xx西客站站前广场深基坑工程设计优化研究报告Word下载.docx

xx西客站站前广场深基坑工程设计优化研究报告Word下载.docx

《xx西客站站前广场深基坑工程设计优化研究报告Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《xx西客站站前广场深基坑工程设计优化研究报告Word下载.docx（98页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

分布于场地表层，分为素填土（①层）和杂填土（①1层）。

①素填土：

黄褐色，可塑，湿，含少量砖屑、灰渣。

主要分布于该层中下部。

①1杂填土：

杂色，成分主要为建筑垃圾，砖块、灰渣等，结构松散，位于该层上部。

层厚：

0.50～6.20米，层底标高：

24.26～30.06米。

②粉质粘土：

褐黄色，局部黄褐色，可塑，湿，含铁锰氧化物，无摇振反应，刀切面较光滑，干强度和韧性中等。

0.40～5.00米，层底深度：

1.20～5.50米，层底标高：

21.61～25.11米。

③粉土：

褐黄色，中密，湿，含氧化铁斑点，摇振反应迅速，刀切面粗糙，干强度和韧性低。

0.30～4.30米，层底深度：

2.50～7.80米，层底标高：

22.69～28.49米。

④粉质粘土：

褐黄色、灰黄色，可塑，湿，含铁锰氧化物，无摇振反应，刀切面较光滑，干强度和韧性中等。

3.40～9.90米，层底深度：

7.30～13.90米，层底标高：

17.44～21.56米。

⑤粉质粘土：

浅棕黄色，可塑，湿，含铁锰氧化物，少量姜石，无摇振反应，刀切面较光滑，干强度和韧性中等。

该层内主要有4个亚层，分述如下：

⑤1粉质粘土：

灰黄色，可塑，含铁锰氧化物、少量姜石，无摇振反应，刀切面较光滑，干强度和韧性中等；

局部地段姜石含量可达15～25%,为粉质粘土混姜石。

⑤2砂层：

主要为中砂，浅棕黄色，中密，矿物成分为石英、长石，局部为中密粗砂、卵石土。

砂层中局部地段为砂粒钙质胶结砂岩，钻探取样呈碎块或短柱状。

⑤3粘土：

浅棕黄色，可～硬塑，湿，含铁锰氧化物，少量姜石，无摇振反应，刀切面光滑，干强度和韧性高。

⑤4泥钙质胶结砾岩：

浅棕黄色，呈泥钙质胶结，钻探岩芯呈碎块状或短柱状，零星分布。

11.50～20.80米，层底深度：

22.00～31.00米，层底标高：

-0.83～8.23米。

⑥粘土：

浅棕黄色，硬塑，湿，含铁锰氧化物及其结核，少量姜石，无摇振反应，刀切面光滑，干强度和韧性高。

该层内主要有2个亚层，分述如下：

⑥1粉质粘土：

浅棕黄色，硬可塑，湿，含铁锰氧化物，无摇振反应，刀切面较光滑，干强度和韧性较高。

⑥2砾岩：

浅棕黄色～棕黄色，泥、钙质胶结，钻探岩芯呈硬块状。

1.60～10.00米，层底深度：

29.00～34.50米，层底标高：

-4.48～1.89米。

⑦粉质粘土：

浅棕黄色，硬可塑，湿，含铁锰氧化物，无摇振反应，刀切面较光滑，干强度和韧性中等。

该层内主要有3个亚层，分述如下：

⑦1粘土：

浅棕黄色，硬塑，湿，含铁锰氧化物，无摇振反应，刀切面光滑，干强度和韧性高。

⑦2细砂：

浅棕黄色，中密，矿物成分为石英、长石，局部含少量卵石。

主要呈透镜体状零星分布。

⑦3砾岩：

棕黄色，泥、钙质胶结，钻探揭示呈碎块或短柱状。

7.00～22.00米，层底深度：

40.00～53.70米，层底标高：

-23.70～-10.00米。

⑧卵石、中砂夹粉质粘土：

该层以卵石为主，顶部局部分布中砂，中部夹棕黄色硬可塑粉质粘土、胶结砾岩。

⑧卵石土：

中密，其母岩成分为石灰岩，亚圆形，粒径2～6厘米，含量60～80％，混棕黄色粘性土，局部胶结为砾岩。

⑧1中砂：

棕黄色，中密，矿物成分为石英、长石，混少量卵石，局部为粗砂。

⑧2粉质粘土：

主要呈薄层或透镜体分布于该层中部。

25.80～38.00米，层底深度：

76.00～85.00米，层底标高：

-55.36～-46.05米。

⑨辉长岩残积土：

黄绿色，密实，湿，原岩剧烈风化，结构全部破坏，具塑性，手捏呈土状。

2.00～10.0米，层底深度：

80.00～86.00米，层底高程：

-56.05～-50.00米。

⑩强风化辉长岩：

黄绿色，密实，湿，矿物成分以普通辉石和斜长石为主。

中粒结构。

原岩强烈风化呈粗砾砂状和碎块状。

该层未揭穿，最大揭露厚度：

12.00米，最大揭露深度：

92.00米。

勘察报告提供相关参数如下表：

根据周边类似基坑施工经验，结合基坑规范规程及相关文献，考虑全封闭止水帷幕内土层的降水作用和勘察报告土层相关指标的实验方法，经与勘察单位协调沟通，将土层抗剪强度指标标准值（粘聚力C、内摩擦角φ）上调10%，作为基坑支护设计力学参数：

1.5.2地形地貌及水文地质条件

拟建场地位于黄河、小清河冲积平原的边缘相，场地以北有小清河，以东有腊山河。

整个场地地形开阔，地势较平坦，勘探期间测得场地自然地面标高为29.35～31.04米。

场区水文地质单元位于西郊玉符河隐伏冲积扇前缘砂、砂砾石富水区。

地下水类型为第四系孔隙潜水。

主要由大气降水和地下水渗流补给。

勘探期间属平水期，在钻孔中测得地下水静止水位埋深3.40～4.76米，相应标高25.67～26.50米，水位随季节性变化较大，变化幅度1.00～2.00米。

1.6支护体系（详见施工图）

（1）北、南广场基坑支护

1-1剖面：

挖深约12.5m，1:

0.8放坡。

采用分阶放坡的土钉墙支护型式，设置五道土钉，挂网喷砼；

加强段采用预应力锚杆和土钉墙结合的复合土钉墙支护，设置二道土钉、三道预应力锚索，挂网喷砼；

（2）北区酒店综合楼双塔和南区高层办公楼区域、预埋地铁1号线外伸端南北侧

2-2剖面：

挖深约15.0m，1:

采用分阶放坡的土钉墙支护型式，设置六道土钉，挂网喷砼；

加强段采用预应力锚杆和土钉墙结合的复合土钉墙支护，设置二道土钉、四道预应力锚索，挂网喷砼；

（3）预埋地铁1号线外伸端东侧（横穿站东路，邻近临时道路）

3-3剖面：

0.5放坡。

采用预应力锚杆及土钉墙结合的复合土钉墙支护，设置七道土钉、三道预应力锚索，挂网喷砼；

（4）预埋地铁1号线站前广场内的基坑，在站前广场开挖深度12.5m的基础上，再下挖2.61m～7.41m，采用1:

0.4～1:

1坡率，挂网喷砼，见剖面设计4-4、5-5、6-6；

（5）预埋地铁6号线站前广场内的结构，与站前广场同步建设，地铁6号线地下工程施工形成的一阶基坑东侧边坡将挖除，南、北侧将与站前南、北广场基坑边坡连接。

保留先期施工一阶基坑南、北侧部分边坡，按1：

1.5坡率挖除南、北两侧一阶基坑形成的边坡，挂网喷砼。

（6）主要结构材料

水泥--P.042.5普通硅酸盐水泥

钢筋--φ：

HPB235强度标准值fyk=235N/mm²

Ф：

HRB335强度标准值fyk=335N/mm²

：

HRB400强度标准值fyk=400N/mm²

钢绞线--φs15.2强度标准值fptk=1860N/mm²

锚孔注浆材料--水泥浆，强度不低于M20

喷射混凝土--强度等级C20

（7）主要参数

1）土钉

土钉长度6.0～15.0m，钻孔直径130mm，杆体材料20、28。

取六根土钉做基本实验，获取土钉承载力设计值。

2）预应力锚杆（索）

锚杆长度12.0～15.0m，钻孔直径150mm，杆体材料φs15.2（钢绞线）。

取三根预应力锚杆做基本实验和蠕变实验，获取锚杆承载力设计值。

3）腰梁

腰梁采用钢肩梁施工工艺，材料选用槽钢2[18a。

4）面层

土钉墙支护、放坡部分：

面层钢筋网按φ6.5@250×

250布置，喷砼C20，厚度80mm。

加强段和地铁1#线外伸部分端部：

面层钢筋网按φ8@200×

200布置，喷砼C20，厚度100mm。

1.7降水设计（详见施工图）

综合考虑场地工程地质、水文地质条件，基坑周边环境及基坑深度，依据基坑工程有关技术规范、规程，结合周边类似工程经验，本工程采用全封闭止水帷幕的截水方案，大口径管井坑内降水，坑外回灌实现基坑开挖和主体建设必须的地下水控制目标。

1.7.1基坑设计分区及有关参数

（1）本基坑分四个区域，

（一）北广场基坑；

（二）南广场基坑；

（三）预埋地铁6号线与站前广场内的基坑；

（四）站前广场内预埋地铁1号线基坑。

（2）基坑侧壁安全等级为一级。

（3）本工程为临时性工程，设计时限12个月。

（4）基坑底边线距地下室外墙线按1.2m～2.0m考虑。

（5）基坑开挖边缘2m范围内无堆载，2m以外至一倍基坑开挖深度范围内按15kPa设计；

若需超过以上荷载请通知设计修正。

（6）地层综合渗透系数k=12m/d。

1.7.2地下水控制体系

1.7.2.1止水帷幕

为避免水位下降给周边道路及环境造成不利影响，保证高铁路基"

零"

沉降，采用高压摆喷/旋喷止水帷幕，形成封闭式止水帷幕防渗板墙，构造有效的防护体系。

（1）止水帷幕设计：

①北区酒店综合体双塔区域、南区高层办公楼区域、地铁1#线外伸部分的帷幕采用高压旋喷，桩径1100mm，间距800mm。

桩顶位于自然地坪下4.0m，帷幕有效长度25m，自自然地平起算帷幕深度不小于25m，以封闭砂卵层，控制管涌、流砂；

②其他区域采用高压摆喷，摆角30度，间距1000mm，喷射帷幕墙厚度和搭接长度均不小于200mm。

桩顶位于自然地坪下4.0m，帷幕有效长度20m，自自然地平起算帷幕深度不小于24m。

（2）主要结构材料

水泥--P.O42.5普硅水泥

（3）主要参数

①水泥浆：

灌浆压力0.5～0.6Mpa、进浆量60～80L/min、浆液比重1.50～1.70g/cm3；

或者控制水灰比0.8～1.0。

根据需要添加早强剂。

②高压水：

压力36～40Mpa、流量75L/min；

③压缩空气：

压力0.7～0.8Mpa、流量0.8～1.2m3/min；

④三管提升速度：

8～12cm/min；

⑤摆角：

300；

⑥摆动速度:

8～10r/min；

⑦钻孔施工时钻孔偏斜率应控制在1%以内；

⑧为保证止水帷幕施工效果，建议进行试喷试验，以有效验证、明确帷幕设计施工参数。

1.7.2.2降水方案

场地地下水埋深较浅，地下水较丰富，在基坑开挖支护和基础施工过程中采用降水措施抽排地下水。

（1）采用大口径管井降水井进行降水作业

基坑周边布置降水井，井间距为20m；

坑内设置疏干井，井间距为36m×

36m（4倍柱网距）。

北广场：

周边布置降水井，共21眼，设计井深为20m。

坑内设置疏干井，共31眼，北区酒店综合体塔楼区域（5#、6#、7#疏干井）井深23m，其他均20m。

南广场：

周边布置降水井，共23眼，设计井深均为20m。

坑内设置疏干井，共32眼。

南区高层办公楼区域（24#、25#、31#、32#疏干井）井深23m，其他均20m。

预埋地铁6号线站前广场范围内区域，保留地铁6号线施工用井，按需降水，保证站前广场范围内地铁六号线建设需要。

预埋地铁1号线共布置降水井23眼，其中1～8号井井深26m，9-23号井井深21m。

降水井（疏干井）井径700mm，井管直径500mm，井管采用混凝土无砂滤水管，管壁外侧回填滤料。

（2）基坑坑底、坑顶设置排水沟、集水盲沟、集水井，配合管井降水，控制地下水位。

基坑底部排水沟按盲沟设置，宽深300×

300mm，集水井尺寸500×

500×

500mm，排水沟集水井均距坡脚≥300mm。

（3）回灌措施保证帷幕外地下水位稳定

为减少基坑降水引起帷幕外地下水绕流，导致地面不均匀沉降，止水帷幕外侧设置33眼回灌观测井；

井深设计为13.0m，水平间距约30m，井径700mm，井管径500mm。

（4）控制降水速度和强度，减少长期降水和绕渗对周边环境的不利影响。

（5）做好雨季期间基坑坑顶地面硬化以及坑内、外积水的有组织排放；

（6）疏干井避开主体建筑基础桩基位置，若位置与桩位冲突，降水井可在2m范围内移动。

1.8研究内容

（1）基坑复合土钉墙支护变形规律研究

设计单位依据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99），已对基坑支护设计内部稳定、外部稳定、局部抗拉和混凝土喷射面层进行了强度验算。

西客站基坑工程是重要的临时工程，为合理评估基坑开挖引起的变形及地表沉降，确保基坑开挖对周围环境和建筑物的影响控制在允许范围之内。

我们采用Flac3D对放坡土钉墙、复合土钉墙设计方案进行验算。

①绘制地表沉降曲线，分析各设计剖面基坑开挖引起的地表沉降规律，沉降最大值及出现的位置。

基坑开挖引起的地表沉降影响范围。

②绘制基坑边坡水平变形曲线，分析基坑侧向变形规律，找出各剖面基坑变形最大值。

对一般支护设计剖面、支护设计剖面加强段进行对比分析，研究预应力锚索在加强控制基坑水平变形中的作用。

③研究坑底隆起变形规律。

预测各设计剖面基坑开挖施工基坑隆起最大值及出现的位置。

（2）降水方案设计优化研究

根据**西客站站前广场的基坑工程地质、水文地质、周边环境、地下管线、基坑设计深度等基础资料，确保高铁路基“零”沉降，开展降水方案设计优化研究：

①根据设计规范和经验，初步提出几种止水帷幕、降水井设计方案及相应参数；

②针对不同设计方案，对不同止水帷幕深度、止水帷幕漏水情形，开展三维基坑开挖过程的三维地下水渗流数值模拟研究。

③对不同工况下计算得到地下水位变化趋势进行分析，评估降水效果，给出较优的基坑降水设计方案，确保高铁路基“零”沉降。

第二章计算原理

根据地质勘察报告、设计图纸和研究目标，我们选用FLAC3D开展数值模拟研究。

三维连续体快速拉格朗日分析（FLAC3D）是由美国ItascaConsultingGroupInc开发的三维显式有限差分法程序，它可以模拟岩土或其他材料的三维力学行为。

FLAC3D将计算区域划分为若干六面体单元，每个单元在给定的边界条件下遵循指定的线性或非线性本构关系，如果单元应力使得材料屈服或产生塑性流动，则单元网格可以随着材料的变形而变形，这就是所谓的拉格朗日算法，这种算法非常适合于模拟大变形问题。

FLAC3D采用了显式有限差分格式来求解场的控制微分方程，并应用了混合单元离散模型，可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形，尤其在材料的弹塑性分析、流固耦合过程、大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独到的优点。

2.1FLAC3D计算原理

（1）空间导数的有限差分近似

在FLAC3D中采用了混合离散方法，区域被划分为常应变六面体单元的集合体，而在计算过程中，程序内部又将每个六面体分为以六面体角点为角点的常应变四面体的集合体，变量均在四面体上进行计算，六面体单元的应力、应变取值为其内四面体的体积加权平均。

如图5.2所示四面体，节点编号为1到4，第n面表示与节点n相对的面，设其内任一点的速率分量为

，则可由高斯公式可得：

（2.1）

其中V为四面体的体积，S为四面体的外表面，n为外表面的单位法向向量分量。

（2）运动方程

FLAC3D以节点为计算对象，将力和质量均集中在节点上，然后通过运动方程在时域内进行求解。

节点运动方程可表示为如下形式：

（2.2）

其中

为在t时刻l节点的在i方向的不平衡力分量，可由虚功原理导出。

为l节点的集中质量，在分析静态问题时，采用虚拟质量以保证数值稳定，而在分析动态问题时则采用实际的集中质量。

图2.1四面体

（3）阻尼力

对于静态问题，FLAC3D在式（3）的不平衡力中加入了非粘性阻尼，阻尼力表示为：

（2.3）

其中：

为阻尼系数，其默认值为0.8。

（4）计算循环

FLAC3D的计算循环如图5.3所示。

2.2FLAC3D优点

FLAC3D与有限元法相比有如下优点：

（1）FLAC3D采用混合离散方法来模拟材料的屈服或塑性流动行为，这种方法比有限元方法中通常采用的降阶积分更为合理。

（2）FLAC3D利用动态的运动方程进行求解，即使问题在本质上是静力问题。

这使得FLAC3D很容易模拟动态问题，如振动、失稳、大变形等。

（3）FLAC3D采用显式方法进行求解，对显式法来说非线性本构关系与线性本构关系并无算法上的差别，对于已知的应变增量，可很方便地求出应力增量，并得到不平衡力，就同实际中的物理过程一样，可以跟踪系统的演化过程。

而有限元采用的隐式解法对于非线性问题需进行迭代计算，比线性问题要耗费许多的计算时间，而且无法跟踪系统的演化过程。

此外，显式法不形成刚度矩阵，每一步计算所需计算机内存很小，使用较少的计算机内存就可以模拟大量的单元，特别适于在微机上操作。

而且在求解大变形过程中，因每一时步变形很小，可采用小变形本构关系，只需将各时步的变形叠加，即得到了大变形。

这就避免了通常大变形问题中推导大变形本构关系及其应用中所遇到的麻烦，也使它的求解过程与小变形问题一样。

2.3FLAC3D的本构模型

（1）FLAC3D包含了10种弹塑性材料本构模型，即：

空单元模型。

三种弹性模型：

各向同性、横向各向同性、正交各向异性。

六种塑性模型：

Drucker-Prager准则、摩尔-库仑准则、应变硬化/软化模型、多节理模型、双线性应变硬化/软化多节理模型、修正的剑桥模型。

每个单元可以有不同的材料模型或参数，材料参数可以为线性分布或随机分布。

（2）FLAC3D有五种计算模式。

静力模式。

这是FLAC3D的默认模式，通过动态松弛方法得到静态解。

动力模式。

用户可以直接输入加速度、速度或应力波作为系统的边界条件或初始条件，边界可以是吸收边界和自由边界。

动力计算可以与渗流问题相耦合。

蠕变模式。

有五种蠕变本构模型可供选择以模拟材料的应力－应变－时间关系：

Maxwell模型、双指数模型、参考蠕变模型、粘塑性模型、脆盐模型。

渗流模式。

可以模拟地下水流、孔隙压力耗散以及可变形孔隙介质与其间的粘性流体的耦合。

渗流服从各向同性达西定律，流体和孔隙介质均被看作可变形体。

考虑非稳定流，将稳定流看作是非稳定流的特例。

边界条件可以是固定孔隙压力或恒定流，可以模拟水源或深井。

渗流计算可以与静力、动力或温度计算耦合，也可以单独计算。

温度模式。

可以模拟材料中的瞬态热传导以及温度应力。

温度计算可以与静力、动力或渗流计算耦合，也可单独计算。

（3）FLAC3D可以模拟多种结构形式。

对于通常的岩体、土体或其他材料实体，用八节点六面体单元模拟。

FLAC3D包含有四种结构单元：

梁单元、锚单元、桩单元、壳单元。

可用来模拟岩土工程中的人工结构如支护、衬砌、锚索、岩栓、土工织物、摩擦桩、板桩等。

FLAC3D的网格中可以有界面，这种界面将计算网格分割为若干部分，界面两边的网格可以分离，也可以发生滑动，因此，界面可以模拟节理、断层或虚拟的物理边界。

（4）FLAC3D可以有多种边界条件。

边界方位可以任意变化，边界条件可以是速度边界、应力边界，单元内部可以给定初始应力，节点可以给定初始位移、速度等，还可以给定地下水位以计算有效应力，所有给定量都可以具有空间梯度分布。

（5）FLAC3D具有强大的内嵌程序语言FISH，使得用户可以定义新的变量或函数，以适应用户的特殊需要。

2.4FLAC3D计算中的问题

（1）地下工程中的模型建立

地下工程的数值模拟中一个非常突出的问题就是单元的离散化比较困难。

由于地下工程往往体形比较复杂，并且形状大小不一，使得网格的划分成为整个分析过程中的瓶颈。

FLAC3D具有强大的自动三维网格生成器，内部定义了多种基本单元形态，用户还可以用FISH自定义单元形态，通过组合基本单元，可以生成非常复杂的三维网格，比如交叉隧洞段。

大大降低了地下工程中的网格划分的难度，加快了模型建立的速度。

（2）边界条件的处理

①应力边界条件

FLAC3D中默认情况下，边界为自由表面（自由表面是一种特殊的应力边界条件）使用其内部命令，可以给出任一边界或部分边界的外力和应力情况。

在地球坐标系（X、Y、Z）中，应力为Sxx、Syy、Szz、Sxy、Sxz、Syz，向量坐标中（D、S、N）中通过法向力、切向力给出应力。

②位移边界条件

FLAC3D中不能直接控制位移。

实际上，位移并不参与FLAC的计算。

FLAC通过速度来控制位移。

这里所说的速度与物理中的速度概念有一些差别。

它实际上是单位计算时步（STEP）的位移平均值。

例如：

位移为D，计算时步为N，则速度V＝D/N。

控制位移为零，只需将速度取得很小，计算时步取得很大即可。

在FLAC3D中，可以使用内部命令设定边界的位移条件。

（3）初始地应力的模拟

在进行开挖或建设前，岩体已经处在一种应力状态下。

这种初始状态，就是岩体中的初始应力场。

初始应力场主要由岩体自重和地质构造力产生。

初始应力场问题很复杂，因为构造应力常常分布极不均匀，而费用昂贵的现场地应力测量只能给出计算范围中少数几个点的地应力值，很难给出准确的应力场。

多数情况下，这种初始条件是没有具体的资料。

这时，