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深基坑不同开挖方式下支护结构与周边土体变形的特点

发布时间:2019-05-05
  摘 要
  
  随着社会的发展和城市建设的需要,基坑工程作为建筑物建设过程中至关重要的一部分,其开挖方式支撑形式和计算方法越来越多样化,常见的开挖方式有:放坡开挖、盆式挖土、中心岛式挖土等。在工程中经常使用的支护形式有:排桩、地连墙、土钉墙等等。基坑开挖的过程中尤为重要的是对基坑整体变形的一个控制,而不同可开挖方式是对基坑的变形影响是不同的,本文以此讨论了二种开挖方式:分段分层开挖、分层开挖对基坑变形的影响,着重对比其在开挖过程中支护结构与周边土体变形的动态变化过程,并针对其变化规律,对基坑开挖过程中监测作业提出一些建议。
  
  本文结合合肥地铁 4 号线,宿松路站基坑开挖等相关资料,揭示基坑开挖过程中土体和基坑支护结构的动态变化过程;基于工程案例和实测数据,利用大型通用软件Midas·GTS 建立数值模型,并与实际数据进行对比校验;利用该模型研究不同开挖方式下开挖过程中动态变化规律。得出如下结论:
  
  1.分段分层开挖对基坑的影响较分层小,分段分层开挖造成的地表沉降和支护结构变形都小于分层开挖造成的地表沉降和支护结构变形2.由于本工程特殊的开挖方式,基坑在第 1 段、东段开挖完成后,周边的土体沉降呈现二端小,中间大的状态,支护结构的变形也是如此,呈现二端变形较小,中间变形较大的状态。

深基坑不同开挖方式下支护结构与周边土体变形的特点
  
  3.基坑在西段、8 段、7 段、6 段、5 段开挖完成后,在距离基坑西端 60 米至 108米范围内基坑的支护结构发生了一定突变,该部分的土体沉降也偏大。主要是因为第第 4 段、3 段、第 2 段封堵桩和该部分土体的限制了西段至第 5 段支护结构的变形,造成了基坑右端 60 米至 108 米范围内变形过大。
  
  4.分段分层开挖的基坑周边土体的沉降和支护结构的变形成推进式发展,与开挖的方向一致,而分层开挖周边的土体和支护结构的变形成整体下降式,随着开挖的进行,周边的土体和支护结构整体发生变形。
  
  关键词:  基坑;开挖;沉降;变形。
  
  Abstract
  
  With the development of society and the needs of urban construction, the foundation pit engineering is a vital part of the building construction process. The excavation methodsand calculation methods are more and more diversified. The common excavation methods have grading. Digging, basin excavation, center island excavation, etc. Support forms oftenused in engineering include row piles, floor-connected walls, soil nail walls, and so on. Especially important in the process of foundation pit excavation is a control of the overall deformation of the foundation pit, and different excavation methods have different effects on the deformation of the foundation pit. This paper discusses three excavation methods: segmentation The effects of stratified excavation and full-section excavation on the deformation of foundation pits are emphasized. The dynamic process of excavation duringexcavation is emphasized. According to the change law, some suggestions for monitoring operations during excavation are proposed.
  
  This paper combines Hefei Metro Line 4, Susong Road Station foundation pit excavation and other related materials to reveal the dynamic process of soil and foundationpit support structure during foundation pit excavation; based on engineering cases and measured data, use large-scale general The software Midas establishes a numerical modeland compares it with the actual data. The model is used to study the dynamic variation of different excavation methods during excavation.The following conclusions were drawn:
  
  1.The effect of segmental layer excavation on the foundation pit is smaller than that of the whole section. The surface settlement caused by segmental layer excavation and thedeformation of the retaining structure are less than the surface subsidence and deformation of the retaining structure caused by full-section excavation.
  
  2.Based on the special excavation method of the project, after the excavation of the foundation pit in the first and east sections, the settlement of the surrounding soil presents a small end, the middle is large, and the deformation of the retaining structure is also the same. The deformation of the end is small, and the deformation in the middle is large.
  
  3.After the excavation of the foundation pit in the western section, the 8th section, the 7th section, the 6th section, the 5th section, the 5th section and the 4th section, a certain sudden change occurred in the retaining structure of the foundation pit within 60m to 108m from the west end of the foundation pit. The soil settlement in this part is also too large.Mainly because the blocking piles in the third and second sections and the part of the soil limit the deformation of the retaining structures in the third and second sections, resulting in excessive deformation of the right side of the foundation pit in the range of 60 meters to 108 meters.
  
  4.The settlement of the soil surrounding the foundation pit excavated by layered excavation and the deformation of the retaining structure are developed into a propulsiontype, which is consistent with the direction of excavation, and the deformation of the soil and retaining structure around the full-section excavation In the overall descending type, as the excavation progresses, the surrounding soil and the two side envelope structures are deformed as a whole.
  
  KeyWords:  Foundation pit; excavation; settlement; deformation。
  
  第一章 绪论
 
  
  1.1 课题研究背景与意义。
  

  随着社会经济和城市建设的发展,工程建设在城市发展过程中越来越凸显其自身的作用,建筑的形式也由原来的单一形式向着多样化的方向发展,且建筑的高度也一次次的刷新了人类的记录。在工程中也屡次出现了超大超深的基础,基坑工程也越来越多的出现在各种复杂的环境下,如繁华拥挤的城市地段,软土地区等等。这些都对基坑工程现有的理论和相关的科技提出了不小的挑战。为了保证新环境下的基坑开挖的安全性和经济性的要求,基坑工程的相关理论和科技也在不断的更新,基坑作为工程建设的基础,是一个工程的重要部位之一。基坑施工最经济安全的办法是放坡开挖,但在实际情况中,往往受到工程实际环境的影响需要加以支护系统来保证工程的安全和顺利进行。现今在城市的建设发展过程中,城市的建筑体系越加复杂,高层,超高层建筑物,隧道,高架桥,地下建筑物等给城市在之后的建设过程中带来了诸多的问题和挑战。基坑工程普遍存在于各个工程建设中,是其最基础最重要的一部分。基坑工程主要包含的工序有:工程地质的勘探、支护结构主要包括锚杆、挡墙等的设计、土方开挖、加支撑、降水等过程。在基坑工程的实际施工工程中经常会出现各种事故,造成人员财产上的损失,其主要原因有:(1)基坑工程主要集中在市区,工作区域狭小,周边建筑物较多,所处环境复杂;(2)基坑工程涉及的东西很多,拥有较强的技术性的特点,施工过程中需要各方相互配合,各个方面如勘察、设计、施工、监测、管理等环节协同;(3)基坑工程由于其自身的特性,其施工周期较长,在基坑的施工过程中会出现多种不利的因素,如常出现的降雨降水、基坑周边堆放一些临时性的东西和各种因素引起的不同大小的振动等许多不利因;(4)基坑工程在施工周期内,由于岩土在不同个体上会表现出差异性;在施工前期由于一些原因,勘察数据会出现不连续性等等问题,会给基坑在施工周期内带来很多的不确定因素[1]。给基坑在施工中带来种种的隐患。基坑事故一旦发生容易出现群死群伤的严重后果,所以应充分认识到工程疏忽带来的严重后果,在基坑工程的各个施工环节应注意相互协同。
  
  王曙光对国内外出现的基坑支护事故进行调查研究,发现事故发生的原因是多方面的,主要体现在六个方面:(1)基坑勘察错误,造成土的一些物理参数偏大或者偏小,对基坑的设计存在直接的影响;(2)基坑的设计方案存在不合理的地方;(3)施工单位在施工过程中存在随意增减偷换材料的行为,基坑支护的施工质量因此无法得到保证;(4)基坑的中的水患问题。水患问题处理不当或者没有引起足够的重视。(5)管理原因;(6)其他综合原因造成的基坑事故。基坑事故中第二类和第三类原因是事故发生的主要因素,超过 80%的事故由设计和基坑支护施工质量得不到保证引起的。
  
  对待基坑中出现的事故,应针对性的进行改进,对基坑勘察过程中可能出现的错误应予以杜绝,保证勘察资料的准确性,让基坑的设计工作能建立在真实准确的参数上,保证设计工作的正确性。对待基坑施工中可能出现的偷工减料行为,相关部门应认真履行职责,加强对施工单位的监察,防止此类行为的发生。
  
  在基坑施工过程中开挖基坑中的土体,必然会引起土体的自重应力释放出来,造成土体的变形,基坑的土体应力会出现重新分布,重新达到一个稳定的状态。这样的过程存在于基坑工程施工的整个过程之中,所以应分析基坑在整个开挖过程中的应力和土体的变化情况,揭示其规律为工程设计和后期的监测活动提供一个重要参考,并指导后期的工程监测活动,同时有针对性的加强工程的支护和监测的频率,以防患事故的发生。城市轨道交通在城市的整个发展过程中起着重要的作用,轨道交通的各个站点多位于城市的繁华地带,这给站点的基坑工程带来了不小的挑战。无论是在设计还是施工中都会出现一些意外的问题和一些需要解决的技术难题。本文通过对合肥市轨道交通 4 号线宿松路站基坑在施工过程中一些实测数据进行分析,并结合有限元软件 Midas·GTS 进行数据模拟,探讨不同的开挖方式对基坑周边和基坑本身整个支护体系的影响,探讨在不同的开挖方式下基坑的变形的过程,揭示相关规律,总结那种施工方案更符合工程安全性实用经济性的要求。同时为相似的基坑工程项目在前期的设计和后期基坑开挖过程中的施工、管理和监测提供一定参考。
  
  1.2 国内外研究现状。
  
  基坑问题是所有工程都必须面对的一个重点难点问题,其开挖、支护和变形的控制一直都是工程界关注的焦点。大概从上世纪 40 年代开始,经过众多学者专家苦心研究,基坑的各种理论被提出了,并用于工程实际。最开始大概在 40 年代的时候,Peck 等学者基于基坑工程实践,提出了一些关于预判基坑开挖稳定和支撑荷载的方法和相关的计算方法。在此之后,大概 50 年代开始,在实际工程中发现基坑底部土体在基坑开挖过程中会发生隆起现象,并对此进行了研究提出了相关的计算理论。随着科技的发展和运用的深入,同样在 50 年代的时候,墨西哥和奥斯陆一些区域通过仪器来测得实际工程中数据,为工程的设计提供大量可靠准确的数据,实现了工程设计的动态改进和优化,在满足了工程设计要求的同时也提高工程安全性、可靠性。而后的时间里,出于各类工程的建设发展需要,基坑领域引得世界各国的学者们加入研究,攻克了诸多的问题和难点,取得了丰硕的成果。
  
  茜平一,冯国栋[2]等通过对深基坑的下软弱土有关规律的研究,探讨在土的流动性质下桩的受力和变形的特点。指出了桩身弯矩是与嵌固深度成正比关系,桩的最大弯矩点处在嵌固层附近。且桩体的抗弯刚度对桩体的弯矩值存在一定的影响,但对桩顶部的位移量影响有限。
  
  蒋洪胜,刘国彬[3]在文章中指出对于基坑的开挖和施工方案的设计应当考虑时空效应,这样不仅能可靠合理的利用土体本身的对位移控制的影响,也可以起到保护环境的目的。蒋洪胜,刘国彬二位学者同时还指出在基坑开挖过程中支撑轴力的变化规律:第一道支撑最大值发生在本次开挖工况下。第四道支撑发生在基坑底部开挖工况下;而第二第三道支撑发生在之后的施工过程中。临近基坑底部的第三道支撑有可能不能发挥至设计轴力。
  
  廖少明,侯学渊[4]在文章指出基坑支护体系的组成岩土工程中三维设计模型在建模过程中的问题,即参数复杂和计算费用较大。文章中学者以当时的杆系有限元和平面框架为基础,试图解决设计中的计算参数的优化和匹配问题。文章最后的研究结果表明各个支护的要素要同时满足变形和强度的要求,并注意二者的刚度匹配问题。
  
  朱合华,杨林德[5]提出了一种可以随时预测围护结构的变形和地表变化的一种方法,即动态反演分析。在文章中朱合华,杨林德得出结论,(1)样条函数差值和平滑法可以消除一些读数和测量点的误差,将测量得到的数据及时处理分析,转换成其他的物理量。(2)反演分析法在相邻施工阶段具有可靠的预测性,可以为施工安全提供有力的保证。
  
  杨光华[6]在研究深基坑开挖过程中对于在多支撑支护结构下的土压力问题时提出了:对于使用增量法计算得出的土压力更加符合基坑开挖实际。文章结构表明:经验土压力是适用于均匀土层的,实际施工过程中基坑的支撑力与很多因素相关,如:结构的刚度,施工的开挖顺序等等。
  
  杨雪强,刘祖德[7]通过对土的塑形理论和极限平衡理论分析,研究了基坑二端端头部对基坑坑壁支护结构上对土压力的整体作用,并提出了用于基坑桩等支护结构设计的计算公式。
  
  刘兴旺,施祖元[8]等在研究上海杭州软土地区基坑的基础之上,对其结构的水平位移、相邻构筑物的沉降和基坑变形的时间效应进行了总结。得出:(1)在上海和杭州软土地区围护结构最大的侧移大概在区间 0.002H--0.009H 之内,但实际的变形量值依赖基坑的周围环境;(2)如果围护体带有支撑结构,其最大侧变往往出现在基坑底部;(3)在实践中软土地区的土质流变性是较明显的。
  
  朱合华,刘学增[9]等提出一种针对于上海地区软土流变性质来预估基坑工程中地连墙的变形的公式。为软弱地质条件下深基坑的墙体变形提供了一个可靠的方法。文章中提到可以根据各个施工步骤的特点,将各个施工阶段分为弹性变形阶段和流变变形阶段,并依据此将二个阶段的增量作为施工反馈的数据。
  
  周东,吴恒[10]等对基坑支护结构稳定性分析传统的计算方法提出了质疑,传统的计算方法是极限地基反力法,即用抗力效应与荷载效应的相对关系,作为一个评价稳定性的依据。在计算过程中所使用的部分参数被假设为稳定值,是不变的。可在实际中这些参数是可变的,具有一定的不确定性。所以作者提出在计算中可以用概率的方法来贴近这些不确定性,减少与实际的差距。
  
  刘国彬,黄院雄[11]等建立了等效土体水平抗力系数aK 的计算方法,经过实际工程的验算证明可aK 的计算方法的可行性。aK 值的变化和众多因素有关,如:开挖的位置、每次开挖的土体大小等。aK 的变化规律的揭示和计算公式建立可以为基坑支护结构设计提供一个重要计算公式,有利于在设计阶段提前做好对基坑现场的变形控制,提供工程的安全性。
  
  俞建霖,龚晓南[12]结合杭州市某基坑的工程实例与有限元模型的对比确定了有限元分析的合理性,并指出了基坑中部和基坑拐角处的地表沉降的各自特点,二者都有可能会凹陷下去,但是基坑的中部有可能会出现三角形状。
  
  郑宜枫,孙钧[13]提出一种关于基坑的可视化分析的研究方法。这种可视化的算法主要是为了解决基坑工程中施工数据可视化问题。通过建立体数据模型,按照不同的施工步骤,建立不同时段的体数据集,利用这些方法可以直视施工期间每个时间段里土体位移变化。
  
  李俊才,张倬元[14]等通过对南京某大厦深基坑的分析,在对该基坑采用的三种支护形式:悬臂支护,单层支点混合支护,转孔灌注桩连拱支护研究分析,结合工程的水文地质和施工条件,得出了不同支护结构和基坑外侧土体的时空效应。
  
  曲霞,刘新宇[15]等提出了一种动态施工反演分析方法,基于该方法可以模拟基坑中土体、支护、以及土体和支护的相互作用和基坑施工中的动态过程。可以做到对基坑及其支护结构的动态预测。
  
  宋二祥,高翔[16]等针对基坑土钉支护的安全性问题,对其关于安全性的强度计算方法中的强度参数折减有限元法提出了建议,并重新编制了有限元计算模型。论证了其建议和所编制模型的合理性。
  
  况龙川[17]在研究地铁隧道附近深基坑施工的数据后,得出结论,在地铁旁的基坑开挖会给地铁带来较大的影响。地铁隧道基坑边方向会发生较大的位移变形。对地铁的安全性带来较大的隐患。在隧道外部进行注浆处理后,能够纠正其变形。
  
  徐浩峰,应宏伟[18]等指出时间序列分析法可运用于基坑监测数据的分析与预报,评估施工过程对支撑系统中轴力的影响程度大小。
  
  汪中卫,刘国彬[19]等在分析上海某工程的多支撑深基坑的数据时,发现基坑的地连墙侧移和地表的沉降量较小,与其他基坑相比,空间效应不是很明显。该工程的分层分小块的快撑快挖的施工方法和其坑内注浆加固的措施决定了其空间效应较小。同时文章还指出土蠕变和土体的固结都会对土体的变形有一定影响。
  
  高伟,窦远明[20]等通过有限元的建模和实际的数据分析,在对基坑分布开挖的计算方法和过程研究的基础上,指出了基坑开挖荷载的形成的过程,并提供了一种可靠的开挖荷载的计算方法。
  
  宋青君,王卫东[21]等针对上海世茂北外滩酒店基坑工程中的二墙合一即地连墙兼做地下室结构外墙的设计及其在施工过程中的常见的工程问题进行了总结,共其他工程借鉴和参考。
  
  徐杨青,朱小敏[22]总结了长江中下游地区的地层结构特征,对该地区软土层开挖的基坑中的变形、坑底隆起以及承压水抽降造成的地面沉降提出了相对应的防范和处理建议。
  
  阮含婷,赵剑豪[23]等运用有限元分析了二个相邻基坑支护结构,并对基坑的原有支护提出了改进意见,达到了缩短工期和降低运营成本的目的。
  
  姚爱军,张新东[24]以某基坑为背景研究了在不对称荷载作用在深基坑的围护结构的变形,以此来为类似的工程提供指导。其结果表明:在非对称荷载作用下,围护结构的变形很明显,而且由于非对称荷载的存在其变形也存在非对称性,围护结构的钢支撑支护结果也有所减弱。
  
  孔德森,门燕青[25]等推导在各向异性软土中适用的基坑坑底抗隆起稳定性的公式,该公式依据的理论是 casagrande 的各向异性理论,同时也对土体中出现的非各项同性问题加以考虑,能够较真实的反映土体的实际情况。其研究的结果证实在计算过程中同时将土体各向异性和基坑施工时的时空效应考虑的稳定分析公式是合理的。
  
  郑刚,李志伟[26]在实际工程中研究了与基坑成任何角度的建筑物在基坑开挖过程中所受到的影响。其结果表明:建筑物在基坑一定范围内,在基坑的沉降曲线上或者跨越基坑的最低点沉降的时候其扭转变形非常明显。建筑物所处的位置与建筑物纵墙与基坑边的夹角是影响建筑物绕曲变形对墙体拉应变作用程度的重要因素。
  
  Hamdy,Faheem[27]等人在论文中提出了考虑基坑支护下埋深的封闭方程,且与相关的有限元进行了对比,结果表明该方程合理可靠Peck[28]在研究的基础上于 1969 年提出基坑开挖将会导致围护结构在其顶端发生较大的水平变形。
  
  沈健[29]研究了超大规模的基坑群之间的相互影响。以天津于家堡基坑工程为背景,采用通用的有限元软件进行三维模拟,得出了相关结论:基坑开挖时距离相近基坑之间会相互影响,其影响会出现叠加效应,基坑支撑轴力的分布有一定的影响。
  
  黄敏,刘小丽[30]针对青岛地区的桩锚支护结构形式的土岩基坑,通过有限元软件的模拟,对不同条件下基坑开挖引起的沉降进行了分析,对其结果进行分析总结,得出了地表沉降、桩、基坑开挖等之间相互关系的定性和定量的规律。
  
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  1.3 本文研究内容与方法
  
  第二章 工程背景与计算模型的建立
  
  2.1 工程背景
  2.1.1 工程概况
  2.1.2 工程地质条件
  2.1.3 基坑周边情况
  2.1.4 基坑支护结构设计
  2.2 开挖方式的选择
  2.2.1 常见的开挖方式
  2.2.2 分段分层开挖
  2.2.3 分层开挖
  2.3 计算模型的建立及相关参数
  2.3.1 模型的基本假定
  2.3.1 计算模型参数
  2.3.2 计算模型单元
  2.3.3 施工步的设置
  2.4 本章小结
  
  第三章 基坑开挖模型计算与现场监测
  
  3.1 施工现场监测
  3.1.1 监测控制网的建立
  3.1.2 监测范围
  3.1.3 监测对象及项目
  3.1.4 数据分析与处理
  3.2 地表沉降分析
  3.3 支护结构水平位移分析
  3.4 本章小结
  
  第四章 不同开挖方式下支护结构与土体变形的动态分析
  
  4.1 地表沉降分析
  4.2 支护结构水平位移分析
  4.3 区别与讨论
  4.3.1 地表沉降讨论
  4.3.2 支护结构位移讨论
  4.4 本章小结

  第五章 结论

  本文主要对比了基坑在不同的施工方式下,土体地表、支护结构随开挖的进行其变化的动态过程,在详细了解基坑的工程背景后,利用 Midas·GTS 软件进行了数值模拟,针对不同的开挖方式,主要讨论了土体地表、支护结构的变形规律。由于宿松路站特殊的开挖方式,其基坑周边的土体和支护结构的变形规律与其他基坑有所不同,主要体现在基坑西段、8 段、7 段、6 段、5 段的土体和支护结构的变化上。现对基于前文所述总结并给出建议。

  本文以合肥市地铁 4 号线宿松路站基坑为依托,结合宿松路站基坑工程资料,对宿松路站基坑的实测数据包括灌注桩的水平位移,周边的地表沉降进行分析总结,并利用大型通用有限元软件 Midas·GTS 建立计算模型对工程进行数值模拟,对比模型产生的数据和实测的灌注桩及土体沉降的数据。在此基础上利用该模型重新定义施工工况,进行分层基坑模拟对比二者在支护结构和周边地表数据,并分析了二者的变形规律上的差异。本文主要内容与结论如下:

  (1)介绍了不同的基坑常用的几种开挖方式及其适用条件,对基坑土体的变形机理和变形数据,包括周边土体的沉降、桩的水平位移进行了分析和总结,证明基坑处于稳定状态。与建立的模型进行数据对比证明本文所用模型的合理性。

  (2)分段分层开挖对基坑的影响较分层小,分段分层开挖造成的地表沉降和支护结构变形都小于分层开挖造成的地表沉降和支护结构变形。分段分层开挖造成的地表沉降大概是全段的 0.76 倍。同一断面的支护结构变形大概是分层的 0.73 倍。

  (3)基于本工程特殊的开挖方式,基坑在第 1 段、东段开挖完成后,周边的土体沉降呈现二端小,中间大的状态,支护结构的变形也是如此,呈现二端变形较小,中间变形较大的状态。

  (4)基坑在西段、8 段、7 段、6 段、5 段开挖完成后,在距离基坑西端 60 米至 108米范围内基坑的支护结构发生了一定突变,该部分的土体沉降也偏大。主要是因为第 4段、3 段、2 段封堵桩和该部分土体的限制了第 4 段、第 3 段和第 2 段支护结构的变形,前段开挖的土体造成的应力无法在该部分释放,只能在已开挖段释放,造成了基坑右端60 米至 108 米范围内变形过大。

  (5)分段分层开挖的基坑周边土体的沉降和支护结构的变形规律总体呈推进式的发展,与开挖的方向一致,而分层开挖周边的土体和支护结构的变形成整体下降式,随着开挖的进行,周边的土体和支护结构整体发生变形。

  参考文献.

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