（采矿工程专业论文）基坑支护结构位移和弯矩的分析研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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 武汉理工大学或其他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：兰睹日期：丝! 墼堕! 璺 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：擅导师( 签名) ：丝每垒一日期二竺塑目 气 ； r 、 - - 0 lk 一“ 、- 摘要 i iii1 11 111 1 111 1ni ii y 18 8 010 0 随着我国城市建设的不断发展，大规模的轨道交通建设不断增多，隧道基 坑工程规模越来越大，基坑的开挖深度越来越深，面临的工程风险也不断增加。 如何在基坑开挖过程中确保支护结构的安全，研究分析不同类型的支护形式在 基坑开挖过程中其支护结构的位移和弯矩的规律及特点，愈发成为一个有实际 价值的研究课题。本文以武汉阅马场交通综合整治工程首义广场隧道工程为项 目依托，以悬臂式排桩支护结构和排桩+ 钢支撑支护结构形式为主要研究目标， 进行了如下几个方面的研究： 1 、总结分析由实测数据反算支护结构弯矩的算法和基本原理，指出研究的 关键问题是如何获得基坑支护结构的变形曲率。工程实测数据主要包括实测钢 筋计应力和实测桩身测斜曲线。由于在支护结构内不可能大量的设置钢筋应力 计，因此基于实测钢筋计应力推算支护结构弯矩的方法在实际工程中是不现实 的。实测数据反算弯矩的研究重点应是实测测斜曲线。 2 、在e s k o o i 和t l r a m s e y 两位学者的研究成果基础上对支护结构的典 型变形曲线，利用分段三次曲线拟合五点的方法拟合变形求曲率，得到支护桩 的弯矩并进行详细分析，为在复杂的基坑开挖过程中，对基坑支护结构安全状 态进行实时评判，提供了一种方便实用的方法。 3 、在前人研究的基础上总结分析深基坑支护结构的计算理论和方法，对基 坑支护结构的变形和受力计算提出一些较为合理的计算方法，例如考虑施工过 程的增量计算法，总结出了基坑支护结构计算设计中较为实用和系统的计算方 法和理论。 4 、在综合分析基坑支护结构计算理论和方法的基础上，分别采用解析法和 数值模拟法对武汉阅马场交通综合整治工程首义广场隧道工程中悬臂式排桩支 护结构和排桩+ 钢支撑支护结构的位移和弯矩进行计算，并相互间进行结果的对 比分析，研究分析了两种典型的支护结构在基坑开挖过程中桩身侧向位移和受 力弯矩的分布规律和特点。 关键词：深基坑，支护结构，位移，弯矩，测斜数据 1 卜 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fc i t yc o n s t r u c t i o ni no u rc o u n t r y ，t h e c o n s t r u c t i o no fm a s s i v er a i lt r a n s p o r ti si n c r e a s i n g 1 1 l es c a l eo ft h et u n n e le x c a v a t i o n p r o j e c t si sb e c o m i n gl a r g e r , t h ee x c a v a t i o ni sb e c o m i n gd e e p e r , a n dt h er i s k so f t h e s e p r o j e c t sa r eb e c o m i n gh i g h e r i no r d e r t oe n s u r et h es a f e t yo f t h es u p p o r t i n gs t r u c t u r e ， i ti sb e c o m i n gag r o w i n g l yv a l u a b l ep r o j e c tt os t u d yt h ed i s p l a c e m e n td e f o r m a t i o no f d i f f e r e n ts u p p o r t i n gs 仃u c t u r e sa sw e l la st h ep a t t e r n sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fi t s b e n d i n gm o m e n t s b a s e do nt h ec u tc o v e rt u n n e lp r o j e c ti ns h o u y is q u a r eo fw u h a n , t h i sp a p e ra i m st of o c u so nc a n t i l e v e rp i l e sa n dp i l e s + s t e e ls u p p o r t i n gf r o mt h e f o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 t h ep a p e rs u m m a r i z e sa n da n a l y z e st h em e t h o d sa n db a s i cp r i n c i p l e so f c a l c u l a t i n gt h eb e n d i n gm o m e n t so ft h es u p p o r t i n gs t r u c t u r eb a s e do nm e a s u r e dd a t a i ta l s op o i n t so u tt h ek e yq u e s t i o ni sh o wt oo b t a i nt h ed e f o r m a t i o nc u r v a t u r eo ft h e s u p p o r t i n gs t r u c t u r e m e a s u r e dd a t ai n c l u d e sr e i n f o r c e m e n ts t r e s s e sa n di n c l i n o m e t e r c u r v e s i n c ei ti si m p o s s i b l et op u tp l e n t yo fs t r e s sg a u g e sw i t h i nt h es u p p o r t i n g s t r u b q u l e s ，t h em e t h o do fc a l c u l a t i n gt h eb e n d i n gm o m e n t sb a s e do nt h em e a s u r e d r e i n f o r c e m e n ts t r e s s e si su n r e a l i s t i c t h e r e f o r e ，t h e s t u d yw i l lm a i n l yr e l yo n i n c l i n o m e t e rc u r v e 2 b a s e do nt h es t u d i e so fp s k o o ia n dt l r a m s e y , t h ep a p e ra d o p t st h e m e t h o do fp i e c e w i s ec u b i cc u r v ef i t t i n gt os i m u l a t et h ed e f o r m a t i o na n dc a l c u l a t et h e b e n d i n gm o m e n t s t h r o u g ha l lm - d a p t ha n a l y s i s o ft h er e s u l t sa n dr e a l - t i m e e s t i m a t i o no ft h es a f e t yo ft h es u p p o r t i n gs t r u c 船e sd u r i n gt h ec o m p l i c a t e dp r o c e s so f e x c a v a t i o n , t h ep a p e rp u t sf o r w a r dac o n v e n i e n ta n dp r a c t i c a lm e t h o d 3 b a s e do nf o r m e rs t u d i e s ，t h ep a p e rs u m m a r i z e st h et h e o r i e sa n dm e t h o d so f a n a l y z i n gs u p p o r t i n gs t r u c t u r e si nt h ed e e pf o u n d a t i o ne x c a v a t i o na n dp u t sf o r w a r d s y s t e m a t i ca n dr e a s o n a b l em e t h o d so fc a l c u l a t i n gt h ed i s p l a c e m e n ta n ds t r e s s e so f s u p p o r t i n gs t r u c t u r e s f o ri n s t a n c e ，t h ei n c r e m e n t a lc a l c u l a t i o nm e t h o dc a i lb eu s e dt o m o d e lt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s s 4 t h r o u g ha ni n t e g r a t i v ea n a l y s i s o ft h e o r i e sa n dm e t h o d so fa n a l y z i n g s u p p o r t i n gs t r u c t u r e si nt h ed e e pf o u n d a t i o ne x c a v a t i o n , t h ep a p e ra d o p t st h e 、 - a n a l y t i c a lm e t h o da n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dc a l c u l a t e st h ed e f o r m a t i o na n ds t r e s s o ft h ec a n t i l e v e rp i l e ss u p p o r t sa n dp i l e s + s t e e ls u p p o r t si nt h ec u t c o v e tt u n n e l p r o j e c ti ns h o u y is q u a r eo fw u h a n m e a n w h i l e ，t h ep a p e rc o n d u c t sac o m p a r a t i v e a n a l y s i so ft h e r e s u l t sa n dc o n c l u d e st h e p a t t e r n a n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h e d i s p l a c e m e n td e f o r m a t i o na n db e n d i n gm o m e n t s o ft h et w ot y p i c a l s u p p o r t i n g s t r u c t u r e si nd e e pf o u n d a t i o ne x c a v a t i o n k e yw o r d s ：d e e pf o u n d a t i o ne x c a v a t i o n ；s u p p o r t i n gs t r u c t u r e ；d i s p l a c e m e n t ； b e n d i n gm o m e n t ；i n c l i n o m e t e rd a t a h i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论一1 1 1 研究背景、目的和意义1 1 1 1 研究背景1 1 1 2 研究的目的和意义1 1 2 深基坑支护结构国内外研究现状及存在的问题2 1 2 1 国内研究现状2 1 2 2 国外研究现状5 1 2 3 存在的问题7 1 3 基坑工程的特点及存在的问题7 1 3 1 深基坑工程的特点7 1 3 2 深基坑工程存在的问题8 1 4 论文的研究思路和主要内容1 0 第2 章基于实测数据反算支护结构弯矩的算法原理。1 2 2 1 实测钢筋计应力推算弯矩1 2 2 2 三点定圆计算支护结构弯矩1 3 2 2 1 基于支护结构测斜数据的曲率几何推导1 3 2 2 2 基于支护结构测斜数据的曲率数学推导1 4 2 3 支护结构弯矩反分析的算法研究1 5 2 3 1 曲线拟合求算弯矩的原理15 2 3 2 弯矩反算的最小二乘法。1 6 2 3 3 弯矩反算的自然样条法17 2 3 4 弯矩反算的光顺样条法1 8 2 3 4 1 自然样条曲线的整体能量法光顺原理。1 9 2 3 4 2 在弯矩反算中光顺样条的具体算法1 9 2 4 本章小结2 l 第3 章基于测斜数据的基坑支护结构弯矩分析2 3 3 1 测斜原理2 3 i v 3 2 分段三次曲线拟合变形 3 3 实例应用 3 3 1 工程概况 3 3 2 根据测斜估算的弯矩 3 3 3 弯矩结果分析 3 4 本章小结 第4 章深基坑支护结构的计算理论 4 1 深基坑支护结构计算方法概述 4 1 1 经典方法 4 1 2 弹性地基梁法 4 1 3 数值分析法 4 2 支护结构计算的力学简化方法一 4 3 基坑支护结构的增量计算法。 4 4 本章小结。 第5 章不同支护结构不同算法的结果对比分析 5 1 项目概况 5 2 工程地质和水文地质3 7 5 3 悬臂式排桩支护结构不同算法的结果对比分析3 8 5 3 1 计算区段概况一3 8 5 3 2 解析法一3 9 5 3 2 1 静力计算模型一3 9 5 3 2 2 计算参数及模型一3 9 5 3 3 数值分析方法4 0 5 3 3 1 有限元原理4 0 5 3 3 2m i d a s g t s 数值模拟软件简介4 1 5 3 3 3 模型单元及计算参数的选定4 2 5 3 3 4 模型网格的划分。4 3 5 3 4 计算结果对比分析4 4 5 3 4 1 桩身位移对比分析一4 4 5 3 4 2 桩身弯矩对比分析4 9 5 4 排桩+ 钢支撑支护结构不同算法的结果对比分析5 4 5 4 1 计算区段概况5 4 v 5 4 2 解析法。5 5 5 4 2 1 静力计算模型5 5 5 4 2 2 计算参数及模型5 5 5 4 3 数值分析方法5 6 5 4 3 4 模型网格的划分5 8 5 4 4 计算结果对比分析5 9 5 4 4 1 桩身位移对比分析一5 9 5 4 4 2 桩身弯矩对比分析。6 4 5 5 本章小结6 9 第6 章结论与展望7 1 6 1 结论7 1 6 2 展望7 3 致谢7 4 参考文献7 5 攻读硕士学位期间发表论文。7 9 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景、目的和意义 1 1 1 研究背景 随着现代城市高层建筑的不断增多，城市基础设施建设的不断加快，为 解城市土地紧张、交通拥堵等压力，城市空间发展不断向地下扩张，兴建了 量的地下工程，随之深基坑开挖和支护技术也得到了前所未有的广泛应用。 于城市地下工程大多建在交通密集或者建筑密集的市中心，环境复杂，给工 的正常施工带来很大影响，也对基坑支护的安全性提出了更高的要求。如何在 基坑开挖过程中获得支护结构的弯矩，分析支护结构弯矩在基坑开挖过程中的 变化规律和特点，成为判断支护结构内力安全状态的关键【1 1 。一般深基坑支护体 系多为临时性工程，常常得不到足够的重视，导致基坑支护体系事故频繁发生， 一旦安全事故发生，不仅造成较大的经济损失，致使工期延误，还会对城市周 边建筑和环境产生很大影响，造成非常严重的社会影响。所以，在施工过程中 确保深基坑支护体系的安全，成为整个工程成败的关键，受到越来越广泛的关 注1 2 4 1 。 1 1 2 研究的目的和意义 地下空间的开发与利用是城市发展的必然趋势，地下空间的扩张必然带来 大规模的地下开挖，而在城市密集建筑群区施工必然受到各种因素的影响，例 如交通条件、基坑周围环境、地质水文条件等等，这样便引发了大量的深基坑 工程问题。 基坑工程是一个古老但又带有时代特色的岩土工程课题，它是一项综合性 很强的系统工程。在基坑设计和开挖过程中，既要保证基坑本身的安全，还要 注意基坑开挖对周围环境和建筑设施的影响。在基坑开挖过程中，因基坑支护 结构受力复杂、土的工程性质的变异性以及不均匀性等，致使深基坑工程面临 很大的风险性，稍有不慎便会造成极大的工程事故。所以，应根据工程场地条 件、土质状况、基坑开挖深度、邻近建筑物、道路及地下管网设施的分布，通 武汉理工大学硕士学位论文 过方案对比优化，选用技术先进、安全可靠、施工方便、经济合理的支护结构。 同时，在深基坑施工过程中，为了能全面了解基坑的安全稳定性和基坑开挖对 周围环境的影响程度，应对基坑支护结构、基坑周围土体以及相邻建筑物进行 全面系统的监测。这样在出现异常情况时才能及时反馈，采取必要的应急措施， 甚至调整施工工艺或修改设计参数，以保证工程顺利进行。 如何在基坑开挖过程中获得支护结构的弯矩，分析支护结构弯矩在基坑开 挖过程中的变化规律及特点，判断支护结构所受最大弯矩所在位置，是判断基 坑支护结构内力安全的关键所在。文章首先研究分析基于实测数据反算支护结 构弯矩的算法和理论，并加以实例运用。然后在综合分析基坑支护结构计算理 论和方法的基础上，采用解析法和数值模拟对武汉首义广场隧道工程中悬臂式 排桩支护和排桩+ 钢支撑支护结构的受力及变形进行计算，并进行相互间的结果 对比分析，研究基坑支护结构在开挖过程中桩身侧向位移和弯矩的变化规律和 特点，判断最大弯矩随不同施工阶段所处的位置，对基坑安全稳定进行实时指 导，保证工程施工顺利完成。这也是本文的意义所在。 1 2 深基坑支护结构国内外研究现状及存在的问题 1 2 1 国内研究现状 在我国，基坑工程开始被广泛研究始于7 0 年代末，因那时我国处于改革开 放时期，基础建设迅速发展，高层建筑不断增多，基坑埋深随之不断增加，开 挖深度也就不断加深；到了9 0 年代，大多数城市不断进行旧城改造，这便提出 了新的内容：如何在繁华市区开挖深基坑过程中控制基坑开挖的环境效应? 这 一时期产生了很多先进的计算设计方法，在实际工程中不断付诸实施新的施工 工艺，从而进一步促进了深基坑开挖和支护技术的研究与发展。 新的支护形式的出现并随之产生新的研究分析方法常常是基坑工程发展的 关键。早期常采用放坡形式开挖，但随着基坑开挖深度的增加或者当基坑开挖 出现在城市建筑密集区时，受空间限制，无法实现放坡开挖，便产生了围护开 挖。目前，在实际工程中已有数十种的围护形式。首先出现的形式是放坡开挖， 然后有悬臂支护、拉锚支护、组合型围护等形式。放坡开挖受空间限制影响， 需足够的开挖空间，且开挖量较大，但在周边场地环境允许的情况下，仍是基 坑围护的首选方法；悬臂支护是指通过布置钢板桩和钢筋混凝土桩形成的围护 2 武汉理工大学硕士学位论文 结构，不带拉锚以及内撑；为了使支护结构形式更为合理，并能适用于不同的 基坑形式，发展了组合型围护形式【5 j 。近年来，一些新的支护结构在实际工程 中取得了试用成功，例如：拱形水泥土槽壁结构、闭合( 或非闭合) 挡土拱圈、 连拱式支护结构和桩拱围护体系等等。 如表卜1 所示，在地下结构一书中，孙均和侯学渊( 1 9 8 7 ) 介绍了地下连 续墙作为挡土结构的静力计算理论【们。 表1 - 1 支护结构计算理论和方法汇总 吴凯华( 1 9 8 8 ) 用非线性规划中的d e p 变尺度法及混合罚函数法，以弹性支 撑的假想梁法为例，研究了多撑式地下连续墙的优化设计，初始探讨了地下连 续墙的优化设计问题【7 】。 吴佩轸( 1 9 9 7 ) 依据台北相关工程的的监测结果资料，认为地下连续墙的 具体位移曲线型式与测斜管的埋深、地质水文条件等影响因素有关。她将曲线 型式划分为标准型、多折型、悬臂型和旋转型四种【引。 3 武汉理工大学硕士学位论文 刘建航，侯学渊( 1 9 9 7 ) 研究认为支护结构在受力过程中一侧受拉，另一 侧受压，与之相对应的钢筋计一个受拉，另一个受压，他将地下连续墙当作线 弹性钢筋混凝土梁。运用实测钢筋计应力间接反算支护结构弯矩【9 1 。 刘国彬等( 1 9 9 8 ) 运用可靠度理论及m o n t e c a r l o 有限元法研究分析了模型不 确定性以和土性参数、变异性对基坑开挖过程中支护结构变形和受力结果的影 响，提出了基坑施工过程中基于可靠度理论的支护结构变形及受力的概率预测 方法【1 0 1 。 杨雪强等( 1 9 9 8 ) 借助基坑壁土体三维破坏模式，依据极限平衡理论以及 土的塑形上限理论，研究分析坑壁端部对支护结构土压力的整体屏蔽作用，提 出了考虑空间效应的土压力计算公式【1 1 1 。 俞建霖、龚晓南( 1 9 9 9 ) 利用三维有限元研究分析了基坑开挖过程中基坑的 几何尺寸效应、支护结构的变形以及土压力的空间分布【1 2 】。 杨敏等( 1 9 9 9 ) 考虑基坑开挖和回填过程对围护结构的影响，依据弹性地 基法，对支护结构变形和内力全过程进行完整的模拟。通过与实测值的比较， 讨论了该方法用于支护结构设计计算方法的可行性问题【1 3 1 。 张尚根等( 2 0 0 0 ) 从基坑支护结构变形及内力动态分析中得到考虑空间效应 和不考虑空间效应的计算值，并与实测结果进行对比，表明压顶梁、腰梁对支 护结构侧向位移有较大的限制作用，考虑约束作用的计算结果更加符合工程实 际，以及考虑工况之间连续性的计算结果比各个工况单独计算更为接近实测结 果，与工程实际相符合【1 4 l 。 刘建航( 2 0 0 2 ) 认为在基坑开挖与支护工程中，基坑变形与基坑开挖尺寸 及已开挖部分暴露时间的长短有紧密关系，即与基坑开挖的时空效应紧密相关。 认为可用粘弹性数值分析法考虑时间效应，用三维有限元法考虑空间效应【1 5 l 。 李敏( 2 0 0 2 ) 利用圆拱以及均布径向土压力的特殊性，对圆拱进行曲线积 分，得到了深基坑支护结构中圆拱弯矩的简明而又精确的计算式【l 们。 王印昌( 2 0 0 3 ) 运用全过程分析法，依据钢筋混凝土受弯构件的不同工作状 态推导出分阶段依据实测钢筋应力反算支护结构弯矩的合理算法【1 7 1 。 马石城等( 2 0 0 4 ) 通过研究提出在流变性土体中分析支护结构变形及内力 随时间变化的实用算法【1 8 】。 吴小将，刘国彬，卢礼顺( 2 0 0 5 ) 依据深基坑工程中常规实测的地下连续 墙测斜曲线，建立了一种在不需要知道钢筋应力情况下就能估算地下连续墙弯 矩的简便方法【1 9 1 。 4 武汉理工大学硕士学位论文 高福华等( 2 0 0 5 ) 利用有限元法对南京地铁珠江站基坑进行分析，研究渗 流场在基坑开挖过程中的变化规律及其对围护结构变形的影响，得到了在渗流 情况下的基坑变形规律【2 0 】。 史世雍，刘涛( 2 0 0 6 ) 根据裂缝控制设计思路，得出依据裂缝控制限值推算 围护结构弯矩的算法。并根据实例，详细讨论了地下连续墙的极限弯矩、配筋 率以及荷载短期效应弯矩的影响关系，认为地下连续墙的设计若依据裂缝控制 的设计原则，不仅能达到裂缝控制要求，而且还可以满足极限承载力的要求【2 1 j 。 刘国彬，毛朝辉( 2 0 0 6 ) 引入基于最小能量法的样条光顺处理，有助于消除 由实际测量工作所带来的测斜误差对计算曲率的影响。针对荷载等效的情况， 提出了光顺样条拟合支护结构变形求曲率的算法，并与通过实测钢筋应力推算 所得弯矩相对比分析，验证了方法的正确性 2 2 1 。 1 2 2 国外研究现状 t e r z a g h i 和p e c k 等人 2 3 - 2 4 1 早在2 0 世纪3 0 年代就已经开始研究分析基坑工 程里的岩土工程问题，首次提出了支撑荷载大小和预估挖方稳定程度的总应力 法。之后，众多专家和学者都对这一领域投入了大量的研究，并取得丰硕成果。 2 0 世纪5 0 年代，e i d e 和a j e r r u m 提出深基坑底板隆起的分析方法。此后，6 0 年代在奥斯陆以及墨西哥城软粘土的深基坑开挖工程中开始使用监测仪器进行 现场监测，此后大量实测资料进一步提高了预测的准确性。7 0 年代后，相继制 订了相应的指导开挖的法规【2 5 1 。 p e c k ( 1 9 6 9 ) 通过大量收集美国各地关于基坑开挖的相关实测数据，研究分析 了基坑周围地表沉降及减小沉降的措施、基坑侧向位移、坑底隆起失效以及土 压力计算等方面的内容。并重点分析了基坑开挖深度、地质条件以及施工质量 对基坑变形的影响【2 6 1 。p e c k 的研究认为，支护结构发生变形的侧向位移型式与 基坑的施工阶段密切相关。在基坑开挖初期基坑未加支撑时，最大位移位于桩 顶，但若桩顶早期便架设支撑，则其偏移量会明显减小。 l a m b e ( 1 9 7 0 ) 总结基坑施工过程中影响土体变形位移的相关因素，研究分 析了基坑开挖的设计、分析及其支护系统。对波士顿m b t a 地铁中三个基坑工程 运用当时的设计分析方法进行研究，将预测值和实测值相对比，发现两者相差 太远，所以当时关于深基坑开挖的设计和分析方法很难令人满意。l a m b e 认为研 究基坑开挖的两个最有效途径：有限元法及从实际工程中所得的经验。 5 武汉理工大学硕士学位论文 c l o u g h ( 1 9 7 1 ) 第一次应用有限元分析基坑工程，主要分析了土体和基坑工程 的时空效应对支护结构体系的影响。从此之后，数值分析法开始在基坑工程中 得到广泛的应用 2 5 1 。 g o l d b e r g 等人( 1 9 7 6 ) 编写了三卷有关基坑开挖支撑系统的设计、施工以及变 形等方面的研究报告。它以6 3 个工程的实测数据为基础，将支护结构变形、基 坑周围地表沉降分布形态与土层条件及基坑开挖深度联系起来，分析了支护结 构最大侧向位移、周围地表最大沉降及沉降分布形态【2 9 1 。 s i m p s o n 等( 19 7 9 ) 对伦敦粘土的应力应变关系运用非线性有限元分析程序进 行计算，将伦敦粘土划分为弹性区、过渡区和塑性区，计算模型最后成功的分 析了伦敦粘土中两个深基坑开挖变形工程f 3 0 l 。 m a n n a 和c l o u g h ( 1 9 8 1 ) 提出了一种估算支护桩最大位移和桩后底面最大沉降 的方法，即基于数值分析和实际工程经验的稳定系数安全法。结果发现：支护 桩最大位移和桩后底面最大沉降会随着各向异性的影响而显著的增加1 3 1 1 。 b o l t o n ( 1 9 8 8 ) 利用模型试验分析了基坑失稳前土体与周围结构的相互作用、 地下连续墙的性能及墙体位移、土体位移和孔隙水压力的分布规律【3 2 l 。 w o n g 和b r o m s ( 1 9 8 9 ) 研究分析了在粘性土中柔性支护结构变形的各种影响 因素，例如：支护桩刚度、土体抗剪强度、基坑开挖深度和宽度、开挖面以下 硬土层厚度等各个因素【3 3 1 。 c l o u g h ( 1 9 9 0 ) 认为在基坑开挖过程中若支护体系为内支撑和锚拉系统，那么 支护结构的变形型式有三种，第一是悬臂式位移，支护结构顶部在基坑开挖初 期未架设支撑而发生挠曲变形的位移；第二是深槽向内位移，架设支撑后限制 了支护结构顶部的变形位移，形成深槽向内的位移变形型态；第三种是上述两 种型式的组合【3 4 1 。 h a s h a s h 和w h i t t l e ( 1 9 9 3 ) 采用一种新的非线性弹性土体的本构模型模拟基坑 施工过程，并同时运用混合有限元来分析耦合效应和渗流【3 5 1 。 p o h e t a l ( 1 9 9 7 ) 通过实际监测地下连续墙支护基坑，从实测位移数据反分析墙 体弯矩，发现墙体开裂会导致弯矩大幅下降，侧向位移却增长很小。文章还对 墙体埋深和刚度、支撑刚度等进行参数分析，研究表明在硬土中增大支撑刚度 及增大墙体刚度和埋深对支护结构最大侧向位移和弯矩减小没有明显效果，但 是支撑道数的增加会对支护结构变形的减小起到明显效果m 1 。 l o n g ( 2 0 0 1 ) 收集了大量关于基坑工程土体和墙体变形的实际测量资料，按土 质条件分类，讨论分析了基坑开挖深度、坑底抗隆起稳定系数以及支撑系统刚 6 武汉理工大学硕士学位论文 度等对基坑变形的影响【3 7 1 。 e s k o o i ，t l r a m s e y ( 2 0 0 3 ) 根据施工现场测斜仪所测得的位移曲线，通过曲 线拟合得到曲率，进而得出计算支护结构弯矩较为合理的估算方法1 3 8 l 。 1 2 3 存在的问题 1 、根据实测钢筋应力计推算支护结构弯矩方法的缺点和局限性是明显的： 在支护结构内部不可能大量的设置钢筋应力计。实测钢筋应力推算支护结构弯 矩在科研目的的情况下是可行的，但是再工程中大量运用是没有可操作性的。 基于实测位移曲线反算支护结构弯矩则存在实际测斜误差的影响。 2 、由于基坑开挖的复杂性和拥有众多诸如土压力，土的本构，支护结构和 土共同作用等较难确定的因素，以及施工过程的不确定性，在设计阶段计算的 某些工况的支护结构内力和变形，不能满足与实际工况相对应。 3 、在支护结构受力变形的研究方法中，古典法的缺陷在于其假设与工程实 际有很大差别，难以应用在工程实际设计中；解析法的缺点是：在基坑开挖过 程中无法有效算入支撑轴力和挡土结构的变化过程，并且在分析多道支撑的挡 土结构时，内力结果与实际值相比有较大误差；随着计算机的迅速发展，有限 元法( 弹性杆系有限元法和连续介质有限元法) 逐渐成为一种极有发展前景的 计算设计方法，但是当前连续介质有限元法中土的本构关系模型发展还不成熟， 缺少真实反应土的应力应变关系的本构模型，另外在模拟过程中难以准确确定 各类参数，从而有限元法还需要进一步的发展应用才能够更为广泛。 1 3 基坑工程的特点及存在的问题 1 3 1 深基坑工程的特点 深基坑工程需要岩土工程以及结构工程的相关知识，是一项综合性很强的 系统工程。以下是深基坑工程的主要特点 3 9 1 ： ( 1 ) 基坑工程的特性。深基坑开挖与支护设计不仅和工程水文地质条件有 关，还与相邻构筑物、建筑物以及地下管线位置、重要性等因素有关。在基坑 开挖过程中往往要特别保证相邻建筑和市政设施的安全。 ( 2 ) 基坑工程的时空效应。在深基坑开挖与支护过程中，基坑的变形与基 坑分段开挖尺寸和已开挖部位的暴露时间密切相关。特别是在具有很强蠕变性 7 武汉理工大学硕士学位论文 的软粘土中，基坑开挖会造成较大的土体沉降和位移，对基坑周边相邻的构筑 物、建筑物、市政设施以及地下管线等带来很大影响； ( 3 ) 基坑工程的环境效应。深基坑开挖施工对周围环境具有很大影响，在 施工过程中不仅要确保基坑自身安全，还要对周围环境造成的影响降到最低。 ( 4 ) 基坑工程的综合性。深基坑工程涉及到土力学中的强度、整体稳定、 变形和渗流等课题，需要综合处理。并且，深基坑工程又是结构工程、岩土工 程以及施工技术等相互交叉的学科，是多种复杂因素相互影响的系统化工程。 ( 5 ) 基坑工程的复杂性。高层建筑不断增多，基坑深度不断加深，基坑开 挖量大，基坑工程有的长度和宽度达到数百米，对支撑体系造成很大难度。深 基坑工程有时工期较长，大气降雨、场地空间狭窄、场地内堆放重物等因素对 基坑自身的安全稳定不利。当多个工程在相邻场地同时施工时，挖土、降水、 打桩以及浇筑混凝土等工序会相互影响和制约，给施工协调工作增大难度。 1 3 2 深基坑工程存在的问题 ( 1 ) 设计阶段存在的问题 设计阶段存在问题主要为基坑工程中结构选型的不合理及土压力的计算问 题，其中重点是结构选型问题。基坑支护以及撑锚的方法很多，有多种方法都 可以达到同一个目的，但每种方法都会有其独特的优点，例如：有的投资少、 有的速度快、有的噪音小等等。整体而言，深基坑工程支护结构可分为两种： 桩式和墙式，其中桩式支护结构又可分为分离的排桩结构和连续的板桩结构。 目前在无地下水或者允许坑外降水等工程中大量运用分离的排桩结构，而板桩 结构由于其特点等原因目前较少使用。 ( 2 ) 勘察设计阶段 a 基坑工程勘察与环境调查 有的建设方由于经济原因，对基坑周围建筑物、构筑物等调查不仔细，不 重视基坑工程的勘察工作，加之勘察市场的管理存在不规范现象，在基坑周围 1 - - - , 2 倍的范围内没按相关规范布置勘察点进行监测，由此致使地质资料不准确， 勘察报告质量低，软土或者软土夹层没能勘察清楚等。选择不当的支护型式后 造成基坑失稳。 建设方为了节省投资对基坑周围管线很少进行调查，致使由于环境因素考 虑不周从而引发基坑失稳。 8 武汉理工大学硕士学位论文 b 基坑工程支护选型 分析发现基坑工程选型不合理以及考虑的影响因素不全是众多深基坑支护 工程事故发生的最主要原因。 c 设计参数取值 没有考虑到土质参数和抗力系数由于自然因素或其他因素的影响会使其强 度降低；没有根据当地经验和及实验确定基坑加固后的计算指标；基坑周围环 境荷载的取值不当等。 d 地下水处理 地下水处理主要包括地下承压水的控制设计和周边帷幕的设置。对浅层粉 土和粉质粘土夹粉土层土的认知不足，设置帷幕效果不足或坑壁不设置帷幕， 致使基坑流水、流砂、流土，边坡滑移和失稳以及周围地面产生不均匀沉降。 ( 3 ) 施工阶段 没有严格按照设计审定的方案施工。主要表现为建设方为了省钱，常常会 让施工单位对设计图纸随意修改。受制于业主的监理单位，很难按照职责监理。 有时甚至出现设计是一套图纸但施工时却使用另外一套图纸的情况。 ( 4 ) 监测阶段 深基坑工程水文地质条件复杂，以及周围环境的影响，设计时的预估值往 往和现场施工事的实际值存有一定差异。所依，深基坑工程的安全不仅与合理 的设计、施工有关，而且也与贯穿于工程设计、整个施工过程的信息化监测相 关。基坑工程在发生事故之前都会有一定的预兆，支护结构的破坏都要经历由 量变到质变的过程，通过监测可以优化设计方法，保证基坑开挖安全稳定、经 济合理。 目前，很多建设方不作基坑监测；或者让施工单位自测来代替第三方监测； 或者布置很少的监测点，对测斜、应力等项目根本不作监测，仅仅以简单的沉 降观测来应对相关管理部门；有的虽然制订了较详细的监测方案却根本不实施， 施工监测形同虚设。 ( 5 ) 监督管理 1 ) 深基坑招投标时，有些建设方会认为深基坑只是临时工程，不愿投入太 多资金，存在侥幸心理，认为可以顺利过关；不知道深基坑的重要性及风险性， 没有以设计能力和方案安全合理性为主进行招投标，结果常常以最低价中标， 致使许多优秀的合理设计方案无法中标，从而留下重大安全隐患，最终便酿成 重大安全事故。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 ) 在深基坑勘察设计方面，由于竞争激烈，少数单位存在有挂靠，弄虚作 假，不遵循规范就进行勘察设计等违法行为。 3 ) 在深基坑施工方面，有的总承包单位并没有工程作业经验和能力，中标 后有的只会一味蛮干，有的则直接分包给没有资质、经验和能力的个人，存在 很大风险。有些施工单位为追求利润，采用“阴阳图纸 施工作业。 4 ) 在深基坑监测方面，在1 9 9 8 年以前，有专门的管理部门对基坑监测进行 严格的检查管理。但1 9 9 8 年后由于结构调整，政府管理力度极大减弱，有的建 设方甚至不监测，而是让总包单位或者施工单位自测，根本无法及时发现事故 的安全隐患。 5 ) 在深基坑科研创新方面，许多基坑设计和施工单位由于生存压力的原因， 无法组织力量进行基坑科研创新工作。 1 4 论文的研究思路和主要内容 针对国内外的研究现状，直接从理论上分析在基坑开挖过程中支护结构的 位移和弯矩之间的变化规律还存在着很多困难，而完全从实际工程中实测数据 来整理、归纳出一般结论则需要有很大的工作量，而且容易出现误差，并且不 一定能适合所有工程的情况。 本课题以武汉首义广场明挖隧道基坑悬臂式排桩支护结构和排桩+ 钢支撑 围护结构的地段为工程研究背景，隧道基坑工程采取直行下穿隧道为主体的立 交方案。上下长江大桥的主车道在红楼前入地下隧道穿过首义文化园，出口在 黄鹤楼下方，为双向四车道，人车彻底分流。同时，在三医院旁打通一条穿城 大道，连通民主路与彭刘杨路，在长江大桥右转接彭刘杨路的下桥匝道，在红 楼北侧、蛇山南侧新建两车道上桥匝道，并将拓宽古楼洞。首义广场隧道全长 1 3 9 k m ，施工采用明挖法，基坑随工作面的推进而向前不断移动。隧道西起长 江大桥引桥黄鹤楼下，东至武珞路中南财大门口。 本课题以大量的实测数据为依托，对两种典型的支护结构悬臂式排桩围护 结构和排桩+ 钢支撑支护结构进行研究分析。首先运用p s k o o i 和t l r a m s e y 两 位学者的研究理论，基于测斜数据采用分段三次曲线拟合五点的方法反算支护 结构弯矩。然后分别运用理正深基坑解析软件和m i d a s g t s 数值模拟软件计算 不同施工阶段支护结构的位移变