毕业设计（论文）-深基坑支护内力稳定性及降水引起的沉降分析.doc

南 阳 理 工 学 院 本科生毕业论文 学 院： 土木工程 专 业： 土木工程 学 生： 指导老师： 完成日期 2013 年 05 月南阳理工学院本科生毕业论文深基坑支护内力稳定性及降水引起的沉降分析Analysis of Settlements Caused by Deep Foundation Pit Excavation Retaining Structure Internal Force Stability and Precipitation 总 计： 51 页 表 格： 3 个 插 图： 33 幅南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 论 文深基坑支护内力稳定性及降水引起的沉降分析Analysis of Settlements Caused by Deep Foundation Pit Excavation Retaining Structure Internal Force Stability and Precipitation学 院： 土木工程 专 业： 土木工程 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 老 师（职称）： 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 2013年5月 南阳理工学院Nanyang Institute of Technology深基坑支护内力稳定性及降水引起的沉降分析土木工程专业 摘 要随着城市建设的迅速发展，高层和超高层建筑的不断涌现，地下空间的开发势在必然。基坑工程往深、大方面发展，深基坑的支护和降水是保证基坑稳定的最主要的工作内容，特别是当地下水埋置很浅的时候，基坑降水是必须要进行的，降水工程是基坑工程中重要组成部分。同时深基坑工程中，由于周边建筑密集、管线分布杂乱、场地狭小等，给深基坑工程带来很大的难度及复杂性。原有的一部分经典理论和支护方法已满足不了实际的需要，经典的朗肯土压力理论和库伦土压力理论都是假设土体处于极限平衡状态下推导出来的，而实际的支护结构很难达到极限状态那么大的位移。土体处于非极限状态下的土压力及其分布形状，不仅与土质有关，而且在很大程度上取决于支护结构的变形情况。在此通过对基坑开挖支护等相关内容的学习现在我主要介绍一下深基坑支护结构在考虑位移影响的计算方法的研究和基坑降水引起的建筑物沉降分析。 关键词深基坑；支护结构；基坑降水IIAnalysis of Settlements Caused by Deep Foundation Pit Excavation Retaining Structure Internal Force Stability and Precipitation Civil Engineering Major Abstract: With the rapid development of urban construction, the growing emergence of tall and super-tall buildings, underground space development of hindering. To deep foundation pit engineering, big developments, deep foundation pit support and precipitation is the main work content, guarantee the stability of foundation pit, especially local embedded water is very shallow, foundation pit precipitation is has to be, is an important part in foundation pit dewatering engineering. Deep foundation pit engineering in at the same time, due to the surrounding buildings dense, narrow pipeline distribution clutter, site, etc., to a lot of difficulty and complexity of deep foundation pit engineering. The original part of the classical theory and the supporting method already cant satisfy the actual need, the classical Rankines earth pressure theory and coulombs earth pressure theory under the soil in limit equilibrium state are derived, and the actual displacement of supporting structure is difficult to achieve limit state so big. Soil pressure of soil mass under the limit state and their distribution shape, not only related to the soil, but also to a large extent depends on the situation of the deformation of the supporting structure.Ground and built on the related content of learning through the excavation support now I mainly introduce the deep foundation pit supporting structure in the study of calculation method and considering the influences of displacement of foundation pit precipitation caused by the building settlement analysis.Key words: deep excavation; supporting structure; foundation pit dewatering II目 录1. 绪论11.1 深基坑开挖支护过程中出现的问题及解决问题的方案11.2 深基坑工程国内外研究现状11.3 深基坑支护结构的土压力研究理论21.3.1 库伦土压力理论31.3.2 朗肯土压力理论31.3.3 极限平衡理论41.3.4 能量理论51.3.5 空间土压力理论61.3.6 有限单元计算理论61.4 深基坑工程的支护方法71.4.1 放坡开挖71.4.2 重力式支护结构71.4.3 土钉墙支护结构81.4.4 悬臂式支护结构91.4.5 内撑式支护结构101.4.6 拉锚式支护结构101.5 本课题的研究意义111.6 本课题的主要研究内容122. 深基坑支护结构内力及稳定性分析132.1 概述132.2 排桩预应力锚杆支护结构的构造132.2.1 钢筋混凝土灌注桩142.2.2 锚杆152.2.2.1 锚杆头部152.2.2.2 拉杆162.2.2.3 锚固体162.2.2.4 锚杆的施工工艺162.3 排桩预应力锚杆内力分析172.3.1 经典方法172.3.2 有限元法182.3.3 弹性地基梁法192.3.3.1 弹性地基梁法计算模型192.3.3.2 挡土墙后土压力作用模式212.3.3.3 支护结构内力与变形计算方法222.4 排桩预应力锚杆稳定性分析272.4.1 局部稳定性分析272.4.2 整体稳定性分析282.5 本章小结293. 降水引起的沉降机理和沉降计算方法303.1 土的三相压缩性的微观本质303.1.1 固相303.1.2 液相313.1.3 气相313.2 基坑降水的主要方法和适用条件313.2.1 基坑降水的主要方法313.2.2 基坑降水的适用条件323.3 基坑降水引起地面沉降的机理333.4 各种常用的基础沉降计算公式343.4.1 压缩试验与压缩曲线343.4.2 分层总和法363.4.3 规范法373.5 压缩模量的选取和分层厚度的确定383.6 减少基坑降水不良影响的措施403.6.1 充分估计降水可能引起的不良影响403.6.2 设置有效的止水帷幕，尽量不在坑外降水403.6.3 采用地下连续墙403.6.4 坑底以下设置水平向止水帷幕403.6.5 设置回灌系统，形成人为常水头边界403.7 本章小结40结束语41参考文献42IV深基坑支护内力稳定性及降水引起的沉降分析1. 绪论1.1 深基坑开挖支护过程中出现的问题及解决问题的方案近几年来，高层建筑的迅速兴起，促进了深基坑支护技术的发展。各地在深基坑开挖和支护技术方面积累了丰富的设计和施工经验，新技术、新结构、新工艺不断涌现。但是，现在的城市建筑间距很小，有的基坑边缘距已有建筑仅十几米、甚至几米，基坑开挖过程中由于土坡的不稳定性和地下水等问题，以及深基坑支护中支护结构设计中土体的物理力学参数选择不当、基坑土体的取样具有不完全性、基坑开挖存在的空间效应考虑不周、支护结构设计计算与实际受力不符等问题，给基础工程施工带来很大的难度，给周围环境带来极大威胁，也相应地增加了施工工期和施工费用。另外，原来的深基坑支护结构的设计理论、设计原则、运算公式、施工工艺等，已不符合深基坑开挖与支护结构的实际情况，导致一些基坑工程出现事故，造成巨大的损失。因此，深基坑支护的安全问题工程技术人员应予以高度重视。在深基坑开挖与支护遇到的问题中，要想较好的解决这些问题就要彻底转变传统的设计理念、建立变形控制的新的工程设计方法、大力开展支护结构的试验研究、探索新型支护结构的计算方法。在此我主要介绍一下深基坑支护结构在考虑位移影响的计算方法的研究和基坑降水引起的建筑物沉降分析的研究。1.2 深基坑工程国内外研究现状近二三十年以来，随着经济发展和城市建设的需要，土地资源紧张的矛盾日益突出，向高空和地下争取建筑空间成为一个发展必然趋势。我国基坑工程数量急剧增加，尤其体现在深基坑工程。一般将开挖深度超过5m的基坑称为深基坑，将开挖深度超过l5m的基坑称为超深基坑。20世纪80年代基坑深度一般在l0m左右，现在基坑深度大多为2030 m。在高层建筑中，由于地下停车场、地下人防工程、地下仓库、地下商场以及基础埋深等方面的需要，高层建筑需建设一定的地下室，如上海金茂大厦深基坑，基坑面积约2000 ，主楼基坑深度19.65 m。广东亚洲国际大酒店深基坑，开挖深度为20.2 m。兰州红楼时代广场深基坑，基坑开挖深度为19.3 m，等。在地铁车站的建设中，要求基坑具有较深的深度，如广州市地铁2号线海珠广场站深基坑，最大深度达26.4 m。上海明珠线南浦大桥地铁站深基坑，基坑深度为24.5 m，等。市政工程地下设施的建设也需要较大的开挖深度，如上海污水治理工程彭越浦泵站基坑，深度为26.45 m，等。一些工业建筑对基坑的深度也有较高的要求，如上海宝钢热轧厂铁皮坑，基坑深度达到了32 m等。国外著名科学家Terzaghi1和Peck等人最早提出了深基坑支护分析方法，早在40年代他们就提出了总应力法，这种方法用来预估挖方稳定程度及支撑荷载大小。此理论原理一直沿用至今。50年代，Bjerrum和Eide给出了深基坑底板隆起的分析方法。60年代开始，分别在奥斯陆和墨西哥城软粘土地区，对深基坑使用仪器进行了监测。此后，以这些监测的数据为依据，大大提高了基坑工程中预测的准确性，并从70年代起，相继产生了一些指导开挖的方法及规定。最初的基坑工程设计采用强度控制的理论思想，我国传统的基坑设计以考虑稳定性为主，极少涉及基坑的变形计算，主要是因为当时建筑物的密度小、岩土工程环境保护要求低，还有基坑工程设计计算方法和计算手段不成熟。这种计算方法和手段已经不能满足深基坑发展的要求。因此，在20世纪80年代末，提出了以变形控制理论来代替强度控制理论的思想。曾国熙2、应宏伟3等比较了不同开挖方式、挡墙刚度、土的力学性质和支撑等对土体沉降的影响，并且分析了基坑形状、支护结构、土体固结等因素对土体沉降的影响。刘建航、侯学渊4-5在参考新奥法隧道施工面中的时空效应理论以及上海大量软土基坑实践的基础上提出了时空效应法，即计算和控制基坑结构变形及基坑周边土层位移的方法，在工程实践中取得了显著的技术经济效果。刘建航6指出应把“分层、分步、平衡、对称、限时作为软土地区基坑开挖的总体方针。吴兴龙、朱碧堂7指出在基坑设计中如果充分考虑时空效应，施工过程中随挖随支，可以约束土体变形产生，也可以减小土体强度的衰减，进而增加支护结构的安全性和稳定性。李云安、葛修润等8-9探讨了影响基坑变形的状态变量，给出了影响基坑变形的主要因素，认为围护结构的入土深度和刚度、支撑的道数和刚度、土体变形模量、预应力这六方面对基坑变形的有较为显著的影响。以变形控制为指导，计算结果更接近于支护结构实际内力，从而进一步提高了支护结构的稳定性及安全性。基坑工程发展初期，周围坏境对支护结构的要求较低，采用放坡或者简单的支护就可以满足要求。然而，在现阶段，应社会发展的需求，城市中建筑越来越密集，规划用地面积更是紧缺。因此，基坑工程地处环境复杂，基坑周围原有建筑物管线密布，给基坑工程带来很大的难度及复杂性。目前，我国常用的支护方法有：重力式支护结构、悬臂式支护结构、拉锚式支护结构、内撑式支护结构、土钉墙、逆作法等。1.3 深基坑支护结构的土压力研究理论在深基坑工程中，作用于支护结构上的荷载主要是土压力，土压力计算理论始于1773年，库伦(CACoulomb)提出了著名的库伦土压力理论，此理论以挡土墙墙背滑裂体整体极限平衡为条件。1857年朗肯(WJMRankine)提出了以微分土体极限平衡为条件的朗肯土压力理论。此后，太沙基(KTerzaghi)、契波塔廖夫(Tschebotarioff)、皮克(RBPeak)。毕晓普(ABBishop)、罗威(PWRowe)等，又相继对土压力的计算理论及方法进行了研究，扩展了库伦和郎肯土压力理论的应用范围，使其直至今日仍为挡土墙设计中经常采用的重要方法。同时，随着科学技术的进步和许多学者的研究，又提出了许多新的理论和计算方法，如极限平衡理论、能量理论、空间土压力理论、有限单元计算方法、水平层计算方法、凝聚力等效法则和其他许多土压力的简化计算方法等，使土压力的计算方法和计算理论更趋完善，使计算结果与实际更加吻合。1.3.1 库伦土压力理论法国著名学者库伦于1776年根据研究挡土墙墙后滑动土楔体的静力平衡条件，提出了计算土压力的理论。当墙体背离或向着填土方向发生移动，墙后土体达到极限平衡状态时，墙后填土是以一个三角形滑动土楔体的形式，沿墙背和填土中某一滑裂平面通过墙踵同时向下发生滑动。根据三角形土楔的力系平衡条件，求出挡土墙对滑动土楔的支承反力，从而解出挡土墙墙背所受的总土压力。 图1-1 库伦基本假定库伦土压力的基本假定（如图1-1所示）是：（1）假设墙背填料为均匀的散粒体，粒体间仅有摩阻力而无粘结力存在，挡土墙和土体都是无压缩或拉伸变形的刚体。（2）当墙身向外移动或绕墙趾外倾时，墙背后填土会出现一道经过墙踵的破裂面。将具有和对数螺旋线相似的实际破裂面以一平面代替。（3）当墙后土体开始破裂时，土体处于极限平衡状态，破裂棱体在其自重、墙背反力的作用下维持静力平衡。1.3.2 朗肯土压力理论1857年英国科学家朗肯(WJMRankine)在研究半无限土体自重作用下处于极限平衡状态时的应力条件后，推导得出著名的朗肯土压力计算理论。这一理论以极限平衡理论为出发点来研究土体的稳定性，它假设填土表面为一平面，沿深度和侧向都无限延伸，为了达到主动土压力状态，土层必须向侧向伸张；为了达到被动压力状态，土层必须向侧向压缩。郎肯主动或被动应力状态只存在于破裂棱体之内，破裂棱体外依旧处于弹性平衡状态。土中发生剪切时，破裂面为直线。土是砂性时，不考虑粘聚力。土压力方向与地面平行。伸张或压缩对土的影响微小，忽略垂直方向上土的变形对力的影响。基本假定如图1-2所示。图1-2 朗肯基本假定1.3.3 极限平衡理论在外界荷载作用下，地基内任意一点处都将会产生应力，当通过该点某一方向平面上的剪应力等于土的抗剪强度时，我们就认为该点处于极限平衡状态10。土中某点的应力是否达到破坏强度，通常采用摩尔应力圆与抗剪强度线的关系来说明(如图1-3所示)： 图1-3 摩尔应力圆与抗剪强度关系（1） 整个摩尔应力圆位于抗剪强度线的下方（圆），表明该点任一平面上的剪应力都小于土的抗剪强度，因而处于稳定状态；（2） 抗剪强度线与摩尔应力圆相割(圆)，如果该点某些平面上的剪应力都超过土的抗剪强度时，该点即已破坏；（3） 抗剪强度线与摩尔应力圆相切(圆)，表明在切点A所代表的平面上，剪应力正好等于抗剪强度而处于极限平衡状态c根据相切于一点的几何关系可建立以、表示的极限平衡条件： (1-1) (1-2) (1-3) (1-4)在地基承载力计算、挡土墙土压力计算以及地基强度及稳定性验算中，土体的极限平衡条件得到了广泛的应用。土体极限平衡条件主要用来判断土体的稳定性，利用三轴剪切试验来确定土的抗剪强度指标，进行地基的临塑荷载、塑性荷载和极限荷载的计算，以及土压力的计算。目前，我们广泛采用的基于极限平衡理论的地基承载力计算公式有太沙基计算公式、梅耶科夫计算公式、汉森计算公式和魏锡克计算公式等。1.3.4 能量理论土体是一种散粒体，是刚塑性体，土体在极限平衡条件下，满足应力平衡条件和强度条件的应力场。此外，还存在一个相应的运动速度场11。所谓运动速度，是指将土体视为完全塑性体而处于塑性流动状态时，各点处的塑性应变速率，即应变相对于时间的增长率。当土体中的应力达到屈服应力时，土体即进入塑性流动状态。这种塑性流动状态可用米塞斯提出的流动法则表示，它反映出塑性体屈服应力和塑性应变速率之间的关系。 （1-5）式中 剪应变速率，为塑性应变速率的分量；法向应变速率，为塑性应变速率的法向分量；剪应力；剪切面上的法向应力；塑性势函数。处于屈服状态的土体，在剪应力作用下所做的功为： （1-6）土体在剪切做功的同时，将会产生体积膨胀，这样将导致一部分能量的消耗这部分能量为，即 （1-7）得出，单位土体消耗的总能量为 （1-8）式中 剪切面上的应变速率；应变速率沿剪切面的分量。对于能量法，在土压力分析中，不考虑填土的作用面、墙背的倾斜度、土的性质、土体间作用力的大小、方向，因为内力不做功或者做功之和等于零12。计算表明，能量法计算主动土压力，比朗肯理论、库伦公式更接近于实际，计算简单更为简单，对工程更具有实际意义。1.3.5 空间土压力理论早在20世纪30年代,在太沙基、契波塔廖夫等人的著作中,就已经指出了土压力的空间特性，但对这一问题的实际研究是从20实际50年代才开始的,特别是在近20年来,许多学者对这一问题进行了试验研究,才使空间土压力的计算成为可能。在朗肯土压力理论、库伦土压力理论、极限平衡理论中，都将挡土墙看做是无限长墙中的一个单位长度来进行研究的。然而，实际中，挡土墙的长度是有限的，只不过其相对长度不同而已。作用在挡土墙上的土压力并非是一个平面问题，而是一个空间问题。因为，作用在挡土墙上的土压力，不仅随墙高而变化，而且随墙的长度发生变化。实验研究表明，作用在中间断面上的土压力与作用在两端断面上的土压力有明显不同。这种挡土墙土压力的空间性质和挡土墙侧的填土的破坏机理有关。当挡土墙在外力或填土作用下产生位移后，墙侧填土中明显的形成两个应力区。一部分土体随墙体发生位移，处于塑性应力区；另一部分为发生位移的土体，保持弹性应力区。并在这两个应力区之间，产生一个过渡区。在这个过渡区中，土体未产生明显的变形，但由于受到随墙体发生位移的土体的影响，在发生较大变形土体一侧，应力产生松弛，所以过渡区中的应力向着背离墙背的方向逐渐增大到弹性应力状态。因此，挡土墙的土压力具有空间特性。1.3.6 有限单元计算理论用有限单元法分析土压力时，首先应对单位长度的墙体和填土进行离散化。确定计算单元中的位移与坐标关系，将土体及结构自重、作用于单元边界上的分布力移置到节点上，进而建立节点力和节点荷载的平衡方程。充分考虑单元中任意一点处应变与位移、应力与应变、应力与位移以及节点力与节点位移之间的关系。在分析土体应力和变形时，往往受到很多因素的影响，比如土体结构、空隙、密度、应力历史、荷载特征、孔隙水及时间效应等都有影响。这些因素使得土体在受力后的行为非常复杂，而且往往都是非线性的。理论方法已经不能满足这类问题的求解，然而有限单元法可以有效解决这些问题。用有限单元法来分析土体与结构之间的相互作用时，不仅需要根据土体及结构的特性，分别采用非线性应力应变关系，而且对于土体与结构的接触面，必须给予特殊的注意。以往分析土压力与结构相互作用时，通常采用以下两种极端简化的的假定之一：（1） 接触面十分粗糙，土与结构之间无滑动可能；（2） 接触面十分光滑，不可能产生剪应力，以阻止土体与结构之间的相互移动。以上两条假定与实际相差甚远，因此，我们在研究接触面的受力特性时，应采用特殊的接触单元。此外，土体固结在采用有限单元计算法时，对土压力也有很大的影响。土体固结一方面使地基产生沉降，另一方面控制着地基的稳定。土体固结指在荷载作用下，土体内部所含水慢慢渗出，土体体积逐渐减小，导致土体产生压缩变形，同时加强了土体的强度。目前工程界常用的固结理论有：太沙基（K.Terzaghi）的近似固结理论；比奥（A.Biot）固结理论。应用有限单元计算方法，可以解决以下问题：（1） 土坡、挖方、土坝、土堤及河岸的变形和稳定分析；（2） 基础承载能力与沉降计算；（3） 土体与结构的相互作用。1.4 深基坑工程的支护方法深基坑支护结构的型式选择与好多因素有关，在我国不同的地区，根据不同的地质条件、水文条件、工程造价及所处地理位置等，众多学者和工程师们针对不同的基坑提出了一系列不同的支护结构型式。主要分为放坡开挖、重力式支护结构、土钉墙支护结构、悬臂式支护结构、内撑式支护结构、拉锚式支护结构等。对应不同的支护结构有其不同的特点及适用范围，支护结构不仅要具有挡土的功能，而且在一些特殊地区还必须具备防水防渗的功能。1.4.1 放坡开挖放坡开挖一般适用于地基土质良好，开挖深度较浅，周围无重要建筑物及管线，并且对位移控制没有严格要求，场地较为宽阔，地质、水文条件允许的基坑。确保开挖过程中坡面的自立性和基坑边坡整体稳定性的情况下，一般采用放坡开挖进行支护，如图1-4所示。图1-4放坡开挖放坡开挖虽然经济性较好，但是必须要求有足够大的场地，导致土方量大，对工期的影响较为严重。因此，在使用放坡开挖时，我们必须综合考虑以上几方面，选取最佳支护方案。1.4.2 重力式支护结构在深基坑重力支护结构中，常采用的有水泥土搅拌桩挡土墙和高压旋喷桩挡土墙。水泥土搅拌桩挡土墙采用深层搅拌机将土与水泥浆进行强行搅拌，形成连续搭接的水泥土柱状加固体挡土墙。并且利用其本身的重量和刚度，起到挡土和抗渗的双重作用。其根据做法不同，可分为湿法和干法。湿法指输入水泥浆与土强行搅拌，应用较为广泛。湿法施工时，开挖深度一般不超过7 m,挡土墙的变形易控制，较为经济。干法指将干水泥与土进行搅拌,施工中要求采取有效措施以保证水泥粉与土搅拌均匀，此种方法目前应用较少。水泥搅拌桩挡土墙具有以下特点5:(1)适用于软土地区，环境保护要求不高，基坑深度m的工程；(2)施工低噪声，低振动，结构止水性较好，造价经济；(3)围护挡墙较宽，一般需要34 m，需占用基地红线内一部分面积。高压旋喷桩挡土墙利用旋转的喷嘴，高压将水泥浆压入土层与土体混合形成水泥土加固体，并相互搭接形成排桩挡土墙。相对于水泥土搅拌桩挡土墙，节约空间，但造价较高。高压旋喷桩挡土墙具有以下特点5:(1)适合于软土地区，对环境要求不高，基坑深度 m程；(2)施工低噪声，低振动，结构止水性较好；(3)施工需作排污处理，工艺复杂，造价较高；(4)作为围护结构的止水加固措施，旋喷桩深度可达30 m。1.4.3 土钉墙支护结构土钉墙是一种主动式支护结构，与被动的起挡土作用的结构不同。它是通过土钉与土体之间的拉结力，对土体起主动嵌固作用，增加基坑或边坡土体的稳定性，使基坑未开挖侧的土体保持稳定。土钉墙支护结构示意图如图1-5所示。图1-5土钉墙支护结构示意图土钉墙一般由土钉和钢筋混凝土面板组成，为柔性支挡结构，造价较低，断面尺寸较小。土钉加固后的土体满足边坡的整体稳定性，土压。力主要靠土钉来平衡，相对挡土墙结构稳定性好，受力合理。主要用于土质较好的地区，在我国华北、华东北部、西北等地应用较为广泛。适用于612 m挖方边坡和深基坑支护，可做成多级超高边坡，可防止工程挖方引起边坡的隐形滑动13。够使边坡坡度做成，节约用地面积，减少环境破坏。而且可以用于抗震地区，因土钉与挡土板协同工作不会造成土体突然坍塌而引发人员安全问题。在注意有效排水的前提下，还可以用于非饱和土支护和非浸水条件的边坡滑移支护。1.4.4 悬臂式支护结构悬臂式支护结构常采用钢筋混凝土排桩、钢板桩、木板桩、钢管桩、钻孔灌注桩、挖孔灌注桩、钢筋混凝土板桩、现浇地下连续墙、预制装配式地下连续墙、SMW工法、高应力区加筋水泥土围护墙等型式。悬臂式支护结构要求有足够的入土深度和抗弯能力，以此来维持支护体系的整体稳定，结构安全性得以保证。然而，开挖深度越深，支护结构产生的变形也越大，对位移有严格要求的建筑物及管线影响很大，因此，悬臂式支护结构适用于土质较好、基坑开挖深度较浅的工程。不同的支护结构有不同的特点：（1）钢筋混凝土排桩、钢筋混凝土板桩是较为传统的支护型式，使用后不再拔出，永久留在土体当中，支护结构有较大的刚度，对土体位移和变形控制较好。但是，工程造价相对较高；（2）钢板桩是一种简易的支护结构，支护深度较浅，一般不超过4 m，钢板搭接处不严密，不利于止水，用于小型工程。优点是，材料来源广泛，可拆卸，能重复利用。（3）挖孔灌注桩多用于土质较好的地区。由人工开挖，桩径较大，可多根桩同时进行施工，缩短工期。但是，挖孔灌注桩劳动强度高，施工条件差，对作业人员生命安全有较大的威胁。（4）钻孔灌注桩相对于人工挖孔灌注桩适用性广，用于地下水位较深、土质较好的地区。排桩支护结构整体刚度大、抗弯能力强、变形较小。并且施工过程中无噪声、无振动、对原土体无挤压，多用于715 m基坑工程。（5）现浇地下连续墙是在基坑开挖之前，利用挖槽设备，采用泥浆护壁进行开挖，并制作相应尺寸的钢筋网，进而浇筑混凝土形成的支护结构。地下连续墙整体刚度大，变形相对较小，有良好的抗渗止水性能，对原有建筑物及管线能起到很好的保护作用。施工过程中噪声低、振动小，对周围环境影响较小。可用于深度较大的基坑工程，但其造价较高。(6)SMW工法又称为劲性水泥土搅拌桩法，是一种源自于日本的深基坑支护结构型式。这种支护结构是在水泥土搅拌桩内插入H型钢或其他型式的钢材，并加入抗渗剂，形成受力性能良好并且抗渗的支护结构。支护基坑深度可达21 m，国内部分城市已引进此技术，并积累了一定的设计和施工经验。同时，SMW工法具有低噪声，对周围环境影响小。适用于各种土层，与支撑结合适用可以加大支护深度等优点。有较大的发展前景。1.4.5 内撑式支护结构内撑式支护结构主要分为围护结构体系和内撑结构体系，围护结构体系通常采用排桩挡墙和地下连续墙，内撑结构体系包括围檩、支撑、立柱。内撑常采用钢支撑和钢筋混凝土支撑，钢支撑中钢管支撑和型钢支撑较为常用。钢管支撑可根据不同基坑条件要求，选择不同壁厚及规格的钢管，以满足承载力要求。同样，型钢支撑中常用H型钢进行支撑，对应不同的承载力可选择不同规格的钢材。钢支撑的优点是便于安装和拆除，能缩短工期，减小时间效应，使围护结构因时间效应引起的变形减小；可以施加预紧力，根据围护结构的实时变形情况，对预紧力及时调节来限制围护结构的变形发展。并且，钢支撑可以重复利用，具有良好的经济效益。相反，钢支撑的缺点是整体刚度相对较弱，各支撑杆件之间的间距较小；因为纵横向预紧力的存在，使得支撑连接处为铰接状态，结构整体稳定性较差。相反，钢筋混凝土支撑结构整体刚度好、变形小，支撑结构的可模性好，能根据不同的场地条件支模形成与实际相协调的支撑结构。缺点是钢筋混凝土施工费时费模，施工周期长，时间效应显著，围护结构因时间效应产生的变形较大；另外，属于一次性支撑结构，不能重复利用，且拆除相对困难。目前，我国结合利用钢支撑和钢筋混凝土支撑各自的优点，联合使用于同一基坑工程中，得到了较好的支护效果。经常采用的支撑结构型式有以下几种(如图1-6所示)。 角撑 对撑 边桁架式 边框架式 环梁与边框架 角撑与对撑图1-6 支撑的平面布置1.4.6 拉锚式支护结构拉锚式支护结构体系主要由围护结构体系和锚固结构体系两部分组成。围护结构体系通常采用排桩挡墙和地下连续墙，锚固体系是在基坑外拉设锚杆，对围护体系通过锚固段提供锚固力，维持结构的整体稳定。可分为锚杆式和地面拉锚式两种，根据基坑的不同深度，设置不同层数锚杆。地面拉锚式要求有足够的场地来设置拉锚桩或其它锚固物，如图1-7所示。锚杆式要求场地中土体能提供给锚杆较大的锚固力，可适用于砂土、粘土地基。随着基坑深度的变化，可采用单层、二层以及多层锚杆，如图1-8所示。用锚杆对基坑进行加固，可方便基坑内的施工，但在软土地区，用拉锚式结构支护变形较难控制，且锚杆具有一定的长度，势必会对原有建筑物的基础或管线造成破坏。因此，在建筑物密集的区域内，应谨慎使用。 图1-7 地面拉锚式支护结构 图1-8 锚杆式支护结构在我国西北部分地区土体土质较好，拉锚式支护结构得到了较好的应用及发展，它不仅用于基坑工程，而且广泛用于边坡工程，支护效果良好。在较深的基坑或较高的边坡中，可以结合土钉墙、重力式挡墙、框架等进行支护，结构型式灵活，是一种发展前景较好的支护结构型式。1.5 本课题的研究意义从深基坑工程开始研究至今，国内外学者提出了大量研究理论和支护方法，也解决了一些难题。然而，随着城市的建设发展，深基坑的位置大多是在城市中较繁华的地段，基坑一旦失稳将会造成很大的危害。深基坑工程多样化和复杂化，原有的一部分经典理论和支护方法已满足不了现实需要。因此，我们必须对原有经典理论进一步完善，提出更符合与实际工程相符合的支护方法。深基坑支护结构虽是临时结构，但它的稳定性在整个工程建设中有着举足轻重的分量。支护结构一旦发生破坏，将会带来非常巨大的生命财产损失。基坑围护工程具有一系列的不确定因素：作用于支护结构上的外力由于环境条件、施工方法、施工步骤等的不同，导致外力的不确定性；支护结构变形的不确定性，影响因素有围护墙体的刚度不足、支撑体系刚度不足，构件的截面特性、地基土的性质、地下水的变化，潜蚀和管涌现象、施工质量和现场管理水平等；基坑范围内土层性质的不确定性，地基土的非均匀性和地基土的特性不是常量，在基坑的不同部位，不同的施工阶段土层性质是变化的，地基土对支护结构的作用或提供的抗力也随之而发生变化。这些不确定因素，使得人们很难对深基坑工程进行有效的控制，导致各种事故的发生。进一步加强深基坑工程的理论与方法研究势在必然，我们必须认真对待每一次基坑工程事故，仔细研究其原因，总结经验。只有这样，才能将实际经验与理论知识最大化程度的结合，完善理论的同时，形成定量的、准确的基坑计算分析方法，并以理论为指导，使深基坑支护设计与施工水平得到真正的提高，施工人员的生命安全得以保障，同时可以取得良好的经济效益。1.6 本课题的主要研究内容在深基坑支护工程中，土体与支护结构之间是一种非线性作用关系。作用于支护结构上的土压力并不单单是主动土压力或者被动土压力，而是介于主动和被动土压力之间，并且与位移有关的位移土压力。我国目前所采用的一些基坑设计软件，大多都是以经典的朗肯及库伦土压力理论来计算土压力，事实上，朗肯土压力理论和库伦土压力理论都是假设土体处于极限平衡状态下推导得出的。实际工程中，支护结构很难达到极限状态那么大的位移。土体处于非极限状态下的土压力及其分布形状不仅与土质有关，而且在很大程度上取决于支护结构的变形情况。国内外众多学者提出采用增量法来解决这种问题，增量法可以有效跟踪支护结构的变形过程，体现加载路径的影响，它是用一系列的线性问题去近似非线性问题，但是随着荷载的增加，计算结果误差越来越大，最终导致计算结果无法收敛。针对以上这些问题，本文选取排桩预应力锚杆支护结构体系为例，主要研究以下几方面的内容：作用于排桩上的土压力随着桩体的变形不断发生变化，土压力的大小不是简单的朗肯或库伦土压力，而是一种非线性变化的位移土压力；传统的支护结构内力计算理论方法不能准确反应结构内力变化情况。把增量法和迭代法相结合，用于支护结构内力计算中，可以较好的计算出更接近于结构实际内力的结果。2. 深基坑支护结构内力及稳定性分析2.1 概述排桩预应力锚杆支护结构是深基坑支护工程中常用的一种结构型式，它把排桩支护和预应力锚杆支护相结合，充分利用各自优点，对土体进行加固支护。该支护型式用于大量工程中，体现出良好的加固效果，得以广泛的发展及应用。排桩支护结构是把各种类型的钢筋混凝土桩排列到一起形成的一种支护结构，是一种柔性支护体系，通常根据基坑的深度、基坑周围荷载等因素来确定排桩的间距、桩径、嵌固段的深度以及桩身配筋。可分为单排桩支护和双排桩支护。锚杆支护技术最早成功的应用于基坑工程的是德国的Karl-Bauer公司，由于该技术具有很多优点，逐渐引起各国的重视，并被广泛应用于各类工程中。我国引进该项技术并将其应用于采矿工程，后逐渐用于边坡加固。它主要通过锚杆和锚固体，借助于土层自身承受荷载的能力来稳定土体。预应力锚杆支护是在锚杆上施加预应力，对土体进行主动加固，既可以充分发挥土体自身的稳定性，又降低了支护成本，具有较好的经济效益。排桩预应力锚杆支护结构可用于开挖深度较大、对变形控制有严格要求的基坑工程。单用排桩进行支护时，作用于排桩上的土压力呈上大下小的非线性分布，它要求排桩必须具备足够的刚度以及足够长的嵌固深度，通过增大截面尺寸、桩身长度及配筋可解决这些问题，但是这必然导致材料的浪费。然而，在排桩上假设预应力锚杆，不仅可以改善排桩结构的受力模式，使排桩内力分布更为均匀，受力更为合理，而且还可以大大缩短钢筋混凝土排桩的嵌固深度，降低工程造价。此外，排桩预应力锚杆支护结构采用钢筋混凝土挖孔桩及预应力锚杆配套技术，已发展为深基坑支挡结构的一种重要的支护结构型式。它不仅能单纯作为挡土墙，而且还可以作为主体结构，具有施工简单、质量可靠的显著优点。并且随着城市建设的迅速发展，楼高、坑深是工程建设的必然，在深基坑支护工程中，将会陆续出现更多的难题，只有不断对排桩预应力锚杆支护技术进行改进和完善，才能满足发展的需要。2.2 排桩预应力锚杆支护结构的构造排桩预应力锚杆支护体系主要由钢筋混凝土灌注桩、锚杆、冠梁、腰梁四个部分组成，如图2-1所示，这四个部分协同工作，保证了施工期间基坑边坡的安全及稳定。图2-1 排桩预应力锚杆支护结构2.2.1 钢筋混凝土灌注桩钢筋混凝土灌注桩刚度大、抗弯能力强、变形小，在深基坑支护中常用来支护基坑边坡土体。它不仅可以用作工程桩，同时也可以用于支护桩，经济效益良好。施工中常采用钻孔灌注桩、沉管灌注桩以及人工挖孔灌注桩，桩径为5001000 mm，具体由计算确定。因此，它具有施工噪音小，结构稳定，对基坑周围原有建筑物、道路、管线不会造成危害，工程造价较低等优点。然而，它不可重复利用，在基坑回填后，将永久的保留在土体当中，可能将会对日后的地下工程建设造成障碍。而且，钢筋混凝土灌注桩施工速度慢，浇筑完成后仍需养护一段时间才能承受荷载，所以工期较长。采用钢筋作为骨架，用混凝土浇筑填充，具有一定厚度的钢筋保护层，振捣密实形成钢筋混凝土灌注桩。一般在桩顶部浇筑钢筋混凝土圈梁(冠梁)，把单个桩连接起来，形成一个完整的支护结构体系。钻孔灌注桩施工工艺如图2-2所示。测量放线、定桩位桩机就位调整垂直度设置护筒泥浆沉淀池拌置护壁泥浆钻孔泥浆处理排放第一次清孔移走钻孔质量检查吊放钢筋笼插入导管第二次清孔灌注混凝土拔出护筒 图2-2 钻孔灌注桩施工工艺2.2.2 锚杆锚杆是受拉杆件的总称，与钢筋混凝土灌注桩共同作用。可根据受力机理分为锚杆头部、拉杆、锚固体三部分。2.2.2.1 锚杆头部锚杆头部是指外露于土体，与腰梁有效连接的部位。主要作用是将拉杆与钢筋混凝土灌注桩牢固的联结起来，使作用于支护结构上的推力有效的传递到拉杆上去；在一般情况下，拉杆设置时水平向下具有一定的倾斜角度。因此与作用在钢筋混凝土灌注桩上的侧向土压力在同一方向上，为了能够有效的将来自钢筋混凝土灌注桩上的力传递到锚杆上。首先，必须保证构件本身的材料有足够的强度，相互构件之间紧密固定。其次，又必须要将集中力分散开，为此锚杆头部需由下列几部分组成5。（1） 台座桩与拉杆方向不垂直时，需要用台座作为符合拉杆受力方向的调整基座，并能固定拉杆的位置，防止其横向滑动与有害的变位，台座用钢板或混凝土制成。（2） 承压垫板为使拉杆的集中力分散传递，并使紧固器与台座的接触面保持平顺，钢筋、钢绞线等必须与承压垫板垂直。承压板一般采用2040 mm厚的钢板。（3） 紧固器拉杆通过紧固器的紧固作用将其与垫板、台座、桩贴紧并牢固联结。如拉杆的材料采用粗钢筋，则提前在钢筋端头铳铣丝扣，配以合适的螺母作为紧固器。2.2.2.2 拉杆拉杆是锚杆的中心受拉构件，起着传递拉力的作用，即将来自锚杆端部的拉力传递给锚固体。从锚杆头部到锚固体尾端的全长即是拉杆的长度，拉杆的全长实际上包括有效锚固长度和非锚固段长度两部分。有效锚固段长度主要应根据每根锚杆需承受多大的抗拔力来决定，非锚固段长度应按桩与稳定土层之间的实际距离确定。根据设计所需的锚固力的大小，拉杆可选用普通钢筋(以热轧带肋钢筋为宜)、直径采用，单根或23根点焊成束，亦可用高强钢筋、高强钢丝、钢绞线等。2.2.2.3 锚固体锚固体是指拉杆尾部深入土层的锚固部分，用来将来自拉杆的力通过锚固浆体与土体之间产生的摩阻抵抗力或支承抵抗力传递给稳定的土层。锚固力能否足够保证桩的变形及承载能力要求是锚固技术成败的主要关键因素。从力的传递方式来看，锚固体可分为：（1） 摩擦型：靠柱状锚固体表面与土层之间的摩擦抵抗力将来自拉杆的拉力传递给地层，如灌浆锚杆；（2） 承压型：锚固体有一个支承的面，或支承型的锚固体一部分或大部分是局部扩大，锚杆的拉力主要依靠作用于锚固体的被动土压力来获得支持。这个