【文章內容簡介】 天津的地鐵外，正在興建的有北京地鐵、上海地鐵、廣州地鐵、深圳地鐵 、武漢地鐵、天津地鐵、南京地鐵、青島地鐵等。此外，國家已批準或正在籌建地鐵的城市有成都、杭州、沈陽等 20 多座城市 [2]?？梢?，地下空間的開發(fā)利用己成為當前城市建設中的一個重要組成部分。 大量興建的高層建筑和地下工程必然帶來了大規(guī)模的基坑工程，而在城市中，基坑工程開挖往往會產生較大的變形，這會嚴重影響緊靠深基坑周圍的建筑物、地鐵、交通干道、地下管線和其他市政設施。這些建筑物對基坑支護結構和周圍土體提出了穩(wěn)定性及變形的嚴格要求 [3,4]。因此在保證支護結構自身安全的同時，還要有效地控制基坑周圍地層移動以 保護周圍環(huán)境，從而對基坑變形有較高的要求。 根據基坑工程事故的統(tǒng)計分析，我國基坑工程的事故發(fā)生率比較高，占到 1/4 左右，尤其是東南沿海開放城市，其中有的城市基坑工程事故占基坑總數的 1/3 左右 [3]。這些事故給國家經濟和人民生命造成了嚴重的損失，同時也給周圍的居民生活、城市建設和企業(yè)形象造成了不良影響。這些事故主要表現為支護結構產生較大的位移、支護結構破壞、基坑塌方及大面積滑坡、基坑周圍道路開裂和沉陷、與基坑相連的地下管線變位乃至于破壞等，這些問題決定了深基坑工程是一項涉及范圍廣泛，且具有高風險的工程 ，是綜合性強、涉及施工、結構工程、巖土工程、環(huán)境工程等諸多學科的復雜的系統(tǒng)工程。因此，基坑工程的穩(wěn)定性和變形控制成為了基坑工程的難點和熱點。保證基坑的穩(wěn)定性只是保證了基坑的不塌不垮，根據我國現行地基規(guī)范 [5]，考慮到基坑工程的區(qū)域性特點，即受不同地質條件的影響大的特點，施工過程中不僅要求基坑本身的安全與穩(wěn)定，而且要控制基坑周圍地表下土體的豎向與水平方向的位移 地下水是深基坑工程研究的基本問題之一，地下水是引起基坑破壞的重要因素之一，軟土地區(qū)絕大多數基坑失穩(wěn)都與地下水有關。據統(tǒng)計，因地下水處理不當引發(fā)的事故約占深基坑事故總數的 22%[6]。而目前關于滲流對基坑影響機理以及滲流與土體相互作用的研究尚不多見，所以對其展開研究是有重要意義的。 關于滲流對深基坑的影響的研究，國內外學者也取得了一定的進展。 His 和 Small[7～ 10]針對水下開挖問題成功地發(fā)展了一套基于Boit 固結理論、瞬態(tài)自由邊界滲流理論和開挖卸載理論的耦合的有限元方法。 1992 年， Ronaldo[11]用增量開挖法與自由面問題結合的方法來預測結構的變化，通過“弱”的表達和罰問題的方法，將位移和孔隙應力放入同一單元，分別內插，同時求解，通過這種方法對深基坑開挖過程中孔隙水流對強度和變形性狀的影響進行了研究。研究表明滲流是改變支護系統(tǒng)反應的重要因素，滲流的存在使地面沉降和坑底隆起增大，滲流的消極影響是明顯的。 1996 年，羅曉輝 [12,13]采用有限元方法對定常及非定常水流作用的基坑進行了耦合變形分析研究。 1998 年，范益群 [14]對土體建立了非飽和土彈 塑性變形多孔介質和數學模型，用于模擬考慮施工過程中地下水滲流過程與飽和土變形之間的相互耦合作用。 1998 年，高俊合 [15]研制了考慮固結、土 — 結構相互作用的基坑平面有限元程序，分析了基坑開挖過程中滲流、水平位移、地面沉降及坑底隆起等因素間的相互影響。 2021 年，平揚等 [16]基于 Biot 固結理論，采用彈塑性模型對基坑開挖中的滲流場水力作用與應力場耦合作用進行了二維平面有限元分析，研究了深開挖過程中滲流場與應力場的變化規(guī)律及其導致的基坑穩(wěn)定問題。 2021 年，連鎮(zhèn)營和韓國城 [17]采用線彈性模型開發(fā)出了一套考慮水土耦合作用的三維有限元程序，對無支撐情況下基坑開挖的超靜孔壓進行了三維數值分析，討論了滲透系數對土體超靜孔壓消散規(guī)律的影響，研究了坑壁側向變形隨孔壓消散的變化趨勢，給出了坑底超靜孔壓分布的三維性狀，并與二維有限元分析結果進行了對比分析。 2021 年，梁仕華 [18]在大變形有限元理論的基礎上，對土釘支護結構進行了考慮固結、滲流與變形耦合作用的大變形有限元分析，研究了大變形情況下考慮固結、滲流與變形耦合作用時土釘支護結構面層位置處的水平位移、坑后土體的側向位移、地表沉降、 坑內土體隆起、土釘內力、孔壓等隨開挖過程的變化規(guī)律；探討了土釘支護基坑工程中的時間效應及滲流的影響；分析了土釘長度、土釘豎向間距、土層性質、滲透系數等參數對土釘支護結構性狀的影響，并與小變形假定下的分析結果進行了比較。 2021 年，李玉岐等 [19]基于非穩(wěn)定滲流理論，推導了一維滲流作用下基坑主動區(qū)和被動區(qū)的水頭計算公式，并分析了主動區(qū)和被動區(qū)的水頭隨時間的變化規(guī)律，研究了坑內外水頭變化對作用在圍護結構上的孔隙水壓力、土壓力以及側壓力的影響。 二、課題的目的、意義及理論與技術經濟價值 在建筑工程的深基坑施工過程中，往往要求將地下水位降到一定的深度之下（一般要求低于基坑底部 1～ 2m 以下），主要目的是：①使基坑開挖不積水，施工方便；②使支護安全；③使底板施工無積水；④消除地下水對建筑物的浮托力。因此，基坑降水在深基坑工程中占有重要位置。特別是當前大多數基坑位于繁華的都市里，施工場地狹小，坑周的地面沉降嚴重地影響了周圍的建筑物，并由此引起了眾多的糾紛。為了減少坑外 地面沉降，除了加強支護、支撐等措施外，小心合理地處理基坑周圍地下水己成為必須考慮的問題 [20]。透水地基上的深基坑進行開挖和降水時，將導致土體固結及孔隙水的流動，使基坑周圍形成較大的降水漏斗，滲流水頭差使孔隙中的水運動趨于強烈，從而影響到圍護系統(tǒng)的內力和變形以及基坑的穩(wěn)定性，并對周圍的構筑物產生影響。因此解決深基坑開挖穩(wěn)定性問題就應對地下水滲流對基坑變形的影響給予高度的重視。 保證基坑的穩(wěn)定性只是保證了基坑的不塌不垮，根據我國現行地基規(guī)范 [5]，考慮到基坑工程的區(qū)域性特點，即受不同地質條件的 影響大的特點，施工過程中不僅要求基坑本身的安全與穩(wěn)定，而且要控制基坑周圍地表下土體的豎向與水平方向的位移量，以確?；又車ǎ嫞┲锖凸艿赖鹊恼Ｊ褂?。由此可知，對于位于城區(qū)的深基坑工程，僅僅是保證基坑的穩(wěn)定性是不夠的，還要對基坑變形嚴格控制；在城區(qū)進行基坑支護工程的設計和施工，如何控制支護結構和周圍地層的變形是設計和施工中的難點，支護結構和地層的變形問題要比其穩(wěn)定性問題更為關鍵和重要，也更難以估算和預報。 基坑開挖變形主要包括三個部分：支護結構變形、基坑底部隆起、周圍地表沉降?；拥拈_挖過程是基 坑開挖側土體卸荷的過程，由于卸荷而引起土體原始應力狀態(tài)的改變，作用在支護結構上的土壓力使支護結構產生向基坑內的移動，即支護結構的水平位移；同時坑外土體產生水平滑移，引起地表開裂及垂直沉降。基坑內側土體則因垂直方向卸荷及支護結構向坑內位移產生以向上為主的變形，基坑底隆起。 近幾十年來，隨著計算機技術的進步，數值模擬技術被引入到巖土工程中并不斷發(fā)展，成為目前比較常用的研究方法。盡管在巖土工程中可供采用的數值分析或數值模擬方法比較多，但由于有限元的顯著特點，在計算巖土力學中應用最為廣泛。在處理多介質問題、 復雜的非性線問題以及模擬分步開挖與施工過程等方面，相對于其他方法具有較明顯的優(yōu)點。它對分析整個支護體系的穩(wěn)定性具有重要的理論意義，可以考慮較多的初始條件和巖土及支護結構的特征，如粘彈性分析、三維的空間效應分析等 [21]。在巖土工程特別是基坑工程的研究應用中的使用越來越廣泛和深入。基坑圍護結構的有限元分析程序，特別是內支撐圍護結構的有限元程序很多。人們通過理論分析、實測及有限元數值模擬分析深入地了解了深基坑支護的機理。 三、 MIDAS/GTS 有限元軟件介紹 數值模擬方法有 :有限單元法、邊界元法 、離散單元法和有限插分法，但就實用性和應用性而言，有限元法最為常用。有限元法和計算機技術的發(fā)展，使有限元分析成為解決復雜工程問題成為可能。目前成熟的通用有限元分析軟件有 MIDASGTS， ABAQUS， ADINA， ANSYS 等。 MIDASGTS(巖土與隧道分析系統(tǒng) )代表了當前工程軟件發(fā)展的最新技術，它具備強大的模擬工程的的功能，其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到許多復雜的非線性問題，它可以對復雜的幾何模型進行可視化的直觀建模。 MIDASGTS 中提供的分析功能如下 :靜力分析、施工階段分析、滲流分析 、滲流一應力禍合分析、固結分析等。 四、工程實例 （ 1）工程概況： 廣東佛山環(huán)球國際廣場，擬建 6 層裙樓，設地下室 (地下室底板標高 )，擬采用框架結構，場地比較平整，自然標高 ～ 。該基坑總面積為巧 ，總周長 ，其中西南面為原有地下結構 3 層，標高分別為 、 、 ，已有剪力墻 ，另有洞口段 ，本次需做地下連續(xù)墻的基坑壁長 ，該基坑工程設計資料由廣州市建工設計院提供，基坑監(jiān)測數據由佛山科學 技術學提供。 （ 2）地質情況及水文地質條件 根據巖土工程地質勘察報告，基場區(qū)基坑支護段地層分布為 :人工填土層 。沖擊土層 (主要由淤泥質粉質粘土、粉砂、淤泥質粉質粘土、粉土、粉質粘土、中粗砂 )?；鶐r (全風華巖層、強風化泥巖帶、中風化泥巖帶、微風化泥巖帶 )。 場區(qū)地下水賦存類型包括淺部第四系孔隙水和深部基巖裂隙水。第四系孔隙水主要賦存于填土層和沖積砂層中，屬潛水一微承壓水類型，以大氣降水的滲入補給為主，徑流的測向補給次之，勘察期間靜止水位埋深為 ～ 。 （ 3）基坑支護方 案及降水方法 本工程采用地下連續(xù)墻支護結構，墻寬 800mm，墻深 ，其中基坑深 ，嵌固深度 ，劃分 23 個槽段?；炷翉姸鹊燃塁30，采用工字鋼接頭，地下連續(xù)墻防水等級為 2 級?；臃謩e在距離地面 、 、 處分別設一道內支撐，基坑支撐中點處設置立柱。采用集水明排法進行降水，即在開挖面及坑內設明溝和積水井相結合的排水措施。 五、課題的總目標及分階段目標與時間安排 任務及要求：培養(yǎng)學生解決工程結構實際問題的能力，培養(yǎng)學生綜合運用理論知識，并且加強學生的文字表達能力、繪圖能力等基本功訓練，解決工程設計問題的能力，為畢業(yè)后從事設計施工或繼續(xù)深造奠定基礎。 設計內容：本畢業(yè)設計的題目來源于廣東佛山環(huán)球國際廣場工程，以廣東工業(yè)大學碩士研究生畢業(yè)論文中的實例的監(jiān)控量測和施工數值模擬為研究背景，通過采用 MIDASGTS 有限元分析軟件對基坑開挖過程進行數值模擬，并考慮滲流影響，為選擇合理的基坑開挖方法提供理論指導。 時間安排： 第 1 周收集與畢業(yè)論文有 關的參考書等有關資料，熟悉畢業(yè)論文題目，進行畢 業(yè)論文調研工作； 第 2 周熟悉有限元基本知識，閱讀與畢業(yè)論文題目相關的材料，并開始寫調研 報告； 第 3 周提交調研報告。熟悉有限元基本知識，學習 MIDAS/GTS 軟件，基坑設 計、開挖、監(jiān)控等相關規(guī)范，收集國內外有關基坑開挖方面的資料，了 解國內外的發(fā)展情況，開始畢業(yè)論文的總體設計方案，開始外文翻譯工 作； 第 4 周開始緒論的撰寫，熟悉有限元基本知識，學習 MIDAS/GTS軟件，開始外 文翻譯工 作； 第 5 周熟悉有限元基本知識，學習 MIDAS/GTS 軟件，繼續(xù)做外文翻譯工作；第 6 周熟悉有限元基本知識，學習 MIDAS/GTS 軟件，繼續(xù)做外文翻譯工作；第 7 周熟悉有限元基本知識，學習 MIDAS/GTS 軟件，做好數值模擬方案設計， 提交外文翻譯； 第 8 周數值計算； 第 9 周數值計算； 第 10 周數值計算； 第 11 周數值結果分析整理； 第 12 周數值結果分析整理； 第 13 周數據整理，開始撰寫論文； 第 14 周數據整理，撰寫論文； 第 15 周 數據整理，撰寫論文； 第 16 周完成最終畢業(yè)設計論文，寫畢業(yè)設計相關材料，檢查并打印裝訂，正式答 辯。 五、目前具備的條件及參考文獻 具備的條件： 熟悉畢業(yè)論文題目，收集與畢業(yè)論文有關的參考書等有關資料，進行畢業(yè)論文調研工作，熟悉有限元基本知識，學習 MIDAS/GTS 軟件，了解國內外的發(fā)展情況，收集國內外有關基坑開挖方面的資料，結合所學有關理論知識理解地鐵施工的特點。 參考文獻： [1]秦四清 .深基坑工程優(yōu)化設計 .北京：地震出版社， 1998 [2]劉建航，候學淵 .基坑工程手冊 .北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997 [3]徐至均，趙錫宏 .逆作法設計與施工：深基坑支護設計理論與技術新進展 .北 京：機械工業(yè)出版社， 200 2[4]《基坑工程手冊》編寫委員會 .基坑工程手冊 .北京：中國建筑工業(yè)出版社， 1997 [5] 中 華人 民 共 和 國 國 家 標 準 . 建筑地基基礎設計規(guī)范（ GB500072021） .北京：中 國建筑工業(yè)出版社， 2021[7].公路橋涵設