（土木工程专业论文）桩锚支护下深基坑的开控变形监测及信息化施工研究.pdf

t h er e s e a r c ho nd e e pf o u n d a t i o np i te x c a v a t i o n d e f o r m a t i o n w i t hs u p p o r tb y t h ep i l ea n c h o ra n di n f o r m a t i o n c o n s t r u c t i o n b y z h a n gc h o n g y i n g b e ( l a nzhouuni v er s i t yo ft e c hnolo gy ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e s c h o o lo fc i v i le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t esc h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rt e n gw e n c h u a nz h uy a n g p e n g a p r i l ，2 0 1 1 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：多拦撩 日期：加，年石月，。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并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。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：。ff 年石月 。日 日期：口) - ，f f 年万月，o 日 撒盼群 签签 者师作导 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t ” 第1 章绪论1 1 1 选题依据及研究意义1 1 2 深基坑支护的特点3 1 3 国内外研究现状与发展趋势4 1 3 1 国外研究现状4 1 3 2 国内研究现状4 1 3 3 深基坑工程的发展趋势5 1 4 深基坑工程中目前存在的问题6 1 5 本文的主要研究内容和研究方法8 1 5 1 研究内容8 1 5 2 拟采用的研究方法8 第2 章多层预应力锚杆排桩支护设计理论 8 2 1 多层预应力锚杆排桩支挡结构的计算模型10 2 2 多层预应力锚杆排桩的内力计算l2 2 3 多层预应力锚杆排桩结构设计13 第3 章深基坑基本设计情况及施工开挖 15 3 1 设计基本情况15 3 1 1 工程概况15 3 1 2 工程地质条件和水文地质条件l5 3 2 围护结构方案选择及设计17 3 3 基坑支护体系2 0 3 3 1 支护方案设计2 0 3 3 2 围护结构的内力和位移2 3 3 4 基坑开挖与支护施工2 6 3 4 1 钻孔灌注桩的施工2 6 3 4 2 锚杆的施工2 8 3 4 3 基坑土方开挖开挖的原则和方法2 9 3 5 基坑安全控制标准3 0 3 6 本章小结3 1 桩锚支护下深基坑的开挖变形监测及信息化施工研究 第4 章深基坑工程的信息化施工3 2 4 1 信息化施工的概述3 2 4 2 深基坑工程信息化施工的必要性3 3 4 3 深基坑信息化施工监测目的和意义3 3 4 4 深基坑方案设计的原则3 4 4 5 信息化施工的监测3 4 4 5 1 监测项目、方法与频率与预警值3 4 4 5 2 监测点的布置3 6 4 5 3 监测成果分析3 8 4 6 本章小结4 7 第5 章结论与展望4 8 5 1 结论。；4 8 5 2 展望4 8 参考文献4 9 致 射”5 0 附录a ( 攻读学位期间发表的论文) 51 硕士学位论文 摘要 近年来，随着国民收入的提高和城市用地的减少，满足经济建设又 好又快的发展要求，许多大型、超大型土木工程项目应运而生，如青藏 铁路工程、奥运工程、南水北调、城市地铁等等。这些大型工程项目的 建设受到了世界的瞩目。本文针对这些高、大、重、深基坑在支护设计 和施工方案选择难度大的条件下，文章通过对某工业园区深基坑施工过 程的监测，阐述了以下内容： 1 ) 阐述了深基坑工程发展的历史背景和研究现状。 2 ) 阐述了排桩预应力锚杆的计算方法。 3 ) 通过现场监测，就深基坑的施工工艺和信息反馈制度简要做了介 绍，阐述了基坑开挖过程中，受到周围环境、气候条件、工程地质、施 工工况、时空效应等的影响，着重分析了土钉墙和桩锚支护体系的变形 机理，起到及时预报基坑施工过程中出现险情的效果，从而积极主动的 采取应急措施，避免事故的发生。同时也验证了基坑支护设计方案，为 今后的设计、施工积累了宝贵经验。 4 ) 结合全文，指出信息化施工是深基坑是必不可少的手段，是全过 程的中心。结合本文，就深基坑工程在今后研究中应关注的问题做了一 定程度的展望。 关键词：深基坑：桩锚支护：信息化施工：监测 桩锚支护下深基坑的开挖变形监测及信息化施工研究 abstrac t r e c e n t l y ，w e w e r ec a l l e df o rt oc a t c h u p w i t ht h ef a s t d e v e l o p m e n t o fe c o n o m i cc o n s t r u c t i o nw i t ht h ei n c r e a s e o f n a t i o n a li n c o m ea n dr e d u c t i o no fu r b a nl a n d ，m a n yl a r g e ，v e r y l a r g ec i v i le n g i n e e r i n gp r o je c t sc a m ei n t ob e i n g ，s u c ha st h e q i n g h a i t i b e tr a i l w a yp r o je c t ，t h eo l y m p i cp r o je c t ，t h e s o u t h r i v e rt u n n e l st ot h en o r t h ，s u b w a ya n ds oo n t h e s ec o n s t r u c t i o n s o fl a r g ep r o je c t sw e r ea t t e n d e db yt h ew o r l d a l o n gw i t ht h e s eh i g h ， b i g ，h e a v y ，d e e ps t r u c t u r e ，t h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no ft h ef i e l d o fd e e pf o u n d a t i o np i th a v eb e c o m et h ed i f f i c u l t i e st os o l v e ，s e l e c t t h ed e s i g ns u p p o r t i n gp r o p e r l ya n dc o n s t r u c t i o np r o g r a m f o rt h i s s i t u a t i o n ，d e e pf o u n d a t i o np i ti nt h ei n d u s t r i a lp a r kw e r em o n i t o r e d a n da n a l y s i s ，s u c hf o l l o w i n ga s p e c t sw e r ed i s c u s s i n g ：。 1 ) b yd i s c u s s i n gt h eb a c k g r o u n da n dd e v e l o p m e n tc o u r s eo f d e e p f o u n d a t i o np i t e n g i n e e r i n g ，m a k e t h e s t u d y o nc u r r e n t c o n d i t i o n sa n dd e f o r m a t i o nt h e o r yt oc e r t a i ne x t e n t 2 ) p r e s t r e s s i n gc a l c u l a t i o nm e t h o do fd e e pf o u n d a t i o np i t 3 ) t od e s c r i b et h ee n v i r o n m e n t ，c l i m a t i c ，e n g i n e e r i n gg e o l o g y ， h y d r o g e o l o g y ，c o n s t r u c t i o n ，a n dt e m p o r a le f f e c tt h ed e f o r m a t i o n o fd e e pf o u n d a t i o np i tb yc o n s t r u c t i n gt h ed e e pf o u n d a t i o np i t ， m o n i t o r i n ga n di n f o r m a t i o nf e e d b a c k ，a n a l y s i s t h es o i l n a i lw a l l a n dt h ep i l ea n c h o rs y s t e m sd e f o r m a t i o nm e c h a n i s m ，p l a yt i m et o f o r e c a s tt h ed a n g e rd u r i n gt h ef o u n d a t i o nc o n s t r u c t i o no c c u r r e d ， w h i c hm o t i v a t e dt ot a k ee m e r g e n c ym e a s u r e st oa v o i da c c i d e n t s a l s o v e r i f y t h e d e s i g n o ff o u n d a t i o n p i t f o rf u t u r e d e s i g n ， c o n s t r u c t i o na n da c c u m u l a t e dv a l u a b l e 4 ) t os u m m a r yt h e w h o l e a r t i c l e ，p o i n t i n g o u tt h a t d e e p f o u n d a t i o n p i t c o n s t r u c t i o no ft h ew h o l e p r o c e s s i sa n i n d i s p e n s a b l e i sa n dai n f o r m a t i o nc e n t e r i n a d d i t i o n ，l o o k f o r w a r dt od e v e l o p m e n to fd e e pf o u n d a t i o np i t ，a n dp r o p o s et h e q u e s t i o n ss h a l l b en o t i c e d ，c o m b i n e dw i t ht h i s p a p e ri n f u t u r e r e s e a r c hc o n c e r n k e yw o r d s ：d e e pf o u n d a t i o np i t ；a n c h o rp i l es u p p o r t i n gs t r u c t u r e ： i n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o n ；m o n i t o r i n g 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 选题依据及研究意义 所谓基坑工程，就是指在建( 构) 筑物等工程在进行地下部分的施 工时，需要对基坑进行开挖，施工过程中，伴随着基坑降水和周边结构 和基坑的支护，同时，通过监测手段，确保基坑周围建( 构) 筑物、道 路和地下管线正常和安全，就整个单个工程而言，它具有很强的综合性， 包括勘测、设计、施工、监测、监理内容，几乎涉及所有土木工程领域n 1 。 近年来，在深基坑的开挖和支护过程中，采用专用设备( 或工艺) 发展了多种支护技术。一些国家，如美国、德国、日本、意大利、英国、 法国、瑞典等国，在深基坑开挖支护和施工方面，制定了适合当地技术 要求的国家级规程、规范，并成功地在各种复杂环境条件下进行了的较 大深度基坑的开挖，积累了宝贵的工程经验【2 3 4 5 】。早在2 0 世纪4 0 年代， 太沙基( t e r z a g h i ) 1 和佩克( p e e k ) 等人就提出了一直沿用至今的基坑工 程分析方法，采用预先估算的方法确定挖方的稳定性，在基坑支护上采 用总应力法确定支撑荷载。上个世纪5o 年代，分析深基坑底板隆起的方 法被b je r r u m 1 和e i d r 提出，给基坑工程带来了曙光。进入6 0 年代，监测 仪器率先在墨西哥城的软粘土地区的深基坑工程中得到了应用，是深基 坑迈入信息化时代的一个历史性标志，大大的提高了预测的准确性。到 2 0 世纪7 0 年代初期，世界各地相继出现了指导深基坑开挖和施工的的规 范性条文。到2 0 世纪8 0 年代初期，我国才开始逐步涉及深基坑领域的设 计与施工1 9 1 。并且在深圳的深基坑支护中率先使用了信息化施工方法，大 大节省了工程造价。2 0 世纪9 0 年代后，我国开始着手编制深基坑支护设 计与施工的有关法规n 钆1 1 1 ，在于总结深基坑支护设计与施工的经验。国家 标准岩土工程勘察规范( o b 50 0 2 1 2 0 01 ) - 12 ，也编入了相关内容。也有一 些地区，如武汉、上海、深圳等城市的建设主管部门也编制适于当地特 定工程地质条件下的规程或规范，用于指导深基坑的开挖与施工。 随着经济发展，人们对居住环境质量的要求愈来愈高，使得我国建 筑事业得到突飞猛进的发展。为满足人们对环境的要求，地下室、地下 商业街、地下车库、地铁车站等地下空间的利用受到了人们的青睐。而 这些地下空间和设施的开发和建造，首当其冲就是大规模的深基坑开挖。 面对这种情况，我国基坑工程的发展呈现出一些特点： 1 ) 高层、超高层建筑大多都集中在市区。人口密集，交通拥挤，建 筑密度大，施工场地狭小，施工条件差。 2 ) 基础深度越来越大，地下基坑的开挖深度越来越深。深基坑开挖 桩锚支护下深基坑的开挖变形监测及信息化施工研究 和支护工程的施工难度加大。 3 ) 深基坑的施工影响周围环境。深基坑在施工过程中，要尽可能的 减小噪音、粉尘对周围环境的影响，减小对邻近建( 构) 筑物、周围地 下管线等生命设施的影响。 4 ) 为临时性支护工程，深基坑支护工程在处理实际问题时常常得不 到建设方的高度重视。 在建筑密集的城市，由于基坑周边场地的局限性和环境的复杂性， 导致一系列的问题，使得一些大型地下空间和设施的建造没有足够的安 全放坡空间。为很好的解决这个问题，并保证周围环境的安全，较大规 模的开挖支护系统如内撑式和拉锚式支护结构应运而生，在满足基坑边 坡的开挖变形的条件下，对开挖深度较大的基坑工程有很好的支护效果。 但是，内撑式支护结构也有一定的不足，给基坑开挖和后期建筑的施工 带来了一定的不便。在周围环境允许的条件下，工程界越来越多地青睐 拉锚式支护结构，使其在城市超深基坑工程应用中日趋广泛。 目前，由于不能完全查明复杂的工程地质因素和正确表述基坑变形 力学机制，支护设计计算方法还不完全成熟，试图通过对其力学机理建 立准确的力学模型较为困难。在深基坑开挖施工过程中，支护结构受土 质、开挖深度、开挖尺寸、周围荷载、施工方法和管理方面等诸多因素 的影响，致使基坑开挖期间有很多工程事故发生，造成巨大的经济损失 甚至人员伤亡。深基坑支护结构破坏的原因有很多，但主要是施工原因 和设计原因。就设计方法而言，目前的设计方法不能模拟施工过程，不 能准确估计支护工程的稳定和变形，更不能找出关键工序，也不能模拟 复杂的工程地质和水文地质条件，诸多不确定因素的存在使得支护结构 的稳定性成为问题。除此而外，基坑开挖引起的地表沉降，致使邻近建 筑物和道路的开裂，危及到地下管线和电缆的安全，甚至造成巨大损失。 基坑开挖和降水引起的周围地表沉降和附加沉降问题，对周围环境产生 不良影响，因而，研究基坑开挖和降水对基坑边坡及其周围环境的影响 显得尤为重要。 为确保支护结构的安全稳定，基坑工程的安全监测技术也具有重要 的意义l l , t , 15 ，川，受到人们的广泛关注。通过对支护结构和周边环境的综合 监测，能够及时地了解支护结构的内力变化，查明周边环境的变形情况， 防患未然。基坑开挖期间，通过前一段监测捕捉的大量岩土信息，及时 比较勘察、设计所期望的工程状况并与监测结果进行对比，进而评价原 设计方案的准确性，判断施工方案的合理性。利用监测取得的数据和现 场描述，通过智能预测的方法与控制手段，对后续的基坑开挖方案和开 挖步骤提出建议，及时预报施工过程中可能出现的险情，发生异常情况 时立即采取必要的工程补救措施，确保工程安全性一1 7 i 。 2 硕士学位论文 为了研究桩锚支护条件下的变形规律和受力特点，对某在建深基坑 工程进行了全程监测，掌握基坑在开挖及后期施工阶段的变形动态以及 周围环境的安全状况，及时掌握其动态变化，了解其安全与稳定情况。 某在建工程，设计基础尺寸55 m 3o m ，拟建设施南段地下三层，地上二层， 基础埋深9 m 14 m ，北段地下二层，地上三层，基础埋深14 m 17 m ，局部 基础埋深最大处达19 m ，地下水位位于基坑底面以上约5 m 8 m ，场地平整。 基坑主体结构采用桩锚复合支护体系。基坑周边紧邻重要工业厂房及铁 路等设施，对基坑变形要求极其严格。 针对目前我国深基坑工程的发展趋势，结合深基坑工程案例，来探 索基坑工程中存在的问题。在桩锚复合支护体系下，借助深基坑工程的 监测手段与成果，就深基坑工程开挖、变形、稳定状况等方面进行了研 究，力求挖掘出有实用价值的信息成果，希望对以后深基坑工程支护设 计和开挖施工有一定的指导意义。 1 2 深基坑支护的特点 基坑支护工程的设计与施工涉及到多领域多学科，如土力学、基础 工程与地基基础学、支挡结构、结构力学、工程测量等。是一项综合性 很强的系统工程。基坑支护工程具有如下特点n8 1 9 一钆2 1 2 2 2 3 一引： 1 ) 基坑支护工程属于临时性工程。支护设计的安全储备相对较小， 具有较高的风险性。因而施工过程中应进行实时监测，及时预报险情并 采取补救措施，保证基坑工程的安全性。 2 ) 基坑支护工程具有很强的区域性。不同区域内的工程地质条件、 水文地质条件不尽相同，甚至差异很大。因此，在支护工程各个环节的 设计和施工上，应根据具体情况择优选用。 3 ) 基坑支护工程具有很强的时空效应。在基坑支护结构在开挖和施 工过程中，受基坑开挖工况和基坑平面的影响很大，具有明显的空间效 应。如基坑弯角处的变形大于侧边中部的变形，基坑侧壁受到土体的蠕 变影响也大于基坑边侧中部。 4 ) 基坑支护工程造价高，技术复杂。基坑工程费用一般占整个工程 总费用的25 3 0 左右，而支护体系在基坑工程中又占有相当大的比 重，是工程施工中最具挑战性的技术难点，也是确保工程质量的重点。 5 ) 基坑支护工程综合性强。基坑支护工程涉及面广，主要是土体稳 定、变形、渗流三个方面。基坑周围土侧压力造成围护结构的失稳破坏， 地面变形导致周围建( 构) 筑物、地下管线、交通运输等生命工程线的 破坏，渗流引起流土、管涌破坏，造成环境破坏。 6 ) 基坑支护工程设计存在误差。基坑所处环境地质条件复杂，土体 地质埋藏年代不均，土性千变万化，加之基坑所处环境水文地质条件复 3 桩锚支护下深基坑的开挖变形监测及信息化施工研究 杂。诸多因素导致勘察数据离散性大，土层的总体情况不能被准确描述， 给基坑支护设计和施工带来了难度。 7 ) 深基坑工程的环境效应。在基坑开挖过程中，势必引起周围地基 中地下水位和应力场的改变，导致周围地基土体的变形。相邻建筑物、 构筑物及地下管线势必会受到影响，甚至危及相邻建( 构) 筑物、地下 管线的安全及正常使用。 1 3 国内外研究现状与发展趋势 1 3 1 国外研究现状 在国外，深基坑工程率先得到了发展和应用。基坑工程理论经历了 早期的土压力理论、板桩分析理论、二维、三维有限元分析、反分析理 论，再到系统论和控制论。其主要研究方法也有很大变化，从安全系数 法到经验公式法，直至今天的数值方法、地层损失法和系统分析法。 通过s o yin cn 副关于土体的蠕变和应力松弛现象的模型试验，表明： 只有当墙体移动到某一特定位置时，主动土压力将逐渐增大直至达到静 止土压力，抗剪强度发挥6 0 ，与此同时，被动土压力将逐渐减小直至 达到静止土压力，蠕变位移与时间成对数关系。 近2 0 年来，人们一直致力于探索支护结构合理性的设计方法。 b sim p so n 心们指出，弄清土与结构相互作用对支护墙体的影响，尤其是 对基坑位移的影响，是尤为重要也是最为困难的问题。由此我们可以看 出，判断和分析基坑稳定性的重要依据是其外观表征形态，即位移或变 形。 f a n g 等心7 2 通过试验，模拟了砂性填土作用于刚性挡土墙的主动、 被动土压力。试验表明：主动土压力为非线性分布，其合力作用点随着 土的密度增加而上升。当墙体平移时被动土压力为直线分布，墙体转动 时为非线性分布，其大小与合力作用点和墙体的变位方式有关。 a tt w e1 l 心通过工程实例和试验探讨了基坑开挖引起的地面沉降以 及对地面建( 构) 筑物和地下管线的影响。 w o n g 们用有限单元模拟算法对施工降水的影响进行了分析，分析结 果表明：降水产生的位移在总位移中占有相当大的比例。 a n th o n y 1 用有限元方法研究了钢筋混凝土悬臂式围护墙的形状，分 析表明；土压力的分布与墙和土体的移动密切相关，作用在墙体上的侧 压力仅在墙的三分之二处接近于主动土压力。 1 3 2 国内研究现状 在我国，深基坑工程的变形研究起步较晚。但随着城市建设中、高 层大量涌现，深基坑工程数量也愈来愈多。自上个世纪9 0 年代以来，在 4 硕士学位论文 东部沿海城市，深基坑工程在设计得到了深入研究，施工方面得到了广 泛应用。 侯学渊，杨敏m 1 等针对建筑结构的不同部位( 如墙体、基底、地表 等) 提出了不同的变形控制标准，研究了软土基坑支护结构的变形控制。 唐孟雄、赵锡宏b 3 1 提出了深基坑开挖引起的地表沉降计算公式。根 据对邻近建( 构) 筑物及地下管线保护的需要，按正态分布密度函数计 算并推导出求地表变形的公式，并引入了两个计算地表变形的指标。 刘柯、孙家乐等提出了锚固结构体系变形控制设计的概念，并提 出了对变形实施控制的技术措施。指出支护结构体系的变形控制设计基 本内容包括三个主要部分，即变形预测分析、动态设计过程、变形控制 技术。 张尚根、陈志龙、曹继勇【35 】等用正态分布函数拟合了基坑周围地表 的沉降曲线规律。并推导出了软土地区深基坑支护结构变位引起的周围 地表沉降值公式，给出了保护周边环境，减少地表沉降的措施。 俞建霖、赵荣欣、龚晓南【36 】提出在基坑开挖过程中，影响地表最大 沉降的主要因素是：基坑开挖深度、开挖宽度、下卧层土体性质、插入 深度和支护结构刚度。有效地减少了地表最大沉降量和支护结构的水平 位移的被动区加固法，当加固宽度大于o 5 倍基坑宽度时，加固效果良 好。除此，加固效果也与加固区宽度有关。 朱瑞钧、高谦、齐干1 3 7 1 等通过土层沉降计算法对某基坑周边建筑物沉 降进行了理论计算，并将计算结果和现场实测值进行了分析比较，并总 结了影响基坑周边建筑物沉降的重要因素。 1 3 3 深基坑工程的发展趋势 随着建筑用地的的减少，高层超高层建筑愈来愈多的受到人们的关 注和青睐。伴随而至的，深基坑工程也越来越多，深度越来越深，地质 条件越来越差( 尤其是城市) ，因此基坑工程必然会面对和迎接新的要求 和挑战。深基坑工程未来的发展趋势，大致可以归纳以下几点【1 7 】： 1 ) 系统化 深基坑工程是一个系统工程，从勘察、设计到施工，牵涉到各个方 面，要求我们以系统的眼光对待深基坑工程中的许多问题。 从我国实际情况来看，在深基坑工程的实践中，设计方、施工方、 监测方、科研方已经形成了一个联合体。工程的顺利进行，就要要求大 家各谋其职，得当协调。但是其中仍存在许多问题：如设计单位与施工 单位的配合，设计意图不能够准确的理解和实施，监测单位只负责提供 数据，出现监测和科研各自为战的局面等。除此而外，深基坑工程比较 容易出现意外，如渗水、地下连续墙变性过大、地面沉降等，问题有谁 5 桩锚支护下深基坑的开挖变形监测及信息化施工研究 解释、如何解决、责任由谁来承担都需要通过系统明确的分工和综合调 度来实现。要求我们建立并完善基坑工程的组织管理系统。 2 ) 规范化 深基坑工程的设计与普通的工程设计不同。单纯的从物理性态上讲， 随着基坑开挖深度增加，基坑土体、围护结构、地下水的性态都会发生 很大的变化。由于基坑开挖理论、设计者设计水平，施工现场的技术设 备和施工人员的经验水平，使得在试验参数的取定、结构的建模计算上 受到了一定的限制。不能够完全掌握有关支护结构内力、变形和稳定性 信息，使得目前的设计方法、规范、软件不能够完全满足工程设计的要 求，出现了许多与设计、施工脱节的现象。但随着社会进步，深基坑工 程的相关基坑理论也在进一步的发展和完善，包括经验、设备。 3 ) 智能化 智能化是深基坑发展的必然趋势。计算机的介入使有限元计算、神 经网络模拟、遗传算法等先进方法得以发挥。众多设计、监测、科研甚 至施工中的问题得到了突破性的进展。从近两年相关的软硬件的发展速 度可以看出，未来深基坑智能化速度的程度将会取得突飞猛进的发展。 4 ) 机械化 伴随着深基坑工程的规模加大，难度加深，施工机械化愈来愈多的 收到了人们的关注，并得以广泛的应用。大型基坑工程的土方开挖，基 坑降水，地下连续墙的成槽和钢筋笼的起吊下放等都对施工机械的性能 提出了愈来愈高的要求。 5 ) 信息化 信息化施工是未来施工的一个显著特征。作为一个系统工程，深基 坑工程的施工往往伴随着复杂的工程地质环境和水文地质环境，只有通 过信息的及时采集、分析和处理，才能够了解基坑工程实际的运作状态 和受力机理，为下一步的设计和施工工作积累经验，收集了宝贵的资料， 达到指导科研和设计的目的。 尽管如此，深基坑工程的实践对我们来说，仍然显得弥足珍贵。每 一次深基坑工程的实践，我们都应该好好珍惜和把握。在做好数据的收 集和资料整理的同时，通过深基坑工程经验的积累，对设计和施工工作 做全面细致而深入的分析总结。在总结经验得失的基础上，培养能够提 出、解释和解决问题的能力，达到服务工程、科研和社会的目的。 1 4 深基坑工程中目前存在的问题 尽管我国对基坑开挖问题作了大量的研究，并产生了不少的优秀工 程，但在基坑开挖中仍存在不少的问题，综合起来，主要表现为凹： 1 ) 深基坑支护技术有待进一步提高。 6 硕士学位论文 当前，基坑开挖向着大深度、大面积方向发展，伴随着周边环境的 复杂化，基坑开挖与支护的难度系数愈来愈大。因此，从工期和造价的 角度看，加快施工进度、缩短施工总工期、改进施工工艺、提高施工质 量等有待进一步解决。 2 ) 深基坑工程支护设计质量低。 在基坑支护结构设计中，设计人员的设计水平和设计经验不尽相同， 在设计参数和计算方法的选取上也差别很大。诸多因素使得一些工程设 计缺陷多、隐患大。另一方面施工单位盲目开挖，容易造成基坑安全储 备过低，发生严重工程事故。设计单位盲日增加安全系数，容易造成严 重浪费。 3 ) 现场施工混乱，管理不力。 在纳入建设项目( 单位工程) 总承包管理中，深基坑工程支护资质 限制不严格，转手承包较为普遍。总承包单位没有按基本建设程序的要 求办理施工许可手续或在没有办理施工许可手续的的条件下破土动工等 问题，造成施工现场管理秩序的混乱。 4 ) 质量检验混乱。 基坑支护工程没有建立合理的、行之有效的竣工验收规范，没有完 整的质量管理体系，质量监督和管理部门分工不明确，监管不力，资质 混乱。给基坑支护结构的质量监督和评估带来了一定的困难，亟待解决。 5 ) 工程勘察在深基坑工程占有重要意义。 勘察单位对深基坑工程建设地域没有按相关规范、规程进行勘察， 没有查明工程建设地域及周边环境的工程地质情况，或者对基坑的工程 地质和水文地质的勘察重视不够，不能够为深基坑工程设计和施工提供 地质资料，更不能够给深基坑的支护设计提出建议或建设性的意见。不 经过勘察，在参数和试验方法的选取上不符合现场实际情况，盲目性较 强，导致计算结果无章可循，缺乏科学合理性。有些勘察单位的现场试 验、原位试验等工作做的相对较少，要么是勘察深度和勘察测点的布置 不符合基坑工程要求的勘察要求，导致测得的数据离散性较大，或者准 确性不高。一定程度上给设计和施工带来困难，费时费力。 6 ) 监理工作方面。 面对基坑工程的特殊要求，目前监理工作在人力、技术等方面还不 很适应，因而，要把基坑工程的监理作为整个建筑工程监理的重点环节 来抓。 7 ) 监测工作方面。 现场监测人员不能及时反馈工程信息。 7 桩锚支护下深基坑的开挖变形监测及信息化施工研究 1 5 本文的主要研究内容和研究方法 1 5 1 研究内容 针对目前我国深基坑工程的发展特点和研究现状，本文在收集深基 坑变形稳定及桩锚支护结构相关文献资料的基础上，总结桩锚支护结构 的研究理论成果，本文的主要研究内容如下： 1 ) 通过具体工程实例，研究了桩锚支护结构深基坑的监测设计原则 和总体思路，并针对具体工程提出了具体的监测布置方案。 2 ) 根据设计选用的支护类型，以具体工程为依托，研究了某工业园 区深基坑工程施工工艺。 3 ) 根据监测采集到的基坑墙顶( 边坡) 位移、沉降、隆起、锚杆拉 力等，通过分析，研究桩锚支护结构深基坑开挖变形模式、影响因素和 破坏规律并对稳定性进行了评价。 4 ) 就具体工程，研究了基坑开挖过程对周边建筑物沉降变形的影响。 1 5 2 拟采用的研究方法 1 ) 设计科学的监测系统。建立畅通的信息传输系统和健全的信息反 馈化统系，在工程中落实信息化施工的要求。 2 ) 在施工中实施严密有效的监测，及时准确反映施工中围护结构体 系和周围环境的动向，并进行科学归纳和整理，为设计提供全面可靠的 信息。 3 ) 通过监测，及时了解维护结构的变形、内力和安全，做出预估分 析，及时对险情作出预报，采取应急措施，防患于未然。 8 第2 章 多层预应力锚杆排桩支护设计理论 一一一一一一一一 应确引作本设部 9 吖扒题用构计以 一一一一一一一一 一一一一一一 桩锚支护下深基坑的开挖变形监测及信息化施工研究 坑底部以下土体对桩作用主动土压力与被动土压力之和。对单层锚杆采 用极限平衡法，对多层锚杆采用分层平衡法计算。这种计算方法的不足 是不考虑桩、锚杆和土体的协同工作，对预应力锚杆所加预应力对支护 结构位移的贡献无法考虑，不能计算支挡结构在土压力作用下的位移。 工程中常用第二种算法，但仍有许多不足。 1 ) 无法算出多个锚杆的排桩的桩与锚杆协同工作的内力和支挡结构 的位移。 2 ) 经济效益差，无法求出排桩锚杆的优化设计解。 3 ) 多层锚杆排桩支挡结构采用的分层平衡法，未考虑桩身刚度对支 挡结构的影响，与实际受力不符。 也有人提出了第三种算法，即将锚杆自由段处理成一个加在桩上的 弹簧支座，这种计算模型能够比较准确的反映排桩锚杆的实际受力，达 到实现排桩、锚杆和土体的协同工作计算，从而保证支挡结构的安全可 靠，能够自动计算出锚杆的截面尺寸和长度，桩的截面尺寸和配筋，迭 代求出支挡结构的优化设计。这种算法可推广到锚杆挡土墙和框架锚杆 挡土墙，能够计算预应力锚杆的拉力、支挡结构的内力、位移，通过调 整预应力的大小实现支挡结构的位移控制，使支挡结构的分析和设计更 加合理可靠。 2 1 多层预应力锚杆排桩支挡结构的计算模型 在预应力锚杆排桩支挡结构中，锚杆作为排桩的弹性支撑，使桩由一 个悬臂的静定结构变为多支点的超静定结构，结构受力形式发生了很大 改变。支挡结构受力合理，大大降低了工程造价，提高了工程的安全性。 但结构受力变形使得原来简单的极限承载力分析变得复杂化，甚至难以 求解。用极限承载力算法可以解答单支点结构体系，但不能计算土体、 锚杆和桩协同工作时的位移。且极限承载力算法不能够求解多层预应力 锚杆。目前常用的分层平衡法计算出的结果与实际受力相差较大，也不 能够求得支挡结构的位移。 大量工程实践表明，在土质较好的黄土地区开挖深基坑时，锚杆排桩 结构在锚杆加预应力之前，开挖深度较浅，锚杆所处位置水平位移忽略 不计。锚杆的变形基本发生在锚杆的自由段，锚固段只产生蠕变预应力 损失。其基本假定如下，计算简图见图2 2 ： 1 ) 在计算作用在桩上的水平土压力时认为挡土侧产生主动土压力， 桩的嵌固段挡土侧为主动土压力，基坑侧为被动土压力。 2 ) 锚杆所处位置在施加预应力之前水平位移为零。 3 ) 锚杆自由段为可变形段，锚杆处理为桩的弹性支撑。 4 ) 桩在平衡状态下，嵌固段存在弯矩为零的点。 1 0 硕士学位论文 图2 2 多层预应力锚杆排桩计算简图 桩在嵌固段左侧被动土压力。和右侧主动土压力相等处，土压力 合力为零，桩身弯矩为零为零。在求锚杆和桩身内力及支挡结构位移时， 视此点为反弯点，即可在此处加入一铰支座，如图2 2 。 1 第j 根预应力锚杆变形段长度 如图2 2 所示，在锚固区外，预应力锚杆为可伸长的轴向拉伸杆，在 锚固区内主要实现锚杆稳定锚固。由此可见，锚杆的长度有两部分组成， 即由锚固土体锚固强度确定的锚固段的长度乙，和拉伸段长度( 自由段) ， 是主动区外锚杆长度加上深入锚固区的一段构造长度，即第j 根锚杆自由 段的长度为： 乞= 0 - i - 钙 ( 2 1 ) 其中，址疗一般取o 5 1m ，可由锚固土体条件确定。 l f j l ：兰竺二i 工， ( 2 2 ) = 。了工j kz z ， cos 口j+si n 口j t an ( 45 。+ ) 将式( 2 2 ) 代入式( 2 1 ) ，得第j 根锚杆的自由段计算长度 c t a n ( 4 5 。+ 里、i 铲i ；南矿锡 。) 式中：d p 一一基坑边各土层内摩擦角的加权平均值； 口，一一第j 层锚杆与水平面夹角； x ，一一第j 层锚杆与坡底的垂直距离。 桩锚支护下深基坑的开挖变形监测及信息化施1 二研究 2 第j 根锚杆的预应力 第j 根锚杆的预应力为： = 盯p 彳， ( 2 4 ) 式中：= 一q 。 一一锚杆的张拉控制应力，取钢筋标准强度的8 5 ； q 一一预应力损失，o i = o 1 l + q 4 + q 6 ： q 。一一锚具回缩引起的预应力损失； q 。一一锚杆钢筋应力松弛引起的预应力损失； q 。一一锚具土体蠕变引起的预应力损失； 彳，一一预应力锚杆的截面面积。 2 2 多层预应力锚杆排桩的内力计算 根据多层预应力锚杆排桩的计算假定，取反弯点以上为内力和位移 计算的对象。若为单根锚杆，可由极限平衡条件直接求出支护结构的内 力和向坑内的水平位移的极限最大值。若为多层锚杆，采用有限元法建 立矩阵位移方程，引入边界条件，进而求出锚杆和支护桩的内力以及支 护结构的内力和位移。 1 建立桩的有限元计算的矩阵方程 毛。k l ：毛，毛。 乞。如；屯。 墨，毛：屯k 吒l 吒2 k k n n 式中：毛= 6 皿 乎 6 e j 乎 1 2 皿 军 1 2 e f 才 e m i e m 。 毛o = 1 n j = l 功= 0 ； 4 呻点咖舻啦移； ；6 | 节点的转角位移； 坷o 了扁的水耳确戡； m 啼点的力矩。 ( 2 5 ) 2 确定支座的边界条件 桩在反弯点处，主动土压力与被动土压力相等，则水平位移a o = o 。预 应力锚杆j 位置时，节点水平位移为： 1 2 4 q龟岛4谚瓯幺 硕士学位论文 4 = 掣毛 式中，q 为第j 根锚杆支座处的水平支座反力。 内力和位移由迭代法求出。 2 3 多层预应力锚杆排桩结构设计 ( 2 6 ) 1 预应力锚杆排桩支挡结构最优设计的迭代法 根据多层预应力锚杆计算简图和边界条件，可用迭代法给出合理的预 应力锚杆尺寸。具体计算方法和步骤如下： 1 ) 给出锚杆材料、数量、位置和水平面的夹角，先假定支挡结构中 桩截面尺寸、锚杆截面积和桩插入基坑底部的长度d ( d a o ) 为设计初值， 根据锚杆尺寸按式( 2 4 ) 求处锚杆预应力。 2 ) 根据有限元计算桩和锚杆的内力和位移。 3 ) 验算各构件强度条件和基坑水平位移条件。 根据锚杆强度条件验算锚杆强度 z = 日，c o s o r j 彳，( _ ，= 1 ，2 ，后) ( 2 7 ) 式中：乙一一第j 根预应力锚杆的计算拉力； f ，一一锚杆的抗拉设计强度； 七一一锚杆根数。 满足上式时，进行下一步验算，若上式不满足，按下式调整不满足 条件的锚杆的截面：a a ，+ a a ， ( 2 8 ) 式中：z 一一修正后的第i 锚杆的截面面积； 彳，一一第j 根锚杆的原截面面积； 鲋，一一第j 根锚杆的截面面积面积增量。 将彳：作为锚杆截面面积，返回步骤2 ) 重新分析计算，直到式( 2 7 ) 满足为止。 4 ) 按照桩身稳定性条件( 去掉图2 2 的铰支座) 确定桩的嵌固深度： + q ( _ + d ) 1 2 y o h , 玩 ( 2 9 ) 式中：e p k 一一桩底以上基坑内侧各土层水平抗力标准值p 础的合力之 和。 一一合力作用点至桩底的距离； 一一桩底以上基坑内侧各土层水平荷载标准值的合力之 和。 吃一一合力e o , 作用点至桩底的距离； 一一支挡结构重要性系数。 桩锚支护下深基坑的开挖变形监测及信息化施工研究 若上式满足要求，输出计算结果，若不满足，按下式修改嵌固长度： d = d + d( 2 1o ) 式中：d + 一一修正后的嵌固长度； d 一一原嵌固长度； d 一一嵌固长度增量。 将d 作为嵌固长度，代回步骤2 ) 重新分析计算，直到上式得到满足 为止。 5 )根据基坑使用的位移限制条件调整预应力大小或增加预应力锚 杆的截面尺寸： 。【】 ( 2 11 ) 式中，。为排桩顶部的水平位移，【】排桩顶部水平位移的容许值。 若上式满足，输出结果。若不满足，则按下式增加锚杆预应力： 嘭= + 4 ( 2 12 ) 当预应力控制应力满足= + o p o 9 5 f , , 的极限值时，按式( 2 8 ) 修改所有预应力锚杆的截面面积，直至预应力满足式( 2 11 ) 为止。 根据分析、修改设计参数等迭代过程，可得预应力排桩锚杆的优化设 计结果，将桩身截面尺寸、锚杆截面面积、桩的嵌固深度作为支挡结构 的最后设计结果输出。 2 锚杆锚固段长度设计 锚杆设计除需解决锚杆预应力的大小、锚杆的直径，还需解决锚固 段长度。锚杆在稳定锚固区的长度应满足： 1 2 乃鸭乙 ( 2 13 ) 式