（岩土工程专业论文）天津地区地铁深基坑变形及地表沉降研究.pdf

中文摘要 随着城市建设的快速发展，高层建筑以及地下铁路工程不断兴起，产生了 大量的深基坑开挖工程。我国软土地区的深基坑工程中，大小工程事故时有发 生，造成了重大的经济损失和不良的社会影响，主要是因为对软土地区基坑丌 挖过程中的变形控制程度研究不足，造成对险情不能及时预报和采取相应的处 理措施。 基坑工程不仅要具有稳定性，而且应尽量减小对周围环境造成的影响。我 国的几个具有地铁的城市由于多年不断的探索和研究，已经具备一整套指导本 地地铁施工的监测数据和理论，对在施工过程中产生的支护体和环境变形影响 都有严格且合理的规定。天津市目前进行的地铁施工由于缺乏相应的研究，只 能以上海地铁的各项施工参数为依据，但是天津与上海的土层物理力学性质是 有很大差别的，完全照搬上海的经验存在着很大的盲目性，经济上也不合理， 亟需提出适用于本地区的施工安全数值作指导。 本文依托天津市地铁i 号线的建造，采用理论分析与有限元模拟分析相结 合的方法，推算出适合天津地区的地表沉降估算方法，并按照大量的工程实测 数据确定恰当的计算参数并校准有限元模型，得到适合于天津地区土层特性的 分析模型，并以此模型为基础，研究基坑稳定的极限状态，得到基坑支护结构 变形和周围地表沉降的警戒值。本文的计算结果可以真实模拟基坑的实际情况， 理论分析结果与实测数据吻合较好，得出的基坑工程控制变形量可以作为今后 制定基坑工程变形控制警戒值的参考。 关键词：深基坑：地表沉降；支护结构变形 有限元法；变形控制警戒值 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc i v i le n g i n e e r i n g t h e r ea r em o r ea n dm o r e c o n s t r u c t i o no fh i g hb u i l d i n g sa n dt h es u b w a y s t l l i sb r i n g sal a r g en u m b e ro f e x c a v a t i o n so fd e e pf o u n d a t i o np i t s i no u rc o u n t r y ，t h ee x c a v a t i o n o fd e e p f o a n d a t i o np i to ns o f ts u b g r a d ea r e ao f t e ni n d u c e ss o m ea c c i d e n t s t h e s ea c c i d e n t s b r i n gg r e a tl o s si ne c o n o m ya n d , b a di n f l u e n c eo ns o c i e t y t h em a i nr e a s o ni st h e l a c ko fs t u d yo nt h ea l a r mv a l u eo fd e f o r m a t i o n u n d e rt h i sc i r c u m s t a n c e ，t h e e n g i n e e r sc a r l tb ea w a r eo ft h ed a n g e ra n dt a k ea c t i o na c c o r d i n g l yi nt i m e t h ew a l ld e f l e c t i o na n dg r o u n ds e t t l e m e n ti n d u c e db ye x c a v a t i o no ff o u n d a t i o n p i to ns o f ts u b g r a d ea r e aa r ei m p o r t a n ti n d e x e so ft h es e c u r i t y a n dw es h o u l dt r yo u r b e s tr e d u c i n gt h ei n f l u e n c eo fd e f o r m a t i o ni n d u c e db ye x c a v a t i o no fd e e pf o u n d a t i o n p i t a f t e re x p l o r i n ga n ds t u d y i n gf o rm a n yy e a r s ， s e v e r a lc i t i e st h a th a v ea l r e a d y c o m p l e t e dt h ec o n s t r u c t i o no fs u b w a y ，s u c ha ss h a n g h a i ，b e i j i n ga n ds h e n z h e n ，h a v e a l r e a d yh a das e r i e s o fm o n i t o r i n gd a t aa n dt h e o r yw h i c hc a ns u p e r v i s et h e c o n s t r u c t i o no fl o c a le n g i n e e r i n g i ti n c l u d e ss t r i c ta n dr e a s o n a b l er e g u l a t i o no ft h e w a l ld e f l e c t i o na n dt h eg r o u n ds e t t l e m e n td u r i n gt h ec o n s t r u c t i o n b e c a u s eo fl a c k i n g o fc o r r e s p o n d i n gr e s e a r c h ，t h ee x c a v a t i o no fd e e pf o u n d a t i o np i ti nt i a n j i nc a no n l y b es u p e r v i s e db yc o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e ro fs h a n g h a i ：b u tt h es o i lc h a r a c t e r i s t i c sa r e d i f f e r e n c eb e t w e e nt i a n j i na n ds h a n g h a i i ti so fg r e a tb l i n d n e s st h a tu s i n gt h e e x p e r i e n c eo fs h a n g h a id i r e c t l y t h ea l a r mv a l u eo fd e f o r m a t i o nd u r i n gc o n s t r u c t i o n t h a tw o u l dw o r kw e l li nt i a n j i ni si n d i s p e n s a b l e t h i sp a p e rr e l i e so nt h ec o n s t r u c t i o no ft i a n j i ns u b w a yl i n e1 a n db yt h e o r y a n a l y s i s i n ga n df i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ，t h eg r o u n ds e t t l e m e n tw a sc a l c u l a t e d a n d t h ea p p r o p r i a t ec a l c u l a t i o np a r a m e t e rw e r ec h o s e na n dt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lw a s a d j u s t e d 碡c c o r d i n gt o al a r g en u m b e ro fo b s e r v e dd a t a w i t ht h ea n a l y s i sm o d e l s u i t a b l ef o rt h es o i lc h a r a c t e r i s t i ci nt h ea r e ao ft i a n j i n ，t h el i m i to ft h es t e a d ys t a t e w a ss t u d i d e t h er e s u l t sp r o v i d et h ea l a r mv a l u eo fd e f o r m a t i o no ft h ed e e p f o u n d a t i o np i t k e y w o r d ：d e e pf o u n d a t i o np i t ；g r o u n ds e t t l e m e n t ；w a l ld e f l e c t i n g ； f e m ；a l a r mv a l u eo fd e f o r l n a t i o n 独创性声明 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨洼盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。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了谢意。 学位论文作者签名 王銎 签字日期：o 刀口歹年6 月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫叠盘翌有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘鲞盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 签字日期：山b f 年 。霹 。一p 6 月j 日 导师签名： 计、几 签字日期：出阳f 年6 月7同 j ) l 乙 第一章概述 1 1 问题的提出 第一章概述 在现代都市建设中，随着人口的剧增，土地资源目趋紧张，人们愈益要求 丌发城市三维空间。目前，各种用途的地下工程诸如地下室、地铁、地下车库、 地下民防工事已经在全世界各大城市中得到建设利用。量多面广的基坑工程已 成为城市岩土工程的主要内容。 在空旷地区修建地下工程可以采用放坡大开挖的方法，它具有简单实用的 特点，并且比较经济。但随着经济的不断发展，高层建筑及市政工程往往要求 在城市最繁华的商业区兴建大量的基坑工程，场地条件根本不允许放坡丌挖。 因此，带有支护系统的基坑工程成为目前及以后的主流。 我国大量的城市深基坑工程集中在东部沿海的冲积平原地区，多为软土地 基，它的特点是地下水位高、地基土体强度低。该地区的基坑工程容易产生挡 土结构位移过大甚至失稳等严重问题，或因地基过大沉降而导致邻近建筑物产 生倾斜、裂缝，邻近地下煤气管线、自来水管破裂等严重后果，造成了重大的 经济损失和不良的社会影响。这主要是因为对软土基坑开挖过程中的变形控制 程度研究不足，造成对险情不能及时预报和采取相应的处理措施。 随着天津市城市建设的飞速发展，城市道路的改造、地铁l 号线的扩建工 程正在紧张地进行。天津市地铁1 号线工程多位于市中心的繁华地区，基坑的 最大设计深度超过1 8 m ，且基坑四周毗邻房屋、道路及地下管网，这些都对基 坑的设计、施工提出了更高的要求。为了保证基坑工程的顺利进行，信息化施 工成为整个工程的重要组成部分，在工程中起到重要的作用。深基坑开挖对周 围建筑环境的影响在这一工程中表现的尤为突出。 基坑工程不仅要具有稳定性，而且应尽量减小对周围环境造成的影响，例 如：周围建筑物的沉降、倾斜，地下管网的变形等。为了保证基坑工程的顺利 进行，信息化施工成为整个工程的重要组成部分，在工程中起到重要的作用。 深基坑开挖对周围建筑环境的影响表现的尤为突出。我国的几个具有地铁的城 市( 如上海、北京、深圳等) 由于多年不断的探索和研究，已经具备一整套指 导本地地铁施工的监测数据和理论( 如上海地铁基坑工程施工规程) ，对在 第一章概述 旌工过程中产生的支护体和环境变形影响都有严格且合理的规定。天津市目前 进行的地铁施工由于缺乏相应的研究，只能以上海地铁的各项施工参数为依据， 但是天津与上海的土层物理力学性质是有很大差别的，完全照搬上海的经验存 在着很大的自目性，经济上也不合理，亟需提出适用于本地区的施工安全数值 作指导。 1 2 深基坑工程开挖引起的变形特性研究现状 深基坑丌挖投资规模大、风险大，其支护工程在国内外都有诸多成功和失 败的经验教训，因此倍受岩土工程界、建筑界及业主单位的关注。从一定程度 上说，深基坑支护工程是一项复杂的系统工程，它几乎涉及到岩土力学与工程 的各个方面：如土力学、工程地质学、水文地质学、结构力学以及监理、监测、 施工方法等多个领域。 深基坑开挖不仅要保证基坑本身的安全与稳定，且要有效控制基坑周围地 层移动以保护周围环境。在软土地区，由于地层的软弱复杂，进行基坑开挖往 往会产生较大的变形。严重影响紧靠深基坑周围的建筑物、地铁、交通干道、 地下管线和其它市政设施，因而是一项很复杂而带风险性的工程。实践表明， 由于地层构造错综复杂，加上设计与施工管理不善，如果支护技术不当，玎挖 措施不力，立即可以使基坑周边土体失稳造成房屋开裂倾斜、变形、地下管网 断裂等等，严重破坏基坑周围环境。如果对这些问题处理不当，就会给深基坑 施工带来问题，延误工期，往往使一个技术问题转化为社会问题，造成巨大经 济损失和不良的影响，引起政府职能部门高度重视。基坑工程具有下述九个特 点： ( 1 ) 基坑围护体系是临时结构，安全储备较小，具有较大的风险性。一般 情况下，基坑围护是临时措施，地下室主体完成时围护体系即完成任务。与永 久性结构相比，临时结构的安全储备要求可小一些，因此具有较大的风险性， 为了减小风险，基坑工程应进行检测，实行信息化旌工、施工组织应有应急措 施，在施工过程中一旦出现险情，需要及时抢救。 ( 2 ) 基坑工程具有很强的区域性。岩土工程区域性强，岩土工程中的基坑 工程区域性更强，如软粘土地基、沙土地基、黄土地基等工程地质和水文地质 条件不同的地基中基坑工程性状差异性很大。同一城市不同区域也有差异。基 第一章概述 坑工程的围护体系设计与施工和土方_ 丌挖都要囡地制宜，根据本地情况进行， 外地的经验可以借鉴，但不能简单搬用 ( 3 ) 基坑工程具有很强的个性。基坑工程的围护体系设计与拖工和土方开 挖不仅与工程地质和水文地质条件有关，还与基坑相邻建筑物及市政地下管道 的位置、重要性和地域变形的能力等有关。有时，保护相邻建筑物和市政设施 的安全是基坑工程设计与施工的关键，这就决定了基坑工程具有很强的个性， 因此对基坑工程进行分类、对围护结构允许变形规定统一标准都是比较困难的。 制定统一规范难度也很大，并且规范宜粗不宜细，只能起指导作用，难以起法 规作用。 ( 4 ) 基坑工程综合性强。基坑工程综合性强反映在两方面：基坑工程不仅 需要岩土工程的知识，也需要结构工程的知识，需要岩土工程师和结构工程师 相互配合。缺乏岩土工程知识的结构工程师和缺乏结构知识的岩土工程师都难 以完成基坑工程的合理设计。基坑工程涉及土力学中稳定、变形和渗流三个基 本内容，三者熔融在一起，需要综合处理。有的基坑工程土压力引起围护结构 的失稳破坏是主要矛盾，有的土中渗流引起的破坏是主要矛盾，有的基坑周围 地面变形量过大是主要矛盾。基坑工程区域性和个性强也表现在这一方面。 ( 5 ) 土压力特点。基坑围护结构都要承受土压力的作用，作用在挡土结构 上的土压力是与挡土结构的位移有关的。静止土压力是指挡土结构物静止不动， 土体处于弹性平衡状态时的土压力。主动土压力是当挡土结构物向离开土体方 向偏移至土体达到极限平衡状态时的土压力。被动土压力是当挡土结构物向土 体方向偏移至土体达到极限平衡状态时的土压力。基坑围护结构承受的土压力 一般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间。 目前土压力理论还很不完善，静止土压力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 o r z a g h i 有效应力原理问世之前。如何考虑地下水和渗流对土压力的影响， 在学术界和工程界认识不一致，各地制定的技术规范中规定也有差异。另外， 土具有蠕变性，作用在围护体系上的土压力还与作用时间有关。 ( 6 ) 基坑工程具有较强的时空效应。基坑的深度和平面形状对基坑围护体 系的稳定性和变形有较大影响。在基坑围护体系设计和施工中要注意基坑工程 的空间效应并加以利用。土体是蠕变体，特别是软粘土，作用在围护结构上的 土压力随时间变化，基坑工程具有时间效应，应予以重视。 第一章概述 ( 7 ) 基坑工程是系统工程。基坑工程主要包括围护体系设计及施工和土方 开挖两部分。土方开挖的施工组织是否合理将对围护体系是否成功产生重要影 响。不合理的土方开挖方式，程序和速度可能导致主体结构桩基交位，围护结 构过大的变形，甚至引起围护结构体系失稳导致破坏。在软土地基中的基坑工 程该类事故屡见不鲜。基坑工程是系统工程，应加强施工组织设计，包括降低 地下水位、土方开挖、检测以及应急措施等，在施工过程中应加强监测，实行 信息化施工。 ( 8 ) 基坑工程的环境效应。基坑开挖势必引起周围地区中地下水位的变化 和应力场的改变。导致周围地基土体的变形。对相邻建筑物、构筑物及地下管 线产生影响。严重的可能影响其正常使用，甚至导致破坏。大量土方开挖、运 输也将对交通产生影响。因此基坑工程的环境效应应给予重视。 ( 9 ) 基坑支护工作主要集中在城市。市区的建筑密度很大，并经常在密集 的建筑群中施工，场地狭小，挖土不能放坡，邻近又有建筑物和市政地下管道， 所以对基坑稳定和变形控制的要求很严，因此其施工的条件往往很差，难度很 大。 目前应用比较成熟的支护结构形式大体可分为如下若干种：悬臂式支护结 构、内撑式支护结构和锚拉式支护结构。深基坑支护结构的设计计算包括外力 ( 土压力及地面超载) 和支护结构内力、弯矩的计算以及整体稳定性、地基承载 力、桩顶位移等验算，对于高水位地层，尚需进行地下水处理，抗管涌的设计 计算等等。基坑支护体系的内力计算方法大致可分为三类，第一类是常规设计 方法，第二类称为弹性抗力法，第三类是有限元方法。 深基坑工程环境质量问题的出现，主要是由于深开挖土体释放变形和地下 渗流路径改变引起的。两者的综合作用可以使土体产生有害变形与破坏，为了 防止这种变形与破坏，在工程上已有各种成熟的支护措施，如：支护桩、地连 墙，土锚，土钉，水泥土墙等，还有设置各种横向支撑，如：钢管，钢筋混凝 土和型钢支撑等。尽管如此，或由于勘测原因，或由于设计原因，或由于施工 原因等，超限值变形和土体失稳以及支护结构失效而引起的环境破坏时有发生。 常见的深基坑工程环境质量问题现象有：( 1 ) 深基坑周边路面开裂，翘曲影响 交通。( 2 ) 深基坑周边塌陷，地下管道断裂，影响居民正常生活。( 3 ) 超限的 变形，引起深基坑周边房屋开裂，倾斜倒塌。( 4 ) 基坑开挖引起水土流失，危 及基坑周围的供电设施的安全。( 5 ) 基坑开挖失控，在闹市区因开挖引起地下 4 第一章概述 水管断裂与边坡失稳交叉影响。( 6 ) 开挖变形影响到附近工厂生产机械的正常 运转，造成重大的经济损失。( 7 ) 基坑周边变形，影响城市公用设施正常使用。 ( 8 ) 丌挖作业不规范引起地面变形。诸如此类环境质量问题，从事深基坑工程 的实践者，都会有类似的各种体验。可见深基坑工程环境质量问题，已是一个 比较突出的现实问题。 许多学者对基坑工程产生的环境问题都进行了研究，主要成果如下： 刘建航从事上海软土地层中地下工程和隧道工程技术领域的科研、设计、 施工已4 0 余年，直接参与了上海地铁一号线、二号线和三号线工程建设的技术 领导、协调和咨询工作。研究、发展和应用了上海地铁车站深基坑开挖及区间 隧道施工中预测与控制地层位移的理论和方法，获得了重大的技术、经济、社 会和环境效益。 a t t w e l l 等探讨了地下工程或基坑开挖引起的地面沉降以及对地面建筑物 和地下管线的影响；刘维宁等对非饱和土的工程性质以及城市地下工程的环境 影响和控制理论方面进行了研究，候学渊等研究了软土基坑支护结构的变形控 制，对不同部位如墙体、基底、地表等提出了不同的变形控制标准。 潘秋元等研究了基坑开挖中应力路径对不排水强度的影响。在基坑开挖过 程中，墙与土体的摩擦使得各点的应力路径变得很复杂，很难通过试验完全模 拟，墙后土体处于压缩状态，坑底土体处于膨胀状态；基坑开挖过程中从主动 区到被动区，主应力发生旋转，墙后附近土体单元竖向为大主应力方向，而坑 底附近土体单元侧向为大主应力方向。 魏汝龙探讨了基坑丌挖卸载与被动土压力的关系。对正常固结的软粘土地 基，天然地面以下某点a ，开挖前a 点的有效上覆压力为oc ，基坑开挖后，坑 底附近a 点的有效上覆压力为on ，由于卸载作用坑底以下一定深度范围内土 体处于超固结状态。 孙钧研究了地下连续墙基坑开挖对环境土工病害的预测与防治，指出在软 土层基坑丌挖过程中，卸载作用导致开挖面以下土体内的应力及侧压力减小， 但还保留着相当部分未完成卸除的残余应力，而且上层土体开挖的卸载作用对 下层土体中应力的影响，也只是在一定范围内存在，它对此深度以下土体中的 应力影响很小。 何颐华、杨斌等通过深基坑护坡桩土压力的工程测试研究了土压力的分布、 墙背土体变形、护坡桩内力与位移规律，探讨了深基坑护坡桩的破坏机理。 第一章概述 刘国彬和候学渊研究了上海软土的卸荷性状，通过三轴试验研究了不同卸 荷应力路径下的变形特性，对土体的卸荷行为进行了归一化，提出软土的卸荷 模量远大于常规三轴试验所获得的压缩模量或弹性模量，应力路径对软土模量 的影响非常显著，初始卸荷模量与平均固结压力呈线性关系。 孙岳崧等研究了应力路径对应力应变关系的影响，指出了应力路径对土的 应力应变关系影响很大。 刘祖德等研究了平面应变条件下膨胀土的卸载变形特性，表明膨胀土的平 面应变侧向卸荷试验能较好地符合开挖、削坡等工程实际应力的变化情况。 深基坑开挖和支护工程中的监测技术和动态信息施工，使设计、旌工和监 测三位一体化。在深基坑开挖过程中，对支护结构，周边环境( 如土体、建筑物、 道路及地下设施等) 的位移、倾斜、沉降、应力、开裂、基底隆起及地下水的变 化、土层的孔隙水压力变化等进行监测。根据前期开挖监测到的岩土体变位动 态等各种数据与勘察设计所预期的性状进行比较，对原设计成果进行评价，并 判断现有施工方案的合理性，预测下一段工程可能出现的新动态，为优化设计 提供可靠的信息，对后续的开挖方案和开挖步骤提出建议，对施工过程中可能 出现的险情进行及时的预报，以确保工程安全。 1 3 主要研究内容及意义 基坑工程中支护结构的设计是关键，基坑支护结构的设计以准确的计算支 护结构上受到的土压力为基础，由于岩土工程学科起步较晚，加之土体本身具 有极大的非均质性、非线性、复杂性等特点，使得传统的土压力理论不能准确 地估算作用于支护结构上的土压力，正因为如此，支护结构的变形与土压力的 研究在岩土工程领域从未停止过。目前，许多设计单位对土压力的计算仍局限 在经典的朗肯、库仑理论。而在基坑中，土压力问题是典型的土与结构相互作 用问题，土压力与支护结构的位移密切相关，位移对土压力的大小影响很大。 因此只有充分考虑支护结构的变形及土体的相互作用，固结过程对土体变形的 影响，丌挖卸载对支护结构及土体的作用等，才能正确得出土压力的计算值， 确保工程的安全可靠与经济合理。鉴于土体的复杂性，目前尚无准确的本构关 系来模拟，无法通过简单的数值计算方法得到较准确的土压力计算结果，这也 是土力学学科期待解决的问题。本文拟通过实际工程的监测资料，寻找适当的 第一章概述 土体本构模型，开发相应的计算机软件系统模拟基坑开挖过程，分析基坑支护 结构的变形和土压力的变化规律，从而为支护结构的受力计算提供新的方法， 进而能够较准确的计算出支护结构的变形情况，确保基坑的安全。 此外，在软土地基中开挖深基坑及大面积降水，必然会引起地基土体的变 形，主动侧土体的开裂，地表的沉降进而使邻近的建筑物、道路和地下管网发 生沉降或变形，使基坑开挖对周围环境产生不利的影响。大量工程实例表明， 深基坑开挖的影响范围广，引起地面不均匀沉降大，如能对地表沉降进行准确 估算，则可在基坑开挖对周围环境产生严重影响之前及时采取有效措施，降低 经济损失及社会影响，因此有必要对深基坑开挖后引起的周围地表沉降情况进 行监测和分析。应用有限元方法虽然能够解决这一问题，但是由于分析模型复 杂，影响因素较多以及不易掌握等原因，不利于工程技术人员在实际工作中运 用，因此，急需建立一种简单实用的方法。本文在前人研究的基础上提出了基 坑周围地表沉降的简化计算方法。 本文依托天津市地铁1 号线的建造过程，采用适当的理论分析方法和计算 机分析软件模拟基坑开挖的全过程。通过大量工程实例的校准，达到优化土体 的本构模型，选择恰当的计算参数，实现对基坑支护结构上土压力的大小，支 护结构的变形及地表沉降的准确计算，全面认识基坑工程对土体变形及周围环 境的影响，为提出深基坑变形控制的临界值作必要的技术储备。 招二章地表沉降计算模式研兜 第二章地表沉降计算模式研究 近年术，随着城市建设的快速发展，高层建筑以及地下铁路上程不断兴起， 产生了大量的深基坑开挖工程。深基坑开挖不仅要求保证基坑本身的安全可靠， 而且还必须保证邻近建筑物和地下设施的安全及正常使用。大量工程实例表明， 深基坑丌挖的影响范围r ，引起地面不均匀沉降大，因此有必要对深基坑开挖 后引起的周围地表沉降情况进行监测和分析。应用有限元方往虽然能够解决这 一问题，但是由于分析模型复杂，影响因素较多以及不易掌握等原因，不利于 工程技术人员在实际上作中运用，因此，有必要建立一种简单实用的方法。本 章在自n 人研究的摹础上提出了基坑地表沉降及支护结构变形的简化计算方法。 2 1 地表沉降估算方法 众多工程实例表明，深基坑开挖引起的周围地表沉降与支护结构的变形有 关。在基坑支护结构形成之后，随着基坑内土体的挖除，支护结构在背侧土挑 力以及支撑轴力的作用下将产牛变形，导致墙背土体发生沉降。关于地表沉降 与支护结构变形的关系，前人做过大量的研究，张尚根等人根据江苏地区的工 程经验提出了根据支护结构变位估算地表沉降的一种方法，具有定的实用性。 该方法如下。 2 1 1 基本假设 ( 1 ) 如图2 1 所示，地表沉降曲线服从f 态分布： s ( x ) = e x p 一z ( 价) 2 ( 2 一1 ) 式中：e 最大沉降值，m ： r _ 沉降毓地计算影响半径，m 。 ( 2 ) 地表沉降影响范围为： d = 15 1 ( 2 2 ) 式中：d 地表沉降影响范围 式中：d 地表沉降影响范围 ，地连墙长度 第二章地表沉降计算模式研究 第二章地表沉降计算模式研究 近年来，随着城市建设的快速发展，高层建筑以及地下铁路工程不断兴起， 产生了大量的深基坑开挖工程。深基坑开挖不仅要求保证基坑本身的安全可靠， 而且还必须保证邻近建筑物和地下设施的安全及正常使用。大量工程实例表明， 深基坑丌挖的影响范围广，引起地面不均匀沉降大，因此有必要对深基坑- 丌挖 后引起的周围地表沉降情况进行监测和分析。应用有限元方法虽然能够解决这 一问题，但是由于分析模型复杂，影响因素较多以及不易掌握等原因，不利于 工程技术人员在实际工作中运用，因此，有必要建立一种简单实用的方法。本 章在前人研究的基础上提出了基坑地表沉降及支护结构变形的简化计算方法。 2 1 地表沉降估算方法 众多工程实例表明，深基坑开挖引起的周围地表沉降与支护结构的变形有 关。在基坑支护结构形成之后，随着基坑内土体的挖除，支护结构在背侧土压 力以及支撑轴力的作用下将产生变形，导致墙背土体发生沉降。关于地表沉降 与支护结构变形的关系，前人做过大量的研究，张尚根等人根据江苏地区的工 程经验提出了根据支护结构变位估算地表沉降的一种方法，具有一定的实用性。 该方法如下。 2 1 1 基本假设 ( 1 ) 如图2 1 所示，地表沉降曲线服从f 态分布： s ( x ) = s 。e x p | _ 万( x r ) 2i(2-1) 式中：5 m x 最大沉降值，晰m ： r 沉降笳地计算影响半径，m 。 ( 2 ) 地表沉降影响范围为： d = 1 5 l ( 2 2 ) 式中：d 地表沉降影响范围 ，地连墙长度 第二章地表沉降计算模式研究 一ic 一 一 1一沙一 一 l j ， i 川卜 ，a ，气i s 图2 1 基坑开挖引起的支护结构水平位移及地表沉降示意图 ( 3 ) 墙体水平位移最大值“为墙后地表沉降“最大值的1 4 倍： y m 。= 1 4 s 。 ( 2 3 ) ( 4 ) 地表沉降曲线的包络面积只与支护结构变形益线包络面积咒之比为： 只e = o 8 5 ( 2 4 ) 2 1 2 计算方法 2 121 地表沉降曲线包络面积f 的计算 由式( 2 - - 1 ) 得： c = i ：= “s ( x ) 出= e “e x p 一万( x ，) 2 p 可推出： f s = y , s m 。m 历半 - 1 + 0 阵等 c z 吲 式中；由( x ) = 了杀e x p 一( “2 2 ) 出，为标准正态分布函数 为墙顶到最大沉降的水平距离( 如图2 - 1 所示) 。 近似认为： 第二章地表沉降计算模式研究 r = d x m 赇中( 压孚 = 中( 历) = 啡5 ) - o 9 螂乩。 式( 5 ) 可变为 e 一中( 历等 2 1 2 2 支护结构变形曲线包络面积兄的计算 支护结构变形可由竖向弹性地基梁有限元计算得到支护结构的单元节点位 移或通过实测资料得到，按最小二乘法可拟和出支护结构的水平位移曲线，设 拟和曲线为： y = a 9 2 + b z + c ( 2 8 ) 由最小二乘法原理可得 口z j + 6 4 + c n = 儿 i mi = l = 1 n z 6 z ；+ c z ，= z j 咒 i = lj - l担1i = 1 口= ? + 6 z 卜c 考= 4 2 y 式中，。，、 分别为单元节点坐标及计算水平位移值或实测位移值，将其代 入( 2 9 ) 式即可求得系数n 、b 、c 、的值。 若知道支护结构顶点坐标( 0 ，c ) 和极值点( z 。，y ) ，可由式( 2 8 ) 算 得： d ：犟 m 6 ：生二当2 则支护结构水平位移曲线围成的面积为 咒= r 厂( z ) 出= f a 9 2 + b z + c d z o 第二章地表沉降计算模式研究 b 口 c ：l 。a h 3 + 妻拼+ c h ( 2 1 1 ) 2 1 2 3 地表沉降计算 将式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 代入式( 2 4 ) 得： 。o f 面生1 _ 0 8 5 e ( 2 1 2 ) r 当地连墙各节点坐标毛、水平位移”及最大位移y m n 已知时，联立式( 2 3 ) 、 ( 2 6 ) 、( 2 1 1 ) 和( 2 1 2 ) 式，即可求得8 一。，x m 。由( 2 1 ) 式可求 得支护结构后任意一点的地表沉降值。 出于天津地区特殊的工程地质情况，直接将该方法应用于天津的深基坑工 程时，得到的计算结果与真实情况有较大差别，因此，需将上述方法加以改进， 得出适用于天津地区估算地表沉降的方法。 2 2 估算方法的改进 2 2 1 地表沉降影响范围假定。 由于天津地基为软土地基，并且地下水位比较高，为了保证基坑安全并降 低施工对周围环境的影响，天津基坑的支护结构长度与基坑深度的比值较大， 当基坑深度一定时，增大支护结构的长度可以减小基坑开挖对基坑周围地表沉 降的影响。因此，按照原来由支护结构长度计算地表沉降影响范围的方法估算 天津地区实际工程不能得到理想结果。而基坑深度的大小直接影响着地表沉降 的影响范围。根据天津地铁号线工程的实测资料，取地表沉降影响范围与基 坑深度的比例系数为2 5 即： d = 2 5 ( 2 1 3 ) 式中：d 地表沉降影响范围 h 基坑深度。 2 2 2 只与l 成比例假定 由于本项研究的实际工程中，对钢支撑施加了较大的预应力导致原地表沉 第二章地表沉降计算模式研究 降曲线的包络面积只与支护结构变形曲线包络面积f w 的比例假定不能反映工 程的实际情况。 施加较大预应力后支护结构顶部位移为负( 向坑外方向) 如图2 - 2 所示， 因此支护结构变形曲线与原方法所适用的工程差异较大，并且天津地下水位较 高，降水对地表沉降的影响较大，因此在分析天津地区实际工程时，改进了凡的 计算方法以及比例系数的取值：支护结构变形曲线包络面积取支护结构全长上 水平位移曲线的包络面积，支护结构向坑外侧位移部分曲线面积取负值；比例 系数取1 0 ，即： r = f _ 厂( z 净 ( 2 一1 4 ) e e = 1 0 ( 2 1 5 ) 则式( 2 1 2 ) 变为： 。o f 历堕 ： ( 2 一1 6 ) 7 叫。 ! ， 汐一一 i， 弋 妯- r 一地下连续墙 一| | z 到2 i 2 天沣地区基坑开挖引起的支护结构水平位移及地表沉降示意图 2 2 3 支护结构变形曲线拟和 按照天津基坑支护结构变形的特点( 支护结构顶部位移为负) ，采用三次拟 和曲线，即： 第二章地表沉降计算模式研究 即： 由最小二乘法可得 v = a 矿+ b z 2 + c z + d d 才+ 6 z ? + c z + d n = 只 l = 1，= 1f = i i = 1 彳+ 6 z ? + c 彳+ d 毛= m j = li = 1，= lf = ll = i 仃彳+ 6 t 4 + c z d 芎= z ? y f _ 1 = 1 ，一il = 1j _ 1 口彳+ 6 彳+ c z ? + d z ；= 霉y 卢1i = 1i lf 。if _ l 将其代入式( 1 6 ) 即可求得系数a 、b 、c 、d 值。 则支护结构水平位移曲线围成的面积为 巴= f ，( z = f a z 3 + b z 2 + c z + d d z 2 2 4 地表沉降计算 ( 2 1 7 ) ( 2 一1 8 ) e = 扣+ 扣+ + 讲 c 卜m 联立式( 2 3 ) 、( 2 6 ) 、( 2 一1 6 ) 和( 2 一1 9 ) 式，即可求得3 一，r ，。 由式( 2 一1 ) 可求得支护结构后任意一点的地表沉降值。 2 ，3 工程实例分析 按照上述方法，本文对天津地铁一号线南楼车站及下瓦房车站基坑工程地 表沉降情况进行了计算( 工程基本情况介绍详见第四章) 。 2 3 1 南楼站工程q 1 3 点 2 3 1 1 支护结构水平位移拟和 地连墙各个节点水平位移实测值及由最小二乘法进行二次、三次拟和得到 的拟和值如表2 1 所示，其对比曲线如图2 3 所示。 其中，由式( 2 一1 7 ) 、( 2 1 8 ) 求得拟和曲线方程为： 第二章地表沉降计算模式研究 y = a z 3 + 幻2 + + d = 一0 15l3 8 2 7 2 3 + 0 4 0 6 9 2 3 2 2 0 2 8 7 6 9 9 z 一9 3 5 2 8 4 4 由以上计算结果可知，由最小二乘法对支护结构进行三次拟和得到的结果 与实测数据最大误差不超过2 5 m m ，且多数在2 m m 以内，用该拟和曲线计算地连 墙水平位移曲线包络面积与工程实测结果吻合较好。 表2 1 地连墙水平位移实测值及拟和值 深度 地连墒水平位移：m 深度 地连墙水平位移：m m z 实测值二次拟和值实测值三次拟和值二次拟和值 = 妇托i 翻佶、， o9 8 39 3 5- 1 9 1 71 22 0 8 31 9 6 31 9 6 3 o 5 9 2 6- 9 4 0- 1 6 7 61 2 52 2 5 72 1 0 72 0 3 8 18 6 99 2 51 4 4 21 32 4 2 02 2 4 22 10 7 1 5- 8 0 0- 8 9 21 2 1 5 1 3 52 5 5 4 2 3 6 8 2 1 6 8 2 7 4 8- 8 4 29 9 41 42 6 8 82 4 8 42 2 2 3 2 5 6 9 5- 7 7 7- 7 8 11 4 52 7 9 52 5 8 82 2 7 1 36 3 8- 6 9 65 7 41 52 8 6 52 6 8 0 2 3 1 l 3 5 5 6 2 6 0 2 3 7 51 5 52 9 1 02 7 5 82 3 4 5 44 8 5- 4 9 6- 1 8 21 62 9 3 32 8 2 12 3 7 2 4 54 0 53 7 90 0 41 6 52 9 5 62 8 6 82 3 9 2 53 1 22 5 l 1 8 3 1 7 2 9 3 7 2 8 9 8 2 4 0 6 5 5 2 18- 1 1 43 5 51 7 52 8 9 52 9 1 02 4 1 2 60 9 60 3 05 2 01 82 8 3 32 9 0 32 4 1 1 6 5 0 3 4 1 8 l 6 7 81 8 52 7 5 82 8 7 42 4 0 4 7 1 7 43 3 88 2 91 92 6 5 22 8 2 52 3 9 0 7 53 3 84 9 99 7 41 9 52 5 3 32 7 5 22 3 6 8 85 2 26 6 41 1 1 l 2 02 4 2 6 2 6 5 6 2 3 4 0 8 57 1 0 8 3 1 1 2 4 22 0 52 2 9 92 5 3 42 3 0 5 99 0 79 9 81 3 6 62 】2 1 4 42 3 8 62 2 6 3 9 51 1 131 1 6 6 1 4 8 2 2 1 5 1 9 9 5 2 2 1 1 2 2 1 4 1 01 3 1 51 3 3 21 5 ，9 22 21 8 6 12 0 0 82 1 5 8 1 0 515 1 41 4 9 71 6 9 52 2 51 7 5 11 7 7 42 0 9 5 i l1 7 1 l1 6 5 71 7 9 l2 31 6 0 51 5 1 0 2 0 2 6 1 1 51 9 0 0】8 1 31 8 盘12 3 51 4 4 01 2 15 1 9 4 9 第二章地表沉降计算模式研究 巳 v 恺 送 地连墒水平位移( r a m ) 2 2一1 2 2 81 82 8 飞7 1 0 1 5 2 0 巨亘画e 三重匦正王三圃 图2 3 q 1 3 点地连墙水平位移图 2 3 1 2 地表沉降计算 由式( 2 1 3 ) 得沉降影响范围为 d = 2 5 = 4 0 2 5 m 由式( 2 3 ) 得最大沉降为： s 。= j k 。1 4 = 2 1 1 m m 由式( 2 1 9 ) 及求得的曲线方程得地连墙变形曲线包络面积为 e = 丢+ 抄+ 圭d 2 + 讲= z s m 2 由式( 2 1 6 ) 得： ，0 0 2 1 1 中( 2 历4 0 2 5 - r r 5 | - 0 3 2 5 第二章地表沉降计算模式研究 由迭代法求得：r = 2 9 2 7 m 由式( 2 6 ) 得：靠= d r = 1 0 9 8 m 将求得的。、r 代入式( 2 1 ) ，可求得支护结构后任意点的地表沉降值。 取2 m 、6 m 、1 2 m 、2 0 m 、3 2 m ( 地表沉降测点位置) 处计算值与实测值对比如 表2 2 所示： 表2 2 地表沉降实测值与计算值比较 位置( m ) 261 2 实测值( m m )1 4 6 92 0 0 22 0 7 0 计算值( m m ) 1 5 7 21 9 2 82 1 0 3 误差( m m )1 0 30 7 40 3 3 将地表沉降计算值与实测值绘出对比图如图2 4 所示 垂 一 图2 4 地表沉降对比图 2 3 2 下瓦房站工程q 8 点 2 3 2 1 支护结构水平位移拟和 地连墙各个节点水平位移实测值及由最小二乘法进行二次、三次拟和得到 的拟和值如表2 3 所示，其对比曲线如图2 5 所示。 其中由式( 2 1 7 ) 、( 2 1 8 ) 求得拟和曲线方程为： y = a z 3 + 6 2 2 + c z + d ：一0 1513 8 2 7 2 3 + 0 4 0 6 9 2 3 2 2 0 ：2 8