（岩土工程专业论文）地铁车站基坑桩支护体系m法设计参数研究.pdf

原创性声明 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 究所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果 对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体 均已在文中以明确方式标明 本声明的法律责任由本人承担 学位论文作者 翟永庆 日期 洳f 年妒月矽日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品 知识产权归属郑州大学 根据郑州大学有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文 本人离校后发表 使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时 第一署名单位仍然为郑 州大学 保密论文在解密后应遵守此规定 学位论文作者 穆舭i 缸 日期 劫l 矿年午月凇日 摘要 摘要 随着我国地铁事业的迅速发展 地铁车站深基坑工程的安全及其对周边环境 的影响越来越受到人们的重视 在深基坑支护设计中 利用弹性地基梁m 法计 算支护结构的内力和变形在我国工程中应用广泛 但是具体工程m 值的参数选 取是工程界的一大难题 由于各个地区土质条件千差万别 m 值的选取具有很 大的随意性 如何合理 准确的选取m 值 应用弹性地基梁法对基坑支护结构 进行准确计算 是学术界研究的重要课题和工程界迫切需要解决的实际问题 本文结合郑州地铁七旱河站工程实例 基于钢支撑轴力和支护桩水平位 移实测值 反演出基坑开挖面以上不同土层的聊值 并用反演肌值计算后续 工段变形 发现其结果更接近实测值 反演出的m 值可以丰富地区经验 提 高设计效益 本文主要研究成果如下 1 简述国内外基坑工程的发展现状 介绍了几种计算基坑支护结构内力 和变形的方法 分析了考虑分步开挖和逐级加撑对支护结构工作性状的影响 并给出现行规范 规程和标准中的给出的朋建议值 2 通过对地铁车站基坑开挖过程中桩撑支护结构的受力 变形以及基坑 周边岩土环境变化的全程监测 分析总结了支护桩在基坑开挖期间的水平位移 和钢管支撑轴力变化的一般规律 并通过现场试验总结了钢管支撑受温度影响 的变化规律 实例工程中钢管支撑温度升高1 度 轴力会增加1 0 1 5 k n 3 结合实例工程基坑监测数据 基于静力平衡方法反演出郑州地铁七里 河车站各层土体的m 值 4 通过用反演m 值计算实际的基坑支护结构变形 并结合有限元数值 模拟结果和实测结果进行了对比分析 三者表现出较好的一致性 验证了本文 反演m 值方法的可行性 通过a n s y s 模拟 得出基坑开挖期间支护结构和基 坑周围土体的变化规律和趋势 为掌握基坑开挖的影响范围提供了设计依据 关键词 地基基础工程基坑支护设计弹性地基梁法历值反演桩撑支护 a b s t r a c t 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 h i n a sm e t r ol i n e s e f f e c t so ns u r r o u n d i n g e n v i r o n m e n t sa n ds a f e t yo fs u b w a ys t a t i o n d e e pe x c a v a t i o n a r ep a i dm o r e a t t e n t i o n i nd e e pf o u n d a t i o np i td e s i g n m m e t h o di sw i d e l yu s e dt od e t e r m i n et h e w o r k i n gs t a t eo fp i tr e t a i n i n gs t r u c t u r e si nc h i n a h o w e v e r t h ev a l u eo fm v a r i e s s i g n i f i c a n t l yw h e nd e d u c e db yd i f f e r e n ta p p r o a c h e s h o wr e a s o n a b l ea n da c c u r a t e s e l e c t i o no ft h em v a l u e a n da c c u r a t e l yc a l c u l a t ei ne l a s t i cf o u n d a t i o nb e a m m e t h o d i sa ni m p o r t a n tt o p i ci na c a d e m i ca n dp r a c t i c a lp r o b l e mt h a tc r yf o rs e t t l i n g o ft h ep r o j e c tg r o u p i nt h i sp a p e r a na n a l y s i su n i ti sc h o s e ni nt h es u b w a ys t a t i o np i ti nz h e n g z h o u t h ec o m b i n e dr e t a i n i n gs t r u c t u r ec o n s i s t so fr e i n f o r c e dc o n c r e t ep i l e sa n ds t e e lp i p e s t r u t s t h eh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t so fr e t a i n i n gp i l e sa n dt h ea x i a lf o r c e si np i p e s t r u t sa r em o n i t o r e di n s i t u t h e n c a l c u l a t i o na s s u m p t i o ni st a k e na st h a td u r i n gt h e e l a s t i cd e f o r m a t i o ns t a g e t h ev a l u eo fmf o re a c hs o i lk e e p sc o n s t a n t t h e nas e r i e s o fe q u i l i b r i u m e q u a t i o n so ff o r c e sa c t i n g o nr e t a i n i n gs t r u c t u r ea r es e t u pt o d e t e r m i n et h ev a l u e so fmf o re a c hs o i l c o r r e s p o n d i n gt o d e f e r e n t s t a g e s o f e x c a v a t i o n w h e nt h ei d e n t i f i e dv a l u e so fma r ea p p l i e di nt h el a t e rp r o j e c t s i t s h o w st h ev a l i d i t ya n da c c u r a c yo ft h em e t h o d p r e c i s ev a l u e so fma r ea p p l i e di n t h es i m i l a rg e o l o g i c a ls i t e st oo p t i m i z et h er e t a i n i n gs t r u c t u r ed e s i g n t h em a i n c o n t e n t sa n dr e s u l t sa r ea 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 v e l o p m e n ts t a t u so ff o u n d a t i o na th o m ea n d a b r o a d d e s c r i b e ss e v e r a lc o m p u t i n ge x c a v a t i o nm e t h o do fi n t e r n a l f o r c ea n d d e f o r m a t i o n t h i st h e s i sa n a l y z e st h es u b s t e pe x c a v a t i o na n dl e v e l p l u ss t a y so nt h e s u p p o r t i n gs t r u c t u r eo ft h ew o r ko ft r a i t s a n dg i v et h ea c t u a lf i g u r e so ft h ee x i s t i n g n o r m s p r o c e d u r e s 2 t h r o u g hm o n i t o r i n g t h e r e t a i n i n g s t r u c t u r e s f o r c e d e f o r m a t i o na n d c h a n g e si nt h ee n v i r o n m e n ts u r r o u n d i n gt h ee n t i r ep i tw h e ns u b w a ys t a t i o nd u r i n g e x c a v a t i o n a n a l y z e d a n ds u m m a r i z e dt h e s u p p o r t i n gp i l e s i nh o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n ta n dp i p es u p p o r ta x i a lf o r c ec h a n g e sd u r i n gt h ee x c a v a t i o n a n d a b s t r a e t t h r o u g ht h ef i e l de x p e r i m e n ts u m m a r i z e st u b et e m p e r a t u r eo fs u p p o r t e x a m p l e so f e n g i n e e r i n gd e g r e es t e e ls u p p o r tt e m p e r a t u r ei n c r e a s e s t h ea x i a lf o r c ew i l li n c r e a s e 1 0 1 5 埘 3 c o m b i n e dw i t hq i l i h es u b w a ys t a t i o no fz h e n g z h o un o 1m e t r oe x c a v a t i o n m o n i t o r i n gd a t a b a s e do ns t a t i ce q u i l i b r i u mb a c ka n a l y s i so ft h em v a l u eo ft h es o i l l a y e r s t h i sm e t h o d i s s i m p l e a n de a s y p r o j e c t i o n a n d t h ec l o s e r p r a c t i c a l e n g i n e e r i n gs i t u a t i o n 4 b yu s i n gt h ei n v e r s e dm v a l u eo ft h ef o u n d a t i o np i tt od e t e r m i n et h ea c t u a l s t r u c t u r a ld e f o r m a t i o n c o m b i n e d 谢t hf i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s a n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa l ec o m p a r e da n da n a l y z e d t h r e es h o w e dg o o dc o n s i s t e n c y v e r i f yt h em v a l u eo ft h i sp a p e r p r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h i sm e t h o d a n db y a n s y ss i m u l a t i o n o b t a i n e dd u r i n gt h ee x c a v a t i o no ff o u n d a t i o np i tr e t a i n i n g s t r u c t u r ea n dt h ec h a n g e so ft h es u r r o u n d i n gs o i la n dt r e n d s i no r d e rt og r a s pt h e e x t e n to f e x c a v a t i o nt op r o v i d ead e s i g nb a s i s k e yw o r d s f o u n d a t i o na n ds o i le n g i n e e r i n g p i tr e t a i n i n gs t r u c t u r e e l a s t i cg r a d e b e a mm e t h o d m v a l u e b a c ka n a l y s i s p i l e s t e e lb r a c i n gs t u ts u p p o r ts y s t e m i i 目录 目录 1 绪论 1 1 1 引言 1 1 2 国内外基坑工程的发展及现状 2 1 2 1 基坑工程的特点 2 1 2 2 深基坑支护结构内力及变形主要计算方法 3 1 2 3 基坑监测的研究现状 9 1 2 4 基坑工程研究存在的问题 l o 1 3 本文工作 l l 2 桩锚 桩撑 支护结构弹性地基梁法 1 2 2 1 概j 苤 12 2 2基坑开挖时水土压力的影响 1 2 2 2 1 土压力 12 2 2 2 水压力 2 0 2 2 3 其他荷载 地面超载 21 2 3 考虑分步开挖的弹性地基梁法 2 l 2 3 1 弹性地基梁法分析模型 2 i 2 3 2 分析模型的求解方法 一2 3 2 3 3 考虑分步开挖的计算原理 2 5 2 4m 值的确定 2 7 2 5 本章小结 3 2 3 郑少i i 地铁七里河站现场监测 3 3 3 1工程概况 3 3 3 1 1 工程概况 3 3 3 1 2 i 程地质和水文条件 一3 4 3 1 3 基坑支护与施上 一3 7 3 2 现场监测方案 3 9 3 2 1 监测目的 3 9 3 2 2 监测项目及精度 4 0 3 2 3 监测方法 4 0 3 3监测结果及分析 4 4 3 3 1 支护结构水平位移 4 4 目录 3 3 2 钢支撑轴力 5 0 3 4 温度对钢管支撑轴力的影响 5 3 3 4 1 轴力计受温度影响变化 5 3 3 4 2 钢支撑受温度变化影响 5 4 3 4 3 结论与对策 5 5 3 5 本章小结 5 6 4 七里河站地基土m 值反演分析 5 7 4 1 基坑变形反演分析理论 5 7 4 1 1 反分析概述 5 7 4 1 2 反分析的分类 5 8 4 2 基于静力平衡的反分析方法 5 9 4 2 1 概述 5 9 4 2 2 计算方法 5 9 4 3 地基土r n 值的反演分析 二 6 3 4 4 七里河车站基坑地基土反演m 值验证 6 7 4 4 1 基于反演参数的基坑变形计算 6 7 4 4 2 基坑变形数值模拟 7 2 4 4 3 经验公式计算m 值 7 7 4 4 4 计算结果与模拟结果比较分析 7 8 4 5 本章小结 8 0 5 结论与展望 8 2 5 1 结论 8 2 5 2 进一步工作的建议 8 3 参考文献 8 4 致谢 8 8 h 主要符号 主要符号 本文所采用的术语符号基本上均为行业内约定俗称的用法 也有极少数符号不尽一 致 为方便读者阅读 本文对所采用的术语符号和坐标系做如下约定 1 主要符号 彳 面积 6 宽度 6 0 桩墙抗力计算宽度 吃 桩后荷载计算宽度 g 土不排水强度 p 空隙比 荷载偏心距 晶 静止土压力 巳 乞 主动土压力 髟 被动土压力 e 变形模量 巨 压缩模量 g 重力加速度 日 办 土层厚度 惯性矩 t 液性指数 聊 质量 地基水平抗力系数的比 例系数 渗流力 k 支撑刚度 地基水平抗力系数 疋 主动土压力系数 静止土压力系数 巧 被动土压力系数 三 长度 尸 荷载强度 s 支撑水平间距 丁 支撑轴力 t 温度变化值 v 水的流速 x 桩顶距计算的的深度 y 支护桩的挠度 x 支护桩的挠度曲线方程 z 基坑开挖深度 国 十层的含水率 7 二卜的容重 缈 土的内摩擦角 泊松比 主要符号 口 折减系数 口 七 2 比例系数 坼 钥支撑的线膨胀系数 2 本文计算采用坐标系 绪论 1绪论 1 1引言 近年来 随着我国经济的迅速发展 城市化进程和建设不断加快 大量高 层建筑 超高层建筑相继而生 高层和超高层建筑的出现使基坑向深 大方向 发展 同时为满足不同功能需求 地下室的层数也在逐渐增加 基坑的深度已 经从通常的l o m 以内发展到2 0 m 以上 同时随着城市规模的不断扩大 城市基础设施远远落后于城市化进程 交 通问题已经成为我国多数城市的核心问题 唯一现实可行的办法就是使城市交 通向三维空间发展 即向地面空间 上部空间和地下空间共同发展 形成相互 协调的立体化城市交通体系 i 目前 发达国家解决城市交通压力的主要措施 是发展高效 快捷 有序的轨道交通 并且在近几十年来得到飞速发展 我国 为进一步促进扩大内需 推动结构调整 有效扩大投资 推动消费 从2 0 0 9 年到2 0 1 0 年底约投资4 万亿元 促进经济平稳较快增长 其中 基础设施的建 设成为扩大内需的重点之一 随着我国城市化进程的进一步发展 城市人口的 迅速增多 未来数十年将是中国地铁建设的高峰期 城市地铁的建设以及高层 超高层建筑的发展必将带动地下空间的发展 伴随而来的就是深大基坑的设计与施工 已成为当前研究的热点和难点 深基 坑施工过程中事故的发生 已经让更多的人们丌始注意如何更加合理设计基坑 的支护和施工方案 以达到经济合理 安全可靠的双重目标 上世纪9 0 年代以后 深基坑工程的设计理论和施工技术日益进步 不但开 发出多种符合我国国情的实用基坑支护方法 而且使基坑工程的设计理论 计 算方法得到不断改进 施工工艺取得长足的进步 但由于基坑工程具有很强的 实践性加上岩土工程的复杂性 参数选取正确与否直接影响着基坑工程的安危 即使采用同一计算模型 不同参数的计算结果会带来很大的差异 2 1 岩土工程正确设计和施工的有效途径之一是以理论 经验和现场监测相结 合 根据现场实际情况对工程设计方案和施工方案进行不断的调整 达到最优 设计和最优施工 由于地下工程的地质条件 荷载条件 施工情况 材料性质 和其它外界因素的综合影响 单单从理论上很难精确分析和预测基坑工程中出 绪论 现的问题 因而在基坑施工过程中对基坑周边环境和基坑支护结构变形 受力 进行全面的监测 将理论分析和现场监测相结合 将理论计算值和实测值进行 比较分析 探索其中具有普遍意义的规律 才能正确反映基坑工程的受力和变 形状态 为基坑的安全设计和施工创造条件 3 1 1 2 国内外基坑工程的发展及现状 1 2 1 基坑工程的特点 基坑工程由于受多种复杂因素的共同影响 是一个系统工程 涉及范围较 广 涵盖结构力学 弹塑性力学 材料力学 土力学 水力学 混凝土结构 钢结构等多学科和专业 基坑工程主要有以下几方面的特点 1 地域性 岩土工程的一个显著特点就是地域性 在基坑工程中也存在同样的问题 由 于我国幅员广阔 各个地区的地质和水文条件不尽相同 例如在砂土地区 软 土地区 黄土地区中的基坑工程差异很大 同时由于土的性质差异较大 即使 在同一地区 往往也必须区别对待 不同地区 不同工程地质条件下的工程经 验可以借鉴但不能简单搬用 2 复杂性 深基坑工程涉及到强度 变形及渗流三个基本课题 三者交融在一起 需要 综合考虑 在不同的基坑工程中 强度 变形及渗流的重要性可能完全不同 4 3 唯一性 深基坑工程除了与当地的工程地质条件和水文地质条件有关外 还与基坑 相邻构筑物 建筑物和市政地下管网的空间位置 抵抗变形的能力 工程重要 性以及周围场地条件有关 5 所以每一个基坑工程都是存在其特殊性 对基坑 工程的安全等级和对支护结构的变形允许值做统一的规定是有一定困难的 4 时空效应 基坑工程具有很强的时间和空间效应 土体是一个蠕变体 尤其是软粘土 具有很大的蠕变性 蠕变会降低土体的强度 同时作用在支护结构上的土压力 随时问发生变化 使土体稳定性逐渐减小 因此基坑开挖过程中应注意时间效 应 同时由于目前基坑工程向深 大且形状不规则的方向发展 基坑的平面形 状和深度在很大程度上影响了基坑的稳定性和变形 在基坑支护体系设计中要 2 绪论 注意基坑工程的空间效应 5 较强的环境效应 基坑的开挖 势必导致周边地下水位和应力场的改变 使周围土体变形 对周边建筑物 构筑物 道路和地下管线等产生影响 严重者将影响建筑物 构 筑物 道路和地下管线的安全和正常使用 基坑工程在施工过程中施工机械的 作业也会产生振动 噪音等环境影响 6 风险性 基坑工程往往是一个临时工程 为了减少资金的投入 一般安全储备较小 但是由于基坑工程技术复杂 不可预知因素较多 所以其安全度的随机性就大 事故的突发性也就越大 因此做好基坑工程的监测工作意义重大 7 工程量大 工期紧 深基坑工程开挖深度大 工程量也较以往的浅基础工程的基坑大很多 同时 为了加快施工进度和减少由于时间效应引起的基坑变形 减少对基坑周边环境 的影响 基坑工程的工期往往较紧 基于以上基坑工程的特点 这就要求工程技术人员有扎实的理论基础和丰 富的施工经验 并有针对性的结合工程特点和现场监测资料对基坑工程的设计 和施工进行全面的把握 以保证基坑工程的顺利实施 1 2 2 深基坑支护结构内力及变形主要计算方法 自上世纪8 0 年代以来 深基坑工程在我国逐渐增多 基坑支护的类型也 不断地更新 产生了很多新的计算方法 本文以深基坑工程中最常见的桩锚 桩撑 支护结构为例 介绍相关理论研究及工程进展 桩锚 桩撑 支护 结构内力和变形计算方法主要有极限平衡法 弹性地基梁法 数值分析法等 6 o 1 极限平衡法 极限平衡法以经典土压力理论为基础 并且假定作用在支护结构前后的 土压力分别达到被动土压力和主动土压力状态 然后在此基础上再作简化计 算 目前在工程设计中应用较多的有静力平衡法 等值梁法 t e r z g a h i 法 等弯矩法和等轴力法等 静力平衡法是把基坑开挖面以下的支护桩看做一个简支端 整个桩绕桩 底转动 锚固力作用点看做是另一个支点 整个桩相当于一个简支梁 由横 绪论 向力的平衡方程和对支护点或支护结构底端的力矩平衡 可求出锚固力和桩 的嵌固深度1 7 1 等值梁法是把桩当作三铰支梁 锚固点为一处铰支点 土压力为零的点 为一处铰支点 底端弯矩为零的点作为另一处铰支点 对土压力为零的点列 力矩平衡方程求出锚固力 该点的弯矩为零 又由于该点为反弯点 所以该 点上下弯矩变号 同时假定基坑坑底以下主动土压力按矩形分布 这样可以 降低桩墙的计算嵌固深度 许多学者在极限平衡法的基础上对其进行修正 或与其他方法相结合 弥补了极限平衡法的不足 得出了许多重要结论 c o u l o m b 和r a n k i n e 分别在1 7 7 6 年和1 8 5 7 年提出计算主动土压力和被 动土压力的基本理论 并建立了各自的计算公式 但是都假设土压力沿深度 呈线性变化 w e c h e n 应用极限分析法对土压力进行了系统的研究 并得到不同情况 下的土压力理论解 t e r z a g h i 根据试验并结合c o u l o m b 主动土压力 提出有支撑支护体系的 土压力计算图式1 8 j 李兴高 刘维宁 9 在极限平衡法的框架内 引入拉格朗同 l a g r a n g e 乘 子 将被动土压力问题以变分学观点来描述 用两个含有函数自变量的泛函极 值表示 进而根据力系几何关系将其转化为带有约束的函数极值问题 这种方 法计算结果表明 挡墙背后土体在被动临界状态时存在着沿某平面滑动和绕对 数螺旋柱面转动的两种破坏形式 认为在平面滑动破坏的情况下 土压力的大 小等同于c o u l o m b 1 7 7 6 和r a n k i n e 1 8 5 7 理论的结果 对于土体转动破坏情况 土压力的大小与s o k o l o v s 1 9 5 6 和c h e n 1 9 7 5 的结果相吻合 顾晓强 陈龙珠 io 提出边坡稳定分析的三维极限平衡法 该法满足每个 条柱三个正交坐标轴方向上的静力平衡 同时也满足整体绕平行于坡面纵轴 的转轴力矩平衡 分析了条柱侧面平均剪力和条柱总数对边坡安全系数的影 响 结果表明 条柱侧面平均剪力对安全系数有一定的影响 当采用简化j a n b u 法时尤为显著 通过算例和已有的几种方法进行了比较分析 验证了该法的 合理性 康亚明 杨明成 胡艳香 用有限单元法和极限平衡法对一边坡稳定性 进行了计算机模拟和计算分析 确定了滑动面的位置和形式 利用刚体极限 4 绪论 平衡法计算安全系数 这样不仅考虑了土体的应力一应变关系 同时又能更 方便的计算出土坡稳定的安全系数 避免了极限平衡法计算时反复试算 王俊辉 王星华 夏历农 1 2 j 考虑地下水的渗流和岩土体性质变化时边坡 的稳定性 得出了基于b i s h o p 法的边坡安全系数的计算公式 并通过实例 计算得出地下水对强风化和全风化泥质板岩边坡的影响异常显著的结论 2 弹性地基梁法 弹性地基梁法在基坑开挖面以上部分挡土结构采用梁单元 开挖面以下 部分挡土结构为弹性地基梁单元 拉杆或支撑为弹性支承单元 图1 1 桩 墙 后的侧压力在坑底以上按r a n k i n e 主动土压力来考虑 开挖面以下按 矩形分布 大小等于开挖面处的r a n k i n e 主动土压力 然后 对挡土结构进 行有限元分析 求出结构的内力和变形 弹性地基梁法能够考虑支护结构的 平衡以及结构与土体的受力变形协调关系 计算时还可以有效地计入基坑开 挖过程中的多种因素影响 例如丌挖面两侧水土压力的变化 支撑及锚杆的 架设与移除 支撑预加轴力等 因而在实际工程中已成为一种重要的设计方 法和手段i l 列 已a o x 图1 1 弹性地基梁法计算简图 弹性地基梁法认为 水平方向的地基反力与墙体位移的关系可用下式来 绪论 表达 p 历z y b o 式中 p 一为水平方向地基反力强度 肘一为由土的性质决定的地基反力系数的比例系数 产为开挖面以下的深度 广为墙体的水平位移 一 b o 抗力的计算宽度 一 当指数k l 时为线性地基反力分布 即地基反力与墙体位移y 成正比 当k 1 时 为非线地基反力分布 非线性地基反力分布 计算复杂 工程 上较少应用 当指数刀 0 时 表示水平方向的地基反力系数与深度无关 是 一个定值 称为 k 法 当n l 时 表示地基反力系数与深度成j 下比 称 为 m 法 当n 0 5 时称 c 法 目前应用较多的是k 法与m 法 高屹 1 4 2 0 0 3 以土的反力模型 基础梁的计算模型为出发点讨论了几 种现今流行的弹性地基梁设计计算方法 并对各种方法做出了简要比较 陈松 黄雄 1 5 1 认为对于深基坑工程中的桩锚支护结构 弹性地基梁法能 够考虑支护结构与土的变形协调 较好的考虑桩土之间的作用 其中参数m 是反映桩土相互作用的综合参数 水平地基抗力系数的取值已积累了一定的 经验 并可有效地计入基坑开挖过程中的多种因素的影响 因而在实际工程 中已经成为一种重要的设计方法 白廷辉 l6 利用与墙体变位方向有关的全弹簧弹性地基梁法并结合非线 性土压力渐变理论 得出非线性土压力作用下全弹簧的弹性地基梁法 该法 与墙体变位方向及大小有关 赵鑫 1 7 l 对弹性地基梁法进行了修正 得出新的计算方法 并用此法对支 护桩进行计算 用新方法得到的结构最大位移和支护结构顶部的位移比用旧 方法计算的结果稍大 而且能够较完整的反映支护桩的实际变形 计算结果 偏于安全 潘若东 朱永红 刘辉等 l8 以上海地铁2 号线龙东路车站为例 采用弹 性杆系有限元法对内支撑拆除后基坑支护结构与车站内部结构的共同作用进 行分析 并且对围护体与内部结构之间有间隙 无间隙的两种工况进行比较 章胜南等学s t l 9 1 1 2 0 1 2 1 1 对基坑开挖支护桩 墙 后土压力分布进行了理论 研究 室内和现场试验研究 为弹性地基梁法分析桩后土压力如何确定提供 6 绪论 了一定的理论依据 认为可以根据实际工程的不同情况来确定 3 有限元法 c l o u g h 在1 9 7 2 年首次将有限元的分析方法应用到基坑计算上 并且在 近几十年来以其绝对的优势得到了迅猛发展 有限元法能够计算出基坑任意 一点的内力及位移 并且有较为严密的理论基础 是一种可靠的计算复杂工 程问题的通用方法 1 9 7 0 年d u n c a n 和c h a n g l 2 2 首次对边坡开挖的性状进行了有限元分析 认为有限元法可以有效地预测边坡开挖 其本构模型采用双曲线非线性弹性 模型 m a n a l 2 3 1 在1 9 8 1 年通过有限元分析和现场实测 发现地表沉陷和墙体 一变形与基坑隆起安全系数有直接关系 并提出相关公式 1 9 8 4 年p o s t s 分析 了内撑和锚索结构的受力及变形特性 认为在极限平衡设计挡土墙时 虽然 考虑了一定的安全系数 但是其变形并不能有效地控制在可接受的范围内 h a t e 在1 9 8 5 年用粘弹性本构模型分析了地下连续墙的开挖问题 w h i t t l e 等学者 2 4 2 5 1 1 9 9 3 采用土的不同单元划分 本构模型以及边界条 件等对深基坑的应力场 应变场 渗流场进行模拟分析 考虑了渗流场和应 变场的耦合作用 得到了不同本构模型 边界条件以及工况对计算结果的影 响 c l o u g h h a n s e n 2 6 j 在计算中考虑了土体各向异性的影响 得出墙体位移 和地面沉降会显著增加 塑性区也显著增大 土体各向异性明显的会影响土 压力分布 y a n gk y l e ee h 2 7 j 等用固结理论对基坑的丌挖过程用有限元进行了 数值模拟 应宏伟 谢康和 潘秋元等 2 9 j 2 0 0 0 以墙体两侧的静止土压力为初始 条件 考虑了土压力与墙体变形完全耦合和应力历史对被动区土压力的影响 提出一种挡土结构内力 变形和稳定分析的方法 通过算例对参数的研究则 表明 该方法中被动区的地基反力参数对计算结果的影响明显大于主动区 吕凤梧 徐伟 刘建 2 9 利用弹塑性有限元方法对长江润扬大桥北锚碇基 超大深基坑的开挖和支护过程进行了数值模拟 分析了施工过程中支护结构 和周边土体的受力 变形和塑性区发展状况 该法比弹性地基梁的基床系数 法能更好地模拟深基坑的开挖和支护动态施工过程 为工程设计和现场施工 提供了理论参考和指导 7 绪论 李大勇 俞建霖 龚晓南 3 0 对某工程地下管线受临近深基坑开挖影响问题 的定性和一般分析 并提出需要进一步研究的问题 指出数值分析法可以模拟 基坑的开挖过程 同样也可以模拟地下管线的位移过程 然而 目前这方面的 研究还较少见 4 其他方法 除了上述三种计算方法以外 目前还有一些其他的计算方法 针对特定的 工程实例得到了较好的工程效果 应用较多的另一种方法为反演方法 反分析方法的研究始于1 9 世纪7 0 年 代 因其较强的工程应用价值 现在已经初步形成了独立的理论体系 反分析 方法是以现场量测值为依据 借助优化反演原理来确定荷载和地层性态参数值 并以这些参数值为输入量 求出测点计算值与实测值相比误差为最小的量 并 作为优化反分析解 然后将其作为预测计算分析的依据 反演分析是j 下演分析 的逆过程 它们的有机结合 促进了岩土工程理论研究在实际工程中的应用 朱合华 杨德林等学者 3 1 1 3 2 1 提出动态反演分析方法 在反分析中引入逐步 开挖的动态施工因素 以任意施工阶段的结构变形和内力的量测信息反演土性 参数 进而得到了土压力的分布 并结合有限单元法 预测了相继各个施工阶 段的墙体和土体的变形 内力以及内支撑轴力 实现了信息化施工 朱合华 崔茂玉等 3 3 以上海外滩金融中心大型深基坑工程为背景 采用动 态施工反演分析法 分析了支护结构体系在施工过程中的受力状况及稳定性 并且对墙体位移和内力进行及时预报 为基坑工程信息化施工反馈信息 从而 保证了支撑及整个基坑工程安全 陈方方 李宁等1 3 4 j 认为岩土工程反分析方法是一种源于生产实践需求 能 够为计算模型确定合理参数的行之有效的方法 叙述了反分析方法的发展历史 现况以及存在的问题 认为对于非线性反分析可采取化繁为简的思路 而不应只 拘泥于各种复杂的优化方法及非确定性反分析方法 应从工程实际出发寻求简 便 实用的方法 另外浙江大学将新兴的交叉学科遗传算法应用于基坑土钉支护的优化设 计 实例证明优化效果明显 2 0 世纪9 0 年代以来 原本用来研究开采矿石对地面影响的随机介质理论 和方法开始被应用于北京和深圳地铁基坑设计处施工中 初步建立了地铁各种 开挖方法地面各点变形的计算方法 获得了全套公式 并编制了相应的程序 3 s 8 绪论 1 2 3 基坑监测的研究现状 在深基坑开挖过程中 支护结构的安全性状是岩土工程界关注的热点问题 影响基坑稳定性的因素很多 诸如施工技术 现场管理水平以及基坑支护设计 的计算理论和方法等都是影响基坑安全的重要原因 基坑工程安全监测是基坑在开挖施工过程中 以科学合理的手段及先进的 仪器设备对基坑支护结构和周边环境 如坑侧土体 建筑物 道路 地下设施 等的内力 位移 倾斜 沉降开裂 基底隆起 地下水位动态变化和土层孔隙 水压力变化等进行综合监测 对基坑开挖监测得到的支护结构内力 变形等信 息 比较分析勘察 设计资料 在判断前段设计与施工合理性基础上 反馈 修正岩土力学参数 并预测后续工程可能出现的新行为与新动态 进行施工设 计与施工组织再优化 以指导后续开挖方案 方法 排除险情 实现最佳工程 达到基坑信息化施工的目的 3 6 j 3 7 j 3 8 l 岩土工程中的安全监测是人们对岩土工程事故的总结中逐步发展起来的 人们认识到需要对事故发生前的信息进行监测 分析和判断 才能防患于未然 自2 0 世纪6 0 年代新奥法正式提出以来 监测就是其中的一个重要组成部 分 通过对围岩及支护结构的的动态监测 使施工和设计成为一个可以随现场 实际施工情况变化的的动态进程 2 0 世纪9 0 年代以后 岩土工程施工迈向信 息化施工时代 设计和施工工序不再一成不变 在整个施工过程中 可以根据 地质和监测情况对设计和施工方案进行调整 达到经济合理 安全可靠的双重 目的 3 9 4 0 4 l 监测技术的主要受到两方面的制约 硬件和软件 主要包括监测仪器和监 测资料的整理 分析以及反馈 在基坑工程监测中常用的外观变形监测仪器主要采用各种大地测量仪器 如精密水准仪 经纬仪和全站仪 内观传感器主要包括振弦式 差动电阻式 差动电容式 差动电感式 c c d 式以及新近发展起来的光纤传感器 目前 随 着研究对象和使用环境复杂程度的提高 用传统的测量仪器和监测技术已无法 满足需要 涌现出了一批新的现代信息和监测技术 如光纤测试技术 g p s c t 法等 利用智能传感组件 无线传输网络和信号采集系统 对工程进行安 全监测 安全预警和可靠预测是监测仪器今后的主要发展方向 传统的监测数据采集 整理 分析都采用人工 对于大型的监测项目 如三 峡工程中有6 0 0 0 个监测点 仪器 小浪底3 0 0 0 个监测点 仪器 需要消耗大量 9 绪论 的人力 物力 所以为了让更好的对监测对象进行实时监测和数据采集 处理 国内外都先后开发了自动化监测系统 如意大利结构和模型试验研究所开发的 微机辅助监测系统 美国g e o m a t i o n 公司的2 3 0 0 系统 我国南京自动化研究院 研制的d a m s 4 智能型分布式数据采集系统等 自动化 信息化是安全监测 的今后发展趋势 4 2 1 我国的基坑工程安全监测技术在近几十年中得到长足的发展 安全监测的 内容也从简单到复杂 由最初的工程结构本身的内力和变形监测扩大到对周边 环境的监测 岩土参数的反演分析以及对后续工况的预测 但是与国外发达国 家相比也存在一些不足之处 1 监测的仪器 设备 手段相对落后 在我国的大多数基坑工程的安全 监测项目中 大多是还是采用人工监测 采用传统的监测仪器和设备 这不仅 增大的了监测成本 而且也不能有效提高安全监测的及时性和准确性 2 监测自动化 信息化程度低 目前虽然在监测工程中应用了较多的工 程应用软件 但是缺乏中间的信息管理 预测系统软件 已有的软件适用现场 人员操作使用的很少 并且集成性较差 导致数据处理和分析实时性差 方法 落后 自动化 信息化程度低 1 2 4 基坑工程研究存在的问题 深基坑的开挖卸荷过程中很容易造成基坑土体滑坡 支护桩 墙 变位 基坑隆起等工程事故的发生 增加了工程的投资成本 也造成了不良的社会影 响 基坑工程是动态变化的 这就要求在设计和施工中时时跟踪基坑的动态变 化 做出相应的设计和施工方案的调整 目前在基坑工程中存在的有待商榷的 地方有以下几点 1 对岩土工程的计算设计中 土的物理参数选取地区差异性较大 具有 一定的盲目性和随机性 能否正确取值直接影响着基坑设计的安全 2 水 土压力的确定 目前我们在基坑支护设计中应用较多的还是经 典的c o u l o m b r a n k i n e 土压力理论 支护桩 墙 的侧向土压力计算中 地下水是按水土合算还是水土分算还没有 个统一的认识和标准 3 在基坑支护设计时 往往是根据前期地质勘察资料进行设计 是一 个静态的设计 没有考虑基坑随开挖过程揭示的实际地质背景进行动态设计 与施工 使基坑工程存在安全隐患且不经济 l o 绪论 4 深基坑工程的工程地质勘察工作十分重要 但许多勘察单位常常忽 略对基坑环境地质的勘察 对深基坑工程的地质及水文地质的勘察不准确 以致给设计和施工留下隐患 5 在施工过程中应用信息化施工的程度不高 由于地质条件的复杂多 变 基坑在设计阶段的预测值和实际值有一定的差异 因此一个基坑工程能 否安全顺利竣工不仅要有合理的设计 施工组织 还取决于贯穿整个施工过 程中的安全监测 准确的工程地质勘查 合理参数选择 正确的设计 施工和系统的安全监 测不仅保证基坑的安全 也可以减少工程投资1 4 3 删f 4 5 f 4 6 1 1 3 本文工作 随着我国经济的高速发展 城市规模的不断扩大 城市交通压力越来越大 发展地下轨道交通是我国大多数城市解决交通压力的必由选择 地铁作为地下 轨道交通的有效工具 在我国多数城市已经投入使用 地铁车站基坑工程设计 中 土质参数的选取合理与否直接影响其基坑工程的安全性和经济性 本文拟结合郑州快速轨道交通一号线一期工程七旱河地铁站基坑工程 对 目前基坑设计计算中应用较多的水平地基反力系数的比例系数m 的取值进行 研究 并结合现场试验加以验证 本文主要工作包括以下几点 1 对地铁七里河站基坑支护结构和周边环境进行全过程监测 总结基 坑开挖期间支护结构变形和钢管支撑轴力变化规律 2 利用有限元软件a n s y s 对基坑支护结构变形和轴力进行模拟 与现 场实测和计算值进行对比分析 验证现场实测值的可靠性 并总结变形与内力 的一般规律 3 基于弹性地基梁法原理 根据工程实测变形和支撑轴力数据 反推 出七里河车站场地各土层m 值 提出符合当地实际的m 值取值范围 4 对反演的m 值进行验证 用反推出的m 值计算后期基坑变形 并与 现场实测值进行对比分析 桩锚 桩撑 支护结构弹性地基梁法 2 桩锚 桩撑 支护结构弹性地基梁法 2 1概述 在深基坑桩锚 桩撑 支护结构内力计算中 等值梁法是当前我国工程界 中应用最广泛的一种计算方法 但没有考虑支护结构的变形情况 随着工程上 对支护结构的要求越来越高 当需要计算支护结构的变形时 等值梁法就无法 满足设计要求 而弹性地基梁法能够考虑支护结构的平衡条件以及结构和土体 的变形协调 计算所需参数单一 而且土的水平抗力系数取值问题目前已经积 累了一定的经验 并可以考虑基坑开挖过程中多种因素的影响 如锚杆或内支 撑施加的预应力和桩 墙 位移对桩 墙 内力 变形的影响等 同时从支护 桩 墙 的水平位移可以初步估计开挖对邻近建筑 道路及其他构筑物等周边 环境的影响程度 因而在实际工程中已经成为一种重要的设计方法和手段 展 现了广阔的应用前景 成功地分析了多项深基坑支护工程 因此近几年来 弹 性地基梁法 尤其是 m 法已日益受到工程界的重视 并处于迅速推广应用 阶段 4 7 1 在地铁车站的深基坑工程中 多采用多道撑的支护体系 它的内力和变形 计算不仅与支护桩 墙 和土有关 也与内支撑的受力和丌挖情况有关 弹性 地基梁法可以考虑基坑分步开挖过程中支护结构相应每一工况的内力和变形 目前已经在越来越多的地铁车站基坑支护工程中应用 本章即对弹性地基梁法 的计算模型 分步开挖每一工况的模拟及求解方法做综述分析 4 引 2 2 基坑开挖时水土压力的影响 2 2 1 土压力 作用在支护结构上的土压力通常指侧向压力 一般是由土体自重和地面荷 载引起 土压力的大小与土的重度 抗剪强度 土层分布 支护结构的变形情 况有直接的关系 按照土压力