（土木工程专业论文）地铁车站深基坑支护结构受力变形分析研究.pdf

0 j 上 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 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j 匕塞王些盔堂或其它教育机构 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 签名 经链丛日期 2 堕 幺z 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j 匕塞王些丕堂有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权 保留送交论文的复印件 允许论文被查阅和借阅 学校可以公布论文的全部或部 分内容 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 保密的论文在解密后应遵守此规定 签名 二群虹导师签名 毒避日期 立蚴 摘要 摘要 随着我国经济建设的发展和人民生活水平的提高 近年来各类建筑和市政工 程得到了飞速发展 多层建筑及高层建筑的地下室 地下车库 地铁车站等工程 在城市中修建施工时 都将会面临深基坑问题 鉴于深基坑工程是一个土体与支护结构体相互共同作用 动态变化的复杂系 统 仅靠理论分析和经验估计难以准确把握复杂条件下基坑支护结构与土体的破 坏形态 继而进行安全 可靠 经济的基坑设计与施工 因此对基坑进行施工监 测 通过监测信息的反馈分析 指导设计和施工具有十分重要的意义 在基坑工 程计算中 土体的 压力计算方法及计算模式 水土分算和水土合算 围护结构 变形特点 基坑支撑类型等选取因素直接影响着基坑本身的施工安全和周边建筑 物的使用安全 本文以深圳某一明挖地铁车站为工程依托 采用理论分析和现场监测结合的 方法 求出接近于工程实际的各类参数 并对深基坑支护结构变形机理及破坏模 式进行了分析 得出影响深基坑稳定的有关因素 修正改进地铁车站深基坑围护 结构设计方案和施工监测方案 进而顺利完成基坑工程施工 通过分析现场监测数据 得到深基坑工程支护结构的变形 支撑轴力变化大 小及规律 同时还进行基坑施工过程f l a c 模拟分析和理论计算 其结果与现场 监测结果基本一致 所以应用理论计算 数值模拟计算与现场监测计算相结合的 方法 评估基坑安全等级和指导施工 实现信息化施工 关键词 深基坑 支护结构 现场监测 数值模拟 信息化施工 北京工业大学 t 学硕 学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m i cc o n s t r u c t i o na n dl i v i n gs t a n d a r d si nc h i n a v a r i o u sc o n s t r u c t i o na n dp u b l i cw o r k sh a v em a d er a p i dd e v e l o p m e n tr e c e n t y e a r s 1 1 1 eb a s e m e n t s u n d e r g r o u n dp a r k i n g s u b w a ys t a t i o n so fh i g h r i s eb u i l d i n gw i l lf a c e t h ep r o b l e m so fd e e pe x c a v a t i o n d e e pf o u n d a t i o np i te n g i n e e r i n gi sad y n a m i cc o m p l e xs y s t e m i nw h i c ht h e ys o i l s t r u c t u r ea n dr e t a i n i n gs t r u c t u r ei n t e r a c t sw i t he a c ho t h e r b e c a u s eo ft h i s i ti s d i f f i c u l tt og r a s pt h er e t a i n i n gs t r u c t u r eo fd e e pe x c a v a t i o na n dt h ed a m a g ef o r mo f s o i ls t r u c t u r eu n d e rc o m p l e xc o n d i t i o n s a n dt h e nt h es a f e r e l i a b l ea n de c o n o m i c d e s i g na n dc o n s t r u c t i o ni sn o tg u a r a n t e e d t h e r e f o r e m o n i t o r i n gt h ee x c a v a t i o n w o r k sa n da n a l y z i n gt h er e s u l t so ff e e d b a c ka r es i g n i f i c a n tt ot h ed e s i g na n d c o n s t r u c t i o no f t h ee x c a v a t i o nw o r k s i nt h ec a l c u l a t i o no ft h ef o u n d a t i o ne x c a v a t i o n s e l e c t i o no ft h em e t h o da n d m o d e lo fe a r t hp r e s s u r ec a l c u l a t i o n e s t i m a t i n gw a t e r e a r t hp r e s s u r es e p a r a t e l ya n d t o g e t h e r d e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fr e t a i n i n gs t r u c t u r ea n de x c a v a t i o ns u p p o r t t y p ed i r e c t l ya f f e c tt h es a f e t yo fe x c a v a t i o na n di t ss u r r o u n d i n gb u i l d i n g s t l l i sp a p e r b a s e do nt h ed e e pf o u n d a t i o n p i te n c l o s u r eo fm e t r os t a t i o ni n s h e n z h e n c a l c u l a t e st h ep a r a m e t e r s w h i c ha r em u c hm o r ec l o s et ot h ep r a c t i c a l p r o j e c t u s i n gt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n df i e l dm o n i t o r i n g b ya n a l y z i n gt h ed e f o r m a t i o n m e c h a n i s m sa n dt h ef a i l u r em o d eo fd e e pe x c a v a t i o ns t r u c t u r e t h em a i nf a c t o r so f a f f e c t i n gt h es t a b i l i t yo fd e e pe x c a v a t i o na r eo b t a i n e d a l s ot h ed e s i g np r o g r a ma n d t h ec o n s t r u c t i o nm o n i t o r i n gf o rf o u n d a t i o np i te x c a v a t i o na r ei m p r o v e d a n dt h e f o u n d a t i o nc o n s t r u c t i o na r ec o m p l e t e ds u c c e s s f u l l y b ya n a l y z i n gt h em o n i t o r i n gd a t a t h ed e f o r m a t i o no ft h ed e e pe x c a v a t i o n s u p p o r ts t r u c t u r ea n dv a r i a t i o no fa x i a lf o r c eo fs t e e ls u p p o r ta r eo b t a i n e d m e a n w h i l e t h ed e e pf o u n d a t i o n p i t c o n s t r u c t i o ni ss i m u l a t e dw i t hf l a ca n dc a l c u l a t e d t h e o r e t i c a l l y t h e r e s u l t si sc o n s i s t e n tw i t hf i e l d m o n i t o r i n gd a t a t h e r e f o r e a s s e s s m e n to fs e c u r i t yl e v e lo fe x c a v a t i o n g u i d i n gt h ec o n s t r u c t i o na n da c h i e v i n g i n f o r m a t i o n o r i e n t e dc o n s t r u c t i o nc a nb ea c h i e v e db ya p p l i c a t i o no ft h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nc o m b i n i n gw i t hf i e l dm o n i t o r i n gc a l c u l a t i o n k e yw o r d s d e e p e x c a v a t i o n r e t a i n i n gs t r u c t u r e f i e l dm o n i t o r i n g n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i n f o r m a t i o n o r i e n t e dc o n s t r u c t i o n i i i l 北京t 业大学t 学硕十学位论文 一i v 目录 目录 摘要 i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论 1 1 1 问题的提出及其研究意义 l 1 2 基坑工程的发展 1 1 2 1n 乡 i 发展 1 1 1 2 2 国内发展 2 1 3 深基坑工程的特点及功能 3 1 4 国内外监测技术现状 4 1 5 研究思想及内容 7 1 6 本章小结 7 第2 章基坑支护结构类型及计算理论 9 2 1 基坑支护结构类型 9 2 2 土压力理论 1 1 2 3 水压力理论 15 2 4 多支点支护结构计算 1 6 2 5 荷载标准值计算方法 19 2 5 1 水平荷载标准值 1 9 2 5 2 水平抗力荷载标准值 2 1 2 6 本章小结 2 l 第3 章基坑支护结构理论计算 2 3 3 1 工程概况 2 3 3 2 基坑开挖计算 2 4 3 2 1 等值梁法 2 5 3 2 2 支撑荷载1 2 分担法 2 6 3 2 3 弹性地基梁法 2 7 3 3 土方超挖计算 2 8 3 4 支撑拆除计算 3 0 3 5 本章小结 3 0 第4 章现场监测数据计算 3 3 4 1 现场监测 3 3 北京工业大学工学硕士学位论文 4 2 设计方案 3 5 4 2 1 设计依据 3 5 4 2 2 主要涉及原则及标准 3 5 4 2 3 支护结构类型设计 3 6 4 3 施工方案 3 7 4 4 监测方案 4 0 4 4 1 监测目的 4 0 4 4 2 监测方法 4 0 4 4 3 信息化施工 4 3 4 5 施工监测 4 3 4 5 1 基坑开挖概况 4 3 4 5 2 支撑轴力监测数据 4 4 4 5 3 墙体变形监测数据 4 8 4 6 本章小结 5 1 第5 章数值模拟计算 5 3 5 1 模拟原理 5 3 5 2 模拟过程 5 4 5 3 模拟计算 5 4 5 4 模拟结果 5 5 5 5 本章小结 5 9 第6 章数据分析研究 6 1 6 1 支撑轴力分析 6 1 6 2 墙体变形分析 6 2 6 3 超挖分析 6 3 6 4 温度分析 6 4 6 5 本章小结 6 4 结论与展望 6 5 参考文献 6 7 i j f f 表 7 1 攻读硕士学位期间所发表的学术论文 7 9 致 射 81 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 问题的提出及其研究意义 改革开放以来 随着我国经济的快速发展 城市建设规模的不断扩大 开发 利用城市地下空间是城市可持续发展和提高城市基本功能的必经之路 其中 基 坑工程是进行地下空间开发的一种重要的并有较长历史传统的工程技术 是一项 复杂的系统工程 l 也是一种设计工程 水文工程 岩土工程 结构工程和施工 技术等多门学科交叉的发展工程技术 其中基坑支护技术是基坑工程中最为关键 的技术之一 2 基坑建设中不仅要保证基坑本身的安全 且也要有效地控制周边 地表沉降及建筑物的变形 基坑开挖工程也是一个综合性的工程难题 涉及土力学中的典型强度与稳定 性问题 又包含了变形问题 同时还涉及到土与支护结构共同作用问题1 3 j 还有 在基坑开挖过程中由于改变了原位土体的应力场以及地下水位等环境因素 必然 会引起围护结构的变形甚至破坏 基坑周边地表的沉降 基坑围护结构的失稳和 坑底隆起等现象 4 虽然在基坑稳定性分析及围护结构优化设计方面取得了大量 的成果 5 由于土体性质复杂 边界条件难以确定等问题的存在 深基坑工程一直 没有达到一个非常成熟可靠的程度 在深基坑工程中 支护结构设计 基坑土压力的计算方法 周边环境影响程 度 施工中的影响因素的取值是至关重要的 有很多基坑工程事故就是由于土压 力取值不当 围护结构破坏而引起的 即使不出现事故 也存在着围护结构变形 过大而对周边建筑物带来安全隐患 设计中如果安全系数过大 会增加投资 造 成浪费 如果安全系数偏小 则可能会出现工程事故 会造成更大的经济损失及 社会不良影响 所以设计施工中对基坑支护结构进行全面监测 正确判断评估设 计和施工中的出入点 不断修正设计参数 预测下一步工况变形 实现信息化施 工 保证基坑安全 本文对深基坑工程进行施工监测 通过现场计算 数值模拟 等方法优化设计 预测基坑安全 对于同类深基坑设计理论及施工 监测技术的 提高与完善具有一定的参考价值 1 2 基坑工程发展 北京工业大学工学硕士学位论文 房屋建筑 市政工程或地下建筑物在施工时需开挖的地坑 即为基坑 一般 认为深度在6 m 以上或者有支护结构的基坑即为深基坑 为保证深基坑施工 主 体地下结构的安全与周围环境不损害 都要进行基坑支护 降水和开挖 并进行 相应的勘察 设计 施工和监测等工作 这项综合性的工程就称为深基坑工程 6 1 6 深基坑工程是一个复杂的岩土工程课题 城市区域所出现的深基坑工程 本身及 周围环境有了越来越高的要求 除满足自身强要求外还必须满足变形要求 7 t 8 从而使得基坑工程的设计和施工从强度控制转向了变形控制 9 l0 1 并对环境的影 响得到了广泛的关注 1 2 1 国外发展 工程技术人员进行了大量的土压力试验研究土作 提出了各种土压力计算理 论 其中以库伦 1 7 7 3 和朗肯 1 8 7 5 为应用最广泛的土压力理论 l l 基坑设计中 使用的土压力的计算方法多为朗肯土压力理论或库伦土压力理论等经典土压力 理论 1 2 1 后来随着塑性流动理论的发展 塑性极限分析的方法在土力学中得到越 来越广泛的应用 f i n n 1 9 6 7 和陈惠发 1 9 7 0 等曾用极限分析方法研究了古典的 c o d o m b 直线破坏机理问题 1 3 d a r i s 1 9 6 8 研究了由两个刚性滑块组成的稍微复 杂的机理 r o s e n f a r b 和陈惠发在土压力极限分析中作了大量的工作 研究了多 种破坏机理下的主动和被动土压力等等 早在2 0 世纪3 0 年代t e r z a g h i t l 4 和p e c k 1 5 等人就开始研究基坑问题 他们 率先提出预估开挖稳定及支撑荷载大小的总应力法 这一理论原理经过多次改进 和修正一直沿用至今 5 0 年代b j e r r u r n 及e i d e 1 6 等人提出计算基坑坑底隆起量 的方法 6 0 年代在奥斯陆和墨西哥城的软粘土深基坑中进行了土压力的监测 静力学计算方法在日本国内进行了大量研究并应用于实践工程中 所得到的公式 能够较好拟合工程实际情况 因此为工程界普遍采用 共同变形理论 主要考虑 挡墙墙体的变位对土压力的影响 由日本森重龙马提出 墙体变位对土压力会产 生增加或减小的影响 c l o u g h 和d u n c a n 等人将有限元方法引入基坑工程研究领域 c l o u g h 等 1 9 7 1 首先将有限元法应用于基坑变形分析中 分析了土体的非线性和基坑工程的时空 效应对基坑支护结构体系的影响 c l o u g h 1 9 8 1 利用有限元法分析了土层各向异 性对土体 墙体位移分布的影响m y a n gk y 和l e ee h 等用b o i t 固结理论对 基坑的开挖过程用有限元进行了数值模拟 w i t t l e 和h a s h a s h 认为现在用来分析 深基坑工程的有限元程序很多 但其中都简化的太多 为此他们采用混合有限元 来分析渗流和变形的耦合效应 同时采用了一种新的非线性弹性土体本构模型 m 1 t e 3 以精确地模拟施工全过程 并得出结论 若要对支护结构系统的响应给 出准确预测 必须对土体的变形行为进行可靠地模拟 b u r l a n d 和s i m p s o n i s 在 第1 章绪论 1 9 7 9 年计算分析了砂土以及含砾石硬粘土层中的基坑多级开挖变形特性 他们 认为 在基坑周围土体总位移中有5 0 是基坑支护 墙和桩等 时施工引起的 p o r t 和f o u d e 在1 9 8 1 年运用有限元法研究典型结构和初始应力对单一支撑挡墙性状 的影响 利用理想弹塑性本构关系模拟土的性状 并假设支撑作用于挡墙的顶端 他们认为 土体的位移值取决于开挖和墙体的尺寸 土和墙体的性质 支撑点的 位置 墙体的构造方式 土中的初始应力等 1 2 2 国内发展 我国2 0 世纪8 0 年代在一些大中城市修建的深基坑陆续增加 开始出现一些 较深的基坑 多采用钢板桩支护 计算多采用等值梁法 弹性曲线等简单方法 1 9 1 刘学增等利用有限元法分析了g o o d m a n 单元的刚度系数对地下连续墙的位移和 墙后的地表沉降等的影响 对软土深基坑的数值计算和信息化施工时接触元刚度 系数的选取具有重要意义 俞建霖 龚晓南用空间有限单元法研究了基坑开挖过 程中围护结构变形 周围地表沉降 基坑底部隆起的空间分布以及影响围护结构 变形的主要因素 并通过杭州市某基坑开挖的工程实例验证了有限元分析模式的 合理性 2 0 2 1 1 杨敏等以弹性地基梁法为基础 考虑开挖过程及回筑过程对深基 坑挡土结构作用的影响 建立了围护结构的内力和变形的变化过程的完整模拟 通过大量的计算结果与实测值的对比分析 讨论了该法作为基坑围护结构设计方 法的合理可行性问题 在分析开挖时 采用地面沉降的一些经验公式 虽然计算简 单 但是不很精确 只能起一定的参考价值 如何准确地确定基坑的工程参数 对 于计算分析结果的准确程度是非常关键的 2 2 1 而如何合理确定施工参数 仍然是 设计及施工中的一个问题 邓子胜 2 3 根据横向受荷桩的p y 曲线方程 建立了深基坑支护结构与土非线 性共同作用的土压力计算模型 在揭示弹性地基反力法m 值 2 4 的影响因素及机 理的基础上 提出把围护墙水平变形和主 被 动土压力与静止土压力之差值从影 响m 的因素中分离出来 而且仅考虑原状土性质的影响 即仅需确定地基土的 初始水平基床系数的比例系数m o 使模型参数得以简化 以上述土压力计算模 型为基础 提出了深基坑支护结构与土非线性共同作用弹性地基反力法的基本原 理与计算方法 李永刚 2 5 等研究了在填土水平且无粘性条件下 分析垂直墙背挡 土墙的主 被动土压力分布 通过研究极限状态土体内主应力拱的应力 得到挡 土墙的土压力系数 取滑动土楔内水平薄层土体单元进行分析 推求挡土墙土压 力的分布及合力的计算公式 陆瑞明 2 6 等提出一个计算挡土拱圈内力和位移的非 线性共同作用方法 为得到合理的挡土拱圈结构形式提供了有力的计算手段 目 前支护结构内力的计算方法较多 如简支梁法 等值梁法 山肩邦男法等 但这 些理论均采用了大量的假设 这样致使计算得出的结论和实际情况还有所偏差 北京工业大学工学硕士学位论文 张建勋等提出了被动桩对侧向位移的土层起到遮拦作用的机理主要是土拱 效应 吴京生针对深基坑工程存在的问题分析事故原因 对深基坑支护结构的选 型和信息化施工作了介绍 并对基坑工程的研究课题和展望提出看法 2 7 马海龙 张永利剖析了深基坑工程失事的原因 提出了基坑工程设计施工中存在的尚待解 决的问题 2 8 陈向东 杨茂忠详细介绍了信息化施工的基本概念 基本方法和应 用管理程序 并介绍了信息化施工在深基坑开挖中支护结构动态设计施工管理 2 9 黄秋林 邱冬炜 3 0 对深基坑工程变形监测的主要内容和实施方法进行了介 绍 探讨了坑变形监测数据进行抗粗差处理的方法 黄小明 黄清明 3 l 姚黔贵 3 2 1 介绍了城市深基坑变形监测的意义 通过深基坑变形监测的实施 指出须依 靠变形监测的动态信息反馈来保证深基坑施工安全和优化设计 俞建霖 龚晓南运用有限单元法分析了基坑开挖的三维性状 探讨了基坑围 护结构变形 地表沉降及土压力分布规律 与二维分析结果进行了对比分析 得 出了一些比较有意义的结论 1 3 基坑工程的特点及功能 基坑工程为地下工程的施工提供作业场地的特点 决定了基坑支护结构的临 时性 地下工程施工结束就意味着支护结构的使命结束 其基坑工程有以下特点 1 深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 黄土地基 砂土地基等工程地质和水文地质条件不同的地基中 基坑工程区域性 差异很大 即使是同一城市不同区域也存在差异 正是由于岩土性质千变万化 地质埋藏条件和水文地质条件的复杂性 不均匀性 往往造成勘察所得到的数据 离散性很大 难以代表土层的总体情况 且精确度很低 因此 深基坑开挖要因 地制宜 根据本地具体情况 具体问题具体分析 外地的经验可以借鉴 但不能 简单地照搬应用 2 深基坑工程具有很强的个性 深基坑工程不仅与当地的工程地质条件和水文地质条件有关 还与基坑相邻 建筑物 构筑物及市政地下管网的位置 抵御变形的能力 重要性以及周围场地 条件有关 因此 对深基坑工程进行分类 对支护结构允许变形规定统一的标准 是比较困难的 应结合当地经验及场地条件具体灵活运用 3 基坑工程具有很强的综合性 基坑工程是岩土工程 结构工程及施工技术管理相互交叉的学科 是多种复 杂因素相互影响的综合技术学科 基坑工程涉及土力学中稳定 变形和渗流三个 课题 三者融溶一起需要综合处理 有的基坑工程土压力引起支护结构的稳定性 第1 章绪论 问题是主要矛盾 有的土中渗流引起流土破坏是主要矛盾 有的基坑周围地面变 形是主要矛盾 基坑工程的区域性和个性强也表现在这一方面 4 基坑工程具有较强的时空效应 基坑的深度和平面形状 对深基坑围护结构的稳定性和变形有较大影响 在 深基坑设计中 要注意深基坑工程的空间效应 3 3 1 土体蠕变体 特别是软粘土 具有较强的蠕变性 作用在围护结构上的侧向土压力随时间变化 土体的蠕变将 使土体强度降低 使土坡稳定性减小 故基坑开挖时应注意其时空效应 5 基坑工程具有较强的环境效应 基坑工程的开挖 必将会引起周围土体中地下水位变化和原应力场的改变 导致周围土体的变形 对相邻建筑物 构筑物及市政地下管网产生影响 影响严 重的将危及相邻建筑物 构筑物及市政地下管网的安全与正常使用 因此应注意 重视环境效应 6 基坑工程具有较大的风险性 一般情况下 基坑工程是个临时工程 与永久性结构相比临时结构在强度 变形 防渗 耐久性等方面的要求较低一些 安全储备相对较小 风险性较大 由于深基坑工程技术复杂 涉及范围广 事故频繁 因此在施工过程中应进行监 测 并应具备应急措施 在施工中一旦出现险隋 需要及时抢救 7 基坑工程是系统工程 基坑工程主要包括围护体系设计和施工及土方开挖两部分 土方开挖的顺序 及方量会直接影响围护结构受力及变形大小 不合理的土方施工可能导致主体结 构的变位 围护结构变形过大 周围环境沉降明显 甚至会引起围护结构体系的 失稳破坏 所以基坑工程是一个系统工程 在施工中加强监测 实时了解基坑安 全状态 实现信息化施工 1 4 国内外监测技术现状 近年来 我国相继颁布实施的有关地下工程设计和施工的规程和规范都对监 测做了具体规定 监测是城市地下工程施工中必不可少的组成部分 地层力学参 数的不确定性及施工过程的不可预见性 使地下工程设计和施工中难免出现与实 际地层条件不符合的情况 需要在施工过程中通过监测信息的反馈来修正设计 指导施工 2 0 世纪6 0 年代 奥地利学者和工程师总结出了尽可能不恶化地层中的应力 分布为前提 在旖工过程中密切监测地层及结构的变形和应力 及时优化基坑支 护参数 以便最大限度地发挥地层自承能力的新奥法施工技术 经过长期的工程 实践发现 地下工程周边位移和浅埋地下工程的地表沉降是围岩与结构 支护 北京工业大学t 学硕十学位论文 结构系统力学形态最直接 最明显的反映是可以监测并有效地控制的 基于以上 认识 我国现行规范中的围岩与结构稳定的判断依据都是以周边允许收敛值和允 许收敛速度等形式给出 作为评价施工 判断地下工程稳定性的主要依据 是以 监测位移为主 应力应变监测等为辅 城市地下工程无论采用何种施工方法 都借鉴了山岭隧道新奥法有关信息化 设计和施工的理念 施工过程中 不紧要考虑地下工程结构的稳定 而且还要考 虑地下工程施工对周边环境的影响 因此地下工程的监测内容包括以下三类 1 结构变形和应力 应变监测 2 结构与周围地层 围岩与结构 相互作用 3 与结构相邻的周边环境安全监测 随着地下工程施工技术的不断发展 地下工程安全监测技术的发展也很迅 速 主要表现在监测方法的自动化和数据处理的软件化 监测设备及传感器不断 发展与完善 监测技术向系统化 远程化 自动化方面发展 从而实现实时数据 采集 数据分析 监测精度不断提高 数据分析与反馈更具有时效性 国内基坑监测技术应用也较广泛 目前绝大多数深基坑工程都进行了施工监 测 通过设定监测项目的控制值 监测和保障基坑施工和周边环境的安全 相关 的文献资料也较多 如利用近景摄影测量监控量测深基坑支护结构位移的新技 术 基于人工神经网络的建筑物沉降预测 城市基坑工程施工控制及环境监测和 深基坑工程监测等 但是 目前能够真正成功实施信息化施工的城市基坑项目并 不多见 大多数的基坑监测工作只是起了一些简单的反馈信息作用 并不能最终 使监测成果的反馈达到更深的层次 目前大多数监测单位重视仪器埋设 数据采 集 轻视监测数据分析和反馈 仅仅满足于收集资料和提交数据 报表 进行简 单的分析 判断是否超过控制值以报警 不完全结合施工和地质情况对监测成果 进行充分 深入的理论分析研究 导致了花费大量人力物力进行的监测工作不能 真正发挥优化设计和施工 不能及时反馈指导施工的作用 综上所述 地下空间的利用是多方面的 已渗透到人类生活的各个领域 形 成了功能广泛的工程系统和科学系统 并发展成为对国民经济发展具有重要意义 的产业 是一个具有横跨岩土 地质 结构 计算机 灾害防御等学科领域的大 学科 也是2 l 世纪的一个重大的技术领域 在规划我国2 l 世纪的科学发展领域 时 它的形成和发展具有非常重要的地位和作用 3 4 1 1 5 研究思想及内容 基于深圳地铁明挖车站深基坑为工程背景 确定对地铁车站深基坑支护结构 和钢支撑轴力监测方案 在深基坑开挖工程中对围护结构的变形和受力进行全程 第1 章绪论 实体监测 并所得到的监测数据进行分析处理 对基坑的开挖过程进行f l a c 模 拟并对模拟计算结果 实际监测结果和现场计算结果进行对比分析 对基坑围护 结构进行研究分析 由于土与支护结构相互作用是一个极其复杂的过程 因此 在研究土与支护结构的相互作用时 需要分析土体及支护结构在施工过程中反映 出来的变形移动规律及其施工因素对围护结构变形的影响大小 达到保证安全 优化设计 指导施工的目的 本文研究的主要内容及方法如下 1 从理论的角度进行分析此类基坑工程中土与支护结构相互运动规律及 其相互作用的力学模型 解释基坑开挖引起的土层移动 土压力的变化 支护结 构的变形 支护结构的应力变化等 从而寻找出土与支护结构在基坑各个开挖 施工工况下的不同表现形式 2 对基坑开挖施工过程进行现场实时监测 根据监测的结果整理出相应的 变化曲线 分析深基坑工程在实际开挖施工过程中 各个施工工况下的土与支护 结构的位移与应力的协调变形情况 3 对基坑开挖施工过程进行现场计算 根据施工具体工况 外部荷载变化 及大小 雨季和温度等自然环境的变化 基坑开挖顺序及开挖方法的综合考虑并 计算围护结构的受力及变形特点 4 采用f l a c 软件进行数值模拟分析 以现场试验的物理参数为依据 根 据现场施工工艺与施工工序为步骤建立数值模拟模型 模拟基坑开挖各个施工工 况下 计算开挖面土体位移量 围护结构变形量 内撑轴力变化量等 5 根据数值模拟结果 现场监测结果和计算结果进行比较 分析基坑围护 结构土方开挖与支护结构变形相互作用所表现出来的规律性及其影响因素 从而 判断 控制其危险因素 进而达到基坑开挖稳定的目的 现场监测指导施工 实 现真正意义上的信息化施工 1 6 本章小结 本章首先对基坑开挖中支护结构与周边环境的影响关系进行阐述 并提出了 工程监测计算的重要性及意义 通过国内外基坑工程的发展及应用的描述 对城 市建设中的基坑工程特点有了进一步的了解 最后 叙述了本文所研究的目的 方法和内容 一8 一 第2 章基坑支护结构类型及计算理论 第2 章基坑支护结构类型及计算理论 2 1 基坑支护结构类型 支护结构可分为桩 墙式支护结构和重力式支护结构两种类型 桩 墙式支 护结构采用钢板桩 钢筋混凝土板桩 桩列式灌注桩 地下连续墙等 根据土质 条件及基坑规模 可设计成悬臂式 内支撑式或锚杆式 重力支护结构多采用水 泥土搅拌桩挡墙 土钉墙等 对于场地开阔 周边无重要建筑物 工程变形要求 不严格的基坑工程可选用比较经济的放坡开挖形式 3 5 每种支护结构均有自己的 特点及适用范围 3 6 吲 工程中应结合场地及水文条件 基坑深度 施工条件 场区经验等综合分析确定 1 放坡开挖 放坡开挖是选择合理的基坑边坡以保证在开挖过程中边坡的稳定性 放坡开 挖适用于地基土质较好 开挖深度不深 以及施工现场有足够的放坡条件的工程 3 8 放坡开挖一般费用较低 但挖土及回填土方量较大 工程实践中要综合考虑 施工环境 施工工期 工程费用等因素 选择又经济又合理的支护方式 2 重力式水泥土墙 对于深度较浅的基坑 可采用水泥搅拌桩或高压喷射注浆 对基坑周围土体 本身进行加固处理形成水泥土重力式挡墙 是一种比较经济的支护方法 适用于 场地比较开阔的基坑工程 一般在软土地层中的应用较多 适用于软土地层开挖 深度不超过7 0 m 的周边环境保护要求不高的基坑工程 周边环境保护要求高时 不宜超过5 0 m 由于水泥土的渗透系数k q o 7 1 0 8 c i i 以 属于不透水结构 因此 既能当土又能挡水 因它是属于重力式结构 靠本身自重即可抵抗侧向压力保持 稳定 一般内部无支撑 便于基坑内部机械和地下结构施工 且施工简便 费用 较低 并有成熟的经验 设计与施工时应保证本身结构的整体性及稳定性 对周 边土体水平控制位移要求较高时 不宜采用此法 3 桩墙围护结构 排桩支护 排桩支护是指柱列式间隔布置钢筋混凝土挖孔 钻 冲 孔灌注桩作为主要挡 土结构的一种支护形式 柱列式间隔布置包括桩与桩之间有一定净距的疏排布置 形式和桩与桩相切的密排布置形式 柱列式灌注桩作为挡土围护结构有很好的刚 度 但各桩之间的联系差必须在桩顶浇注较大截面的钢筋混凝土帽梁加以可靠联 接 为了防止地下水并夹带土体颗粒从桩间孔隙流入 渗入 坑内 应同时在桩间 北京t 业大学t 学硕士学位论文 或桩背采用高压注浆 设置深层搅拌桩 旋喷桩等措施 或在桩后专门构筑防水 帷幕 灌注桩施工简便 可用机械钻 冲 孔或人工挖孔 施工中不需要大型机械 且无打入桩的噪声 振动和挤压周围土体带来的危害 成本较比地下连续墙低 同时 灌注桩围护结构在建筑主体结构外墙设计时也可视为外墙中的一部分参与 受力 承受侧压 这时在桩与主体之间通常不设拉结筋 并用防水层隔开 软土 地层中一般开挖深度不大于2 0 m 的深基坑工程 地下连续墙 地下连续墙墙体施工具有低噪声 低震动等优点 且对环境的影响小 墙体 刚度大 整体性好 基坑开挖过程中安全性高 支护结构变形较小 墙体具有良 好的抗渗能力 坑内降水时对坑外的影响较小 开挖深度大于l o m 的基坑时才 有较好的经济性 利用特制的成槽机械在泥浆 又称稳定液 如膨润土泥浆 护壁 的情况下进行开挖 形成一定槽段长度的沟槽 再将在地面上制作好的钢筋笼放 入槽段内 采用导管法进行水下混凝土浇筑 完成一个单元的墙段 各墙段之间 用特定的接头方式 如用接头管或接头箱做成的接头 相互连接 形成一道连续的 地下钢筋混凝土墙 地下连续墙围护呈封闭状 并在基坑开挖后 加上支撑或锚 杆系统 就可以挡土和止水 便于深基础的施工 地下连续墙具有如下优点 砂卵石地墙体刚度大 整体性好 因而结构和地基变形小 可用于超深 围护结构 砂卵石地层或要求进入风化岩层时 钢板桩难于施工 但可以采用合适 的成槽机械施工的地下连续墙结构 圆砂卵石地可减小工程施工时对环境的影响 施工时震动少 噪声低 对 周围相邻的工程结构和地下管线的影响较小 对沉降及变位较易控制 卿可进行逆作法施工 有利于加快施工速度 降低造价 地下连续墙还有不足之处 主要表现在 对废泥浆处理 不但会增加工程费用 如逆水分离技术不完善会处理不 当 会造成新的环境污染 槽壁坍塌问题 如地下水位急剧上升 护壁泥浆液面急剧下降 土层中 有软弱松散的砂性夹层 泥浆的性质不当或已变质 施工管理不善等均可能引起 槽壁坍塌 引起邻近地面沉降 危害邻近工程结构和地下管线的安全 同时也可 能使墙体混凝土体积超方 墙面粗糙和结构尺寸超出允许界限 地下连续墙如用作施工期间的临时挡土结构 则造价可能较高 不够经 济 排桩支护及地下连续墙支护可分为悬臂式和支锚式 悬臂式支护是依靠桩墙 插入基坑一定深度来提供支撑 依靠悬臂部分支挡坑后土体 当经验悬臂式支护 结构不合理时 可考虑支锚式结构 而支锚式又分单点支锚和多点支锚 第2 章基坑支护结构类型及计算理论 4 土钉支护 土钉一般通过钻孔 插筋和注浆来设置 它依靠与土体之间的粘结力或摩擦 力 在土体发生变形时被动承受拉力作用 传统上称砂浆锚杆 采用打入或射入 方式设置土钉 边开挖基坑 边在土坡中设置土钉 在背面上铺设钢筋网 并通 过喷射混凝土形成混凝土面层 形成土钉墙围护结构 土钉墙围护结构的机理可 理解为通过在基坑边坡中设置土钉 形成加筋土重力式墙 起到挡土作用 土钉 墙支护施工速度快 料省 造价低 而且土钉支护可以紧贴己有建筑物施工 从 而省出桩体或墙体所占用的地面 但从许多工程经验看 土钉墙的破坏几乎均是 由于水的作用 水使土钉墙产生软化 引起整体或局部破坏 因此土钉墙支护结 构适用于地下水位以上的粘性土 砂土及碎石土等土体 不宜应于软弱土层 一 般开挖深度不大于1 2 m 的工程 5 加筋水泥土墙 s m w 工法 加筋水泥土墙是在水泥土桩中插入h 型钢组成的 由h 型钢承受侧向荷载 而水泥土则具有良好的抗渗性能 因次加筋水泥土墙具有挡土和止水双重功能 由于插入了h 型钢 故设置支撑也十分方便 施工时为使h 型钢可凭借自重顺 利下沉至指定标高 施工加筋水泥土墙需用三轴深层搅拌机进行水泥土桩施工 且需提高水泥参入比 软土地区一般开挖深度不大于1 3 m 的基坑工程 其他形式围护结构主要有门架式围护结构 拱式组合型围护结构 沉井围护 结构和冻结法围护结构 2 2 土压力理论 土压力是支护结构后填土自重或外荷载对支护结构产生的侧向压力 进一步 认识作用于支护结构上的土压力分布大小及规律 对于提高基坑支护结构的设计 水平和减少事故率具有相当重要的意义 3 9 柏 土压力的计算也是个比较复杂的 问题 它随着支护结构可能位移方向 大小及填土所处的状态分为主动土压力 被动土压力和静止土压力 主动土压力和被动土压力是墙后填土处于两种不同极限平衡状态时 作用在 墙背上的可以计算的两个土压力 而介于这两种极限平衡状态之间的情况 除静 止土压力这一特殊情况可以简单计算外 其他情况均无法简单计算出来 只能根 据墙后填土处于弹性平衡状态 应用墙体的唯一和土体的本构关系按相互作用原 理计算 对于地下连续墙支护结构 作用在其上的土压力与土质情况 墙体的位移变 形 墙与土之间的摩擦特性 空间和时间效应有关 t e r z a g h i 4 p e e k 4 2 及 t s c h e b o t a r i o f l f 4 3 基于柔性支护结构大量的土压力测试分别给出了表观土压力图 北京工业大学工学硕十学位论文 式 在基坑工程中得到广泛应用 l i a o 4 4 1 h a b b a r d t 4 5 通过对支护结构与周边土 体的变化规律给出了土压力的分布模式 b j e a r u m a 6 分析了基坑开挖过程中的土 压力重分布的机理 并根据土拱效应给出了土压力的计算公式 徐日庆 4 7 用指数 函数来描述土压力与时间的关系 应用于基坑开挖挡土结构土压力计算 基坑开挖会对土压力计算中计算参数具有一定影响 如基坑开挖引起的坑底 和可周围土体回弹改变部分土体的孔隙比和密度指标 基坑降水会造成土体含水 率和饱和度的降低及软硬物理状态的改变 因基坑局部漏水或意外水体作用引起 的侵润湿化作用会诱发黏性土微结构失稳等微观结构特性发生变化 因此 在基 坑工程中 也要重视基坑开挖对土体物理性质的影响 1 静止土压力 支护结构不允许产生侧向位移时 可按静止土压力计算 计算静止土压力一 般采用下式 p o2r z k o 佗 1 式中 为静止土压力 k p a 为挡土结构物背后土的重度 k n m 3 z 为计算土压力点的深度 所 为静止土压力系数 k 与土的性质有关 对正 常固结土 一般坚硬土可取0 2 0 4 硬可塑黏性土 粉土 砂土取0 4 0 5 可软塑黏性土取0 5 0 6 流塑黏性土取0 7 5 0 8 对正常固结土 也可以按下式计算 1 s i n a 1 f 2 2 式中 9 1 为土的有效内摩擦角 由实验确定 当无实验条件时 也可根据 n 来计算 坦哈姆公式 伊1 厮 2 0适用于颗粒级配良好的土 大崎公式 瓜 1 5 2 朗肯土压力理论 2 3 2 q 郎肯土压力理论由英国学者郎肯 w r a n k i n e 于1 8 5 7 年提出 是著名的经典 土压力理论之一 朗肯土压力理论假定 墙体是刚性的 挡土墙背竖直 光滑 填土面水平等 由这一假定 墙后土体中任意单元体所受的两个主应力分别为自 重应力d a 和侧向压力d 甜 土体处于主动朗肯状态时 作用于挡土结构上的力就 是朗肯主动土压力 由极限平衡理论 巳 qt a n 2 4 5 0 一吁o 2 一2 c t a n 2 4 5 0 一 0 1 2 今吃 t a n 2 4 5 0 1 2 呵i l 朗肯主动土压力强度为 p r z k a 一2 c i 对于无黏性土 以2 r z k o 土体中滑动面与最大主应力作用面之间夹角为4 5 矽 2 2 5 2 6 第2 章基坑支护结构类型及计算理论 土体处于被动朗肯状态时 大主应力为侧向应力 小主应力为自重应力 吒2 z 由极限平衡理论 q2 巳t 觚2 4 5 簟a 2 2 c t a n 2 4 5 缈 2 令吒 t a n 2 4 5 缈 2 对于无黏性土 则以 r z k p 2 c i p p2r z k p 2 7 2 8 3 库仑土压力理论 库仑在1 7 7 6 年提出的土压力理论也是著名的经典土压力理论之一 与朗金 理论相比 库仑理论有两点不同 一是 库仑理论考虑的挡土结构 墙 其背部粗超 可以是倾斜的 而且挡 土结构背后填土面有倾角 二是库仑理论不是从研究挡土结构后土体某一点的应 力状态出发 而是从考虑挡土结构后某一点滑动体的整体静立平衡条件出发 直 接求出作用在挡土结构背后的总土压力 由库仑理论推出的公式简化后可表示如下 主动土压力强度 以 吨 2 9 i 旦 兰三鱼兰 百 c o sz 州 l t 高器等等寿 l 被动土压力强度 p p2 吃 2 10 t 型 唑兰兰生 爿 2 叩州a q 卜 者端享篇 爿了 式中 为挡土结构背后土体的重度 k n m 3 z 为计算点深度 m 晚为 库仑主动土压力系数 后 为库仑被动土压力系数 口为挡土结构背部与竖直线的 夹角 为挡土结构背后填土面的倾角 o 万为土与挡土结构背后材料 间的外摩擦角 o 4 太沙基 佩克理论 太沙基 佩克根据顶部设有支撑的挡土结构 墙 的实测自资料 提出了土压力 分布建议 见图2 1 斗 卢型叫p 塑叫卜旦叫 密砂土松砂土黏土 图2 1 土压力分布图 f i g2 ld i s t r i b u t i o no fe a r t hp r e s s u r e 北京工业大学工学硕士学位论文 5 日本铃木的