（岩土工程专业论文）成都地铁车站基坑施工过程力学研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 成都地铁一号线的车站多采用明挖法施工，并处在交通干道的下方， 周围高楼林立，对基坑的设计和施工提出了更高的要求。虽然成都地区 的基坑工程已有很多成功的经验，但对地铁车站基坑，尚有很多需要解 决的问题。 本文以成都地铁一号线锦江宾馆站基坑为研究对象，运用有限差分 软件f l a c 3 d 对基坑旋工过程进行数值模拟，并结合现场监测结果进行分 析，得出了排桩支护结构的受力变形规律，以及基坑角部范围的空间效 应，研究了基坑降水和基坑开挖对周围环境的影响。通过上述工作得出 了以下结论： ( 1 ) 开挖完成后，支护桩的最大位移发生深度1 2 m 左右，约为基坑开 挖深度的2 3 处，嵌固在泥岩中的桩底的水平位移很小，可以忽略。 ( 2 ) 桩体最大弯矩出现在开挖完成时深度1 4 m 左右，第三道支撑处始 终未出现负弯矩，与经典法计算值差别较大，其原因是经典法在计算时 未考虑支撑安装前桩身已经产生变形，这说明在计算时考虑基坑的开挖 过程是十分必要的。 ( 3 ) 钢支撑的承载力比1 6 0 0 k n 大很多，因此监测时要求支撑轴力不 超过1 6 0 0 k n 偏于保守。 ( 4 ) 钢支撑预加轴力对于减小支护结构水平位移效果显著。但只要及 时加撑，仍能有效的抑制支护结构的变形。 ( 5 ) 基坑角部有明显的空间效应，其影响范围约为基坑开挖深度的2 倍。基坑端部的斜撑轴力比直撑轴力大，短斜撑的轴力最大。 ( 6 ) 成都的砂卵石地层，渗透系数大，降水半径较大，降水曲线平缓， 因此基坑周围不会因降水引起较大的不均匀沉降。 关键词：地铁车站；基坑工程；排桩；数值模拟 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t o p e ns u r f a c em e t h o di sw i d e l yu s e di n i s tl i n eo fc h e n g d um e t r o s t a t i o n ，w h i c hi su n d e rt r u n kr o a dw i t hh i g h r i s e sb u i l d i n g so nb o t hs i d e s t h e r ea r em a n yi s s u e st ob e s o l v e di nt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no f e x c a v a t i o np i to fs u b w a ys t a t i o n ，t h o u g hl o to fe x p e r i m e n ta n da c h i e v e m e n t h a sb e e ng a i n e di nd e e pp i te x c a v a t i o nf o rh i g h r i s eb u i l d i n gi nc h e n g d ui n r e c e n td e c a d e s i nt h i sp a p e r , t h ec o n s t r u c t i o np r o c e s so fe x a c t i o np i to fj i n g ji a n gh o t e l s u b w a y s t a t i o nw a ss i m u l a t e dw i t hf i n i t ed i f f e r e n c e s o f t w a r e f l a c 3 d c o m b i n i n gw i t hm o n i t o r i n gr e s u l t s ，t h em e c h a n i c a lb e h a v i o r so f r o wp i l er e t a i n i n gs t r u c t u r ew e r eo b t a i n e d t h e s p a t i a l e f f e c ta n dt h e i n f l u e n c eo na r o u n de n v i r o n m e n t sc a u s e db yp i td e w a t e r i n ga n de x c a v a t i o n w e r es t u d i e d f o l l o w i n gc o n c l u s i o n sh a v eb e e na c h i e v e d ： ( 1 ) t h em a x i m u mh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to fr e t a i n i n gp i l eo c c u r sa t a b o u t12 md e p t h ，w h i c hi st w o t h i r d so ft h ed e p t ho fe x c a v a t i o np i t t h e h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n ta tt h eb o t t o mo fp i l e si sv e r ys m a l la n dc a nb e i g n o r e d ( 2 ) t h em a x i m u mb e n d i n gm o m e n to fp i l e i sa ta b o u t14 md e p t h n e g a t i v em o m e n tn e v e rh a p p e n sa tt h ep o i n to ft h i r ds t e e lb r a c e ，w h i c hi s d i f f e r e n tf r o mt h ec a l c u l a t i n gr e s u l to fc l a s s i c a lt h e o r y t h ed i f f e r e n c e c o m e sf r o mt h a tt h ed e f o r m a t i o no fp i l eb e f o r et h ei n s t a l l a t i o no fb r a c ei s n o tt a k e ni n t oa c c o u n ti nc l a s s i c ：a lm e t h o d ( 3 ) t h eb e a r i n gc a p a c i t yo fs t e e lb r a c ei sf a rm o r et h a n16 0 0 k n ，w h i c h i m p l i e st h a t16 0 0 k ni sc o n s e r v a t i v ea sa l l o w a b l ea x i a lf o r c eo ft h es t e e lp i l e b r a c e ( 4 ) p r e s t r e s s i n go ns t e e lp i l eb r a c eb r i n g ss i g n i f i c a n te f f e c tt or e d u c e t h eh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t b u ti fo n l ya d d i n gs u p p o r ti nt i m e ，i tc a n r e s t r a i ne f f e c t i v e l yt h ed i s t o r t i o no fs u p p o r t i n gs t r u c t u r e 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 。_ _ l _ _ _ _ _ i - i l _ _ _ _ _ - _ _ i l l _ _ _ - _ _ _ _ - - ：_ 二_ - ： ( 5 ) t h e r ei so b v i o u ss p a t i a le f f e c ti nt h ee n do fp i t ，t h ei n c i d e n c ei s a b o u tt w ot i m e st h ed e p t ho fe x c a v a t i o n t h ea x i a lf o r c eo fb r a c e s n e a r c o m e ro ft h ep i ti sg r e a tt h a nt h a to ft h eb r a c e sa tm i d d l eo f t h ep i t ( 6 ) d i s t i n c tg r o u n ds e t t l e m e n ta r o u n de x c a v a t i o np i td u et od e w a t e r i n g i ss m a l l k e y w o r d s ：s u b w a ys t a t i o n ，e x c a v a t i o np i t ，r o wp i l en u m e r i c a ls i m u l a t i o n 西南2 一y 2 通大学曲南遗大罕 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 不保密函使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：镨蠢祀 日期：叩卜弓 指导老师签名云1 j 屯 日期：泐7 参3 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。 本论文的创新点如下： 1 、运用岩土工程软件f l a c 3 d 对成都砂卵石地层地铁车站基坑 的施工过程进行数值模拟，并结合现场实测资料进行分析，得出了基 坑支护结构的受力变形规律。 2 、对基坑降水及开挖引起的地面沉降进行计算，就其对地面建筑 物的影响程度进行了分析。 红钲缸 唧易乡 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 随着城市建设的发展，三维城市空间的开发要求愈加迫切。目前各类 用途的地下空间已在世界各大中城市中得到开发利用，诸如高层建筑多层 地下室、地下铁道及地下车站、地下停车库、地下街道、地下商场、地下 医院、地下仓库、地下民防工事以及多种地下民用和工业设施等【lj 。建造 这些地下工程，常需进行的就是大规模的深开挖，这使得深基坑技术得到 了不断的发展。 基坑工程是指人们根据工程建设的需要，开挖地面以下一定范围和深 度内的岩( 土) 体、建造地下建( 构) 筑物，开发地下空间的人类活动工 程【2 】。它涉及工程地质、土力学、结构力学、施工技术以及环境工程等多 门学科，是一项涉及范围广泛具有时空效应的综合性工程。 在基坑工程设计与施工中，我们最关心的是基坑支护结构的稳定性。 目前基坑工程仍处于边实践边摸索阶段，尚缺乏成熟的理论指导，而主要 采用半理论半经验的方法解决问题，导致基坑工程事故时有发生。因此， 加强深基坑受力变形规律的研究，对提高深基坑工程实践的科学性尤为重 要【3 j ，而数值模拟方法是其中的一种研究手段。 地铁是解决城市交通的一个重要途径，现在全国有很多城市开始修建 地铁，成都就是其中之一。成都地铁车站的施工多采用明挖法。而在明挖 法结构设计中，基坑支护结构的合理设计在整个工程结构中占有重要地位。 它对对结构和周边环境的安全起着重要的作用，也直接影响工程的总造价。 成都地铁建设刚刚拉开帷幕。由于地铁车站基坑形式及成都地层具有 其自身的特点，对成都地铁车站深基坑的施工过程进行分析，研究施工对 周围环境的影响是非常必要的，这可为未来成都地铁基坑工程的设计施工 提供有益的建议。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 基坑工程研究历史与现状 基坑工程是土力学基础工程中一个古老的传统课题，同时又是一个综 合性的岩土工程问题，既涉及土力学中典型的强度、稳定与变形问题，同 时还涉及土与支护结构的共同作用问题。这些将随着土力学理论、测试技 术、计算技术以及施工机械、施工技术的发展而进步1 4 j 。 最早提出分析方法的是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。这一理论原 理一直沿用至今，只不过有了许多改进与修正。5 0 年代，b j e r r u m 和e i d e 给出了分析深基坑底板隆起的方法。6 0 年代开始在奥斯陆和墨西哥城软粘 土深基坑中使用了仪器进行监测，此后的大量实测资料提高了预测的准确 性，并从7 0 年代起，产生了相应的指导开挖的法规【5 1 。2 0 世纪8 0 年代， 随着城市化进展的加快，深基坑工程在国内得到发展。 进入9 0 年代，我国的高层和超高层建筑进入了一个迅速发展阶段。 随着高层建筑的发展，为了充分利用地下空间，多层地下室逐渐增多，基 坑的开挖深度也逐渐增大。随之而来的是支护结构的形式逐渐多样化，支 撑形式亦得到发展。在计算理论和计算技术方面提高更快，有限元方法和 计算机的应用日趋普及，大大提高了计算精度。尤其是杆系有限元模拟实 际施工工况，取得了比较符合实际的结果。另外，近年来连续介质有限元 法在深基坑开挖的非线性应力分析，及各种复杂荷载条件下土与结构相互 作用分析中得到了广泛的应用。这对复杂工程问题的分析与设计影响深远 【6 1 。 1 2 1 基坑支护结构土压力研究 土压力是作用在基坑支护结构上的主要荷载，是土与支护结构相互作 用的结果。土压力的大小及其分布规律是同支护结构的水平位移方向和大 小、土的性质、支护结构物的刚度及高度等因素有关。传统的设计理论根 据挡土结构变位的方向和大小，考虑三种土压力即：静土压力、主动土压 力、被动土压力。这些经典的朗肯土压力和库仑土压力理论因其因简单明 了，被广泛应用于基坑工程设计中。但因古典土压力理论中的弹性、平面 滑裂面等假定，使得实际土压力与计算值有一定的误差。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 h a b b a r d 【7 】，t e d d t 8 1 ( 1 9 8 4 ) 等通过实测资料总结了结构的受力及坑周土 体的变化规律，确定的土压力分布形式，在实际工程中得到了广泛应用。 k a t s u h i b oa r a i ( 1 9 9 3 ) t 9 】用有限元方法研究了重力式挡墙的主动土压 力，得出主动区侧压力的分布与挡墙的尺寸和重量密切相关的结论。 金瓯等【1 0 1 ( 1 9 9 4 ) 利用天津的软土进行了支护结构模型研究，成果表明： 悬臂式挡土墙的土压力呈三角形分布，且与静止土压力相近。 何颐华、杨斌等【1 1 1 ( 1 9 9 7 ) 等人对粘性土和砂土两种填料的悬臂式支护 桩进行模型试验，研究表明，桩后主动土压力随开挖深度及桩体位移的增 加而减少，且小于朗肯土压力，桩项附近土压力减少幅度最小。 谭跃虎、钱七虎【1 2 】( 1 9 9 7 ) 对某基坑支护桩作了全面的实测研究，总结 出了作用在支护结构上的土压力的分布规律：实测土压力小于朗肯土压力 计算值，当变形小于开挖深度的5 时，被动土压力仍能得到充分发挥。 杨雪强、刘德祖【1 3 1 ( 1 9 9 8 ) 基于土的塑性上限理论及极限平衡分析理论， 研究了坑壁端部对支护结构上的土压力的整体屏蔽作用，提出了考虑空间 效应的土压力公式。 夏永承等( 1 9 9 9 ) 在护壁桩中埋设钢筋应力计，得出桩体钢筋应力， 运用反分析手段，计算出坑底以上桩侧土压力分布。 刘国斌等【l 习( 2 0 0 0 ) 通过对某基坑不同开挖阶段的实测结果分析，研究 了开挖卸载条件下土体强度变化及其对被动土压力区的影响。 黄院雄【1 6 1 ( 2 0 0 0 ) 根据上海大量基坑工程的支撑轴力实测数据，得出墙 后土压力近似估算公式，并得出了主动土压力系数随基坑开挖工况号的增 加而减小的结论。 天津大学陆培毅等【1 7 1 ( 2 0 0 2 ) ，针对朗肯土压力理论与实际相差较大的 情况，以粘性土为材料，采用室内模型试验，模拟悬臂桩支护基坑开挖过 程，量测土压力与桩体位移，与朗肯土压力对比，发现实测主动和被动土 压力均小于朗肯土压力，并提出了一种粘性土压力分布形式。 朱碧堂等【1 8 1 ( 2 0 0 2 ) 采用拱形梁法对基坑开挖和支护中的土拱效应作了 初步理论分析，推导出了支护桩排的最大间距。 林国根【1 9 1 ( 2 0 0 5 ) 苑 - t - _ e , 力进行现场测试，研究了基坑桩锚支护结构在 开挖过程中的受力特性和主动区土压力随开挖工况的变化而变化的分布规 律。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 2 2 支护结构内力计算研究 目前基坑支护结构的计算方法通常可分为3 类：经典方法、弹性支点 法、数值方法【2 0 1 。 1 经典方法 经典方法如二分之一分割法、等值梁法等，把支护结构看作为一竖放 的梁，支点为支撑点或反弯点，支撑点为不动点，成为一个多支点的梁受 墙后土压力的作用。这种方法可近似计算支护结构的内力和支撑力，但误 差大，且不能计算出支护结构的位移，在计算机已非常普及的今天，应用 会越来越少。 2 弹性支点法 弹性支点法一般采用经典的理论土压力，如朗肯土压力理论或库仑土 压力理论，基坑面以上的支撑可以看成为一个弹性支点，基坑面以下的土 层可用一系列的土弹簧的作用来代替，如图1 1 所示。计算土弹簧刚度方 法则可有常数法、m 法、c 法等，支撑或锚杆也可用一系列的弹簧来代替。 该方法考虑了土、结构和支撑或锚杆的共同作用，结合增量法可以考虑复 杂的施工过程，方法简便，关键是土体弹簧刚度的确定【2 0 1 。 图1 1 弹性地基梁法计算简图【2 1 】 该法通常采用有限元法求解。国内外学者在这方面做了大量的工作，主 要从基坑开挖过程中支护结构所受的土压力分布以及围护结构模型本身的 简化两方面对弹性地基梁模型进行了研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 黄凯等一些学者对弹性地基梁模型进行了修正【2 2 】【2 4 1 ，得到了圈梁， 支撑温度应力等对弹性地基梁法分析支护桩墙工作性状的影响。修正了的 弹性地基梁模型和实际情况更加接近，但是，相应地分析结果变得繁琐， 对实际工程的设计及施工意义不大。 近年来，随着计算机的普及和相关软件的不断完善，这种方法已经成 为目前工程中应用的主流方法，足可以满足工程设计的需要。 3 数值方法 自1 9 7 2 年c l o u g h 第一次将有限单元法运用到基坑工程分析以来，有 限元法在挡土结构分析中得到了广泛应用。有限元法是数值方法的一种， 基坑工程的常用数值方法包括有限元法和有限差分法等。数值方法可以从 空间、时间上比较全面地反映各种因素对支护结构及周围土体的应力、位 移的影响【2 5 】，以及基坑周围的地表沉降。 有限元法的优点是：可反映支护结构在各种边界条件、初始状态、结 构形状以及不同的施工阶段、不同地质条件下的内力与变形，有的有限元 分析方法还可以考虑结构的空间作用，土体的各向异性与非线性、应力历 史、应力路径等比较复杂的情况。 陈永福【2 6 1 ( 1 9 8 9 ) 用b i o t 固结理论对基坑的开挖过程进行了数值模拟。 谢宁等【2 7 1 ( 1 9 9 5 ) 提出并建立了非线性流变有限元解析二次初应变法， 并以搅拌桩支护为例，按非线性流变模型进行有限元计算，与实测结果进 行了对比分析。 高俊合等【2 8 】( 1 9 9 9 ) 建立了固结、土与结构相互作用效应的数值分析方 法，分析了基坑开挖过程中渗流、水平位移、地面沉降及坑底隆起等各因 素之间的相互影响。 梅传书等【2 9 】( 2 0 0 0 ) 采用非线性弹性d u n c a n - c h a n g 模型来模拟土的非 线性，采用g o o d m a n 接触面单元来模拟桩体与土体接触面的力学特性，并 编制了二维有限元程序s j k ，与实测结果吻合较好。 牛富俊等【3 0 1 ( 2 0 0 1 ) 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，取得了较好的结果。 高文华等【3 1 1 ( 2 0 0 1 ) 采用m i n d li n 厚板理论，建立了可考虑支护结构内 力与变形时空效应的三维有限元分析方法。以上海某深基坑为工程原型， 利用所编制的计算程序，详细探讨了分步开挖深度、基坑开挖宽度、边界 约束条件、地基流变等因素对支护结构内力和变形时空效应的影响，揭示 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 了各种因素对软土深基坑支护结构内力与变形时空效应影响的规律。 赵海燕等【3 2 】( 2 0 0 1 ) 采用新的接触面单元d e s a i ，模拟土与结构的相互 作用，建立了三维有限元模型，通过计算分析得出基坑内网格密度对于计 算结果的精度有较大影响的结论。 宋二祥p 3 j ( 2 0 0 4 ) 结合某基坑工程，采用a n s y s 软件对基坑开挖过程中 支护结构的稳定性进行了三维非线性有限元分析，得出支护结构的内力及 变形估计值，对基坑稳定性作出了评价。 李俊才p 4 】( 2 0 0 5 ) 以南京两个基坑工程为背景，采用f l a c 3 d 软件进行 三维数值模拟，研究了支护结构的受力特性和变形规律，并将计算结构与 实测资料进行对比分析，得出了一些有益结论。 目前，在数值方法中，有限元法处于主流地位，但有限差分方法也有 较为广泛的应用。本文所采用的f l a c 3 d 软件就是采用的有限差分方法。 1 2 3 基坑的变形研究 对于城市中的基坑工程，变形控制往往起主导作用。基坑的变形主要 包括支护结构的水平位移和竖向位移、地表的沉降及坑内土体的回弹。 支护结构的变形表现为水平变形和竖向变形，当基坑开挖较浅时，支 护结构的变形主要为向基坑方向的水平变位，地表也随之变形；随着开挖 深度的增加，土体自重应力的释放( 卸载) 量增加，土压力增大，地表变形 的范围增大，变位量也增大；同时，支护结构墙体有所上升或下沉，使插 入坑底深度发生变化。 在基坑开挖进程中，所产生的地面沉降主要来自两个方面：是基坑 排水、降水引起的，另一种是由于支护结构的侧向变形引起的【35 1 。 基坑开挖时，打破了土体的原有应力状态，在垂直方向由于解除了土 体的自重应力，坑底土将产生回弹。开挖还将导致坑底土产生负孔隙水压 力，从而进一步导致坑底土体软化，吸水膨胀，使坑底土体进一步隆起。 在开挖深度不大时，坑底土体在卸荷后发生垂直隆起，当支护结构底部为 良好的原状土或注浆加固土时，支护结构在土体作用下也会被抬高。在较 窄的基坑中，坑底隆起为中间大，两侧小，这种隆起基本不会导致两侧支 护结构的侧向变形。随着开挖深度不断加大，坑内外土面高差也不断加大， 当土面高差到达一定程度时，坑底隆起量为中间小，两侧大，将导致基坑 坑底产生塑性隆起，同时在基坑周围产生塑性区，并引起地表沉降【3 们。研 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 究基坑变形的方法有很多，国内外学者对此作了大量的试验及理论研究。 p e c k t 3 7 1 ( 1 9 6 9 ) 根据现场实测资料提出了分析墙后地表沉降和范围的经 验方法，给出了如图1 2 所示的无因次曲线，可以得到下沉的数量级及沉 降分布曲线。长期估算地面沉降的实践对p e c k 法进行了修正和完善。 j 粲 簧隧 图1 2 预估地面下沉曲线 m a n a 和c l o u g h 3 8 j ( 1 9 8 1 ) 提出稳定系数法，它是一种基于有限元法和工 程经验的简化方法，用于估算护墙体最大位移和墙后地面的最大沉降值。 夏明耀( 1 9 8 4 ) 通过模型试验研究了基坑隆起量与土层的粘聚力和摩 擦角、连续墙插入深度、地面超载等之间的关系，运用数理统计的方法得 出了基坑隆起量的经验计算公式。 s u g i m o t o 4 0 】( 1 9 8 6 ) 通过对8 4 个基坑实测资料，运用统计分析的方法 提出了一种计算墙后最大地表沉降的经验方法。 侯学渊【4 1j ( 1 9 8 9 ) 提出了基坑地层损失法的概念。该法借鉴了三角形沉 降公式的思路，即利用墙体水平位移和地表沉陷相关的原理，采用杆系有 限元法或弹性地基梁法，然后根据墙体位移和地面沉降二者的地层移动面 积相关的原理，求出地面垂直位移即地面沉降。 刘建航【4 2 - 4 4 ( 1 9 9 9 ) 为解决深基坑整体稳定性和坑周土层位移控制问 题，参考新奥法隧道施工中的时空效应概念和上海大量软土基坑实践，提 出了空效应理论，它是一种计算和控制基坑结构变形及周围地层位移的方 法，并开展了大量工作，取得了可观的经济效益和社会效益 4 4 - - 4 引。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 徐方京4 5 1 0 9 9 3 ) 等分析了影响基坑变形的因素及坑外土体移动的影响 范围，并得出了边续墙后土体沉降的计算公式为一个r e v l e i g h 函数。 吴波等【4 6 】( 2 0 0 4 ) 使用基于弹塑性模型的三维有限元程序对基坑开挖过 程中的地表变形进行了分析，认为进行时空效应分析是非常必要的。 1 3 本论文的研究内容及方法 成都市地铁一号线主要穿过砂卵石层地基，目前，国内外关于砂卵石 地层中地铁车站基坑施工中支护结构受力变形特点、施工对周围环境的影 响等问题的研究相对较少。因此对成都地铁车站基坑工程进行研究对今后 成都地铁的设计与施工具有很好的指导意义。 本论文以成都地铁一号线锦江宾馆站为研究对象，应用岩土工程专业 软件f l a c 3 d 对施工过程进行计算，得出支护桩身位移、桩身弯矩，桩身土 压力、支撑轴力等，并分析了基坑端部的空间效应，还对基坑降水开挖引 起的地表沉降进行了分析。结合现场实测资料分析，得出了一些结论。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章地铁车站基坑的工程概况及监测方案 2 1 工程概况 2 1 1 工程简介 成都地铁1 号线锦江宾馆站位于成都市人民南路二段，其南面为滨江 路，北临新光华街，及成都的商业中心盐市口。车站两侧有锦江宾馆、岷 山饭店及四川省人大会堂等建筑，是成都市较为繁华的地区。 车站主体结构纵向长度1 6 5 6 m ，标准段宽度1 8 7 m ，地下两层单柱双 跨结构，站台层结构高度7 3 3 m ，站厅层结构净高4 5 5 m ；车站北、南端 与盾构区间接口处分别设置人防门及防淹门，主体出地面设置3 个地面出 入口及1 个紧急消防1 3 ，地面南北两端均设置1 组风亭【47 1 。车站采用明挖 法施工，其平面图如图2 1 所示： 2 5 9 0 0 1 2 2 1 0 0 i 一 1 7 6 0 0 i 。i i 嚣 墅丁_ i一 ( ) 左线中i c 线 昌ju ) n ) -_ 桂 。 ： r ir 口口一 - 口口口 量 _ _ “ o 右线中心线 。( ) ) 量封 萨司 一 ) 一 - 一 0 r “，- 一 8 0 0 2 8 0 0 0l 1 1 5 0 0 02 1 8 0 0 1 6 5 6 0 0 图2 1 基坑平面图( 尺寸单位为m m ) 2 1 2 工程地质及水文地质条件 站场范围内均为第四系地层覆盖。地表多为第四系全新统人工填筑杂 填土，其下为全新统冲积层卵砾石土夹粉细砂；第四系上更新统冰水沉积、 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 冲积及第四系中更新统冰水沉积、冲积卵石土夹砂透镜体；下伏白垩系上 统灌口组泥岩。 地下水类型及赋存条件：地下水主要有两种类型：一是松散土层孔隙 水，二是基岩裂隙水。第四系孔隙水基本都赋存于全新统、上更新统和中 更新统的砂、卵石土中，三层砂卵石层含水极其丰富，形成一个整体含水 层，含水层总厚度约1 4 9 0 - - 2 0 7 m ，为孔隙潜水。卵石土综合含水层渗透 系数k 为2 3 m d ，为强透水层。地下车站主体结构基本位于该层卵石土中， 受地下水影响较大。表层杂填土地下水含量甚微，对工程影响较小。基岩 裂隙水主要赋存于岩石裂隙中，基岩岩性为泥岩，透水性、富水性较差， 水量小。成都市充沛的降雨量( 多年平均降雨量9 4 7 m m ，年降雨日达1 4 0 天) ，构成了地下水的主要补给源。同时，雨洪期南河及附近沟渠也为其补 给源。此外，区内地下水还接受n w 方向的侧向径流补给。段内地下水具 有埋藏浅，季节性变化明显，水位西北高东南低【4 引。 2 1 3 基坑概况 基坑的安全等级为一级，抗设防烈度为7 度，其支护方案为人工挖孔 桩加内支撑： 人工挖孔桩桩径为1 1 m ，其中护壁混凝土厚为0 1 5 m ，桩长2 0 m ， 混凝土等级为c 2 5 ，桩的埋深为3 5 m 。 开挖深度为1 6 5 m ，设三道支撑，采用直径6 0 9 m m 、厚度1 2 m m 的 钢管，并在安装时预加轴力，其中第一道支撑为2 0 0 k n ，第二道和第三道 均为6 0 0 k n ，支撑的水平间距为4 m 。 基坑开挖后，用破碎机凿掉桩体在基坑侧的护壁层，桩间土采用钢 筋网加喷混凝土防护。 围护结构的剖面如图2 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 图2 2 支护结构剖面( 尺寸单位为m m ) 2 1 4 基坑监测方案 施工期间，对基坑支护结构的受力变形情况及施工对周围环境的影响进 行监测。其方案如下： 1 监测内容 本基坑的监测项目主要包括： 人工挖孔桩顶部水平位移； 人工挖孔桩桩身变形( 水平位移) ： 人工挖孔桩桩身内力； 钢支撑轴向力； 基坑外侧土体变形( 水平位移) ； 人工挖孔桩桩侧土压力： 基坑外侧地下水位； 地表和地下管线( 2 倍基坑深度范围内) 的沉降及水平位移； 基坑周围( 2 倍基坑深度范围内) 建( 构) 筑物的沉降、倾斜。 2 测点布置及量测方法 人工挖孔桩顶部的水平位移 监测点设在桩项，测点间距为1 0 - 1 5 m 。挖孔桩浇砼至项部时预埋长 1 5 c m 的( i ) 2 2 钢筋，钢筋头露出地面5 l o m m ，磨成球状并刻“十”字，作 匹南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 为水平位移的观测点。 考虑到基坑开挖时，施工现场狭窄，测点常被阻挡，且基坑有较长和 较短直线边并存的情况，支护结构顶部水平位移宜用视准线和小角度法来 监测，监测仪器为精密经纬仪和全站仪。 桩身变形 沿基坑每隔1 0 - - 1 5 m 在挖孔桩内布一根测斜管，其长度与桩长相等。 测斜管采用绑扎方法固定在钢筋笼上。在进行测斜管管段连接时，必须将 上下管段的滑槽对准，以保证测量时测斜管的探头在管内平滑移动。为了 防止砼浆进入管内，还应对接头密封处理。 测斜仪的基本原理是：将测斜探头放入测斜管底部，提升电缆使测斜 探头沿测斜管导槽滑动，自上而下每隔一定距离逐点量测每个测点相对于 铅垂线的偏斜。测点间距一般就是探头本身长度，因而可以认为量测结果 沿整个测斜孔是连续的，这样，同一量测点任何两次量测结果之差，即表 示量测时间间隔内支护结构在该点的角变位。根据这个角变位，可以把它 们换算成每个测点相对于测斜管基准点水平位移。由此，可以提供围护结 构沿深度方向水平位移随时间变化曲线。 人工挖孔桩桩身内力 选择2 根具有代表性的桩作为测试桩，每根桩布置1 2 个量测断面。钢 筋计的布置如图2 3 所示。 地面 图2 - 3 钢筋计布置图 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 钢支撑轴力 钢支撑的轴力量测可采用应变计和轴力计等元件量测。其中，轴力计 安装在钢支撑端部，而应变计安装在钢支撑的中间，且每个量测断面上布 置3 个，以焊接或粘结方式固定在钢管上。 基坑外侧土体水平位移 基坑j i - 俱u 土体水平位移采用测斜仪量测，在基坑周围布置2 - - - 4 个量测 孔，其基本原理及量测方法同桩身变形量测。 人工挖孔桩桩侧土压力 在4 根桩桩侧布置土压盒，每根桩布置1 2 个量测点。土压力盒的布置 如图2 4 所示。 地面 图2 4 土压盒布置图 基坑外侧地下水位 采用水位仪，利用降水井量测。 地表沉降 地表测点的间距为2 0 m ，沉降标采用2 2 长o 5 m 左右的钢筋打入地 下，地面用混凝土加固。在坑周地表变形观测的基础上，应针对在开挖影 响区域内的管线进行重点监测。其测点的间距为2 0 m 。 采用精密水准仪进行几何水准测量，先将监测点组成闭合水准路线， 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 l 广肖 孑 互 5 蔓 !薹 e d _ 一誊 一 室 乙 击 。量 一 茎 l 、 琶 一 至“ 5 量 - t 一 p 弋： 寻 缀 款 图2 - 5 基坑测点平面布置图 宝o 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 然后复核在己知的基准点上。水平位移的量测方法与桩顶的量测类似。 基坑周围及建( 构) 筑物的沉降、倾斜 选择2 倍基坑深度范围内的建( 构) 筑物进行沉降量测。沉降的量测 方法同地表沉降的量测。 全部测点布置如图2 5 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 第3 章基坑支护结构的受力变形分析 基坑在开挖过程中，支护结构需要满足强度要求，不能发生破坏：同 时，基坑还需要满足变形要求，本工程中，规定桩顶的水平位移限值为 3 0 m m ，桩身水平位移为6 0 m m 。本章通过数值模拟分析基坑施工过程中支 护结构的内力及变形规律。 基坑支护结构受力分析常采用二维计算，它具有受力明确、计算相对 简单的特点。对于长宽比较大的基坑的中间段采用二维计算基本能满足工 程要求，且偏于保守。但靠近端部时则具有明显的空间效应，例如，据俞 建林等人的研究【4 9 1 ，就变形而言，二维计算结果，一般在基坑转角处比三 维计算大1 5 左右。 本论文采用三维计算。由于基坑长度为1 6 0 多米，如果采用三维模型 对整个基坑进行计算，其计算工作量过大，在微机上没有可操作性。因此， 本文采用基坑中间段和端部分开模拟的方法，即对中间段取出一个截面进 行计算，而在端部取扩大端的二分之一进行建模分析。 3 1 数值模拟方法 3 1 1f l a c 3 d 软件简介 f l a c 是快速拉格朗日差分分析( f a s tl a g r a n g i a na n a l y s i so fc o n t i n u a ) 的简写，源于流体动力学，最早由w i l l k i n s 用于固体力学领域。f l a c 3 d 程序自美国i t a s c a 咨询集团公司推出后，已成为目前岩土力学计算中的 重要数值方法之一。该程序是f l a c 二维计算程程序在三维空间的扩展， 用于模拟三维土体、岩体或其它材料体力学特性，尤其是达到屈服极限时 的塑性流变特性，广泛应用于边坡稳定性评价、支护设计及评价、地下洞 室、施工设计( 开挖、填筑等) 、河谷演化进程再现、拱坝稳定分析、隧道 工程、矿山工程等多个领域【5 0 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 3 1 2 初始应力场及基坑分步开挖的模拟 在基坑开挖前，存在原始应力场，它包括构造应力场和自重应力场。 通过在f l a c 3 d 网格中设定初始条件，可尝试重现原位应力，因为它能够 模拟顺序建模过程产生的影响。如果初始应力状态的数据信息都来自于原 位测量是最理想的。但大多时候只能采用自重应力场，这时可以通过设定 重力加速度进行循环来模拟重力场。但用这样需要大量的运算步骤，比较 好的方法是对内部应力进行初始化。一般而言，对于复杂的地质情况，很 难通过初始化应力而使模型运算一步即平衡，常用的初始应力生成方法有 以下两种p l j ： 弹性求解法：将材料的本构模型设置为弹性模型，并将体积模量与 剪切模量设置为大值，然后求解生成初始应力场； 更改弹性参数的弹塑性求解法：在求解过程中始终采用塑性模型， 但为防止在计算过程中出现屈服区域，将粘聚力和抗拉强度设为大值，计 算至平衡后，再将粘聚力和抗拉强度改为分析所采用的值计算至最终平衡 状态。 本文的所采用的土层在同一标高处均相同，较为简单，且由于没有原 始应力资料，只考虑自重应力场。给模型赋与初始应力，使模型处于平衡 状态，从而减少了运算步骤。 在护壁桩施工之前，基坑降水工作已经开展，所以在基坑开挖开始时， 已进行了约一个月的井点降水，地下水位已经降到基坑开挖面以下。为简 化计算模型，在基坑开挖过程中不考虑地下水的作用。由于考虑流体的模 型计算时间很长，这样也可以达到减少模拟时间的目的。 实际施工过程时采用的是分段开挖，并逐步向前推进的方法进行。这 主要是为了方便汽车运土。如果严格按这个过程来模拟会非常麻烦。而护 壁桩之间的整体性并不是很强，所以本文采用整个基坑分步逐层开挖的施 工过程来模拟。并以每开挖两米计算一次平衡来体现施工的渐进性，而不 是一次开挖到位。在开挖到相应的位置，加上钢支撑。 在f l a c 3 d 采用n u l l 单元来实现开挖，n u l l 单元用来表示被移除 和开挖掉的材料。n u l l 单元区域的应力设置为零，在这些区域中没有体 力作用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 3 1 3 人工挖孔桩的模拟 人工挖孔桩采用实体单元进行模拟。利用f l a c 3 d 中的c y l i n d e r 单元 生成桩体单元，开始将桩实体单元赋与各土层相同的特性，并达到初始平 衡，待准备开挖时将桩单元换为混凝土材料。由于在f l a c 3 d 中不能在桩 中加入钢筋，按等效刚度的原则，将钢筋混凝土桩转换为一种材质的均匀 材料，其弹性模量按式( 3 1 ) 计算。 e = 堡垒墨丛鱼盘 ( 3 1 ) 4 + 以+ 4 、。 式中：e 一混凝土的弹性模量 4 一混凝土的面积 e 。一钢筋的弹性模量 彳。一钢筋面积 e 一护壁混凝土弹性模量 以，一护壁混凝土面积 3 1 4 钢支撑及钢围檩的模拟 钢支撑采用f l a c 3 d 中的b e a m 结构单元进行模拟。梁结构单元由两 个节点之间的具有相同对称截面的直线段构成，而一个整体的结构梁则由 许多这样的梁构件组合而成，默认每个梁构件具有各向同性、无屈服的线 性弹性材料，但可以指定塑性力矩，或者在构件之间引进塑性铰链【5 2 1 。 梁单元适合于模拟梁结构，这种结构的位移是由剪切变形引起的，横 截面的纵向变形可以忽略。每个梁构件有各自独立的局部坐标系统，在这 个系统下可以指定横截面惯性矩和分布荷载。 本工程中的钢围檩为两根焊接在一起的5 0 号工字钢，它起到桩与钢支 撑间传递力的作用。钢围檩与支撑和桩之间均采用铰接的方法连接。 3 1 5 挂网锚喷支护的模拟 在围护桩之间尚有6 0 c m 的空隙，在基坑开挖后采用挂网锚喷混凝土 的支护方式。钢筋网焊接在围护桩钢筋笼的预留钢筋上。在f l a c 3 d 中， 采用壳单元来模拟，并假定它为线弹性材料。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 31 ，6 模型参数 本文数值模拟所用的各种材料参数见表2 - 1 、表2 - 2 表2 - 1 土层特性参数 天然重度粘聚力弹性模量内摩擦角 岩土名称 泊松比 ( k n m ) ( k p a ) ( m p a )( o ) 杂填土1 7l o62 0o4 细砂2 - 5 1 85092 003 卵石2 - 8 - 22 004 i _ 43 002 5 卵石2 - s 32 l06 0 53 8n 2 5 卵石3 7 2 2 105 03 5 02 5 卵石3 7 3 2 206 03 8o2 5 卵石4 _ 4 2 2o 6 2 ，4 4 0 o2 5 泥岩2 31 5 0 03 0 0 0 4 2 03 表2 - 2 结构参数表 重度弹性模量 名称泊橙比 ( k n m 3 )( m p a ) 人工挖孔桩 2 53 ) c 1 0 4o2 钢围檩7 92 1 1 0 60 2 钢支撑 7 92 1 x 1 0 602 喷射混凝土 2 528 x 1 0 402 3 2 基坑中间段的计算分析 3 2 1 计算模型 由于钢支撑的水平间距为4 m ，故取4 m 的宽度进行计算。深基坑开挖 的影响范围取决于基坑开挖的平面形状、开挖深度和土质条件等因素i 。 根据c h a n g _ y uo u 、p i o _ g oh s i e h 和d a r _ c h a n gc h i o u 的研究川，开挖引 起地表沉骆的影响范围可达4 5 倍的开挖深度，在距开挖区1 倍开挖深度 范围内为沉路的主要影响区，距开挖区1 倍至2 倍开挖深度范围内为次要 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 影响区。困此，最后确定的计算模型的尺寸取为1 5 0 m x 4 m x 5 0 m 。网格划 分的网格按基坑附近密集，向外逐渐稀疏的原则，如图3 - 1 所示。这样既 能满足模拟的精度，又能减少单元的数量，从而提高计算速度。初始应力、 分步开挖以及钢支撑等如第1 节所介绍的方法进行模拟。 图3 - 1 计算模型网格 3 22 基坑支护结构的变形分析 按照设计要求，三道钢支撑在安装后分别施加2 0 0 k n 、6 0 0 k n 、6 0 0 k n 的力。每道支撑的安装时间分别为开挖至2 5 m 、75 m 、1 2 5 m 处。为进行 对比分析，分别模拟了钢支撑预