黄土地区地铁车站基坑围护结构变形规律监测与数值模拟研究学位论文格式范本Word格式.docx
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（3）采用弹塑性有限元分析方法建立模型对地铁车站深基坑开挖进行了施工仿真模拟，将围护结构水平变形及基坑周围地表竖向变形计算结果与实际监测结果进行了对比，二者比较吻合，说明有限元计算的结果是可信的。
（4）采用有限元法研究了围护桩入土深度、钢支撑架设的位置和土层的力学特性对地铁车站深基坑稳定性的影响规律。
关键词：
黄土地区；
地铁车站基坑；
围护结构；
稳定性；
现场监测；
有限元模拟
研究类型：
应用基础研究
Subject:
StudyontheDeformationLawofRetainingStructurein
SubwayStationFoundation-PitinLoessAreawithMonitoring
andNumericalSimulation
Specialty:
StructuralEngineering
Name:
xxxxxx（Signature）
Instructor:
xxxxxxxxx（Signature）
ABSTRACT
Thestudyofdesignandstabilityanalysisofretainingstructureinsubwaystationdeepfoundation-pitinloessareaisoneofthekeysubjectsofconstructionofsubwaystationinloessarea.Thestudyofdeformationlawofretainingstructureinurbansubwaystationfoundation-pitinloessareahasimportantvalue.Thisarticleisbasedonsomeurbansubwaystationfoundation-pitproject,usethemannerofcombineassumestudyoftheory,deformationlawofretainingstructureinurbansubwaystationfoundation-pitisstudiedbyin-situmonitoringandFEMsimulation.Themainjobsareasfollows:
（1）Thedeformationmechanicsanddestroypatternofdeepfoundation-pitisstudied;
themainimpactfactorofdeepfoundation-pitstabilizationisanalysised.Whentheexcavationbegins,thedeformationandearthpressureoftheretainingstructureinthefoundation-pitwillchangeaccompanytothetimeandspace’schanges.Itistosaythattheprocessofthefoundationpitexcavationexistencestimeandthree-dimensionaleffect.Theresultindicatesthat:
themainimpactfactorsofretainingstructureofretainingstructureareearthpresshydrographicgeologycondition,polingcondition,retainingstructurestiffness,strengthofsoilhorizon,groundwaterconditionandsoon.
（2）Thedesignofmonitorschemeandretainingstructureinfoundation-pitschemeiscompleted,in-situmonitoringofdeformationlawofretainingstructureindeepfoundation-pitispreceded.Thedeformationlawofretainingstructureconstructprocessisemphasisanalysised，alterationlawoftheveriticaldeformationofgroundsurfacesoilbodyfollowthedepthandtimeofdeepfoundation-pitexcavation.theresultindicatesthatthesteelshotcreteandretainingstructurehavelimiteactiontosoilbodylateraldeformation.Intheprocessofexcavationofthefoundation-pit,thehorizontaldisplacementoffenderpostandverticaldisplacementofgroundsurfacearealllessthandesignvalue,itillustractsthatthedesignschemeiscomparativelyconservatism,butit’ssafetotheengineering.
（3）Elasto-plasticityfiniteelementanalysismethodisgiventomodeltosimulateconstructionprocessforsubwaystationdeepfoundation-pitexcavation.Comparethecalculationresulttopracticemonitorresultofretainingstructurehorizondeformationandverticaldeformationofgroundsurfacesoilbody,theyareanastomotic,theresultcountedbyFEMiscredibility.
（4）TheFEMsimulationisusedtostudythelawoftheeffectofurbansubwaystationdeepfoundation-pitstabilitioninloessareabychangingofthefoundation-pitfenderpostdepthinthesoil,thepositionofthesteelshotcreteandsoilbodymechanicscharacterofloess.
Keywords:
loessareasubwaystationfoundation-pitretainingstructure
stabilizationin-situmonitoringFEMsimulation
Thesis:
applicationfundamentalstudy
目录
1绪论1
1.1问题的提出1
1.2国内外研究现状2
1.2.1基坑工程的发展现状2
1.2.2黄土地层的物理力学特性及研究现状3
1.2.3基坑工程变形监测研究现状4
1.2.4主要的基坑变形分析方法5
1.3研究意义7
1.4研究的思路及内容7
2深基坑围护结构变形机理及其影响因素9
2.1工程概况及水文地质条件9
2.1.1工程地质概况9
2.1.2水文地质条件12
2.2黄土场地基坑开挖应力及变形理论分析12
2.3深基坑围护结构主要型式13
2.4深基坑的变形机理14
2.4.1墙体的变形15
2.4.2基坑底部的隆起16
2.4.3地表沉降16
2.5深基坑围护结构变形及影响因素17
2.5.1主要变形类型17
2.5.2主要变形影响因素18
2.6深基坑工程的时空效应分析18
2.7深基坑围护结构设计中的关键问题20
2.8基坑开挖的信息化施工20
2.9小结22
3深基坑围护结构变形规律现场监测23
3.1围护结构设计方案23
3.2监测目的24
3.3监测方案24
3.3.1监测项目24
3.3.2测点布置及精度要求24
3.4监测内容及方法25
3.5施工工序31
3.6监测结果分析31
3.6.1围护桩桩体水平位移31
3.7.2基坑地表沉降分析34
3.7小结35
5结论36
5.1结论36
5.2展望36
致谢38
参考文献39
1绪论
1.1问题的提出
城市向三维空间发展，即实行立体化的再开发，是城市中心区改造的惟一现实的途
径。
在对城市中心区进行改造更新与再开发的实践过程中，形成了地面空间、地下空间与上部空间协调发展的城市空间构成新概念即城市的立体再开发。
发达国家解决城市“交通难”的主要措施是发展高效率的地下有轨公共交通，形成四通八达的地下交通网。
根据预测和分析，我国特大城市的主要干道在21世纪初将达到巨大的高峰。
城市单向断面客流量，靠一般的公共汽车是不能解决的，只能选用高流量的有轨交通系统方案才行。
高架道路对城市景观、噪声和震动的影响将是很难接受的，高架线的建设往往使沿线地价贬值，而地铁沿线的地价很快增值。
因此，地铁的建设将是我国21世纪城市地下空间开发的重点。
除已开通北京、上海、天津、广州、深圳的地铁外，正在兴建的有武汉、南京、西安地铁等，此外己经国家批准和正在筹建地铁的城市有成都、杭州、青岛等20多座，预计21世纪初至中叶将是我国大规模建设地铁的年代。
而地铁的兴建，其中一个突出的问题就是基坑的设计和施工，它已成为地下工程领域的技术难点和研究热点，如何合理的设计基坑支护和施工方案，做到既经济合理又安全可靠，已成为目前岩土工程界的重要研究课题之一。
而基坑工程是土力学基础工程中的一个古老的传统课题，同时又是一个综合性的岩土工程问题，它几乎涉及到岩土力学与工程的各个方面：
如土力学、工程地质学、水文地质学、结构力学以及监理、监测、施工方法等多个领域[1]。
基坑开挖不仅要保证基坑本身的安全与稳定，且要有效控制基坑周围地层移动以保护周围环境。
随着国家西部大开发战略的实施，基础设施建设蓬勃兴起，黄土地区城市也将修建地铁。
由此而产生了大量基坑工程，其规模和深度不断加大，而且一般是建在建筑较密集、人口较稠密的地区，由于受到场地的局限性，在基坑以外没有足够的空间进行放坡开挖，基坑围护结构的设计与施工问题变得非常紧迫而突出，这给当地的基坑工程建设带来了许多新的工程技术问题。
实践表明，由于地层构造错综复杂，加上设计与施工管理不善，如果围护技术不当，开挖措施不力，会导致基坑周边土体失稳造成房屋开裂倾斜、变形、地下管网断裂等等，严重破坏基坑周围环境。
如果对这些问题处理不当，会对基坑的施工造成重大影响，延误工期，造成巨大经济损失和不良的影响。
基坑工程随着地区岩土性质不同而有很大差异，所以基坑工程技术有着“先实践，后理论”和“地区性”特点。
我国各地区的地铁车站基坑工程技术如上海的软土地区的基坑工程施工技术正在不断地发展和完善。
在黄土地区，尽管近年来对基坑围护技术的研究已取得很大的进展，但相对国内发达地区相对滞后。
因此，对于黄土地区地铁车站基坑工程围护结构变形规律的研究具有重要的现实意义，同时加强对基坑工程的现场监测，采用数值分析方法对基坑开挖进行模拟研究，对于基坑的稳定性评价也具有重要价值。
本文将以黄土地区某城市地铁车站深基坑工程为研究背景，开展黄土地区地铁车站深基坑工程围护结构变形规律现场监测及数值模拟的研究。
1.2国内外研究现状
1.2.1基坑工程的发展现状
最早提出基坑开挖分析方法的是Terzaghi和Peck等人，他们在20世纪40年代就提出了预估挖方稳定程度和支撑荷载大小的总应力法。
这一理论一直沿用至今，20世纪50年代，Bjerrum和Eide给出了分析基坑底板降起的方法。
60年代开始在奥斯陆和墨西哥城软粘土基坑中使用了仪器进行监测，此后的大量实测资料提高了预测的准确性，并从20世纪70年代起，产生了相应的指导开挖的法规。
从80年代初开始我国逐渐涉入基坑设计与施工领域，在深圳地区的第一个基坑围护工程率先应用了信息施工法，大大节省了工程造价。
进入20世纪90年代后为了总结我国基坑围护设计与施工经验，开始着手编制基坑围护设计与施工的有关法规[2]。
我国在20世纪70年代以前的基坑都比较浅，上海高层建筑的地下室大多埋深在4米左右。
北京在20世纪70年代初建成了深20m的地铁区间车站。
20世纪80年代在改革开放政策的指引下，基本建设蓬勃发展，高层建筑不断涌现，相应的建筑基础的面积和埋深不断增加，我国开始出现一些较深的基坑，在上海软土地区出现两层地下室，开挖深度-8m左右。
基坑多采用钢板桩围护。
这时我国开始逐渐重视基坑设计和施工领域的研究，并逐渐应用于实际工程。
进入20世纪90年代后，我国的高层和超高层建筑进入了一个迅速发展的新阶段。
人们对三维立体化空间的需求不断增长。
一方面城市高层建筑成为发展趋势，建筑基坑越挖越深；
另一方面，地下空间的开发利用已成为发展方向之一，地铁、地下商场、地下油库和地下停车场等大型建筑物不断增多。
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。
除己开通的北京、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、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。
基坑开挖与城市建设密集、地下管线众多、建设场地狭小、周围环境要求高等不利因素的矛盾更加突出，全国各地的科研机构、设计和施工单位，在学习国外先进理论、借鉴国外先进技术的基础上，都在积极开展基坑工程的理论研究[3]。
21世纪，随着计算机技术的不断进步、基坑测试技术的不断提高，基坑工程进入了一个快速发展的时期，各种新的设计理论和先进的测试技术不断地被应用于基坑工程中。
计算机技术的迅猛发展为在基坑开挖中利用数值方法奠定了基础，有限元作为数值计算中应用最广泛的一种方法，日益显示出其强大的生命力，使基坑开挖理论的研究得到了进一步的发展。
而基坑工程监测技术的进步，加速了基坑工程中信息化施工的进程，反过来又迅速提高了对基坑工程设计方法和理论的认识，基坑工程的设计原则正从强度破坏极限状态向着变形极限状态控制发展。
值得一提的是，原上海地铁总公司的刘建航院士和同济大学侯学渊教授借鉴国外学者的研究成果和研究方法的经验，并紧密联系上海基坑工程的实际，通过引入施工工序和施工参数作为必须的设计依据，提出了考虑时空效应的预测基坑挡墙内力和变形的设计计算理论以及相应的施工工艺[4]。
该理论在上海软土基坑工程实践中取得了很好的成果[5]。
目前，基坑开挖与围护问题已经成为我国建筑工程界的热点问题之一。
基坑工程数量、规模、分布急剧增加，同时所暴露的问题也很多。
总体来看，我国基坑开挖与围护状况具有以下特点：
（1）基坑越挖越深。
在大中城市的高层建筑普遍建1~2层地下室，地下3~6层地下室也不断出现。
因此，基坑深度多大于10m。
（2）工程地质条件越来越差。
由于受到地域的限制，城市建设地质条件一般较差。
多位于海滨、湖滨、淤河、泥塘或沼泽地，工程地质条件十分复杂。
（3）基坑四周己建或在建高大建筑物密集或紧靠重要市政设施。
建设工程不仅要确保基坑本身稳定，还要确保周围建构筑物及市政设施的安全。
（4）基坑围护方法多。
诸如人工挖孔桩、预制桩、深层搅拌桩、地下连续墙、钢支撑、木支撑、砂袋堆撑、拉锚、抗滑桩、注浆、喷锚网围护法，各种桩、板、墙、管、撑同锚杆联合围护法，以及土钉墙法等，种类繁多。
（5）基坑工程事故不断产生，造成市政交通堵塞，影响居民安定生活，给国家造成巨大经济损失。
1.2.2黄土地层的物理力学特性及研究现状
黄土是一种多孔隙胶结的第四纪沉积物，它广泛分布于亚洲、欧洲、北美和南美等地，涉及中国、俄罗斯、法国、德国、波兰、匈牙利、罗马尼亚、黑西哥、日本和美国等许多国家。
我国黄土主要分布于西部地区和河南、河北，覆盖面积达64万km2，约占我国国土面积的6.6%，占世界总黄土分布面积的4.9%。
我国西北地区如陕西、甘肃、青海、宁夏以及山西大多为山区，且多为黄土或湿陷性黄土地区，这些地区的黄土以其广泛的分布、巨大的厚度和沟壑纵横的地貌而著称于世。
典型黄土是在干旱、半干旱气侯条件下，形成于晚更新世和全新世的风尘堆积。
具有以下特征：
①色淡灰黄；
②以粉砂粒径为主；
③无层理；
④大孔隙发育；
⑤垂直节理发育；
⑥富含碳酸盐；
⑦具遇水湿陷性；
⑧渗透性好，且垂向渗透性远远大于水平向渗透：
⑨力学性质具有各向异性等。
这些特性中对基坑工程影响较大的有垂直节理发育、遇水湿陷变形及力学性质的各向异性。
黄土的特殊性在于其具有结构性、欠压密性、非饱和性以及由此而表现出来的对水作用的特殊敏感性。
因此，水敏性及其在黄土变形、强度和本构关系等力学特性上所表现出来的影响规律一直是黄土力学特性研究的中心。
黄土因其特殊的生成地域和生成条件而区别于其它土类，其特有的显微结构和孔隙结构对工程性质有着显著的影响。
有学者认为认为骨架颗粒形态（矿物颗粒接触）、连接形式（胶结程度）、排列方式（孔隙特征）是决定其工程性质的主要结构特征，其中以后者最为重要。
根据上述三个方面特征的相互组合，将黄土的微观结构进一步分类，并研究得出微观结构类型、孔隙特征与黄土湿陷性的内在联系，初步阐明了黄土湿陷的微观机理，开辟了微观与宏观相结合研究黄土工程性质的道路。
然而，他们的研究仅仅停留在对黄土特性的定性表述和解释上，定量的研究较少。
一般来说，黄土在不同的湿密、应力和结构状态时，其应力与应变间的关系可以表现为软化型和硬化型，有时也会接近理想塑性型。
黄土的应力应变关系可由试验成果拟合为相应的数学公式，并按非线性弹性增量模型求取相应的参数。
理论上讲，用弹塑理论描述黄土的应力应变关系更为合理。
通常适用于正常固结土和弱超固结土的几个模型（剑桥模型、魏汝龙模型）都可以用来描述黄土的本构特性，这与黄土的欠压密特性是一致的。
刘祖典等先后提出了六种不同情况下黄土（即黄土湿陷变形以及原状黄土、饱和黄土、挤密黄土、击实黄土、高围压下黄土）的应力应变关系曲线，分别得到了黄土的非线性弹性模型及弹塑性模型的本构方程。
另外，还有学者提出以凝聚切线模量、弦线模量为基础的非线性本构模型。
以往对于黄土力学的研究，普遍使用总应力法。
然而黄土是典型的非饱和土，有必要将黄土作为非饱和土力学的重要研究对象，运用现代非饱和土力学的理论和方法对其进行深入研究。
这不仅可以有力地推动非饱和土力学的发展，同时也给黄土力学的发展以崭新的面貌[6]~[10]。
当黄土的含水量较小时，土体呈坚硬—硬塑状态，具有较大的粘聚力和摩擦角值，同时将具有较高抗剪强度与抗滑能力。
一般说来，黄土地质情况较好，土体具有较大的自立高度。
由于黄土所具有的特殊的工程力学性质（如结构性很强等），使在黄土地区，垂直开挖和小坡度的放坡开挖的基坑边坡经常可见，有的边坡甚至高达十几米或几十米而不发生坍塌。
这类边坡的稳定性是满足要求的。
在稳定性设计方面也就没有必要布设土钉围护或锚杆围护，而这类基坑的变形性状研究也鲜见报导。
1.2.3基坑工程变形监测研究现状
监测早期应用较多的水利水电工程。
20世纪90年代以来，基坑监测逐步发展起来，一是监测仪器、设备不断改进，监测方案的不断创新，监测内容多层次化。
二是对监测数据的处理、反分析以及预测预报未来工况等各方面都有了很大成果。
21世纪被许多学者认为是地下空间的世纪，深基坑工程会越来越多，基坑监测也将会成为深基坑工程施工中的必须完成的工作之一。
胡春林[11]系统地介绍了高层建筑基坑开挖施工期的监测技术和险情预报方法。
胡钧[12]研究了当时基坑围护侧斜监测的不足，并通过理论分析和试验研究提出改进的计算方法和测试技术，该方法对基坑的设计和监测有较大价值。
钟正雄[13]叙述了基坑工程监测数据库管理系统的特征，系统设计方法，并对数据库的结构、功能和安全机制等方而进行了探讨，结合上海某基坑工程说明了该数据库系统及有良好作用。
杨林德[14]详细阐述了基坑监测动态预报方法，一是采集现场量测信息，二是借助优化反演过程获得计算参数，三是用反演计算得到的参数预测下一步开挖的位移量及稳定性，从而指导下一步施工。
李爱民[15]根据基坑施工的特点，详细介绍了一种监测基坑水平位移的可行方案。
吴泳川[16]回顾和综述了现场监测在基坑工程中所发挥的安全预警作用、对信息化施工的指导作用以及对围护结构设计的验证和完善作用，展望了在新兴的基坑工程信息化监控设计与施土中，现场监测的重要意义和相关要求。
陈军[17]提出基坑围护工程的设计、施工与监测三者需紧密结合，以达到动态施工的目的。
孙凯[18]根据滑动体力学模型和竖向弹性地基梁模型进行了湖南大厦基坑设计，并简单介绍了CSS工法并基于现场监测数据对该基坑围护方案的合理性进行了分析，最后，运用同济曙光岩土及地下工程设计分析软件进行了基坑动态施土模拟，结合实例说明了其整个分析过程。
袁宝远[19]针对江苏润扬长江公路大桥南锚旋基坑，根据排桩冻结法基坑结构和场地工程地质条件，建立了大型安全监测系统，保障了基坑安全与稳定，并根据施工监测说明了排桩冻结法基坑的力学规律，为今后类似工程积累了有效资料。
潘林有[20]从自然灾害角度，分析了目前岩
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