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大连交通大学2011届本科生毕业设计（论文）实习（调研）报告实习（调研）报告一、国内外研究现状及发展趋势近年来，随着我国改革开放的进行，中国经济持续不断地发展，城市化进程逐渐加速。随之而来的则是城市人口不断膨胀，建筑空间日趋拥挤，地面面积越来越少，向高空、向地下发展已经成为必然趋势。目前，各种用途的地下工程诸如高层建筑地下室、地下铁道、地下医院、地下停车场和地下商场等正逐渐得到越来越多的建设利用1。我国近年来也修建了大量的高层建筑，以北京、天津、上海、广州、深圳、福州等地的高层建筑密度最大。据不完全统计，19801989年10年间我国新建高层建筑1000余幢，19901999年10年间，全国新建的高层建筑超过9000幢。与此同时，国内各大城市正在兴建自己的快速轨道交通体系。除已开通的北京、上海、广州、天津的地铁外，正在兴建的有北京地铁、上海地铁、广州地铁、深圳地铁、武汉地铁、天津地铁、南京地铁、青岛地铁等。此外，国家已批准或正在筹建地铁的城市有成都、杭州、沈阳等20多座城市2。可见，地下空间的开发利用己成为当前城市建设中的一个重要组成部分。大量兴建的高层建筑和地下工程必然带来了大规模的基坑工程，而在城市中，基坑工程开挖往往会产生较大的变形，这会严重影响紧靠深基坑周围的建筑物、地铁、交通干道、地下管线和其他市政设施。这些建筑物对基坑支护结构和周围土体提出了稳定性及变形的严格要求3,4。因此在保证支护结构自身安全的同时，还要有效地控制基坑周围地层移动以保护周围环境，从而对基坑变形有较高的要求。根据基坑工程事故的统计分析，我国基坑工程的事故发生率比较高，占到1/4左右，尤其是东南沿海开放城市，其中有的城市基坑工程事故占基坑总数的1/3左右3。这些事故给国家经济和人民生命造成了严重的损失，同时也给周围的居民生活、城市建设和企业形象造成了不良影响。这些事故主要表现为支护结构产生较大的位移、支护结构破坏、基坑塌方及大面积滑坡、基坑周围道路开裂和沉陷、与基坑相连的地下管线变位乃至于破坏等，这些问题决定了深基坑工程是一项涉及范围广泛，且具有高风险的工程，是综合性强、涉及施工、结构工程、岩土工程、环境工程等诸多学科的复杂的系统工程。因此，基坑工程的稳定性和变形控制成为了基坑工程的难点和热点。保证基坑的稳定性只是保证了基坑的不塌不垮，根据我国现行地基规范5，考虑到基坑工程的区域性特点，即受不同地质条件的影响大的特点，施工过程中不仅要求基坑本身的安全与稳定，而且要控制基坑周围地表下土体的竖向与水平方向的位移地下水是深基坑工程研究的基本问题之一，地下水是引起基坑破坏的重要因素之一，软土地区绝大多数基坑失稳都与地下水有关。据统计，因地下水处理不当引发的事故约占深基坑事故总数的22%6。而目前关于渗流对基坑影响机理以及渗流与土体相互作用的研究尚不多见，所以对其展开研究是有重要意义的。关于渗流对深基坑的影响的研究，国内外学者也取得了一定的进展。His和Small710针对水下开挖问题成功地发展了一套基于Boit固结理论、瞬态自由边界渗流理论和开挖卸载理论的耦合的有限元方法。1992年，Ronaldo11用增量开挖法与自由面问题结合的方法来预测结构的变化，通过“弱”的表达和罚问题的方法，将位移和孔隙应力放入同一单元，分别内插，同时求解，通过这种方法对深基坑开挖过程中孔隙水流对强度和变形性状的影响进行了研究。研究表明渗流是改变支护系统反应的重要因素，渗流的存在使地面沉降和坑底隆起增大，渗流的消极影响是明显的。1996年，罗晓辉12,13采用有限元方法对定常及非定常水流作用的基坑进行了耦合变形分析研究。1998年，范益群14对土体建立了非饱和土弹塑性变形多孔介质和数学模型，用于模拟考虑施工过程中地下水渗流过程与饱和土变形之间的相互耦合作用。1998年，高俊合15研制了考虑固结、土结构相互作用的基坑平面有限元程序，分析了基坑开挖过程中渗流、水平位移、地面沉降及坑底隆起等因素间的相互影响。2001年，平扬等16基于Biot固结理论，采用弹塑性模型对基坑开挖中的渗流场水力作用与应力场耦合作用进行了二维平面有限元分析，研究了深开挖过程中渗流场与应力场的变化规律及其导致的基坑稳定问题。2001年，连镇营和韩国城17采用线弹性模型开发出了一套考虑水土耦合作用的三维有限元程序，对无支撑情况下基坑开挖的超静孔压进行了三维数值分析，讨论了渗透系数对土体超静孔压消散规律的影响，研究了坑壁侧向变形随孔压消散的变化趋势，给出了坑底超静孔压分布的三维性状，并与二维有限元分析结果进行了对比分析。2004年，梁仕华18在大变形有限元理论的基础上，对土钉支护结构进行了考虑固结、渗流与变形耦合作用的大变形有限元分析，研究了大变形情况下考虑固结、渗流与变形耦合作用时土钉支护结构面层位置处的水平位移、坑后土体的侧向位移、地表沉降、坑内土体隆起、土钉内力、孔压等随开挖过程的变化规律；探讨了土钉支护基坑工程中的时间效应及渗流的影响；分析了土钉长度、土钉竖向间距、土层性质、渗透系数等参数对土钉支护结构性状的影响，并与小变形假定下的分析结果进行了比较。2006年，李玉岐等19基于非稳定渗流理论，推导了一维渗流作用下基坑主动区和被动区的水头计算公式，并分析了主动区和被动区的水头随时间的变化规律，研究了坑内外水头变化对作用在围护结构上的孔隙水压力、土压力以及侧压力的影响。二、课题的目的、意义及理论与技术经济价值在建筑工程的深基坑施工过程中，往往要求将地下水位降到一定的深度之下（一般要求低于基坑底部12 m以下），主要目的是：使基坑开挖不积水，施工方便；使支护安全；使底板施工无积水；消除地下水对建筑物的浮托力。因此，基坑降水在深基坑工程中占有重要位置。特别是当前大多数基坑位于繁华的都市里，施工场地狭小，坑周的地面沉降严重地影响了周围的建筑物，并由此引起了众多的纠纷。为了减少坑外地面沉降，除了加强支护、支撑等措施外，小心合理地处理基坑周围地下水己成为必须考虑的问题20。透水地基上的深基坑进行开挖和降水时，将导致土体固结及孔隙水的流动，使基坑周围形成较大的降水漏斗，渗流水头差使孔隙中的水运动趋于强烈，从而影响到围护系统的内力和变形以及基坑的稳定性，并对周围的构筑物产生影响。因此解决深基坑开挖稳定性问题就应对地下水渗流对基坑变形的影响给予高度的重视。保证基坑的稳定性只是保证了基坑的不塌不垮，根据我国现行地基规范5，考虑到基坑工程的区域性特点，即受不同地质条件的影响大的特点，施工过程中不仅要求基坑本身的安全与稳定，而且要控制基坑周围地表下土体的竖向与水平方向的位移量，以确保基坑周围建（构）筑物和管道等的正常使用。由此可知，对于位于城区的深基坑工程，仅仅是保证基坑的稳定性是不够的，还要对基坑变形严格控制；在城区进行基坑支护工程的设计和施工，如何控制支护结构和周围地层的变形是设计和施工中的难点，支护结构和地层的变形问题要比其稳定性问题更为关键和重要，也更难以估算和预报。基坑开挖变形主要包括三个部分：支护结构变形、基坑底部隆起、周围地表沉降。基坑的开挖过程是基坑开挖侧土体卸荷的过程，由于卸荷而引起土体原始应力状态的改变，作用在支护结构上的土压力使支护结构产生向基坑内的移动，即支护结构的水平位移；同时坑外土体产生水平滑移，引起地表开裂及垂直沉降。基坑内侧土体则因垂直方向卸荷及支护结构向坑内位移产生以向上为主的变形，基坑底隆起。近几十年来，随着计算机技术的进步，数值模拟技术被引入到岩土工程中并不断发展，成为目前比较常用的研究方法。尽管在岩土工程中可供采用的数值分析或数值模拟方法比较多，但由于有限元的显著特点，在计算岩土力学中应用最为广泛。在处理多介质问题、复杂的非性线问题以及模拟分步开挖与施工过程等方面，相对于其他方法具有较明显的优点。它对分析整个支护体系的稳定性具有重要的理论意义，可以考虑较多的初始条件和岩土及支护结构的特征，如粘弹性分析、三维的空间效应分析等21。在岩土工程特别是基坑工程的研究应用中的使用越来越广泛和深入。基坑围护结构的有限元分析程序，特别是内支撑围护结构的有限元程序很多。人们通过理论分析、实测及有限元数值模拟分析深入地了解了深基坑支护的机理。三、MIDAS/GTS有限元软件介绍数值模拟方法有:有限单元法、边界元法、离散单元法和有限插分法，但就实用性和应用性而言，有限元法最为常用。有限元法和计算机技术的发展，使有限元分析成为解决复杂工程问题成为可能。目前成熟的通用有限元分析软件有MIDAS GTS，ABAQUS，ADINA，ANSYS等。MIDAS GTS(岩土与隧道分析系统)代表了当前工程软件发展的最新技术，它具备强大的模拟工程的的功能，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题，它可以对复杂的几何模型进行可视化的直观建模。MIDAS GTS中提供的分析功能如下:静力分析、施工阶段分析、渗流分析、渗流一应力祸合分析、固结分析等。四、工程实例（1）工程概况：广东佛山环球国际广场，拟建6层裙楼，设地下室(地下室底板标高-11.38m)，拟采用框架结构，场地比较平整，自然标高2.392.52m。该基坑总面积为巧37.63m，总周长177.2m，其中西南面为原有地下结构3层，标高分别为-4.6m、-8.0m、-11.3m，已有剪力墙34.65m，另有洞口段20.10m，本次需做地下连续墙的基坑壁长122.2m，该基坑工程设计资料由广州市建工设计院提供，基坑监测数据由佛山科学技术学提供。（2）地质情况及水文地质条件根据岩土工程地质勘察报告，基场区基坑支护段地层分布为:人工填土层;冲击土层(主要由淤泥质粉质粘土、粉砂、淤泥质粉质粘土、粉土、粉质粘土、中粗砂);基岩(全风华岩层、强风化泥岩带、中风化泥岩带、微风化泥岩带)。场区地下水赋存类型包括浅部第四系孔隙水和深部基岩裂隙水。第四系孔隙水主要赋存于填土层和冲积砂层中，属潜水一微承压水类型，以大气降水的渗入补给为主，径流的测向补给次之，勘察期间静止水位埋深为0.71.70m。（3）基坑支护方案及降水方法本工程采用地下连续墙支护结构，墙宽800mm，墙深21.33m，其中基坑深11.33m，嵌固深度10.0m，划分23个槽段。混凝土强度等级C30，采用工字钢接头，地下连续墙防水等级为2级。基坑分别在距离地面2.43m、5.13m、8.63m处分别设一道内支撑，基坑支撑中点处设置立柱。采用集水明排法进行降水，即在开挖面及坑内设明沟和积水井相结合的排水措施。五、课题的总目标及分阶段目标与时间安排任务及要求：培养学生解决工程结构实际问题的能力，培养学生综合运用理论知识，并且加强学生的文字表达能力、绘图能力等基本功训练，解决工程设计问题的能力，为毕业后从事设计施工或继续深造奠定基础。设计内容：本毕业设计的题目来源于广东佛山环球国际广场工程，以广东工业大学硕士研究生毕业论文中的实例的监控量测和施工数值模拟为研究背景，通过采用MIDAS GTS 有限元分析软件对基坑开挖过程进行数值模拟，并考虑渗流影响，为选择合理的基坑开挖方法提供理论指导。时间安排：第1周 收集与毕业论文有关的参考书等有关资料，熟悉毕业论文题目，进行毕业论文调研工作；第2周 熟悉有限元基本知识，阅读与毕业论文题目相关的材料，并开始写调研报告；第3周 提交调研报告。熟悉有限元基本知识，学习MIDAS/GTS软件，基坑设计、开挖、监控等相关规范，收集国内外有关基坑开挖方面的资料，了解国内外的发展情况，开始毕业论文的总体设计方案，开始外文翻译工作；第4周 开始绪论的撰写，熟悉有限元基本知识，学习MIDAS/GTS软件，开始外文翻译工作；第5周 熟悉有限元基本知识，学习MIDAS/GTS软件，继续做外文翻译工作；第6周 熟悉有限元基本知识，学习MIDAS/GTS软件，继续做外文翻译工作；第7周 熟悉有限元基本知识，学习MIDAS/GTS软件，做好数值模拟方案设计，提交外文翻译； 第8周 数值计算；第9周 数值计算；第10周 数值计算；第11周 数值结果分析整理；第12周 数值结果分析整理；第13周 数据整理，开始撰写论文；第14周 数据整理，撰写论文；第15周 数据整理，撰写论文；第16周 完成最终毕业设计论文，写毕业设计相关材料，检查并打印装订，正式答辩。五、目前具备的条件及参考文献具备的条件：熟悉毕业论文题目，收集与毕业论文有关的参考书等有关资料，进行毕业论文调研工作，熟悉有限元基本知识，学习MIDAS/GTS软件，了解国内外的发展情况，收集国内外有关基坑开挖方面的资料，结合所学有关理论知识理解地铁施工的特点。参考文献：1 秦四清.深基坑工程优化设计.北京：地震出版社，19982 刘建航，候学渊.基坑工程手册.北京：中国建筑工业出版社，19973 徐至均，赵锡宏.逆作法设计与施工：深基坑支护设计理论与技术新进展.北京：机械工业出版社，20024 基坑工程手册编写委员会.基坑工程手册.北京：中国建筑工业出版社，19975 中华人民共和国国家标准.建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）.北京：中国建筑工业出版社，2002 7.公路桥涵设计手册M.北京：人民交通出版社2002年6 王国光.采取止水措施的基坑渗流场研究.工业建筑，2001，31(4)：43-457 Kishnani S S,Borja R I.Seepage and soil-structure interaction effects in braced Journal of Geotechnical Engineering 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