（水工结构工程专业论文）深基坑开挖有限元模拟及实测数据分析研究.pdf

中文摘要 随着城市建设的发展，高层建筑和大量的地下工程不断涌现，伴随而来的是 大量的深基坑施工工程问题。并且基坑规模和深度都在不断增加，更是给工程设 计人员带来了前所未有的挑战。 天津地处于软土地区；地层软弱，地下含水丰富，本身地质条件就十分复杂。 进行大型深基坑的施工难度和风险极大，同时又面临周围建筑物林立，地下管网 密布，靠近道路施工等众多不利条件。因此必须在施工中保证围护结构安全，避 免发生工程事故。对于深基坑工程而言，研究其开挖过程中的土体移动和支护体 系的安全稳定是保证基坑工程安全的重要条件。 本文以天津市南开区某大型深基坑工程为背景进行了相关的分析和研究；在 总结以往基坑工程研究成果的基础上，对施工监测数据进行了整理分析，得出了 相关结论。结合工程实际和利于有限元分析的角度，利用有限元软件a n s y s 对 该深基坑工程的双层环梁支护体系进行了三维非线性有限元分析，分析时把土 体、围护桩和内环梁支撑体系看作一个整体，同时考虑围护结构和土体的相互作 用，分析了在不同工况条件下基坑支撑体系的应力变化情况。通过与现场实测数 据的对比表明，双层内环梁支护体系对于该基坑工程是适合的、安全的，这种支 护形式适合在本地区的大型深基坑工程中应用。最后，本文依据灰色理论编制相 关的程序，提出了基坑变形预测的方法；该方法也可以进行支护体系内力预测， 取得了良好效果。 通过上述研究，本文提出一种施工监测、有限元分析、不断预测的一种思想， 使三者有机的结合起来，为实际工程提供理论依据和指导，有助于提高深基坑的 设计水平和结构安全；并为类似的工程提供和积累宝贵经验。 关键词：深基坑开挖实测数据有限元模拟预测 a b s t r a ct w i t ht h ed e v e l o p m e n to fu r b a nc o n s t r u c t i o n ，m o r ea n dm o r eh i g h r i s eb u i l d i n g s a n du n d e r g r o u n de n g i n e e r i n gs p r i n gu pc o n t i n u o u s l y , p r o d u c i n gm a n yp r o b l e m si n d e e pf o u n d a t i o np i tc o n s t r u c t i o n t h ei n c r e a s eo fs c a l ea n dd e p t ho ff o u n d a t i o np i t b r i n g su n p r e c e d e n t e dc h a l l e n g e st od e s i g n e r s t i a n ii ni sl o c a t e di n s o f t s o i la r e a ，a n di t sg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa r eq u i t e c o m p l i c a t e dd u et ot h ew e a k f o r m a t i o na n dr i c hg r o u n d w a t e r t h ed i f f i c u l t ya n dr i s k o fd e e pf o u n d a t i o np i tc o n s t r u c t i o ni sg r e a t ，w i t hs o m eu n f a v o r a b l ec o n d i t i o n ss u c ha s t o om a n ys u r r o u n d i n gb u i l d i n g s ，d e n s e l yc o v e r e du n d e r g r o u n dp i p e l i n en e t w o r k s ， s h o r td i s t a n c eo fr o a d s ，a n ds oo n i no r d e rt op r e v e n ta c c i d e n t s ，s a f e t y o ft h e e n c l o s u r es t r u c t u r e sm u s tb eg u a r a n t e e di nc o n s t r u c t i o n i no r d e rt oe n s u r et h es a f e t y o fd e e pf o u n d a t i o np i t ，r e s e a r c h e ss h o u l db ed o n e o nt h es o i lm o v e m e n t si n e x c a v a t i o na n dt h es a f e t ya n ds t a b i l i t yo fs u p p o r ts y s t e m i nt h ep a p e r , a n a l y s i sa n d r e s e a r c h e sw e r ed o n eo nad e e pf o u n d a t i o np i ti nn a n k a ir e g i o n ，t i a n j i np r o v i n c e b a s e do nt h es u m m a r yo fp r e v i o u sr e s e a r c h e s ，t h ea r r a n g e m e n ta n da n a l y s i so nt h e i n s p e c t i o nd a t ai nc o n s t r u c t i o nw a sd o n e ，a n dt h e ns o m ec o n c l u s i o n sw e r ea c h i e v e d c o m b i n e dw i t he n g i n e e r i n gp r a c t i c ea n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，3 - dn o n l i n e a rf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i sw a sd o n eo nt h ed o u b l e - l a y e rr i n gb e a m so ft h e f o u n d a t i o np i t ，u s i n g a n s y s i nt h ea n a l y s i s ，t h es o i l ，r e t a i n i n gp i l ea n di n s i d er i n gb e a ms u p p o r ts y s t e m w e r er e g a r d e da saw h o l e ，w i t hc o n s i d e r a t i o no ft h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e ns u p p o r t s y s t e ma n ds o i l ，t h es t r e s sv a r i a t i o nu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n sw a s s t u d i e da tt h es a m e t i m e t h ec o m p a r i s o nb e t w e e na n a l y s i sr e s u l t sa n df i e l dt e s td a t ai n d i c a t e st h a t ，i ti s s a f et ou s et h es u p p o r ts y s t e mo fd o u b l e l a y e ri n s i d er i n gb e a mi nt h i sp r o j e c t ，w h i c h i ss u i t a b l ef o ro t h e rd e e pf o u n d a t i o np i t si nt h er e g i o nt o o t h e n ，a c c o r d i n gt ot h eg r e y t h e o r y , p r o g r a mw a se s t a b l i s h e di nt h ep a p e r , a n da m e t h o dw a sp r o p o s e dt op r e d i c t t h ed e f o r m a t i o na n dt h ei n t e r n a lf o r c eo ft h es u p p o r ts y s t e mo f t h ef o u n d a t i o np i t b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o n sa b o v e ，t h et h o u g h to fc o m b i n gw i t ht h ec o n s t r u c t i o n m o n i t o r i n g ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n dc o n t i n u o u s l yf o r e c a s t i n gw a sp r o p o s e d i nt h e p a p e r t h et h o u g h tc a np r o v i d et h e o r e t i c a l b a s i sa n dg u i d a n c ef o rp r a c t i c a l e n g i n e e r i n g w h i c hi sh e l p f u lt oi m p r o v ei t sd e s i g na n ds a f e t y , a n di t c a na l s op r o v i d e a n da c c u m u l a t ev a l u a b l ee x p e r i e n c e sf o rs i m i l a rp r o j e c t s k e yw o r d s ：d e e pf o u n d a t i o np i t ，e x c a v a t i o n ，m e a s u r e dd a t a ，f i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o n ，p r e d i c 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，也不包含为获得墨鲞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：兰巅路 签字日期： 删年月午日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘鲎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： 三熔游 ，o 导师签名： 签字日期：砂而年月午日 签字日期： 俄蒸 硼4 年汐月口以日 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 随着国民经济的增长，城市人口的增加与基础设施落后之间的矛盾愈显突 出。为缓和该矛盾，建筑物不断向空中发展；与此同时，各类用途的地下空间和 设施也得到空前的发展，形成城市建设的三维发展趋势。目前，这些地下工程诸 如高层建筑地下室、地下停车场、地下铁道及车站、地下商业街等正逐渐得到越 来越多的建设利用。由此，深基坑工程技术也随着工程实践的不断积累而得到长 足的发展。 基坑工程是地下建筑施工中内容丰富而易于变化的领域。基坑工程是一项风 险性工程，同时又是一门综合性很强的新型学科，它涉及工程地质、土力学、结 构力学、基础工程、原位测试技术、施工技术、土与结构共同作用以及环境岩土 工程等多门学科，是理论上尚待发展的综合技术学科。由于大量的基坑工程集中 在市区，施工场地狭小，施工条件复杂，基坑围护体系不仅要保证基坑及围护结 构本身的安全，而且还要保证周围建( 构) 筑物和市政设施的安全以及正常使用， 基坑还存在着环境效应的问题。因为需要解决的问题越来越多，所以对基坑工程 的要求也越来越高。目前，尽管许多专家学者在深基坑工程方面做了很多工作， 也取得了不少的成果，但还存在许多问题需要解决。 深基坑工程的设计与施工，既要保证整个支护结构在施工过程中的安全，又 要控制结构和其周围土体的变形，以保证周围环境( 相邻建筑和地下公共设施等) 的安全。在安全前提下，设计既要合理，又要节约造价、方便施工、缩短工期。 因此，必须要了解基坑工程的特点。基坑工程一般具有以下特点【l 】【2 】【3 】： 1 基坑支护体系是临时结构，安全储备可相对小一些，但是又同区域和环境 有关，不同地区的地质条件不同，其对应的安全度也不同。 2 深基坑工程的施工条件差，对周围环境的影响大。尤其是支护桩施工有诸 多限制或不利因素，如场地狭窄、噪音限制、振动限制、施工时间限制等。另外 基坑周围一般场地狭小，建筑密度大，人口密集，管线林立，对基坑稳定和位移 控制要求严格。 3 基坑工程的造价高、规模大。据统计，深基础工程的造价一般为一幢高层 建筑总造价的2 0 - 3 0 ，深基坑支护结构的费用约占工程总造价的1 0 左右。 并且当前深基坑工程逐渐向大深度，大面积方向发展，工程规模日益增大，由此 第一章绪论 造成基坑工程造价很高，投资很大。 4 基坑工程具有很强的区域性，不同地质条件下的基坑的性状差别很大。这 是由岩土性质的千差万别，地质埋藏条件的复杂性和水文地质条件的复杂性和不 均匀性造成的。 5 基坑工程具有较强的时空效应。基坑开挖的空间几何尺寸和支护结构的暴 露时间对基坑支护结构和基坑周围地层的位移有明显的相关性。基坑长宽比越 大，短边对长边的影响越小。基坑暴露时间越长，土的主动土压力越大，被动土 压力减小，基坑安全度降低。 6 基坑工程施工周期长，从开挖到完成地面以下的全部隐蔽工程，常需经历 多次降雨、周边堆载、振动、施工不当等许多不利条件，其安全度的随机性较大， 事故的发生往往具有突发性。 7 基坑工程事故的严重性。由于现阶段基坑工程的理论尚不完善，基坑工程 技术复杂、影响因素多、涉及范围广、对周围的环境影响大。一旦发生事故，后 果十分严重，造成巨大的经济损失和不良的社会影响。同时，深基坑事故处理也 很困难，一旦出现事故，处理费用往往难以估计。 此外，基坑工程面对各种各样的地基土和复杂的环境条件进行施工作业，存 在以下一些不确定因素i j j ： 1 外力的不确定性。作用在支护结构上的外力不是一成不变的，而是随着环 境条件、施工方法和施工步骤等因素的变化而改变。 2 变形的不确定性。变形控制是支护结构设计的关键，但影响变形的因素很 多，维护墙体的刚度、支撑体系的布置和构件的截面特性、地下水的变化、潜蚀 和管涌以及施工质量和现场管理水平等均为产生变形的原因。 3 土性的不确定性。地基土的非均质性( 成层) 和地基土的特性不是常量， 在基坑的不同部位、不同施工阶段土性是变化的，地基土对支护结构的作用或提 供的抗力也随之变化。 4 一些偶然的因素变化所引起的不确定性。施工场地内土压力分布的意外变 化、事先没有掌握的地下障碍物或地下管线的发现以及周围环境的改变等等，这 些事前未曾预料的因素均会影响基坑的正常施工和使用。 目前，在基坑工程中发生工程事故的概率往往高于主体工程。由于存在以上 不确定因素，很难对基坑工程的设计与施工定出一套标准模式，或用一套严密的 理论计算方法来把握施工过程中可能发生的各种变化。 2 第一章绪论 1 2 软土地区基坑的工程特点 在软土地区进行基坑开挖，变形问题受到了越来越多的关注，在我国许多沿 海城市如上海地区、天津地区的基坑工程均处于这一软土地区，地下水位偏高、 土体强度偏低。在这一地区进行基坑施工严重受工程地质条件的制约，若基坑的 开挖和围护设计不当，很容易造成过大的围护体水平位移、周围地表沉陷及坑底 隆起，进而影响基坑的稳定及其邻近设施的安全和正常使用，造成严重后果。本 文所分析的基坑工程处于天津地区，所以研究软土地区的深基坑开挖与支护有极 大的意义。 软土是指由细粒土组成的孔隙比大、天然含水量高、压缩性高、强度低和具 有灵敏结构性的土层，包括淤泥、淤泥质粘性土和淤泥质粉土等1 4 j 。软土具有的 工程特性【5 儿6 】：天然含水量高，孔隙比大；抗剪强度低；压缩性较高； 渗透性很小；具有明显的结构性；流变性显著。 软土地区的深基坑工程不仅涉及土力学中的基本强度、稳定和变形理论，而 且还包含了土与结构体的相互作用和基坑渗流问题。因此，设计施工中应全面考 虑工程地质、水文地质、施工场地、气象条件等具体情况。由于软土的特殊性， 使软土基坑工程具有自身独特的特点0 3 】【7 】【8 】： 1 岩土性质千变万化，地质埋藏条件和水文地质条件的复杂性、不均匀性， 往往造成勘察所得的数据离散性很大，难以代表土层的总体情况，并且精确度较 低，给基坑工程的设计和施工增加了难度。 2 相邻场地的基坑施工，如打桩、降水、挖土等各项施工环节都会产生相互 影响和制约，增加事故诱发因素。 3 因为软土的抗剪强度很低，基坑边坡的自立能力也很低，使支护体系承受 的荷载较大，需要强大的支护结构。 4 由于软土的变形很大，使得软土基坑的开挖变形也很大，工程实践中常有 一些软土基坑的围护墙水平位移达到十几甚至几十厘米。这也使开挖引起的环境 破坏后果更严重，重大的工程环境事故一般都发生在软土地区。 5 针对软土的特点，软土基坑工程中引进了一些新的工程措施：如对基坑被 动土压力区和主动土压力区应用地基加固方法进行处理，对邻近建筑和公共地下 管线采取灌浆、托换等技术进行预先保护等。 1 3 基坑工程的研究现状 目前，在基坑工程领域我国的工程技术人员在基坑的设计、计算、施工技术 第一章绪论 和监测手段等方面己经取得了长足的进步和丰富的经验。特别是，随着计算机技 术水平的不断进步，基坑测试技术的不断提高，基坑工程进入了一个快速发展的 时期。其中基坑支护体系的稳定、变形以及考虑地下水作用的流固耦合等问题研 究将是基坑工程发展的方向9 10 0 1 【1 1 】。国内外在深基坑工程的研究方面主要有以 下几个【1 2 】 2 2 1 ： 1 基坑开挖引起的土体性状的研究； 2 深基坑开挖支护体系的有限元分析研究： 3 侧向土压力计算模式的研究； 4 基坑工程问题的反分析与信息化施工的研究； 5 基坑工程施工对环境的影响研究； 6 灰色理论及人工神经网络在基坑变形预测中的应用研究； 7 基坑工程问题的可靠度研究。 基坑支护结构的计算方法大致可以分为三类：第一类是常规设计方法；第二 类称为弹性抗力法；第三类是有限元法。 鉴于本文所要研究的内容，主要介绍一下有限元法在基坑工程中的应用情 况。有限单元法是2 0 世纪5 0 年代开始发展起来的数值方法，是用有限个单元将连 续体离散化，通过对有限个单元作分片插值求解各种力学、物理问题的一种数值 方法。有限单元法的广泛应用，对工程的设计，施工过程分析和工程监测反演都 产生了重大影响，自从1 9 6 6 年美国的c l o u g h 和w o o d w a r d 首先将有限元应用于土 力学，作了土坝的非线性分析以来，有限元在岩土工程学科中取得了巨大的进展。 目前用有限元法分析工程问题的难度并不在于方法本身，而在于如何根据所 分析问题的特点，合理选择计算模型和参数，并对计算结果进行判断分析。对于 基坑问题的有限元分析，以往多采用二维模型，鲁宏【1 2 j 采用平面有限元法及有限 元程序p l a x i s ，对深基坑工程中工程桩对基坑变形的影响做较为深入的对比分 析研究。k a is w o n g 等 1 3 】研究了粘性土中柔性支护结构的墙体侧向变形，用有二 维有限元法分析了有支撑或锚杆的板桩变形的影响因素，如土体的不排水抗剪强 度，基坑开挖宽度和深度，板桩墙的刚度，桩墙入土深度，开挖面以下硬土层的 厚度等。m a h a s h a s h 和a j w h i t t l e 1 4 】采用二维非线性有限元法分析了一系列 算例，并研究了墙体入土深度，支撑条件和土体应力历史对软粘土中基坑支护结 构变形的影响。t i a d d e n b r o o k e 等【l5 】采用平面非线性有限元法，分析了3 0 多个 硬粘土中的深基坑开挖算例，基坑分析中假定土体不排水。在多支撑挡土墙设计 中提出位移柔度系数的概念，用位移柔度系数( 6 = e l h 5 ) 控制深基坑设计。 但是，随着人们对基坑空间效应认识的不断深入以及计算机容量和运算速度 的不断提高，基坑工程的三维空间性状日益得到人们的关注。o u c y 和c h i o ud 4 第一章绪论 c 【1 6 j 对基坑开挖工程三维有限元的单元划分提出了建议，以更加有效的方式进行 单元划分，取得了很好的效果。俞建霖，龚晓南1 1 7 j 通过三维有限元程序，对基坑 开挖引起的围护结构变形、土压力的空间分布和基坑的几何尺寸效应进行了分析 研究。高文华，杨林德【i8 】建立三维有限元分析模型考虑围护墙体位移因基坑开挖 而引起的空间效应以及由地基流变而引起的时间效应，计算了由于基坑开挖维护 墙体任意时刻任意位置的变形。宋二祥，娄鹏等【l9 】运用有限元软件a n s y s 建立 三维模型，对北锚特深基坑工程，对其开挖过程中支护体系的稳定性进行了三维 非线性有限元分析，据此给出体系内力、变形的估计，对基坑稳定性给出评价。 屈俊童，周例2 0 j 对某特深圆形基坑进行了施工全过程的三维弹塑性分析和模拟， 并详细说明了考虑空间效应及时变性分析的具体实现方法。倪宏革，纪翠娜掣2 1 j 应用岩土工程有限差分法软件f l a c 3 d 对基坑开挖、支护的过程进行了三维数值 模拟，着重分析了深层水平位移及地表沉降情况。 应该说三维有限元分析方法，更加贴近与工程实际。从以上的研究成果中也 证实了三维有限元分析的合理性。基坑三维空间有限元是将所有支撑系统和竖向 围护结构视为一个协调工作的整体结构。这种计算必须借助于电子计算机才能胜 任，将竖向围护结构的特征、节点构造和支撑系统特征等全面纳入计算范围，并 模拟各种施工情况，计算每一工况下各构件的内力和变形。这种整体的计算方法 可以很好的解决常规设计方法、弹性抗力法和平面有限元分析法的不足之处，它 通过单元的生死技术还可以计入上一工况变形的影响，使得计算模型与实际情况 基本相符f 1 9 1 【2 3 】【2 4 】。 产生于2 0 世纪初的预测技术，自引入工程领域预测以来从传统的模型预测方 法到目前的灰色理论预测和人工神经网络预测，获得了空前的发展。对于基坑开 挖过程中的变形预测研究，目前应用最多的就是灰色理论和人工神经网络中的 b p 网络，工程上已有相关的研究工作，取得了良好的效果。本文在第五章中对 相关的预测方法和应用进行具体论述，这里不再阐述。 1 4 本文的主要工作 本文以天津市南开区某大型深基坑工程为例，对实测数据、有限元模拟、变 形预测进行了详细阐述。针对工程需要和目前的研究状况，具体做了以下工作： ( 1 ) 对涉及本工程的支护桩顶部水平位移、桩体水平位移和水平支撑体系 内力的监测数据，进行了整理分析，总结出了数据反映的规律和趋势，针对存在 的问题进行具体分析论述。 ( 2 ) 在a u t o c a d 中建立了基坑平面，形成面域后实现了由c a d 到有限元软 第一章绪论 件a n s y s 的导入。在a n s y s 中剖分基坑平面，然后根据土层的材料属性逐步拖 拉成体，建立了三维有限元计算模型。 利用有限元软件，对该基坑工程的开挖与支护体系的实现进行非线性有限元 模拟。计算了各个工况条件下基坑的变形和支撑体系的应力变化情况，并进行了 详细论述。并对基坑有限元计算结果和实测结果进行了对比分析。 ( 3 ) 根据灰色理论模型，利用m m l a b 软件编制了相关程序，对基坑的变形 和支撑体系内力进行了工程预测。 。 6 第二章大型深基坑工程实测研究 第二章大型深基坑工程实测研究 2 1 工程实例概况 2 2 1 工程简介 本文所研究的天津市某建筑工程坐落于天津市南开区。本工程为一幢地下2 层地上2 4 层建筑物及外部裙楼和地下车库，总建筑面积约为1o 万平方米。其结构 类型为混凝土框架结构，基础类型为桩基础，基坑内外采用管井降水。基坑开挖 深度达11 5 米，是天津地区同类基坑中较深的一个。同时该基坑还具有：工程面 积大，最长边达1 0 8 米；基坑平面不规则为一多边形；工程要求等级高、投资大 等特点。 2 2 2 场地地质概况 根据勘察资料，本工程场地地质情况如下： 1 人工填土层，厚度2 3 0 - 5 4 0 m 左右，主要为砖渣、石子、炉灰及废土组成。 2 全新统上组陆相冲积层，厚度2 0 0 - 5 2 0 m ，主要由粉质粘土组成，呈可塑 状态，属中压缩性土。局部夹粘土。 3 全新统中组海相沉积层，厚度7 2 0 - - 8 3 0 m ，该层从上而下分三个亚层： 第一亚层，粉质粘土，厚度1 0 0 - - 2 5 0 m ，呈软塑状态，属中压缩性土； 第二亚层，淤泥质粘土，厚度2 5 0 , - - 3 5 0 m ，呈流塑状态，属高压缩性土； 第三亚层，粉质粘土，厚度2 2 0 - - - 3 5 0 m ，呈软塑状态，属中压缩性土。局部夹 粘土、粉土透镜体； 4 全新统下组沼泽相沉积层，厚度1 o f f - - 1 2 0 m ，主要由粉质粘土组成，呈 可塑状态，属中( 偏高) 压缩性土。 5 全新统下组陆相冲积层，厚度3 5 0 6 4 0 m ，主要由粉质粘土组成，呈可 塑状态，属中压缩性土。局部夹粘土。 ， 6 上更新统第五组陆相冲积层，厚度8 5 0 - - - 1 2 o o m ，主要由粉土组成，呈密 实状态，属中( 偏低) 压缩性土。 7 上更新统第四组滨海潮汐带沉积层，厚度1 3 0 3 o o m ，主要由粉质粘土 组成，呈可塑状态，属中压缩性土。本层土水平方向上土质较均匀，但局部缺失， 分布欠稳定。 7 第二章大型深基坑工程实测研究 基坑开挖范围内工程地质主要指标见表2 1 。 表2 1有关地质土层的参数指标 土层序号土层名称 平均厚度( m )7 ( k n m 3 )e ( m p a )c ( k p a )贷) 人工填土层 3 81 8 o6 01 9 o2 0 4 l 粉质粘土 1 21 9 14 51 2 01 7 7 2粉质粘土 2 31 8 86 97 o1 5 o i 粉质粘土1 41 8 03 51 9 01 2 8 2淤泥质粘土 2 51 7 83 01 5 01 0 o 3粉质粘土 3 01 9 08 61 2 o2 7 2 粉质粘土 1 52 0 35 32 3 01 0 0 粉质粘土 4 52 0 75 82 0 o2 1 o 粉土1 5 01 9 81 5 o1 0 o3 0 0 2 2 3 基坑围护体系设计方案 基坑围护结构主要采用钻孔灌注桩排桩墙作为挡土围护桩，外面做水泥搅拌 桩挡水，内侧设置现浇钢筋混凝土内环梁加辐射撑组成的支撑体系。见图2 1 。 内环梁截面尺寸2 2 0 0 x 8 0 0 ，中心线直径11 2 6 m ；辐射支撑截面尺寸8 0 0 x 8 0 0 ， 围梁截面尺寸1 2 0 0 x 8 0 0 。基坑共有上下两层支撑体系。支撑放在立柱上，立柱 底部打入工程桩，在开挖前打入。具体见图2 2 。灌注桩直径1 0 0 0 m m ，中心距 为0 9 m ，桩长2 2 m ，桩项位于地表下1 4 5 m 。灌注桩四周的止水帷幕采用2 排 2 x 7 0 0 双头搅拌桩，桩间搭接长度1 5 0 m m ，桩长1 8 5 0 - 1 5 0 0 m 。其中排桩混凝 土设计强度等级为c 3 0 ，支撑混凝土设计强度等级为c 3 5 。 业帽琴，。第一道步撑一层哟环挈 _ 二；丽一、i 笪，1 一一”7 臻= “ 掩 r i ：虐吐桩第主随i 捧 叫 ，j 帽襞。，r “妒、一，4 d ， ： 点布置图图2 2 基坑支护剖面示意图 第二章大型深基坑工程实测研究 在各种基坑支护结构中环形拱梁支护是近年来新出现的一种结构形式，已 在我国东部沿海地区大量应用，尤其是天津地区，有很多大的基坑工程都采用 环梁支护结构。与其它支护形式相比，环形拱梁具有受力合理、能有效利用施 工空间、结构工程量小、对基坑的几何形状要求低及适用范围广等特点，是一 种较为理想的基坑支护结构形式，特别适于软弱地基和场地狭窄地区的基坑支 护。 2 2 深基坑工程进度安排及监测内容 1 本工程进度时间安排： 2 0 0 6 年1 1 月1 5 日基坑进行正式开挖，1 1 月2 0 日开挖至第一层支撑底部， 1 1 月2 1 日开始浇筑第一层支撑，至11 月2 4 日浇筑完成；2 0 0 7 年1 月3 日开挖 至第二层支撑底部，1 月5 日开始浇筑第二层环梁支撑，1 月1 0 日浇筑完成；2 月1 0 日停工；3 月1 6 日恢复施工，月底开挖至基坑底部。 2 施工监测 本工程开挖深度很深，并且施工场地狭小、周围建筑物林立、地下管线较多 环境条件复杂。基坑工程不仅要保证围护结构本身的安全，而且要保证周围建筑 物和地下管线的安全和正常使用。所以确保基坑的安全稳定成为施工的关键问 题。一旦基坑变位滑动，可能导致难以弥补的灾难，如基坑底部施工人员伤亡， 邻近建筑物由于不均匀沉降开裂破坏等。另外，地下工程由于地质条件、荷载状 况、材料性能、施工条件以及其他外在因素不确定性的复杂影响，从理论上进行 精确的变形计算和预测是非常艰难的，因此进行理论指导下有计划的岩土工程监 测是必要的【2 5 1 1 2 6 】。监测的目的是为了动态指导地下工程施工，并积累工程数据 为以后的岩土工程优化设计服判2 7 】。 鉴于本文的研究目的，对于基坑工程的监测主要取以下几方面： ( 1 ) 支护桩顶部的水平位移监测； ( 2 ) 支护桩墙体测向位移监测； ( 3 ) 水平支撑体系内力监测。 2 3 基坑变形实测数据分析 2 3 1 桩顶水平位移监测 1 精度设计 9 第二章大型深基坑工程实测研究 根据建筑变形测量规程( j g j t 8 9 7 ) 的规定以及该工程的实际情况， 拟对其采用二级精度监测，即对于水平位移点，其坐标误差不超过士3 0 m m 。 2 监测方法和仪器 ( 1 ) 采用直角坐标法或基准线法( 又称视准线法) 。 直角坐标法是在水平位移区域外选三个基准点，这些基准点必须是稳定不动 的，将电子全站仪架设在某一基准点上，测出开挖前各个水平位移监测点及另两 基准点的初始直角坐标值，以后每次监测出各点的直角坐标后与其初始值相比， 即可得知各个水平位移监测点任意方向的位移量。 ( 2 ) 对于直线型的基坑边，其水平位移还可采用基准线法监测。基准线法 指的是沿基坑边建立基准线，基准线的两端点选在牢固稳定的地方，不受基坑水 平位移的影响，并在围护结构项部布设水平位移点，每次观测时，在基准线的一 端安置电子全站仪，照准基准线的另一端，然后将基准线投射到水平位移点的旁 边，通过量取水平位移点离开基准线的水平偏距，并从两次观测所得水平偏距之 差，即可得知两次期间水平位移点的位移量。 基坑支护结构变形监测所用的仪器为日本t o p c o n 公司制造的g t s 3 l l s 电子全站仪，其角度测量误差为士2 ”，距离测量误差为士( 2 m m + 2 p p m ) 。 ( 3 ) 电子全站仪的工作原理1 2 7 建立如图2 3 的测量坐标系，以全站仪中心为坐标原点，以度盘0 方向为y 轴，以通过原点0 的铅垂线为z 轴，以通过0 点的y o z 平面的法线为x 轴构成 右手测量坐标系。测定监测点的三维坐标系，倾斜d ，水平角h ，和俯角l 。 图2 3 测量坐标系 由下式计算点位i 在测量坐标系中的三维坐标( x ，z ，z ，) ： x = = d is i n h i c o s v , y 严d lc o s h c o s i , 】f z - d ic o s v f l o ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 第二章大型深基坑工程实测研究 a x f = d 扩s i n h f ，c o s 一d f ls i n h i ic o s v f l ( 2 4 ) z = d o c o s c o s 一q ic o s h i lc o s v f i ( 2 - 5 ) 式中：d 、h ”杉。分别为某点位f 第一次测量的斜距，水平角和俯角；d u 、 测量点位f 的变形量距a m ，和变形方向a b ，分别为： a m f = 2 置+ ? ( 2 6 ) 衄，留等 ( 2 7 ) 掌s 5 1 8 s 1 8 ；圹j 弋玉s 6 ；? 、奠 s 纠、高s 7 s 1 6 ，。烈屡s 8 殴、篇 s 1 5 s 1 4 澎s 掣1 0。o | 、矿_ 。 s 1 3i 讫葡 图2 4 支护桩墙顶水平位移监测点布置示意图 2 3 2 桩顶水平位移监测分析 本基坑工程从开始施工到基坑完工，对于监测点共进行了9 4 次监测。开始 时间从2 0 0 6 年1 2 月5 日开始至2 0 0 7 年1 1 月1 5 日结束。鉴于本文所研究的内 容，取前1 5 次监测数据( 即到2 0 0 7 年4 月4 日，此时已经开挖到坑底) 。水平 位移与基坑开挖进度关系见图2 5 至图2 8 ，负值表示位移向基坑内侧。 第二章大型深基坑工程实测研究 水平位移 累计位移 水平位移 累计位移 水平位移 累计位移 水平位移 累计位移 水平位移 累计位移 k 0 6 - 1 2 - 12 t 1 0 0 - 1 2 - 2 02 0 0 7 - 1 2 02 0 0 7 - 2 - 1 42 0 0 7 - 3 - 1 12 0 0 7 4 - 5 时阃( 天) 图2 - 5s 1 s 5 测点的监测位移 水平位移b 累计位移| = 水平位移l 累计位移l 水平位移l 累计位移l 奎弄篙 水平位移i 累计位移f 2 0 0 6 - 1 2 - 12 f 1 0 6 - 1 2 - 2 02 0 0 7 - 1 - 2 0 2 0 0 7 - 2 - 1 4 2 ( 1 0 7 - 3 - 1 12 0 0 7 - 4 - 5 时间( 天) 图2 7s 1 1 s 1 5 测点的监测位移 一 、b r t ，。- f + 摹6 水平位移 d s 6 累计位移 一s 7 水平位移 6 一s 7 累计位移 + 娼水平位移 o s 8 累计位移 + s 9 水平位移 p s 9 累计位移 + s l o 水平位移 h l o 累计位移 2 0 0 0 - 1 2 - 12 0 0 6 - 1 2 - 2 62 0 0 7 * 1 - 2 02 0 0 7 - 2 - 1 42 0 0 7 - 3 - 1 1l 拍0 7 - 4 - 5 时间( 天) 图2 - 6s 6 s 1 0 测点的监测位移 2 0 0 7 - 1 - 2 0 2 0 0 7 - 2 - 1 4 2 0 0 7 - 3 - 1 1 2 0 0 7 - 4 - 5 时间( 习 图2 8s 1 6 - $ 2 0 测点的监测位移 由图2 5 图2 8 知： ( 1 ) 随着基坑开挖过程的进行，开挖深度的增加，支护结构顶部水平位移 逐渐增大，在第二层支撑浇注完成后趋于稳定。这主要是由于从浇筑完第二层支 撑到开挖至基底，土压力的增加值主要由第二层支撑来承受。在第二层支撑还没 浇筑起作用以前，随着开挖深度的增加，墙顶水平位移有较大增长；开始开挖第 二层支撑以下土体时墙顶水平位移再没有发生变化。 ( 2 ) 基坑长边中间部位位移较大。例如，在测点s 7 、s 1 4 处墙项水平位移 最大，这两处正是基坑较长边的中间位置，最大位移值均为2 5 m m 。 ( 3 ) 基坑短边的测点大部分在1 2 月2 0 号后( 即开挖到第二层支撑架设处) 水平位移不再变化，说明在围护墙体和第一层支撑的共同作用下对于基坑短边的 支撑效果良好。 2 3 3 桩体水平位移监测 1 结构水平变形测试 。 七 加 帕 渤 茜 l i ) 簿攀 o 一 之 4 1 r 毒 击 彳 一目u ) 簿翠 移移移移移移移移移移 位位位位位位位位位位平计平计平计平计平计水累水累水累水累水累=2怕盯博博拇忡加辜： + 牛 o c j i 4 击 哥 竹 坦 目导簿草 o ! 窖 笛 营一搀晕 第二章大型禚墓坑工程实铡研究 在预测结构施工时，将专用优质聚氯乙烯测斜管固定在灌注桩钢筋笼的内 侧并浇注于其中。墙体的变形情况通过专用仪器测斜仪，将测斜器感应方 向对准测向位移方向的导槽内，将测斜器轻轻滑入管底，停置片刻使其稳定并测 其读数，沿测斜管导槽每隔0 5 m 测得一个倾斜角度，直到管口。然后将测斜仪 器旋转1 8 0 0 ，放入另一组导槽内，再测读一次。继而可计算出测试处的水平变位， 经沿测斜管的连续测量，可得出墙体的变形曲线。 2 ，监测仪器 监测采用d g k - 6 0 1 型伺服加速度计式测斜仪，如图2 - 9 。主要技术指标： ( 1 ) 传感器灵敏度：00 2 m m 5 0 0 m m ( 8 ”) ； ( 2 ) 测量范围：0 5 3 。； ( 3 ) 测斜仪总精度：4 m l r d l 5 m ( 5 4 1 ) ； ( 4 ) 导轮间距：5 0 0 r a m ； ( 5 ) 测头尺寸；9 3 2 x 6 6 0 m m 。 图2 - 9d g k - 6 0 1 型测斜仪 3 测斜仪的工作原理 基坑周围深层土体位移和支护结构围护桩沿深度方向的位移由测斜仪测量。 测斜仪由铡头，电缆，测读仪构成。测头的导轮沿着测斜管的导槽沉降或提升， 测头传感嚣可以敏感监测导管在每一深度处的倾斜角度，输出一个电压信号在测 读仪上显示出来，测头测出的信号是以测斜导管导槽为方向基准，在某一深度处 测头上下导轮标准问距l 上的倾斜角的函数，可以直接换算为水平位移。如图 2 一1 0 。 用测头连续在任意深度处i 点上的测试的总位移：计算公式如下： j = e a ，= s l n b ( 2 - 8 ) i i 式中：5 任意一点的水平位移( n u n ) 第二章大型深基坑工程实测研究 所。 l 一量测点的分段长度( r a m ) 谚一量测管轴线与铅垂线的夹角( 。) 。 原准线 图2 1 0 测斜原理示意图 4 测点的布设 监测桩体水平位移的测斜管布设在灌注桩的钢筋笼内，共计1 4 个，如图2 1 l x 1 1 x l o 图2 1 l 桩体水平位移测点布置示意图 2 3 4 桩体水平位移监测分析 支护桩体水平位移监测，对于周围建筑物、管线以及基坑本身的稳定，具有 十分重要的意义：必须使其最大位移值不超过工程的最大容许值【2 8 1 。连排桩墙体 的水平位移量及发展规律，是优化支撑合理位置，评价支撑效果的重要依据。该 项测量采用测斜管，通过测斜管不同段落、不同时刻的测量，准确地掌握连排桩 墙的水平位移量及其发展变化。 1 4 第二章大型深基坑工程实测研究 本基坑工程从开始施工到基坑完工，对每个监测点共进行了8 次监测。测点 布置见图2 1 1 。测斜孔的顶部与桩的项部是齐平的，孔深1 3 0 m 。所测的支护桩 体位移是开挖完上部1 4 5 m 的土体以后的数值。鉴于篇幅所限，取长边中部测点 x 7 、短边中部测点x 1 4 ，两个代表性的测点进行分析。水平位移与基坑开挖进度 关系见图2 1 2 至图2 1 5 。 1 桩体水平位移沿深度的变化规律 从图2 1 2 至图2 1 5 中可以看出，随着基坑开挖，基坑周围土体产生较大的 侧向土压力，使支护桩的水平位移值不断增大。当挖土到第一层支撑的底部时， 支护桩的最大水平位移发生在地表处。这是符合桩体位移变化规律的。此时，由 于支撑还没有浇筑，支护桩的位移沿深度方向是线性减小的；当开挖到第二层环 梁支撑的底部时，支护桩体的位移较前一阶段有很大的增加；但不是每个深度处 的位移都是增加的：相反，有些深度处的位移还会有减小的趋势。这主要是由于 第二阶段在基坑上部有第一层支撑约束的作用，使得桩体的位移曲线呈两头小中 间大的“弓”型。测点x 7 ，最大位移值为2 2 1 5 m m ；测点x 1 4 ，最大位移值为 l1 0 6 m m 。开挖到第三阶段时，由于两层水平支撑的共同作用，桩体上半部分位 移没有明显的变化，下半部分位移仍有增加，最大位移值下移。支护桩底部位略 有增加。另外，可以看出基坑长边中点处支护桩的水平位移明显比短边处位移大， 这主要是由于长边所承受的土压力较大造成的；短边中点处沿深度方向位移虽然 有一定的波动，但总体趋势和长边中点处支护桩的水平位移是一致的。 2 桩体水平位移按时间的分布