（环境工程专业论文）深基坑变形监测与分析研究.pdf

摘要 摘要 近年来，深基坑工程建设迅速发展。信息化施工是提高施工效率、 减少基坑事故发生的重要预防措施之一。信息化施工就是运用系统工程 施工的一种现代化施工管理办法，包括信息采集( 监测) 、反馈、反分 析( 预测) 、控制与决策等几方面的内容，动态设计、信息化施工理念 越来越深入人心。本文以在建的武昌地铁站深基坑工程为实例背景，阐 述了这一理念在实际工程中的应用，并通过这一应用过程探讨基坑工程 安全稳定的影响因素。 基坑监测与工程的设计、施工同被列为深基坑工程质量保证的三大 基本要素钻孔灌注桩与内支撑支护体系是目前常用而有效的一种方法， 可以有效地控制基坑变形，大大提高基坑的稳定性。然而，由于对其支 护理论的研究却相对落后，制约了其进一步的发展。本文根据目前基坑 监测的研究现状并结合工程实际，把理论研究、现场试验、数值模拟相 结合，对基坑监测进行了系统分析。主要工作如下： ( 1 ) 本文介绍了国内外深基坑监测的发展状况，深基坑变形预测与 控制研究及其最新进展； ( 2 ) 分析研究了深基坑受力与变机理。介绍了开挖过程中土体的应 力路径的变化以及土体变形的弹塑性本构关系； ( 3 ) 结合在建的武昌地铁站基坑工程，全面介绍了监测技术在实际 工程中的应用。总结了基坑变形监测的基本要求、监测内容、实施过程 及监测结果分析与整理。所得监测信息表明，该深基坑在通过监测并及 时采取相应措施后，一直处于稳定状态； ( 4 ) 利用f l a c 3 d 有限差分软件，对灌注桩和内支撑结构共同作用 进行施工进程三维动态数值模拟，与实测结果进行分析对比，进一步揭 示土体与灌注桩共同作用的原理，以实现对基坑边坡变形的准确模拟和 预测。 关键词：深基坑；监测；信息化施工；数值模拟；有限差分 a b s t r a c r a b s t r a c t i nd e v e l o p m e n to fd e e pe x c a v a t i o ne n g i n e e r i n g ，i ti sn e c e s s a r yi n t r o d u c e i n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o nm e t h o di n t ot h ed e e pe x c a v a t i o ne n g i n e e r i n g i tc a n r e d u c et h ep i tt r o u b l ea n di ti so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp r e v e n t i v em e a s u r e s 皿1 ei n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o nm e t h o di sak i n do fm o d e mc o n s t r u c t i o n m a n a g e m e n tw a y t om a k eu s eo fs y s t e me n g i n e e r i n g ，i n c l u d e st h ei n f o r m a t i o n a c q u i s i t i o n ，f e e d b a c kb a c ka n a l y s i s ，c o n t r o la n dd e c i s i o n t h er e s e a r c h i sf o r e x a m p l ef o u n d a t i o ne x c a v a t i o np r o j e c to fw uc h a n gm e t r os t a t i o n ，e x p o u n d s t h em e t h o dt h a th o wt oa p p l yt h ei n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o nm e t h o di n t ot h e p r a c t i c a le n g i n e e r i n g a tt h es a m et i m e ，a c c o r d i n g t oa p p l i c a t i o ns t e pt od i s c u s s t h ef a c t o r so f i n f u s i n gi nd e e pf o u n d a t i o ns t a b i l i t y m o n i t o r i n g ，d e s i g na n dc o n s t r u c t i o ni sq u a l i t ya s s u r a n c ed e e pe x c a v a t i o n w o r k so ft h et h r e eb a s i c e l e m e n t s d y n a m i cd e s i g n ，m o r ei n f o r m a t i o n c o n s t r u c t i o nc o n c e p te n j o y sp o p u l a rs u p p o r t t h eb o r e dp i l e & i n n e rb r a c i n gc o m p o s i t es u p p o r t i n gs y s t e m ，ac o m m o n a n de f f e c t i v em e t h o do fc o m p o s i t es u p p o r t i n g ，c a nc o n t r o lt h ed e f o r m a t i o no f f o u n d a t i o nd i t c he f f e c t i v e l ya n di m p r o v et h es t a b i l i t yo fe a r t hs l o p eg r e a t l y b u t t h eb e h i n ds c h e d u l et h e o r i e ss t u d yo b s t r u c ti t sf u r t h e rd e v e l o p m e n t t h e r e b y , t h i s p a p e r , b a s e o nt h ea c t u a lr e s e a r c hc o n d i t i o na n dp r a c t i c a le n g i n e e r i n g r e q u i r e m e n t ，a n a l y z e t h e s t a b i l i t y , m e c h a n i s m ，d e f o r m a t i o no ft h e d r i l l e d c a s t - i n p l a c ep i l e & i n n e rb r a c i n gc o m p o s i t es u p p o r t i n gs y s t e mb ys t u d yo f t h e o r i e s f i e l dt e s ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n m a i ns t u d yc o n t e n ta sf o l l o w s ： 1 t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ed e e pe x c a v a t i o na th o m ea n da b r o a dt om o n i t o r t h ed e v e l o p m e n to ft h es i t u a t i o na n dd e e pe x c a v a t i o nd e f o r m a t i o np r e d i c t i o na n d c o n t r o lo fr e s e a r c ha n di t sl a t e s td e v e l o p m e n t s 2 a n a l y s i so ft h ed e e pe x c a v a t i o nf o r c ea n dd e f o r m a t i o nr a t i o n a l ea n d i n t r o d u c e dt h ee x c a v a t i o np r o c e s so fc h a n g ea n ds t r e s sp a t ho ft h ee l a s t i c p l a s t i c d e f o r m a t i o no fs o i lc o n s t i t u t i v er e l a t i o n s h i p ，a n dg i v e ss e v e r a lm e t h o d s 1 1 1 武汉工程大学硕士学位论文 c o m m o n l y u s e dn o n l i n e a ra n a l y s i s 3 c o m b i n e dw i t ht h ef o u n d a t i o ne x c a v a t i o np r o j e c to fw u c h a n gm e t r o s t a t i o n ，i ti n t r o d u c e st h em o n i t o r i n gt e c h n o l o g yo fa p p l i c a t i o ni np r a c t i c a l e n g i n e e r i n g s u m m e du pt h ef o u n d a t i o nt om o n i t o rd e f o r m a t i o no ft h eb a s i c r e q u i r e m e n t s ，m o n i t o r i n g ，i m p l e m e n t a t i o n a n dm o n i t o r i n go fr e s u l t sa n d f i n i s h i n g 4 e s t a b l i s ht h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ed i f f e r e n c em o d e lt o s i m u l a t e c o n s t r u c t i o np r o c e s so ft h eb o r e dp i l e & i n n e rb r a c i n gc o m p o s i t es u p p o r t i n g s y s t e mw i t hf l a c 3 ds o f t w a r e a n dc o m p a r a t i v ea n a l y s i so f t e s tr e s u l t s ，f u r t h e r r e v e a lp i l e so fs o i la n dt h er o l eo fc o m m o np r i n c i p l e st oa c h i e v et h ep i ts l o p e d e f o r m a t i o na c c u r a t em o d e l i n ga n dp r e d i c t i o n k e y w o r d s ：d e e pe x c a v a t i o n ，m o n i t o r i n g ；t h ei n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o nm e t h o d ； n u m e r i c a ls i m u l a t e ；f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d i v 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本论文不 含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：虱靠翠 加吣年6 月1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解我校有关保留、使用学位论文的规定，即： 我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电子版，允 许论文被查阅。本人授权武汉工程大学研究生处可以将本学位论文的全 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 复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 保密o z 不保密d 。 在室年解密后适用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：乱嵌寻 如8 年6 月1 日 第1 章绪论 1 1 问题的提出 第1 章绪论 随着我国社会经济的快速发展，高层、超高层建筑及地铁、隧道等 地下工程的大量涌现，深基坑工程也日趋增多。深基坑工程多位于建筑 物密度大或交通枢纽地区，一旦发生事故，将造成重大损失【l 】。 由于基坑工程中场地地质条件和周围环境的复杂性，设计方法的局 限性和施工过程的不确定性，现场监测已成为基坑工程成功实施的一个 重要环廿【4 4 1 。通过对现场实时监测数据的分析，合理地评价施工过程中 基坑工作性状和施工对周围环境的影响 2 , 4 8 , 5 2 】，并预测发展趋势【5 3 5 4 j ，及 早发现施工过程中可能存在的不利因素，判断工程的安全性，将出现的 问题及时处理f 3 】。此外，基坑监测将进一步加深对基坑整体工作状态的认 识，通过现场监测结果和理论预测值的对比，用反分析法求得更合理的 设计参数，为有效地调整设计方案和开展信息化施工提供指导【4 】，为验证 和完善设计理论提供依据【5 】。 在高层建筑及其他工程深基坑施工过程中，支护结构与土体相互作 用，不断调整自身受力与变形，使基坑内外土体保持稳定或失稳状态， 这是一个机理复杂的力学过程【8 】。对其进行相关的数值模拟与分析，对于 提高深基坑的设计理论、施工及监测水平有着积极的意义。而在众多的 监测项目中，基坑支护结构系统的变形是支护结构各部分与土体及外界 因素相互作用的反映，是结构内力变化与调整的宏观表现，其特征和数 值是整个结构系统是否正常工作最直观的标志，又是突发性事故的前兆 【6 】，过大的变形必然导致周围环境的破坏【9 1 。因此，以变形大小作为控制 手段的设计方法正受到人们的普遍重视，它是施工安全监测的主要依据 1 0 - 1 2 , 4 引，是基坑监测的主要内容之一【4 2 1 。如此看来，如果能事先预测支 护结构的变形量，对保证基坑施工安全具有重要的意义【7 1 。 基坑监测的意义 4 5 , 4 7 在于能够保证工程的施工质量和安全，提高工程 武汉工程大学硕士学位论文 效益。要做到这一点，各项监测工作必须在充分了解工程总体情况，即 勘测成果、设计意图、施工组织计划的前提下有针对性地进行。在此基 础上，合理安排监测的重点及其在空间和时间上的布局，选择恰当的方 法，及时提出阶段性的分析和最后的成果，使工程师们能够量化地掌握 工程的进程所处的状态、质量情况和出现的问题，确定修正设计或施工 方案的必要性，力争使工程达到最佳效果，使深基坑监测服务于工程建 设的全过程，从而使工程师们对上部结构与下部岩土地基共同作用的性 状及施工和建筑物运营过程的认识更加完掣1 3 1 5 1 。 1 2 基坑监测的回顾与展望【2 8 】 深基坑监测【4 】是指在深基坑开挖及地下工程施工过程中，对深基坑的 围护结构、土体系统、水力系统和周围环境进行测量和监视，及时掌握 监测对象的应力和位移所发生的各种变化，及时获取深基坑工程的施工 信息，发现险情和特殊情况能够及时向监理、设计和施工人员报告监测 结果，及时采取措施避免工程事故的发生，减少基坑事故带来的经济损 失和社会影响【1 。7 1 。目前，由于深基坑在设计、施工、监测的理论和实践 等方面还不成熟，因而需要在工程实践中注意资料的积累和分析，不断 完善深基坑设计、施工、监测的理论和方法。同时，根据基坑工程事故 的调查，发现基坑工程发生重大事故前或多或少都有预兆。若能切实做 好监测工作，及时发现事故预兆并采取适当措施，则可以避免许多重大 事故的发生，减少其带来的经济损失和不良社会影响，而作为信息化施 工的一个重要环节，基坑工程监测和动态设计密不可分【1 8 】。 基坑工程历史悠久。长期以来，工程的安全主要依靠结构物的可靠 设计来保证。但是，基坑工程的安全监测起步较晚，它是随着基坑工程 的失事为人们提供教训后，不断地寻求监测和监测手段而逐步发展起来 的【1 9 】。 2 0 世纪5 0 年代以来，人们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、基坑工程的事故也是岩土体失稳所致。 如果能够在事故发生前得到信息，进行准确的判断，及时采取有效的防 第1 章绪论 范措施，便可以防止事故的发生，于是监测工作逐步受到重视。由于岩 土体的复杂性，加之岩土力学又是一门新兴的科学，尚属于半经验半理 论的状态。因此，在时间和空间上对基坑工程的安全度做出准确地判断 还有很大困难，有关基坑工程安全问题的解决，更多地是依靠测试和观 测。所以，人们越来越多地把工程安全情况的判断，寄希望于工程建设 过程中和竣工后的原位监测。通过监测保证工程的施工、运行安全同时， 又通过监测验证设计、优化设计，提高设计水平。 基坑工程的失稳破坏，都有从渐变到突变的发展过程，一般单凭人 们的直觉是难以发现的，必需靠精密的监测仪器进行周密监测。为了做 到这一步，首先要做出符合实际的观测设计，然而准确地做出一项监测 布置和预计一项监测工程需要多少仪器和仪器的类型是很困难的，特别 是对工程安全有控制作用的仪器更为困难。因为仪器的选择要考虑整个 工程的地质条件、地形地貌特点和岩土体的性状。此外，仪器的埋设、 布置和数量，不但依靠计算，还要根据己知条件和分析条件，以工程和 工程周围的特性来决定。所以，2 0 世纪7 0 年代以来，对于监测项目的确 定，仪器的选型、布置、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。在工程设计中也同时进行监测仪器布置，编 写实施技术要求。但是，由于起步较晚，还远不能适应基坑工程建设发 展的要求。已经做过的工作，由于经验不足，存在许多亟待解决的问题。 安全监测设计，由于无规范性的实施方案可循，很难做到经济合理、安 全可靠，当然也达不到时间和空间上连续性的要求。尤其是针对工程和 地质结构特点进行布置，使其做到行之有效、经济合理还缺乏经验。因 此，在情况不清的情况下，盲目布设仪器等造成浪费的现象时有发生。 同时，在实际监测设计选用仪器时，如何考虑仪器的技术性能、埋设和 测读的简繁以及费用的合理性，还缺少可靠的依据。由于仪器种类很多， 各具特色，技术性能和运用条件各不相同，要做好安全监测，就有仪器 选型的问题。许多工程由于没有质量标准和全面的选型原则，盲目采用 进口仪器，或者主观地采用自己习惯的和自制的仪器，造成仪器失效或 测得的资料不符合计量标准，无法分析。仪器埋设技术和观测方法，缺 武汉工程大学硕士学位论文 少标准，随着原位监测的发展，问题也越加突出，有些新仪器虽然性能 可靠，但由于实际应用较少，在恶劣的工程环境中，不敢使用较多的仪 器，安装埋设技术要求得不到保证，观测方法又不当，大量的仪器因此 而失效或得不到满意的成果。 从2 0 世纪8 0 年代初开始，科技攻关和工程实践对所存在的问题进 行了广泛而深人地研究，监测设计和监测方法不断地改进。在一些大型 工程中深入研究了安全监测布置，一些考虑地质地貌条件、岩土体工程 性状、工程布置、监测空间和时间连续性的要求等相关的安全监测布置 原则和方法相继提出。在充分研究了基坑工程监测仪器的使用经验和效 果、仪器种类和技术性能、质量评定标准的基础上，确认了一批供选用 的仪器。对这些仪器的技术指标、适用条件、稳定性等也有了评定标准。 安全监测仪器安装埋设与观测的标准化、程序化和质量控制措施也逐步 的形成、完善。相继编制了各种建筑物安全监测规程、规范、指南和手 册等。 进入2 0 世纪9 0 年代以来，基坑工程安全监测手段的硬件和软件迅 速发展，监测范围不断扩大，监测自动化系统、数据处理和资料分析系 统、安全预报系统也在不断的完善。基坑工程设计采用新的可靠度设计 理论与方法以来，安全监测成为必要的手段，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 1 8 , 2 眦4 1 。 为进一步提高基坑工程的总体水平，改进传统的设计方法，实现信 息化监控设计与施工将是必然趋势。现行的基坑工程设计基本上是一种 定值的静态设计方法。但基坑开挖的最大特点在于“动态”，其计算模型 和各种参量，如土压力、围护结构与土体的变形、结构内力等都在变化， 且其变化规律目前还未能充分认识 2 5 , 2 6 。这就产生了设计与实际情况的差 别，从而造成设计失误或者过于保守而浪费。解决这一问题的较好途径 就是采取在国内外兴起的信息化监控下的动态设计及信息化施工新技术 1 6 , 1 9 。这项新技术的基本方法是：在设计方案优化后，按施工过程对支护 结构进行逐次分析，预测其在施工中的性状，如位移、沉降、水土压力、 4 第1 章绪论 结构内力等。实际施工中，通过现场监测采集相应的信息与预测数据相 比较，以验证其真实性和可靠性。然后将这些信息作为已知量，通过反 分析推出较符合实际的岩土参数，来修改原先设计并预测下一施工阶段 支护结构及岩体的性质，再采集下一施工阶段的信息。如此反复循环， 根据监测信息不断修改设计并指导施工，将设计置于动态过程中，使设 计及施工逐渐逼近实际【27 1 。 信息化施工的实质是以施工过程的信息为纽带，通过信息收集、分 析、反馈等环节，不断地优化设计方案，确保基坑开挖安全可靠且经济 合理。在理论上，信息化施工是一种很好的方法，但由于实际应用上的 种种困难并没有能真正进入普及实用阶段，其中最重要的原因：( 1 ) 专 家匮乏。因为并非所有的施工技术人员都能及时发现和解除险情，大量 的工程和有限的专家形成了尖锐的矛盾。( 2 ) 信息反馈速度慢。原始的 报表方式不能及时地将信息送到专家组，从而延误了事故的发现和解决。 现代计算机和网络技术的发展和普及为信息化施工提供了可能，通过迅 速的数据传递，能较好解决这两方面的问题【2 8 3 0 】。 1 3 本文主要研究内容及方法 1 3 1 主要研究内容 ( 1 ) 在深基坑中，由于影响基坑稳定性因素比较复杂性，往往设计 预估值与工程实际工作状态存在一定的差异。因此，十分有必要对深基 坑进行现场监测，采用信息化施工。本论文主要介绍了深基坑监测的主 要方法，分析了深基坑监测中数据的采集及其分析处理的方法。 ( 2 ) 重点介绍基坑变形的原理及监测方法，并着重描述了基坑开挖 引起的土与支护结构在三维空间的应力、应变变化规律。 ( 3 ) 通过对深基坑工程实例的现场实时监测结果分析研究，表明深 基坑开挖所引起支护结构后缘土体发生空间位移性状改变。它的改变不 仅与基坑开挖的深度有关，而且还与支护结构的长度有关，支护结构的 边长越长其空间位移性状的改变就越明显。 武汉工程大学硕士学位论文 ( 4 ) 通过把现场实时监测的数据与数值模拟结果进行分析对比，发 现模拟的结果与现场监测的结果基本吻合，这说明数值模拟能很好反映 基坑工程实践，并可以为优化支护结构设计提供了可靠的依据，同时也 为工程实践提供了一些有意义的指导。 1 3 2 本文研究方法 本论文采用理论分析、室内试验和现场观测的方法对本该论文进行 讨论研究。通过现场对某武昌铁站深基坑监测的全程参与，收集第一手 资料，然后通过分析处理，并与实验结果作对比，获得对施工现场的感 性认识的同时发现其中的规律性，在前人工作的基础上作进一步提高。 1 4 本章小结 本文在前人工作的基础上，作了以下几方面工作。1 、阐述了基坑监 测的基本概念、方法及其在基坑工程中的重要性。2 、对基坑监测的内容 作了作了详细的介绍，其中变形监测是其中最重要的内容之一。 第2 章武昌地铁站深基坑工程概述 第2 章武昌地铁站深基坑工程概述 2 1 工程位置及内容 与火车站配套的轨道交通武昌站位于武昌火车站西广场北侧，如图 1 1 所示，车站中心里程为s k l 4 - - 3 5 6 ，为地下二层结构。车站基坑宽度 为2 0 8 - - 2 7 4 m ，总长度2 3 6 6 m ，占地面积为11 4 4 0m 2 。设计划分为a 、 b 、c 三个施工区段：a 区段位于中山路西侧；b 区段位于中山路高架车 道下方，穿越巾山路；c 区段位于现邮电宾馆下方。基坑开挖深度为1 5 5 1 7 m ，基坑采用p 1 0 0 0 t u r n 钻孔灌注桩作为基坑围护结构。桩径1 0 0 0 m m ， 桩心间距1 2 0 0 m m ，基坑内设三道钢管( 锚索) 支撑，钻孔桩间设单排高 压旋喷止水帷幕，桩径6 0 0 m m ，桩底进入基坑下不小于2 m 。本站基坑开 挖支护一般地段均采用g , 6 0 0 m m 钢支撑系统。由于车站东南侧与地f 商 业开发同期施工，不具备支撑条件，故该段部分采用了锚索系统。为满 足远期5 号线盾构区间在车站f 穿通过，本站围护系统在( 1 3 ) 到( 1 7 ) 轴范围采用s m w 工法桩。车站出入口及通道距主体结构较近，车站中 心底板埋深1 5 0 6 m 。 本工程基坑的安全等级为一级。车站主体结构的基坑变形保护等级 为一级。 图1 - 1 武昌地铁站工程概况 f i g l 一1p r o j e c to v e r v i e w o f w u c h a n g m e t r os t a t i o n 武汉工程大学硕士学位论文 2 2 场区地质条件 2 2 1 地基地质结构特征 地铁武昌站站所在地区属于长江三级阶地区，地面标高2 4 5 2 7 2 m 。车站开挖范围内各土层由上而下依次为： 1 1 杂填土：上部多为沥青水泥路面，下部由碎石、灰渣和一般粘性 土等混合构成，厚度0 5 2 3 m ； 1 2 素填土：灰褐黄褐色为主，稍湿饱和、较松散，主要由粉质 粘土组成，分布于场区部分地段，厚度1 0 - - 4 9 m ； 2 粉质粘土：黄褐灰褐色，含氧化铁，夹灰色条纹，呈饱和、可塑 状态，厚度3 3 - 5 2 m ，层项埋深1 0 - - - 5 7 m ； 3 粘土：棕黄黄褐色，局部为棕红色，饱和、硬塑坚硬，含铁锰 氧化物、高岭土，分布较均匀，厚度4 5 1 2 6 m ； 4 粉质粘土：褐黄黄色，可塑状态为主，饱和，含氧化铁及高岭土， 砂性较重，分布于场地大部分地段。厚度1 o 2 1 4 m ； 5 1 粘质粉砂：黄色、饱和、稍密中密，含氧化铁及少量高岭土、 云母片，厚度0 7 1 0 2 m ； 5 2 粘质中砂：黄色、饱和、中密，含氧化铁及云母片，厚度3 5 - - 1 6 0 m ； 6 角砾夹中粗砂：黄色、饱和、中密密实，角砾或砾石粒径一般为 0 - 3 3c m ，局部夹少量卵石，厚度1 o 7 o m ； 7 粘土：黄褐灰褐色为主，呈饱和、可塑硬塑状态，局部夹碎石 及未完全风化之岩块，该层主要分布于k 12 13 及b 5 - - - k 7 地段，厚度 4 7 15 0 m ，层顶埋深3 5 - 3 6 0 m ； 8 灰岩：灰色，为较完整灰岩，主要分布于场区k 1 3 地段。隐晶质 结构，块状构造，层项埋深1 4 5 m 。 2 2 2 场地水文地质条件 工程范围内的地下水主要表现为上层滞水、孔隙承压水和基岩裂隙 第2 章武昌地铁站深基坑工程概述 水。上层滞水主要存于人工填土中，水位不连续，无统一的自由水面， 主要接受地表水与大气降水补给，水量一般较小。 弱承压水存在于粘质粉砂、粘质中砂、含角砾中砂等砂类土及碎石 类土层中，与长江有水力联系，水量可观。 基岩裂隙水主要存于强风化泥岩，石英砂岩中，除石英砂岩中基岩 裂隙水具一定水量外，水量一般很少。各土层的物理力学性质指标( 见 表2 1 ) 表2 1 各土层物理力学指标 t a b l e1 1t h es o i lp h y s i c a la n dm e c h a n i c a li n d i c a t o r s 2 3 工程特点及难点 ( 1 ) 地质条件差 地下水位高，开挖基坑土层含水量大，基础位于弱承压含水层内， 基坑开挖前需进行井点降水。 ( 2 ) 开挖量大 武汉工程大学硕士学位论文 本站基坑最大开挖宽度为2 0 8 2 7 4 m ，总长度2 3 6 6 m ，占地面积为 11 4 4 0 m 2 ，基坑最大开挖深度为1 5 5 1 7 m ，开挖量为9 7 0 0 0 m 3 。 ( 3 ) 基坑支护安全要求高 武汉地区地下水位高，土体含水量大，渗透系数大。基坑四周围护 结构和中间支撑结构作为支挡结构，承受全部的水土压力及活载产生的 侧压力。因此基坑支护结构的安全是决定本工程成败的关键。 ( 4 ) 施工干扰大 现邮电宾馆下方的地下人防工程对本工程实施影响较大；南侧的火 车站地下空间开发将与本工程同步实施；本工程与武昌火车站站前广场 相邻，行人及交通流量大；地下管线较多，拆除及改迁工作量较大。 ( 5 ) 交通导流量大 中山路交通流量很大，车辆容易堵塞，施工过程中必须保证道路畅 通，计划采用分区施工，并制定交通疏导措施、完善交通标志，以保证 工程的正常施工。 2 4 基坑监测方案 2 4 1 监测目的 为了实施对车站施工过程的动态控制，掌握地层、地下水、围护结 构支撑与体系的状态，及施工对既有建筑物和地下管线的影响。因此必 须进行监控量测，及时反馈信息指导施工，保证工程顺利开展，确保工 程本体及周边建筑物和地下管线的安全。监测及保护的范围为：距基坑 外边缘挖深2 h ( 约3l m ) 范围内的建筑物、地下管线和基坑。 2 4 2 监测方法 ( 1 ) 监测频率及具体要求 根据地下铁道工程施工及验收规范( s z 一0 8 2 0 0 0 ) 基坑监测时 间间隔表要求，监测工作白始至终要与施工的进度相结合，监测频率应 满足施工工况的要求。 1 0 第2 章武昌地铁站深基坑工程概述 监测工作布置的基本原则是在确保基坑安全的前提下，本着“经济、 合理、可靠 的原则下安排监测进程，建立一个完整的监测预警系统。 1 ) 在灌注桩施工之前精确测定建构筑物、管线初始值； 2 ) 在灌注桩施工时，正常情况下，临近监测对象每天观测1 次， 当日变化量或累计变化量超警戒值时，监测频率适当加密，每天观测2 次，早、晚各一次； 3 ) 基坑预降水前，应提前1 周完成水位观测孔、回弹测点、桩顶 面变形点的埋设，并测定初始值，观测项目为建构筑物、管线、水位观 测，测量频率为1 次周； 4 ) 在基坑开挖过程中，由于土体压力场的变化，桩将向坑内位移， 势必造成周边地表、地下管线、圈梁的沉降，必须是根据管线交底要求 进行布点，当基坑开挖至坑底垫层浇注前这一段时间内，整个围护体处 于最不利受力状态。特殊情况如监测数据有异常或突变，变化速率偏大 等，适当加密监测频率，进行跟踪监测； 5 )在车站地下结构施工阶段，各监测项目观测频率为1 次2 d ，支 撑拆除阶段1 次天。 6 ) 监管量测点的布置见图2 1 。 5 曩5 m3 m2 m 蛙a 1a i la i 盟匿壁秘点 。 袖力计 一厂。 术位井 】日 ：j 国辑最 袖力丹 r 一。 j 目 ：i 铀力计 i：广 】口 i： 图2 - 1 监管量测点的布置图 f i g2 - 1a r r a n g e m e n to fm o n i t o r i n gn o t e 武汉工程大学硕士学位论文 ( 2 ) 监测精度 1 ) 高程测量误差郢5 m m ； 2 )灌注桩测斜误差5 0 5 衄； 3 ) 灌注桩顶水平位移测量误差 2 m m 1 2 h 。 虽然围护结构最大水平位移郢3 h ( h 为基坑开挖深度) ，速率在 2 m m 1 2 h 之内；但绘制的位移曲线上出现明显的折点变化或斜率较大， 也要作报警处理。刚性管线的允许张开值a 6 m m ，因此，管线的局部最 大沉降量 1 0 m m ，变化速率 2 m m 1 2 h ，管线变形警戒值由累计变化量与 变化速率二个量控制，根据以往同类工程的经验，本工程累计变化量大 于8 m m 或日变化量大于2 m m 作为警戒值。建筑物沉降预警值为8 h 一旯 f 研= 0 ( 3 1 0 ) 对旯等分搿辔一舻b = 区b 辔一伊 阿= 。 把上式写成一阶差分形式： 舀川 一岛， = k g ，世乃+ 1 扩 阿= k ( g ，啦 心) ( 3 一1 1 ) 式中下标j 表示增量号，k l r 称之为切线刚度或增量刚度矩阵，它与当前 结构构形的函数，与整个变形历史有关。当结构处于平衡时，对应于真 实变形曲线的梯度。 最简单的增量法是欧拉一柯西法，它在非线性有限元中称为变刚度 法。在方程( 3 11 ) 中k 】，由每一增量步开始时物体的构形计算出，构成 如下形式的计算步骤： k a 川 = 虹+ l ( 3 1 2 ) 与 k 川 = k ，j + 汹川 ( 3 1 3 ) 这一方法在非线性有限元发展初期曾广泛使用，但它的一个致命缺 点是漂移而不符合实际解。 对漂移采取平衡修正法，可以大大提高增量法精度，甚至避免漂移 现象。现在应用最广的就是在每一级增量上用n e w t o n - - r a p h s o n 或其变 形的迭代法。7 0 年代初出现的所谓自修正法实质是牛顿法一次迭代。 增量法的一个很大优点是可以追踪结构变形历程，这对材料与几何 非线性( 特别是极限屈曲分析) 是很有用的。 第3 章深基坑开挖变形机理 因此最好的求解方法是综合各类方法的优点，这样，增量形式的迭 代法，在迭代过程中用无约束最小化方法寻求优化方向与步长，成为当 前非线性方程解法的主流，使用广泛的迭代法是n e w t o n r a p h s o n ( k n r ) 、修正n e w t o n - - r a p h s o n ( m n r ) 。 3 3 3 迭代收敛法则 ( 1 ) 位移准则 l 圳a di q ，+ 卸“l i | ( 3 1 4 ) 式中：a d 为位移收敛容差，一般取o 1 a d 5 ； i i 幻，0 通常为欧基里德范数，即： i i 却川= 专l 善l g ：1 21 2 ( 3 - 1 5 ) 式中：n 为矢量的维数。 己经发现，对有的问题，其前后两次迭代所得到的渤，j 的模值之比 会出现剧烈的跳动，尽管最终的结果可以是收敛的。由此可见，位移收 敛准则有时不可靠。 ( 2 ) 不平衡( 残余力) 准则 不平衡力可表示为： 蚯 = 妒 - 但 ( 3 1 6 ) 式中：扩) 一外荷载矢量； 也 一第i 次迭代终了时与内力相平衡的节点力矢量，静力分析时 即医，协小动力分析时还应考虑惯性力的作用。 力的收敛准则要求： 0 忙a f i i f i l ( 3 1 7 ) 这一准则也不是十分完美。例如，己经发现，当分析弹塑性结构且 材料近乎理想塑性时，微小的不平衡力仍会对应很大的位移偏差。 武汉工程大学硕士学位论文 除了以上两种控制方法以外，还有能量控制准则以及多种控制准则 同时使用的情况，在此就不再详细论述。 3 3 4 全牛顿一拉普逊法和修正牛顿一拉普逊法和准牛顿一拉普逊法 ( 1 ) 全牛顿拉普逊法( f u l ln e w t o n r a p h s o n ，f n r ) 在方程( 3 8 ) 中，我们已有一近似的h 解，可用截断的一阶台劳级 数得到一个改进的解： 陬1 ) 】= 嘶f ) l + 渊】- o ( 3 - 1 8 ) 及 q 川= q f + 幻f ( 3 1 9 ) 由此( 3 - 8 ) 可知： 器= 器一丽a i r = 医一券 ( 3 - 2 。) a ( g )a ( g )a ( g ) r 。朋r a g ) 。 帮称为雅可比矩阵。当考虑外荷载p 】不随位移而改变时( 即为保 守系统) ，式( 3 1 9 ) 右端第二项可以忽略，如果考虑荷载随位移改变的 非保守系统，要保留第二项。医】，为荷载位移空间的切线刚度，它为对 称矩阵。这样式( 3 1 9 ) 可以写成 b ，】= 一k f d g ，) 】一p d ( 3 2 1 ) 右端括号中的项为第i 次迭代不平衡力。方程( 3 2 1 ) 与( 3 1 9 ) 构成了 牛顿一拉普逊法方法。它的收敛判断可用本节中所述的准则。在一维情 况下该法的过程表示在图3 7 中。牛顿法适于高度非线性问题，因此每一 迭代步后都修改切线刚度以适应问题的物理性质。 第3 章深基坑开挖变形机理 图3 7 全牛顿一拉普逊法 f i g3 - 7f u l ln e w t o n - r a p h s o nl a w 图3 - 8 修正的牛顿一拉普逊法 f i g 3 - 8m o d i f i e dn e w t o n r a p h s o nl a w ( 2 ) 修正牛顿一拉普逊法( n e w t o n r a p h s o n ，