a dc o n v e r g e n c ei nc o u r s eo fe x c a v a t i o n ， a n dc o m p a r et ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s k n o wt h ee a r t h ss u r f a c es u b s i d e n c ea n dt h ew e l l h e a d c o n v e r g e n c ea g es y n c h r o n o u s ，a n dt h em a x v a l u eo fa l l o t y p i cf o u n d a t i o n ss e t t l e m e n tf r o m3 m t o5 m p r e d i c tt h ee a r t h ss u r f a c es u b s i d e n c ev a l u eb a s e do n 黟e yt h e o r ya d a p t i v em o d e lg m ( 1 ， 1 ) ，w h i c ht a k i n gt h em o n i t o r i n gd a t af o ro r i g i n a ld a t a t h em a x i m u mr e l a t i v e e r r o ri s 1 0 8 6 a n dt a k et h ea c c u r a c yt e s t ，p r o v i d er e f e r e n c ef o ro t h e re n g i n e e r i n gp r e d i c t i o n k e y w o r d s ：a l l o t y p i cd e e pf o u n d a t i o np i t ；d e f o r m a t i o n ；s t a b i l i t y ；i n t e r a c t i o nb e t w e e ns o i l a n ds u p p o r ts t r u c t u r e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n floil，- i j 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论1 1 1 课题来源l 1 2 研究的目的及意义l 1 3 异型深基坑工程研究现状2 1 3 1 土压力研究。2 1 3 2 土体本构关系研究3 1 3 3 土与支护结构相互作用研究3 1 3 4 支护结构变形研究4 1 3 5 地表沉降研究5 1 3 6 数值模拟研究。5 1 4 本文研究内容与方法6 第2 章异型深基坑的力学行为分析7 2 1 土与支护结构相互作用力学模型及其参数的确定8 2 1 1 力学模型的提出8 2 1 2 力学模型的基本方程。9 2 1 3 力学模型拱形线的确定l l 2 2 三维状态下异型深基坑土压力分析。1 2 2 2 1 经典土压力计算理论1 2 2 2 2 直臂三维状态下土压力分析。1 3 2 2 3 异型深基坑三维状态下主动土压力分析l8 2 3 异型深基坑土体抗滑稳定性分析2 l 2 4 异型深基坑变形形态2 3 2 4 1 坑底土体隆起2 3 v 东北大学硕士学位论文目录 2 4 2 支护结构变形。2 3 2 4 3 支护结构后地表沉降。：2 4 2 5 本章小结。2 4 第3 章异型深基坑开挖有限元分析。2 5 3 1 有限元法基本思想2 5 3 2m o b l c o u l o m b 弹塑性模型2 5 3 3p l a x i s3 d 程序简介2 6 3 4 模型建立说明2 8 3 4 1 地质概况2 8 3 4 2 相关假设2 9 3 4 3 模型的说明与参数的确定2 9 3 5 建立模型及其离散化3l 3 6 异型深基坑开挖数值模拟3 2 3 6 1 测点的布置3 2 3 6 2 土体竖直剖面模拟结果及分析3 2 3 6 3 支护结构竖直剖面模拟结果及分析4 2 3 6 4 异型边地表沉降模拟结果及分析4 5 3 6 5 横支撑模拟结果分析及改进4 8 3 7 异型深基坑稳定性影响因素分析4 9 3 7 1 注浆范围的影响分析4 9 3 7 2 支护结构刚度的影响分析5 0 3 8 本章小结5 0 第4 章工程施工监测5 3 4 1 监测的目的5 3 4 2 异型深基坑监测项目及其方法5 3 4 2 1 地表沉降监测5 3 4 2 2 支护体系水平位移监测5 5 4 3 异型深基坑监测测点布置原则5 5 4 4 变形控制标准5 5 4 5 监测数据处理5 7 4 6 魏公村异型深基坑的监测5 7 v i ：iijr 东北大学硕士学位论文 目录 4 6 1 监测依据和方法5 7 4 6 2 异型基坑测点布置5 8 4 6 3 监测数据处理与分析5 8 4 7 本章小结6 l 第5 章异型深基坑沉降预测一6 3 5 1 灰色系统理论6 3 5 1 1 灰色系统理论简介6 3 5 1 2 灰色模型“ 5 2 异型深基坑沉降灰色预测6 8 5 3 本章小结7 4 第6 章结论和展望7 5 6 1 主要结论7 5 6 2 建议和展望7 6 参考文献7 7 致谢：81 个人简历8 3 镪 l 誊 ” 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 课题来源 第1 章绪论 本课题来源于北京魏公村路热力管线，北京魏公村路热力管线位于海淀区魏公村， 平行学院南路东西走向，西起西三环魏公桥，东至皂君庙路，以西颐路为界分为两段。 本工程有电信电缆、上水、天然气、雨污水等管线平行隧道从深基坑内穿过，对于有压 管线和电信管块产权单位不允许悬吊加固，设计上全线所有深基坑采取“上小下大的 结构方式，最大斜度为3 0 度，以躲开现况管线，向下渐变到满足隧道开洞门的宽度。 根据地质勘查报告，场地地貌位置属于永定河冲击扇的中上部，地形平坦，按岩性 及工程特性将地层划分为四大层，其中一层为人工填土土层厚0 5 0 2 o o m ，- - n 四层 为一般第四纪沉积土层。 1 2 研究的目的及意义 随着经济建设的飞速发展和城市化进程的不断加快，尤其是改革开放2 0 多年以来， 我国迎来了城市建设的高峰期，特别是市政工程得到了突飞猛进的发展。有限的地面空 间已不能满足人们日益增长的生活和工作的需要，向空间和地下寻求新的发展空间已是 社会发展的必然要求。魏琅、顾宝和【l 】在论述城市工程建设的发展形势时指出：誓高层建 筑增多，向高、重、大、深等方向发展；地下空间逐步开拓，地下工程增多，向长、大、 深、群等方向发展 。因此，近年来大量的高层建筑物以及地下工程如雨后般的春笋不 断涌现，尤其是进入2 0 世纪9 0 年代以来，我国大多数城市进行了1 日城区改造扩建工 程的高峰期，高层建筑和大型构筑物的数量越来越多，其规模和深度不断加大，深基坑 f ，工程逐渐成为了城市建设中主要的岩土工程之一，是每个城市建设者和决策者都必须面 临的一个普遍而又具有重大意义的研究课题。 随着城市地下工程项目逐渐增多，随之而来所涉及到的地下构筑物也逐渐增多，这 就难免会给地下空间的发展造成一定的难度，也给设计、施工带来一定的不便。城市基 坑的开挖对周围环境的影响不可忽视，同样周围环境对基坑的开挖也带来一定的限制， 在这种情况下，对这种特殊情况下的基坑开挖研究就具有广阔的前景，通过对这种特殊 基坑的研究，我们可以了解到异型基坑在各个施工工况下的支护结构的变形性状和稳定 性，以及周围土体的变形性状和稳定性，可以更加丰富地下工程施工技术的内容，同时 c 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 也为以后类似的工程问题提供参考。 1 3 异型深基坑工程研究现状 在上世纪3 0 年代，t e r z a g h i ( 太沙基) 等人已开始研究基坑工程中的岩土工程问题， 到4 0 年代，t e r z a g h i 和p e c k 等人提出了预估挖土方稳定程度和支撑荷载大小的总应力 法，这一理论经过不断的修改和完善一直延用至今1 2 。在以后的时间里，世界各国的许 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。5 0 年代b j e r r u m ( g v , 鲁姆) 和e i d e ( 艾德) 【3 】经过研究得出了分析基坑底板隆起的方法。6 0 年代首次在奥斯陆和墨西 哥城软粘土基坑开挖中使用仪器监测基坑变形，监测结果为以后的基坑设计、施工提供 了大量可靠的资料【4 l 。 作为一个特殊的岩土工程问题，异型深基坑工程非常复杂，国内外目前没有针对本 文中的异型深基坑的研究理论，在此只针对直臂深基坑工程某几个方面及其相关内容来 阐述其研究的基本情况。 1 3 1 土压力研究 ， 上世纪2 0 年代后，随着有支护开挖基坑的大量应用，人们逐渐认识到土与支护结 构之间相互作用的土压力对于支护结构的受力和土体的变形起着极其重要的作用。国内 外的工程技术人员进行了大量的土压力试验研究工作，提出了各种土压力计算理论。其 中以库伦( 1 7 7 3 ) 和朗肯( 1 8 7 5 ) 为应用最广泛的土压力理论。朗肯理论是从弹性半空间的 应力状态出发，由土的极限理论导出；而库伦理论是在滑楔体极限平衡的基础上所导出 的。但是由于土的破坏过程实际已经进入塑性区，因而用弹性理论求得主动土压力偏大， 被动土压力偏小。 国内外大量学者通过实验研究和理论分析对经典土压力理论进行不断修改和完善， 形成更加符合实际的土压力计算方法。目前，土压力计算方法研究主要分为两大类：试 验研究和理论研裂”。 国际上，t e r z a g h i t 6 】通过大规模的模型试验获得了极限状态和当土结构变形之间的关 系，并指出，只有当土体水平位移达到一定值、土体产生剪切破坏时，库伦和朗肯土压 力值才是正确的。f a n g 和i s h i b a s h i r l 、f a n g ，c h e n 和w u 8 1 分别对砂性填土刚性挡墙的 主动、被动土压力进行了模型试验，得出了主动和被动土压力的分布形式。在国内，何 颐华等【9 】通过模型试验和实际工程测试，发现桩上部土压力小于主动土压力。刘晓立等 u 0 】通过一个大型室内模型试验，探讨悬臂板桩和单锚板桩两种工况在砂性填土中随不同 2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 的挖土深度，土压力的强度和分布规律。 许多人进行了改进，并取得了许多有价值的研究成果：从地基强度理论的角度出发 研究土压力系数【1 1 】，考虑水土压力的土压力以及关于水土压力的分算与合算问题的研究 b 2 ，考虑基坑外卸载影响的土压力【1 3 1 ，被动土压力的研究1 4 1 等等。后来随着塑性流动 理论的发展，塑性极限分析的方法在土力学中得到越来越广泛的应用。f i n n ( 1 9 6 7 ) 和陈 惠发( c h c n w f ，1 9 7 0 ) 等曾用极限分析方法研究了古典的c o u l o m b 直线破坏机理问题 1 5 1 。 1 3 2 土体本构关系研究 在上世纪六、七十年代关于土的本构模型的研究形成了高潮。国内外学者在不同理 论基础上提出了许多类型的模型，如弹性模型、弹塑性模型、内时理论模型等。一些人 也引进了损伤力学、细观力学、突变理论、流变模型、分形几何以及统计理论、模糊数 学等非确定性理论，力图在这方面有所突破。 由于土的多样性和性质的复杂性常会使土的本构模型很复杂，并且其适用范围也有 限，这就限制了它们在工程中的应用。d u n c a n ( 邓肯) 的双曲线模型由于使用了为工程师 所熟悉的增量广义虎克定律的形式，参数物理意义明确且易于确定，适用土的范围也较 广，它在工程应用中又被不断改进、完善、总结和普及，目前在工程中应用广泛。 各种弹塑性模型在工程应用上还不是普遍，仅仅是提出者自己在使用，只有少数的 模型如修正的建桥模型和l a d e d u n c a n ( 拉特邓肯) 模型获得了一些拥护者。 1 3 3 土与支护结构相互作用研究 对土与支护结构共同作用问题的研究始于2 0 世纪5 0 年代，研究较多的是高( 超高) 层建筑基础与地基的共同作用，较早提出土与支护结构共同作用计算问题的是日本的森 重龙马【1 6 1 。其土压力计算模型是将围护墙侧的土体视作土弹簧，其弹簧系数为地基土的 水平基床系数。假设围护墙向背离土体方向的水平位移为“口，地基土的水平基床系数为 也，则墙上作用的土压力强度为： 气= e o k 口“口巳 ( 1 1 ) 假设围护墙向着土体方向的水平位移为，地基土的水平基床系数为巧，则墙上作用 的土压力强度为： 3 - 第1 章绪论 勺= + 巧 ( i - 2 ) 以上式中、e e p 分别为静止土压力强度、主动土压力强度和被动土压力强度，称g 口 为主动变形土压力，p ，为被动变形土压力，k ”口为主动变形土压力增量，足声“声为被动 变形土压力增量。 目前研究土与结构相互作用的方法大致可分为三种【1 - q ：一种是直接法将接触面上相 互作用问题作为一个二次规划问题考虑；一种是通过研究土与接触面上的本够关系，在 土与结构的接触面上设置接触单元，将非连续问题转化为连续问题，以便于有限元处理； 另一种是基于接触力学原理提出的l a g r a n g e 乘子法，其中的乘子相当于接触力或者接触 应力，只要求出其中的乘子，就可以得到接触面上的力或应力分布，且计算精度较高。 邓子胜【ls 】根据横向受荷桩的p y 曲线方程，建立了深基坑支护结构一土非线性共同 作用的土压力计算模型。在揭示弹性地基反力法m 值的影响因素及机理的基础上，提出 把围护墙水平位移和主( 被) 动土压力与静止土压力之差值从影响m 的因素中分离出来， 而仅考虑原状土性质的影响，即仅需确定地基土的初始水平基床系数的比例系数， 使模型参数得以简化。以上述计算模型为基础，提出了深基坑支护结构一土非线性共同 作用弹性地基反力法的基本原理与计算方法。 1 3 4 支护结构变形研究 支护结构变形的计算方法，目前最为常用的是弹性支点法【l 孵，该方法考虑了结构与 土的相互作用，能计算得到支护结构水平位移，相对于极限平衡方法有了很大的进步， 应用较为广泛，支护结构受力分析的弹性地基梁法【2 0 】能够模拟和计算支护结构的内力和 变形，并具有计算模式明确，过程简单的有点。 通过对实测数据或数值模型计算结果的拟合分析得到半经验性结论，也是研究基坑 支护结构变形的常用方法。唐孟雄从多个基坑的监测资料入手，对支护结构的水平位移 作了回归分析，认为其符合抛物线分布【2 n 。 肖宏彬，王永和，王星华针对深基坑开挖中广泛采用的多支撑挡土结构，考虑分步 开挖的施工过程对挡土结构内力位移的影响，提出了以弹性地基梁理论为基础的有限元 分析方法，并推导出了各开挖阶段矩阵方程的形式，通过与工程实例实测数据的对比分 析发现模拟结果较好【2 2 1 。孙树林，吴绍明，裴洪军，对深基坑工程进行了有限元数值模 拟，在此基础上进行了支撑刚度、位移柔度数、土体变性及强度参数等因素的水平正交 4 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 试验设计，得出了深开挖中的各个参数对多层支撑深开挖变形的影响程度和各个参数的 灵敏度【2 3 】。陆灿寿等人【2 4 1 通过现场量测的深基坑围护结构变形信息资料，结合参数优化 反分析及弹性地基梁有限元计算，建立了深基坑开挖中支护结构变形计算的预报方法。 1 3 5 地表沉降研究 在基坑开挖所引起的周围地表沉降研究方面，常用的经验、半经验公式是著名的 p e c k ( 1 9 6 3 ) 经验曲线，p e e k l 2 5 】根据美国芝加哥、挪威奥斯陆等地的现场沉降观测资料， 提出对不同土层分析地表沉降及沉降范围的经验关系曲线以及相应的经验估算方法。同 济大学候学渊教授【2 6 】在p e c k 和s c h m i d t 研究成果的基础上，借鉴三角形沉降公式的思 路，依据墙体位移和地面沉降两者的地层移动面积相关的原理，提出了确定地面沉降的 地层损失法，并把此法应用于沿海软土地区基坑研究；刘建航院士在参考新奥法隧道施 工面时空效应理论和上海软土基坑实践的基础，提出了时空效应法，用于计算和控制基 坑结构变形和周围地层位秽2 7 】。m a n a 和c l o u g h 提出一种基于有限元法和工程经验的简 化方法稳定系数法，该法利用坑底抗隆起稳定安全系数与地表最大沉降对开挖深度的比 值间的关系，在解得基坑底抗隆起安全系数的基础上通过查图表求得地表沉降最大值， 其抗隆起安全系数一般由t e r z a g h i 法解得，用于计算的关系图表需根据基坑的类型、地 质条件等作出修i e t 2 乳。 1 3 6 数值模拟研究 近年来随着基坑工程向纵深方向发展，出现了一系列新的问题，对传统的理论及分 析方法提出了挑战，尤其是随着电子技术和计算机技术的发展，使得对这类问题进行非 线性数值分析成为必要和可能，人们对于这类问题的分析逐渐借助于数值模拟的方法， 因此，数值模拟方法( 主要是有限单元法) 在基坑开挖稳定性分析中得p u t 广泛的应用， 并取得了很好的效果。 1 9 7 0 年d u n c a n 和c h a n g 首次应用有限元数值方法对边坡开挖的性状进行了研究分 析【2 们，通过与实测资料的对比，认为有限元可以较好地预测边坡开挖，其中土体本构模 型采用双曲线非线性弹性模型3 0 1 。s i m p s o n 等跚提出了一个用于非线性有限元分析程序 的伦敦粘土的应力应变关系的计算模型，将伦敦粘土形状分为三个应变区：弹性区、过 渡区、塑性区，最后用此模型分析计算了伦敦粘性土中的两个深基坑开挖的变形过程， 认为非常成功。 牛富俊等【3 2 】利用弹塑性模型有限元并结合室内模拟试验，对基坑开挖进行了研究， 5 第1 章绪论 取得了较好的结果。 张建勋等【3 3 1 提出了被动桩对侧向位移的土层起到遮拦作用的机理主要是土拱效应。 采用p l a x i s8 1 ，详细地研究了被动桩中土拱效应的产生机理，分析表明，桩间距是影响 土拱效应的最主要因素。 俞建霖、龚晓南【3 4 】运用有限单元法分析了基坑开挖的三维性状，探讨了基坑围护结 构变形、地面沉降及土压力分布规律，并与二维分析结果进行了对比分析，得出了一些 有益的结论。 综合国内外的研究发现，对于基坑支护结构变形和基坑周围地表沉降的研究手段主 要包括数值方法和经验方法两大类，且人们对直臂深基坑已经投入了很多的研究，。异 型基坑这方面，同济大学铁道建筑工程系董月英阁等人结合某一地铁异型基坑开挖断 面，考虑基坑上下部分土体之间的相互作用对基坑稳定性的影响，建立理论模型，对抗 隆起和抗倾覆这两方面进行了理论分析。随着经济的发展，施工的周围环境将越来越复 杂，异型深基坑的应用将越来越广泛，各种形状的异型深基坑都将出现，其变形性状和 稳定性也将引起人们的重视。 1 4 本文研究内容与方法 本文主要进行北京魏公村热力管道工程的异型深基坑围护开挖的变形和稳定性研 究，在进行研究土与支护结构的相互作用时，通过理论研究、现场实时监测、同时借助 于数值模拟分析的方法认识其动态变化过程反映出来的规律性。主要是基于以下几个方 面进行研究分析的： ( 1 ) 结合模拟结果从理论的角度分析异型深基坑的力学行为，分析其破坏形态，以 此建立土与支护结构相互作用的三维力学模型，推导力学模型的相关参数，试着推导出 直臂基坑和异型基坑的土压力公式，抗滑稳定性分析公式。 ( 2 ) 采用有限元软件p l a x i s3 d 进行数值模拟分析，结合现场施工工艺和施工步骤 建立模型，模拟异型深基坑开挖各个工况下，竖直开挖面支护结构变形和稳定性、地表 沉降变形以及竖直面土体在各个施工工况下表现出来的性状，对横支撑受力的模拟结果 进行分析并进行改进，分析影响异型深基坑变形和稳定性的因素。 ( 3 ) 介绍现场实时监测情况，并对监测的结果进行整理，分析异型深基坑在实际开 挖过程中，各个施工工况下的土体位移的变化情况并与数值模拟结果进行比较分析。 ( 4 ) 利用灰色理论g m ( 1 ，1 ) 自适应模型，以监测数据为原始数据进行预测计算，预 测沉降值并检验其精度。 6 j，_濯誓l j 一 东北大学硕士学位论文第2 章异型深基坑的力学行为分析 第2 章异型深基坑的力学行为分析 同济大学朱碧堂【蚓在文中阐述了在基坑开挖过程中，水平土层和竖直土层中存在着 土拱效应，并且在水平土层中会形成拱形线，异型深基坑开挖过程中，也存在这种现象。 当基坑开挖深度达到一定程度后，拱形线的形状和半径的大小不再随开挖深度的增加而 增加，而是在基坑开挖到一定深度的地方形成了一个比较稳定的拱形线，余下的深度范 围内将不再形成拱形线，它们将会在此拱形线的界面处发生滑移、错动的现象形成滑移 裂隙带。在此部位土与支护结构的变形最大，同时在此部位的稳定土体中将会形成一个 滑移面。这是因为位于滑移面内的变形土体在抗剪强度的作用下，形成了土拱效应，使 得变形土体的一部分能量迁移到了稳定土体中，在变形土体与稳定土体的界面处形成了 应力集中现象，尤其是在拱形线的拱半径上表现得最明显，使得位于拱半径内的交形土 体产生卸压现象，形成塑性状态，造成了拱形线的拱半径上的应力急剧增加。随着基坑 的开挖深度的继续增加，土体在滑移面的作用下，容易发生剪切破坏，在变形土体与稳 定土体的界面处产生滑移失稳，主要是在滑移面的界面处。 在竖直土层中，通过数值模拟可以看到其竖直面的位移云图，见图2 1 。可以看出 竖直面上形成了凹形线，由放大1 0 0 倍的破坏图可以看出，异型深基坑将沿着位移最大 的凹形线处破坏。在异型深基坑开挖的竖直面上，由于开挖与支护不可能同步进行，总 有一定的时间差，使得开挖面土体裸露在外一段时间，又由于支护结构与开挖面土体有 一定空隙，同时在土体的自重应力与外界荷载的作用下，将导致土体在竖直方向的加速 变形，由于变形土体与稳定土体的土颗粒间以及变形土体与支护结构接触面处存在着抗 剪摩擦阻力，如果抗剪摩擦阻力得到充分发挥，这样在竖直方向就不可避免的产生了土 拱效应，发生了应力迁移现象，如图2 1 ( b ) ( 直臂支护这边的凹形线) 中所示的b c 平面 上，它承受了变形土体迁移过来的一部分土压力，使其产生了应力集中现象；另一个拱 脚位于支护结构上，它也承受了变形土体迁移过来的一部分土压力，使作用于其上的土 压力也相应地增加了。这样，在稳