【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ....................................................................................................65致謝.............................................................................................................................................67參考文獻(xiàn).....................................................................................................................................68附錄.............................................................................................................................................6969 1緒論 選題背景 深基坑工程的發(fā)展歷史基坑工程是一個(gè)古老,并且又非常具有時(shí)代特征的一個(gè)土木工程課題。放坡開挖及木樁圍護(hù)早在很早的時(shí)候就已經(jīng)開始使用了。人類的土木工程建設(shè)活動(dòng)在很大的程度上促進(jìn)了基坑工程的發(fā)展，尤其是到了上世紀(jì)末本世紀(jì)初，隨著大量的高層甚至是超高層建筑和城市地下工程的不斷涌現(xiàn)，基坑工程的安全、功能等各項(xiàng)要求也都顯得都越來(lái)越高，隨之出現(xiàn)的問(wèn)題也就越來(lái)越多了，促使著巖土工程的技術(shù)人員開始以新的思維審視基坑工程這一課題，許多新的經(jīng)驗(yàn)和理論的研究方法也得以出現(xiàn)并發(fā)展成熟。到了本世紀(jì)30年代，太沙基等人就早已經(jīng)開始研究分析基坑工程中的相關(guān)問(wèn)題。而后，全世界各國(guó)的許多學(xué)者都熱衷于這項(xiàng)研究，并且不斷地在這一領(lǐng)域中取得非常多的豐碩的成果。可是到了80年代初，基坑工程在我國(guó)才開始進(jìn)行廣泛深入的研究，在那個(gè)時(shí)候，我國(guó)的改革開放正如日中天，基礎(chǔ)建設(shè)投入非常大，隨之而來(lái)的高層建筑也就不斷地涌現(xiàn)，相應(yīng)高層建筑的基礎(chǔ)埋深則需要不斷增加，開挖深度自然也就必須不斷增加，對(duì)基坑工程的各項(xiàng)要求也隨之就越高。特別是在90年代，很多城市都開始進(jìn)行大規(guī)模的改造，在經(jīng)濟(jì)非常繁華的市區(qū)內(nèi)進(jìn)行深基坑開挖。這些都給這課題不斷提出了新的內(nèi)容以及技術(shù)難題，那就是：如何控制并解決深基坑開挖過(guò)程中所引起的環(huán)境效應(yīng)問(wèn)題，并且進(jìn)一步促進(jìn)深基坑開挖和支護(hù)技術(shù)的研究與發(fā)展。許多先進(jìn)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法也就隨之產(chǎn)生了，許多新的施工工藝也在工程中實(shí)踐中不斷實(shí)現(xiàn)，出現(xiàn)了許多技術(shù)先進(jìn)的成功工程實(shí)例。但是基坑工程非常復(fù)雜，設(shè)計(jì)和施工時(shí)的考慮也會(huì)不周，工程事故自然也依然時(shí)有發(fā)生。任何一個(gè)工程方面的課題的研究發(fā)展都是理論與實(shí)踐的密切結(jié)合，并不斷互相促進(jìn)，最終走向成熟的成果?；庸こ痰陌l(fā)展則往往是出現(xiàn)一種新的圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式，然后帶動(dòng)新的分析方法和計(jì)算理論的產(chǎn)生，并按照實(shí)踐、認(rèn)識(shí)、再實(shí)踐、再認(rèn)識(shí)的規(guī)律，不斷完善從而走向成熟。早期的基坑開挖常采用放坡的形式來(lái)圍護(hù)基坑的穩(wěn)定，后來(lái)隨著基坑的開挖深度的不斷增加，放坡已經(jīng)無(wú)法滿足保持基坑穩(wěn)定的要求，因此產(chǎn)生了圍護(hù)開挖。迄今為止，圍護(hù)型式已經(jīng)發(fā)展至數(shù)十種。從基坑圍護(hù)的機(jī)理來(lái)講，基坑圍護(hù)方法的最早是放坡開挖，然后出現(xiàn)了懸臂圍護(hù)型式、內(nèi)撐（或拉錨）圍護(hù)型式、組合型圍護(hù)型式等等。然而基坑放坡開挖則需要有非常大的施工工作面，并且開挖的土方量較大。在工程條件允許的情況下，依然是基坑圍護(hù)的一種簡(jiǎn)便經(jīng)濟(jì)的好方法。懸臂圍護(hù)型式是指沒(méi)有內(nèi)支撐和拉錨的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，而是通過(guò)設(shè)置鋼筋混凝土樁或鋼板樁形成的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。有時(shí)它也可以通過(guò)對(duì)基坑周邊的土體進(jìn)行改良，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，例如水泥土重力式擋墻結(jié)構(gòu)。內(nèi)撐式（拉錨式）圍護(hù)結(jié)構(gòu)的發(fā)展改善了懸臂式圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力性能和變形特性，同時(shí)滿足較深基坑的支檔土體要求。而為了發(fā)揮圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料的極限承載能力，使圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式更加經(jīng)濟(jì)合理，并能適合各種基坑形式，發(fā)展了組合型圍護(hù)型式。人們最早采用基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的是木樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)，而現(xiàn)在則經(jīng)常使用鋼板樁、鋼筋混凝土樁、地下連續(xù)墻，以及通過(guò)地基處理等方法而采用的水泥土擋墻、土釘墻等。鋼筋混凝土樁的施工方法通常有人工挖孔樁、沉管灌注樁、鉆孔灌注樁以及預(yù)制樁等。雖然我國(guó)地大物博，但是人口卻最多，人均占有的土地都不及全世界人均占有土地的l/10。為了節(jié)約每寸土地，舊房則不斷被拆除，建筑逐漸向更高空或是地下發(fā)展，許多高層建筑拔地而起。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在1980~1989年的這10年間里，我國(guó)新建的高層或是超高層建筑多達(dá)1000余幢，而在l990~1999年這l0年間里，我國(guó)新建的高層建筑或超高層建筑則超過(guò)9000幢。為解決我國(guó)土地資源緊張，其中一條重要出路就是要適當(dāng)?shù)夭粩喟l(fā)展多層和高層甚至超高層建筑，不斷向空中或地下發(fā)展。中國(guó)城鎮(zhèn)現(xiàn)代化建設(shè)正如火如荼，高層及超高層建筑如雨后春筍大量涌現(xiàn)，深基坑工程也就越來(lái)越多。同時(shí)，建筑物密集，基坑的深度極大以及地下設(shè)施周圍極其復(fù)雜，使得基坑放坡開挖的這一圍護(hù)方式已經(jīng)再也不能滿足如今的城鎮(zhèn)現(xiàn)代化建設(shè)的需要。因此，深基坑的開挖與圍護(hù)引起了各方面的廣泛重視。特別是自90年代以后，基坑的開挖與圍護(hù)問(wèn)題已經(jīng)成為我國(guó)土木工程界的熱點(diǎn)問(wèn)題之一?；庸こ痰臄?shù)量、規(guī)?？焖僭黾樱┞读嗽S許多多的工程問(wèn)題。 生產(chǎn)需要基坑工程也是建筑工程的組成部分，它的發(fā)展同建筑的發(fā)展非常密切，深基坑工程則充分利用了土地資源。伴隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)的不斷推進(jìn)，高層及超高層建筑已經(jīng)十分普遍，深基坑工程也就越來(lái)越多。城市空間的利用日趨緊張，人們已經(jīng)開始將三維城市空間作為重要的自然資源來(lái)加速開發(fā)利用。一方面，在2l世紀(jì)，城市現(xiàn)代化建設(shè)的方向就是地下空間的開發(fā)和利用；另一方面，自80年代以后，高層建筑的數(shù)量和高度都在不斷上升，根據(jù)構(gòu)造和使用的要求，其基礎(chǔ)埋深也就必然隨之不斷增加，產(chǎn)生了許許多多的深基坑工程。進(jìn)入90年代，城市的地價(jià)不斷飆升，空間利用率也慢慢隨之提高，許多的超高層建筑應(yīng)運(yùn)而生，迫使深基坑工程向大深度和大規(guī)模兩個(gè)方向發(fā)展。然而大量地下空間的開挖都是位于建筑群十分密集的地區(qū)，在建筑物或構(gòu)筑物旁進(jìn)行順利開挖十分棘手 。這些都使得深基坑的開挖與支護(hù)難度增大，同時(shí)也促進(jìn)了深基坑計(jì)算方法和施工工藝的發(fā)展。深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)雖然僅僅是臨時(shí)性的，但如果采用了不合理的支護(hù)體系就完全有可能導(dǎo)致工程事故。深基坑支護(hù)問(wèn)題研究的一個(gè)重要內(nèi)容就是：如何在保證安全可靠性的前提下，根據(jù)不同的工程條件和施工技術(shù)水平等其他影響因素，選擇經(jīng)濟(jì)合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)方案。深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)既牽涉到巖土工程問(wèn)題，同時(shí)有關(guān)系到結(jié)構(gòu)工程問(wèn)題，其中且在理論和技術(shù)上存在許多亟待解決的新問(wèn)題。由于深基坑受力特征非常復(fù)雜，土的工程性質(zhì)也很復(fù)雜性而且具有不確定性，土力學(xué)計(jì)算模型的近似假定與實(shí)際情況又存在差異，學(xué)術(shù)界和工程界人士也就越來(lái)越重視深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的研究。一旦發(fā)生深基坑工程事故，給國(guó)家和社會(huì)造成的生命財(cái)產(chǎn)損失將是非常巨大。因此現(xiàn)階段我們迫切需要解決的一個(gè)課題就是：如何以最少的投資，最短的工期，同時(shí)確保設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)安全運(yùn)行，并且還要滿足對(duì)周圍環(huán)境的保護(hù)要求。深基坑工程與多方面因素相關(guān)，是一門十分復(fù)雜學(xué)科，也是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。盡管國(guó)內(nèi)的專家及學(xué)者都早已經(jīng)對(duì)深基坑工程進(jìn)行了大量的研究，取得了一些成功的經(jīng)驗(yàn)，但是在理論上依然還不夠成熟。深基坑開挖與支護(hù)技術(shù)與許多因素相關(guān)，許多的理論與實(shí)際問(wèn)題都有待進(jìn)一步完善和解決。 選題目的與意義城市地鐵建設(shè)的全面鋪開帶來(lái)了深基坑工程的飛速發(fā)展。深基坑工程是一個(gè)復(fù)雜的綜合性巖土工程問(wèn)題，幾乎涉及到巖土力學(xué)與工程的各個(gè)方面。地鐵車站深基坑工程在施工和設(shè)計(jì)方面都同一般的建筑深基坑有所不同，因?yàn)樗趫?chǎng)地、規(guī)模、工程造價(jià)以及對(duì)環(huán)境的影響等方面的要求都非常高。地鐵通常都是穿過(guò)城市主要的發(fā)達(dá)商業(yè)區(qū)域、主要的旅游景點(diǎn)等，在這些城市的繁華地段，地鐵車站的建設(shè)會(huì)受到已有建筑(構(gòu)筑)物的限制，如地面高層建筑、立交橋、地下管線等，工程施工中難免存在許多的安全隱患。地鐵不只是單單的一個(gè)的建筑等等的超尺寸基坑，同時(shí)還是具有時(shí)間、空間和區(qū)間隧道連續(xù)性的工程。這些就都要求必須把各自的建設(shè)施工很好的有機(jī)結(jié)合起來(lái)，如車站與隧道區(qū)間段的銜接。因此，地鐵車站深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型方案的選擇，對(duì)各種影響因素的考慮重點(diǎn)也不一樣。根據(jù)地鐵車站本身的特點(diǎn)，它的深基坑支護(hù)方案評(píng)價(jià)的主要有這么幾個(gè)方面：所處的工程地質(zhì)條件，適用范圍，質(zhì)量可靠性，安全性，對(duì)環(huán)境的影響，施工進(jìn)度，總造價(jià)。某地鐵將會(huì)成為某的主要交通工具，承擔(dān)著絕大部分的客流運(yùn)輸任務(wù)，對(duì)其工期和質(zhì)量的要求都很高。地鐵車站深基坑工程是地鐵建設(shè)的重要組成部分，并且地鐵車站深基坑開挖規(guī)模和技術(shù)難度都相當(dāng)大。而某車站是四、六號(hào)線換乘站，客流量會(huì)更大，一旦發(fā)生深基坑坍塌事故，不但會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，而且會(huì)產(chǎn)生很壞的影響。所以，本文以黃土地區(qū)大型地鐵車站某站深基坑工程為背景，結(jié)合具體工程環(huán)境和施工要求，對(duì)深基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行選型論證，確定圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式，并給出某地鐵車站深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和施工監(jiān)測(cè)方案，研究地鐵車站深基坑的支撐受力情況及其穩(wěn)定性影響因素，目的是為某地區(qū)深基坑工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及合理的施工方法的確定提供重要依據(jù)，以期為類似深基坑工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。所以，本文研究的課題具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值，也能對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行鞏固，更加熟練的掌握。 深基坑工程的研究現(xiàn)狀 深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)理論及計(jì)算方法研究現(xiàn)狀支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、變形和穩(wěn)定性的分析計(jì)算基本方法可總結(jié)為三類，就是土抗力法、極限平衡法和有限元分析法。 （1）土抗力法土抗力法通常又被稱為基床系數(shù)法或地基反力法，假定地基為彈性時(shí)，也可以稱為彈性地基反力法，我國(guó)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ12099)推薦的方法則稱為彈性支點(diǎn)法。土抗力法在樁受水平荷載時(shí)的分析計(jì)算中應(yīng)用非常廣泛。按照地基反力的各種假設(shè)，主要分為極限地基反力法、彈性地基反力法和復(fù)合地基反力法三種。它們都不同程度地考慮了樁土之間的共同作用。目前使用最廣泛的是假定地基反力系數(shù)為深度的線性函數(shù)的線性彈性地基反力法。基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)土抗力法的形成是在橫向受荷樁分析計(jì)算方法的基礎(chǔ)上不斷研究改進(jìn)發(fā)展而來(lái)的。早期由于受計(jì)算技術(shù)的局限性，將工程實(shí)際情況作了很大的簡(jiǎn)化，以便可以使用解析法求解。例如 “彈性法”、“彈塑性法”和日本的“山肩邦南法”等，假定圍護(hù)墻后作用的土壓力是已知的主動(dòng)土壓力?！皬椥苑ā奔俣ㄩ_挖面以下的土體均處于彈性區(qū)?！皬椝苄苑ā焙汀吧郊绨钅戏ā眲t是將開挖面以下墻前的土體分成彈性區(qū)和塑性區(qū)；伴隨著計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)土抗力法開始可以采用數(shù)值解法求解。20世紀(jì)50年代，波爾斯(Bowles)開發(fā)了求解彈性地基梁的有限元程序，對(duì)土抗力法的發(fā)展做出了很大的貢獻(xiàn)。目前，常見(jiàn)的土抗力法是彈性地基反力法，它的形成是建立在地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算的彈性地基梁分析方法基礎(chǔ)上，并且引用橫向受荷樁的分析方法改進(jìn)而來(lái)，即將計(jì)算寬度的圍護(hù)墻作為一個(gè)垂直的地基梁，支撐則簡(jiǎn)化為與其彈性模量和截面面積相關(guān)的二力桿彈簧?；娱_挖面以下，墻前土對(duì)梁的地基反力用土彈簧來(lái)替代；而墻后荷載常用的有兩種計(jì)算模擬:采用主動(dòng)土壓力和采用土彈簧模擬，土彈簧系數(shù)即為地基土的水平基床系數(shù)。按荷載的施加情況，求解的方法有“增量法”、“總量法”等。目前我們采用的彈性地基反力法僅僅部分地考慮了圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土的線性共同作用，分析計(jì)算中所需土的物理力學(xué)參數(shù)比較單一，同時(shí)還可以有效地計(jì)入影響基坑開挖過(guò)程中基坑穩(wěn)定的眾多因素之中。如作用在圍護(hù)墻上的土壓力大小隨著支撐(或錨桿)數(shù)量隨開挖深度的增加而變化、預(yù)壓力及支撐布置前的圍護(hù)墻的位移對(duì)圍護(hù)墻的內(nèi)力和變形的影響等，從而可以大致模擬分步開挖時(shí)的各工況情況。同時(shí)，根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移的大小可以初步評(píng)估基坑開挖帶來(lái)的環(huán)境影響。正因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)，彈性地基反力法得到十分廣泛的應(yīng)用。但它的缺點(diǎn)就是沒(méi)有考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土體的非線性共同作用，我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定所推薦的彈性支點(diǎn)法對(duì)墻后基坑開挖面以上都是按主動(dòng)土壓力考慮，而基坑開挖面以下則按定值土壓力考慮，這些都與工程實(shí)際存在著巨大的差距，仍需作進(jìn)一步的研究和完善。(2)極限平衡法在基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的發(fā)展早期，極限平衡法就一直被廣泛應(yīng)用，而且目前仍是我國(guó)相關(guān)設(shè)計(jì)人員最熟悉并掌握的基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算方法之中的一種。因?yàn)樗?jì)算簡(jiǎn)便，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)手算即完成。在目前情況下，即使采用彈性地基反力法計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力確定支護(hù)參數(shù)，但基坑的嵌固深度還是需要使用極限平衡法才能確定；此外，采用極限平衡法計(jì)算一些“空間效應(yīng)”不明顯的一級(jí)基坑和地層較穩(wěn)定、周圍環(huán)境不復(fù)雜的二級(jí)基坑中的懸臂單支點(diǎn)支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力也是非常合適的。因此，在今后一段時(shí)期內(nèi)，在一定范圍內(nèi)，極限平衡法仍然會(huì)得到應(yīng)用。極限平衡法有等值梁法、靜力平衡法、太沙基法等，而等值梁法和靜力平衡法在我國(guó)比較受歡迎。極限平衡法假定土體達(dá)到極限狀態(tài)，作用在圍護(hù)墻前后的土壓力分別達(dá)到被動(dòng)土壓力和主動(dòng)土壓力，然后在這個(gè)基礎(chǔ)上再作其他的力學(xué)假設(shè)，用靜定問(wèn)題代替超靜定問(wèn)題再求解。它的缺陷就是認(rèn)為圍護(hù)墻的位移對(duì)土壓力的變化沒(méi)有影響，而且也不能反映圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況，特別是是對(duì)有支撐的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用等值梁法時(shí)，認(rèn)為對(duì)支點(diǎn)力的計(jì)算與支點(diǎn)剛度系數(shù)無(wú)關(guān)，從而不能模擬分步開挖的各工況條件。所以，極限平衡法無(wú)論在理論上還是應(yīng)用中都存在很大的局限性。（3） 有限元分析法由于基坑工程的復(fù)雜性，使用常規(guī)的分析方法難以反映諸多因素的綜合影響。近年來(lái)，數(shù)值力一法被采用較多，主要是使用有限單元法來(lái)分析基坑的整體特征，就是把包括地基土在內(nèi)的整個(gè)基坑看作為一個(gè)空間結(jié)構(gòu)體系，并考慮開挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土體共同作用、滲流、時(shí)間等因素的影響，綜合分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形和穩(wěn)定性以及開挖所帶來(lái)的環(huán)境影響。有限元分析法中所采用的土體的本構(gòu)模型有線性彈性模型、非線性彈性模型、彈塑性模型和粘彈塑性模型等。有限元分析方法又包括二維和三維有限元兩種分析方法。二維有限元分析法就是用垂直面和水平面代替空間形式的基坑結(jié)構(gòu)體系，然后分別使用彈性桿系有限元分析法求解這兩個(gè)平面，再將分析結(jié)果綜合起來(lái)，即可得到關(guān)于基坑