西安市大差市地铁车站深基坑支护设计毕业论文.doc

西安市大差市地铁车站深基坑支护设计毕业论文目 录1绪论.11.1选题背景.11.1.1深基坑工程的发展历史.11.1.2生产需要.21.1.3选题目的与意义.31.2深基坑工程的研究现状.41.2.1深基坑支护设计理论与计算方法的研究现状.41.2.2深基坑工程的稳定性分析理论的研究现状.61.3深基坑工程中存在的主要问题.71.4深基坑工程中存在的几个热点问题.81.4.1作用在支护结构上的土压力.81.4.2深基坑开挖及支护的环境效应问题.81.4.3深基坑工程的动态反馈设计及信息化施工.81.4.4对现有结支护结构的优化问题.91.5选主要的研究内容、思路和方法.92西安大差市地铁车站工程概况.102.1大差市车站概况.102.2工程地质条件.102.2.1地形地貌.112.2.2地质构造.112.2.3河流水文及气候概况.112.2.4地层岩性特征.112.3水文地质条件.112.3.1第四系孔隙水.112.3.2地下水位与含水层、隔水层的分布.112.3.3地下水的补给、径流和排泄条件.132.3.4地下水的动态特征.132.4不良地质作用.132.4.1地震液化.132.4.2地裂缝.132.4.3地面沉降.132.4.4区域地面沉降.132.4.5与工程有关的地面沉降.142.4.6其他不良地质作用.142.5特殊岩土及特殊工程地质问题.142.5.1湿陷性黄土.142.5.2人工填土.152.5.2其他问题.152.6本章小结.153大差市地铁车站围护结构设计.163.1基坑支护方案的比较.163.1.1排桩或地下连续墙的支护结构.173.1.2水泥土墙支护.183.1.3土钉支护.193.1.4逆作拱墙支护.193.1.5内支撑支护.203.2支护方案的选型.213.3横断面计算.213.3.1计算各土层侧压力系数.223.3.2各工况土压力及支撑力计算.233.3.3内力设计值.303.3.4该段灌注桩配筋设计.303.3.5基坑稳定性验算.303.4横断面计算.323.4.1计算各土层侧压力系数.333.4.2各工况土压力及支撑力计算.343.4.3内力设计值.413.4.4该段灌注桩配筋设计.413.4.5基坑稳定性验算.423.5支护参数最终确定.423.6本章小结.434降水设计.444.1场地工程地质及水文地质条件.444.1.1气候条件.444.1.2工程地质与水文地质条件概述.444.2降水方案.444.3渗透系数.454.4基坑涌水量.454.5单井降水计算.464.6确定管井数量与间距.464.7本章小结.465大差市深基坑监测方案设计.475.1工程概况.475.2基坑监测方案.475.2.1监测内容.475.2.2监测仪器.475.2.3观察时间与频率.475.2.4监测点的布设.485.3本章小结.506施工组织设计.516.1施工组织设计目标.516.2工程概况.516.2.1工程简述.516.2.2工程特点及重点、难点分析及对策.526.3总体施工安排.526.3.1总体施工方案.546.3.2施工顺序.546.3.3总体施工步骤.566.4施工总平面布置.566.4.1布置原则.576.4.2布置依据.576.5施工方案及技术措施.576.5.1降水.576.5.2围护结构施工.576.6土方开挖方案.596.6.1土石方开挖方法.646.6.2土方开挖作业顺序.646.7本章小结.65结语.65致谢.67参考文献.68附录.6970 1绪论1.1 选题背景1.1.1 深基坑工程的发展历史基坑工程是一个古老,并且又非常具有时代特征的一个土木工程课题。放坡开挖及木桩围护早在很早的时候就已经开始使用了。人类的土木工程建设活动在很大的程度上促进了基坑工程的发展，尤其是到了上世纪末本世纪初，随着大量的高层甚至是超高层建筑和城市地下工程的不断涌现，基坑工程的安全、功能等各项要求也都显得都越来越高，随之出现的问题也就越来越多了，促使着岩土工程的技术人员开始以新的思维审视基坑工程这一课题，许多新的经验和理论的研究方法也得以出现并发展成熟。到了本世纪30年代，太沙基等人就早已经开始研究分析基坑工程中的相关问题。而后，全世界各国的许多学者都热衷于这项研究，并且不断地在这一领域中取得非常多的丰硕的成果。可是到了80年代初，基坑工程在我国才开始进行广泛深入的研究，在那个时候，我国的改革开放正如日中天，基础建设投入非常大，随之而来的高层建筑也就不断地涌现，相应高层建筑的基础埋深则需要不断增加，开挖深度自然也就必须不断增加，对基坑工程的各项要求也随之就越高。特别是在90年代，很多城市都开始进行大规模的改造，在经济非常繁华的市区内进行深基坑开挖。这些都给这课题不断提出了新的内容以及技术难题，那就是：如何控制并解决深基坑开挖过程中所引起的环境效应问题，并且进一步促进深基坑开挖和支护技术的研究与发展。许多先进的设计计算方法也就随之产生了，许多新的施工工艺也在工程中实践中不断实现，出现了许多技术先进的成功工程实例。但是基坑工程非常复杂，设计和施工时的考虑也会不周，工程事故自然也依然时有发生。任何一个工程方面的课题的研究发展都是理论与实践的密切结合，并不断互相促进，最终走向成熟的成果。基坑工程的发展则往往是出现一种新的围护结构型式，然后带动新的分析方法和计算理论的产生，并按照实践、认识、再实践、再认识的规律，不断完善从而走向成熟。早期的基坑开挖常采用放坡的形式来围护基坑的稳定，后来随着基坑的开挖深度的不断增加，放坡已经无法满足保持基坑稳定的要求，因此产生了围护开挖。迄今为止，围护型式已经发展至数十种。从基坑围护的机理来讲，基坑围护方法的最早是放坡开挖，然后出现了悬臂围护型式、内撑（或拉锚）围护型式、组合型围护型式等等。然而基坑放坡开挖则需要有非常大的施工工作面，并且开挖的土方量较大。在工程条件允许的情况下，依然是基坑围护的一种简便经济的好方法。悬臂围护型式是指没有内支撑和拉锚的围护结构，而是通过设置钢筋混凝土桩或钢板桩形成的围护结构。有时它也可以通过对基坑周边的土体进行改良，形成稳定的结构，例如水泥土重力式挡墙结构。内撑式（拉锚式）围护结构的发展改善了悬臂式围护结构的受力性能和变形特性，同时满足较深基坑的支档土体要求。而为了发挥围护结构材料的极限承载能力，使围护结构形式更加经济合理，并能适合各种基坑形式，发展了组合型围护型式。人们最早采用基坑围护结构的是木桩围护结构，而现在则经常使用钢板桩、钢筋混凝土桩、地下连续墙，以及通过地基处理等方法而采用的水泥土挡墙、土钉墙等。钢筋混凝土桩的施工方法通常有人工挖孔桩、沉管灌注桩、钻孔灌注桩以及预制桩等。虽然我国地大物博，但是人口却最多，人均占有的土地都不及全世界人均占有土地的l/10。为了节约每寸土地，旧房则不断被拆除，建筑逐渐向更高空或是地下发展，许多高层建筑拔地而起。根据有关数据统计，在19801989年的这10年间里，我国新建的高层或是超高层建筑多达1000余幢，而在l9901999年这l0年间里，我国新建的高层建筑或超高层建筑则超过9000幢。为解决我国土地资源紧张，其中一条重要出路就是要适当地不断发展多层和高层甚至超高层建筑，不断向空中或地下发展。中国城镇现代化建设正如火如荼，高层及超高层建筑如雨后春笋大量涌现，深基坑工程也就越来越多。同时，建筑物密集，基坑的深度极大以及地下设施周围极其复杂，使得基坑放坡开挖的这一围护方式已经再也不能满足如今的城镇现代化建设的需要。因此，深基坑的开挖与围护引起了各方面的广泛重视。特别是自90年代以后，基坑的开挖与围护问题已经成为我国土木工程界的热点问题之一。基坑工程的数量、规模快速增加，暴露了许许多多的工程问题。1.1.2 生产需要基坑工程也是建筑工程的组成部分，它的发展同建筑的发展非常密切，深基坑工程则充分利用了土地资源。伴随着城市现代化建设的不断推进，高层及超高层建筑已经十分普遍，深基坑工程也就越来越多。城市空间的利用日趋紧张，人们已经开始将三维城市空间作为重要的自然资源来加速开发利用。一方面，在2l世纪，城市现代化建设的方向就是地下空间的开发和利用；另一方面，自80年代以后，高层建筑的数量和高度都在不断上升，根据构造和使用的要求，其基础埋深也就必然随之不断增加，产生了许许多多的深基坑工程。进入90年代，城市的地价不断飙升，空间利用率也慢慢随之提高，许多的超高层建筑应运而生，迫使深基坑工程向大深度和大规模两个方向发展。然而大量地下空间的开挖都是位于建筑群十分密集的地区，在建筑物或构筑物旁进行顺利开挖十分棘手 。这些都使得深基坑的开挖与支护难度增大，同时也促进了深基坑计算方法和施工工艺的发展。深基坑围护结构虽然仅仅是临时性的，但如果采用了不合理的支护体系就完全有可能导致工程事故。深基坑支护问题研究的一个重要内容就是：如何在保证安全可靠性的前提下，根据不同的工程条件和施工技术水平等其他影响因素，选择经济合理的支护结构方案。深基坑支护设计既牵涉到岩土工程问题，同时有关系到结构工程问题，其中且在理论和技术上存在许多亟待解决的新问题。由于深基坑受力特征非常复杂，土的工程性质也很复杂性而且具有不确定性，土力学计算模型的近似假定与实际情况又存在差异，学术界和工程界人士也就越来越重视深基坑支护设计的研究。一旦发生深基坑工程事故，给国家和社会造成的生命财产损失将是非常巨大。因此现阶段我们迫切需要解决的一个课题就是：如何以最少的投资，最短的工期，同时确保设计基准期内安全运行，并且还要满足对周围环境的保护要求。深基坑工程与多方面因素相关，是一门十分复杂学科，也是一项系统工程。尽管国内的专家及学者都早已经对深基坑工程进行了大量的研究，取得了一些成功的经验，但是在理论上依然还不够成熟。深基坑开挖与支护技术与许多因素相关，许多的理论与实际问题都有待进一步完善和解决。1.1.3 选题目的与意义城市地铁建设的全面铺开带来了深基坑工程的飞速发展。深基坑工程是一个复杂的综合性岩土工程问题，几乎涉及到岩土力学与工程的各个方面。地铁车站深基坑工程在施工和设计方面都同一般的建筑深基坑有所不同，因为它在场地、规模、工程造价以及对环境的影响等方面的要求都非常高。地铁通常都是穿过城市主要的发达商业区域、主要的旅游景点等，在这些城市的繁华地段，地铁车站的建设会受到已有建筑(构筑)物的限制，如地面高层建筑、立交桥、地下管线等，工程施工中难免存在许多的安全隐患。地铁不只是单单的一个的建筑等等的超尺寸基坑，同时还是具有时间、空间和区间隧道连续性的工程。这些就都要求必须把各自的建设施工很好的有机结合起来，如车站与隧道区间段的衔接。因此，地铁车站深基坑围护结构类型方案的选择，对各种影响因素的考虑重点也不一样。根据地铁车站本身的特点，它的深基坑支护方案评价的主要有这么几个方面：所处的工程地质条件，适用范围，质量可靠性，安全性，对环境的影响，施工进度，总造价。西安地铁将会成为西安的主要交通工具，承担着绝大部分的客流运输任务，对其工期和质量的要求都很高。地铁车站深基坑工程是地铁建设的重要组成部分，并且地铁车站深基坑开挖规模和技术难度都相当大。而大差市车站是四、六号线换乘站，客流量会更大，一旦发生深基坑坍塌事故，不但会造成严重的经济损失和人员伤亡，而且会产生很坏的影响。所以，本文以黄土地区大型地铁车站大差市站深基坑工程为背景，结合具体工程环境和施工要求，对深基坑的围护结构进行选型论证，确定围护结构形式，并给出大差市地铁车站深基坑围护结构设计方案和施工监测方案，研究地铁车站深基坑的支撑受力情况及其稳定性影响因素，目的是为西安地区深基坑工程围护结构优化及合理的施工方法的确定提供重要依据，以期为类似深基坑工程的设计和施工提供参考。所以，本文研究的课题具有重要的工程应用价值，也能对所学知识进行巩固，更加熟练的掌握。1.2 深基坑工程的研究现状1.2.1 深基坑支护设计理论及计算方法研究现状支护结构强度、变形和稳定性的分析计算基本方法可总结为三类，就是土抗力法、极限平衡法和有限元分析法。 （1）土抗力法土抗力法通常又被称为基床系数法或地基反力法，假定地基为弹性时，也可以称为弹性地基反力法，我国建筑基坑支护技术规程(JGJ120-99)推荐的方法则称为弹性支点法。土抗力法在桩受水平荷载时的分析计算中应用非常广泛。按照地基反力的各种假设，主要分为极限地基反力法、弹性地基反力法和复合地基反力法三种。它们都不同程度地考虑了桩土之间的共同作用。目前使用最广泛的是假定地基反力系数为深度的线性函数的线性弹性地基反力法。基坑围护设计土抗力法的形成是在横向受荷桩分析计算方法的基础上不断研究改进发展而来的。早期由于受计算技术的局限性，将工程实际情况作了很大的简化，以便可以使用解析法求解。例如 “弹性法”、“弹塑性法”和日本的“山肩邦南法”等，假定围护墙后作用的土压力是已知的主动土压力。“弹性法”假定开挖面以下的土体均处于弹性区。“弹塑性法”和“山肩邦南法”则是将开挖面以下墙前的土体分成弹性区和塑性区；伴随着计算技术的不断发展，基坑支护设计土抗力法开始可以采用数值解法求解。20世纪50年代，波尔斯(Bowles)开发了求解弹性地基梁的有限元程序，对土抗力法的发展做出了很大的贡献。目前，常见的土抗力法是弹性地基反力法，它的形成是建立在地基基础设计计算的弹性地基梁分析方法基础上，并且引用横向受荷桩的分析方法改进而来，即将计算宽度的围护墙作为一个垂直的地基梁，支撑则简化为与其弹性模量和截面面积相关的二力杆弹簧。基坑开挖面以下，墙前土对梁的地基反力用土弹簧来替代；而墙后荷载常用的有两种计算模拟:采用主动土压力和采用土弹簧模拟，土弹簧系数即为地基土的水平基床系数。按荷载的施加情况，求解的方法有“增量法”、“总量法”等。目前我们采用的弹性地基反力法仅仅部分地考虑了围护结构与土的线性共同作用，分析计算中所需土的物理力学参数比较单一，同时还可以有效地计入影响基坑开挖过程中基坑稳定的众多因素之中。如作用在围护墙上的土压力大小随着支撑(或锚杆)数量随开挖深度的增加而变化、预压力及支撑布置前的围护墙的位移对围护墙的内力和变形的影响等，从而可以大致模拟分步开挖时的各工况情况。同时，根据围护结构的水平位移的大小可以初步评估基坑开挖带来的环境影响。正因为这些优点，弹性地基反力法得到十分广泛的应用。但它的缺点就是没有考虑围护结构与土体的非线性共同作用，我国现行规范规定所推荐的弹性支点法对墙后基坑开挖面以上都是按主动土压力考虑，而基坑开挖面以下则按定值土压力考虑，这些都与工程实际存在着巨大的差距，仍需作进一步的研究和完善。(2)极限平衡法在基坑支护设计的发展早期，极限平衡法就一直被广泛应用，而且目前仍是我国相关设计人员最熟悉并掌握的基坑围护设计计算方法之中的一种。因为它计算简便，设计人员可以通过手算即完成。在目前情况下，即使采用弹性地基反力法计算围护结构内力确定支护参数，但基坑的嵌固深度还是需要使用极限平衡法才能确定；此外，采用极限平衡法计算一些“空间效应”不明显的一级基坑和地层较稳定、周围环境不复杂的二级基坑中的悬臂单支点支护结构的内力也是非常合适的。因此，在今后一段时期内，在一定范围内，极限平衡法仍然会得到应用。极限平衡法有等值梁法、静力平衡法、太沙基法等，而等值梁法和静力平衡法在我国比较受欢迎。极限平衡法假定土体达到极限状态，作用在围护墙前后的土压力分别达到被动土压力和主动土压力，然后在这个基础上再作其他的力学假设，用静定问题代替超静定问题再求解。它的缺陷就是认为围护墙的位移对土压力的变化没有影响，而且也不能反映围护结构的变形情况，特别是是对有支撑的围护结构设计采用等值梁法时，认为对支点力的计算与支点刚度系数无关，从而不能模拟分步开挖的各工况条件。所以，极限平衡法无论在理论上还是应用中都存在很大的局限性。（3） 有限元分析法由于基坑工程的复杂性，使用常规的分析方法难以反映诸多因素的综合影响。近年来，数值力一法被采用较多，主要是使用有限单元法来分析基坑的整体特征，就是把包括地基土在内的整个基坑看作为一个空间结构体系，并考虑开挖过程中围护结构与土体共同作用、渗流、时间等因素的影响，综合分析围护结构的内力、变形和稳定性以及开挖所带来的环境影响。有限元分析法中所采用的土体的本构模型有线性弹性模型、非线性弹性模型、弹塑性模型和粘弹塑性模型等。有限元分析方法又包括二维和三维有限元两种分析方法。二维有限元分析法就是用垂直面和水平面代替空间形式的基坑结构体系，然后分别使用弹性杆系有限元分析法求解这两个平面，再将分析结果综合起来，即可得到关于基坑围护结构体系分析结果。这种方法虽然具备某些三维分析的特征，但却存在着明显的缺陷，即将水平面分析的外荷载和边界条件视为垂直面分析得到的支撑反力和支点位移，而这却并不能反映两个平面的协同工作，并且分析过程中没有考虑垂直面与水平面各构件刚度的匹配。三维有限元分析，取一定范围内为求解域，土体和围护墙一般采用六面体八节点等单元；空间接触单元则取由四根线段组成的固体单元；支撑构件取为空间杆单元，对基坑空间结构体系进行整体分析求解。有限元分析方法可以更加充分地考虑多种因素的影响，国内外学者近年来在整体计算模型选择、边界条件和排水条件及施工过程模拟、本构模型和土的物理力学参数确定等方面进行了大量的研究。但由于存在着土体模型和土的物理力学参数很难准确确定，边界条件又难模拟，并且计算工作量大、成本高。因此就目前的条件来看，直接采用有限元分析法计算还是与一般工程设计的实用性之间存在着相当大的距离，它现在还只能是用于某些重要工程的辅助设计。总之，上述的基坑围护结构设计分析与计算基本方法中，弹性地基反力法的力学模型直观，更加逼真、符合实际，并可以采用弹性杆系有限元来求解，其应用越来越广泛，但仍然需要作进一步研究和改进。极限平衡法是相对简单的，并且易于手算，但因很多因素被忽略，计算的结果仍然不够理想，常常不能满足工程设计的要求，因此极限平衡法的应用已经越来越少；有限元分析法在理论上比较完善，但由于前述困难，目前难以在实际中应用。1.2.2 深基坑工程的稳定性分析理论的研究状况深基坑的稳定性分析有两种情况，分为无支护的基坑稳定性分析和有支护的基坑稳定性分析。无支护的基坑的稳定性主要指的是开挖边坡的稳定性。而边坡的稳定计算方法按极限平衡理论分，主要有毕肖普法和简单的条分法 。对土质均匀的基坑常用的分析方法就是圆弧滑动面法，而条分法一般是计算土层不均匀并且存在孔隙水压力和超载的基坑的稳定性问题。也有不少学者根据自己所在地区的地质情况，提出一些简化的边坡稳定分析方法 。然而对有支护的基坑，其抗隆起稳定性分析则显得非常重要，它能够保证基坑的稳定并控制基坑的变形，关于抗隆起稳定的分析计算方法也不少。例如，一个就是考虑墙体的极限弯矩的抗隆起稳定性分析方法，它认为基坑的开挖底面以下的墙体也能够抵抗基底隆起，因而在分析计算时抗滑动力矩则另外加上了墙体的设计弯矩。另一个就是同济大学近年提出的同时考虑、的抗隆起稳定性分析方法，该方法参考普朗德尔和太沙基的基坑承载力的公式，提出了同时考虑、的抗隆起验算公式： （1.1）式中，D表示墙体的入土深度，H表示基坑的开挖深度，、表示墙体外侧及坑底土体的重度，q表示地面超载，、表示地基承载力系数。虽然目前国内外深基坑稳定性的分析计算理论有许多，但是预测基坑的周围地层移动性状的方法却很少。国内外对在基坑开挖时基坑周边的地基土沉陷问题做过许多研究，总结出三点：（1）支护结构的侧移曲线与对应的沉陷曲线应相适应，一般两者均为抛物线型，也有都是三角形的，这时基坑边的沉降最大；（2）侧移曲线的面积或体积与地基土的沉陷曲线的面积大致相等；（3）沉陷范围大体上与桩墙后的土体滑动棱体的宽度相等。这三点综合反映了各种影响因素，也可以作为确定周围地基土的沉陷量的重要依据，可以用