【文章內(nèi)容簡介】 ....................................................................................................65致謝.............................................................................................................................................67參考文獻.....................................................................................................................................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古老,并且又非常具有時代特征的一個土木工程課題。放坡開挖及木樁圍護早在很早的時候就已經(jīng)開始使用了。人類的土木工程建設活動在很大的程度上促進了基坑工程的發(fā)展，尤其是到了上世紀末本世紀初，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、功能等各項要求也都顯得都越來越高，隨之出現(xiàn)的問題也就越來越多了，促使著巖土工程的技術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問題。而后，全世界各國的許多學者都熱衷于這項研究，并且不斷地在這一領域中取得非常多的豐碩的成果?？墒堑搅?0年代初，基坑工程在我國才開始進行廣泛深入的研究，在那個時候，我國的改革開放正如日中天，基礎建設投入非常大，隨之而來的高層建筑也就不斷地涌現(xiàn)，相應高層建筑的基礎埋深則需要不斷增加，開挖深度自然也就必須不斷增加，對基坑工程的各項要求也隨之就越高。特別是在90年代，很多城市都開始進行大規(guī)模的改造，在經(jīng)濟非常繁華的市區(qū)內(nèi)進行深基坑開挖。這些都給這課題不斷提出了新的內(nèi)容以及技術難題，那就是：如何控制并解決深基坑開挖過程中所引起的環(huán)境效應問題，并且進一步促進深基坑開挖和支護技術的研究與發(fā)展。許多先進的設計計算方法也就隨之產(chǎn)生了，許多新的施工工藝也在工程中實踐中不斷實現(xiàn)，出現(xiàn)了許多技術先進的成功工程實例。但是基坑工程非常復雜，設計和施工時的考慮也會不周，工程事故自然也依然時有發(fā)生。任何一個工程方面的課題的研究發(fā)展都是理論與實踐的密切結(jié)合，并不斷互相促進，最終走向成熟的成果?；庸こ痰陌l(fā)展則往往是出現(xiàn)一種新的圍護結(jié)構(gòu)型式，然后帶動新的分析方法和計算理論的產(chǎn)生，并按照實踐、認識、再實踐、再認識的規(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圍護基坑的穩(wěn)定，后來隨著基坑的開挖深度的不斷增加，放坡已經(jīng)無法滿足保持基坑穩(wěn)定的要求，因此產(chǎn)生了圍護開挖。迄今為止，圍護型式已經(jīng)發(fā)展至數(shù)十種。從基坑圍護的機理來講，基坑圍護方法的最早是放坡開挖，然后出現(xiàn)了懸臂圍護型式、內(nèi)撐（或拉錨）圍護型式、組合型圍護型式等等。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，依然是基坑圍護的一種簡便經(jīng)濟的好方法。懸臂圍護型式是指沒有內(nèi)支撐和拉錨的圍護結(jié)構(gòu)，而是通過設置鋼筋混凝土樁或鋼板樁形成的圍護結(jié)構(gòu)。有時它也可以通過對基坑周邊的土體進行改良，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）圍護結(jié)構(gòu)的發(fā)展改善了懸臂式圍護結(jié)構(gòu)的受力性能和變形特性，同時滿足較深基坑的支檔土體要求。而為了發(fā)揮圍護結(jié)構(gòu)材料的極限承載能力，使圍護結(jié)構(gòu)形式更加經(jīng)濟合理，并能適合各種基坑形式，發(fā)展了組合型圍護型式。人們最早采用基坑圍護結(jié)構(gòu)的是木樁圍護結(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、鉆孔灌注樁以及預制樁等。雖然我國地大物博，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)有關數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在1980~1989年的這10年間里，我國新建的高層或是超高層建筑多達1000余幢，而在l990~1999年這l0年間里，我國新建的高層建筑或超高層建筑則超過9000幢。為解決我國土地資源緊張，其中一條重要出路就是要適當?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。中國城鎮(zhèn)現(xiàn)代化建設正如火如荼，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越多。同時，建筑物密集，基坑的深度極大以及地下設施周圍極其復雜，使得基坑放坡開挖的這一圍護方式已經(jīng)再也不能滿足如今的城鎮(zhèn)現(xiàn)代化建設的需要。因此，深基坑的開挖與圍護引起了各方面的廣泛重視。特別是自90年代以后，基坑的開挖與圍護問題已經(jīng)成為我國土木工程界的熱點問題之一?；庸こ痰臄?shù)量、規(guī)?？焖僭黾?，暴露了許許多多的工程問題。 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)代化建設的不斷推進，高層及超高層建筑已經(jīng)十分普遍，深基坑工程也就越來越多。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加速開發(fā)利用。一方面，在2l世紀，城市現(xiàn)代化建設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。進入90年代，城市的地價不斷飆升，空間利用率也慢慢隨之提高，許多的超高層建筑應運而生，迫使深基坑工程向大深度和大規(guī)模兩個方向發(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)筑物旁進行順利開挖十分棘手 。這些都使得深基坑的開挖與支護難度增大，同時也促進了深基坑計算方法和施工工藝的發(fā)展。深基坑圍護結(jié)構(gòu)雖然僅僅是臨時性的，但如果采用了不合理的支護體系就完全有可能導致工程事故。深基坑支護問題研究的一個重要內(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水平等其他影響因素，選擇經(jīng)濟合理的支護結(jié)構(gòu)方案。深基坑支護設計既牽涉到巖土工程問題，同時有關系到結(jié)構(gòu)工程問題，其中且在理論和技術上存在許多亟待解決的新問題。由于深基坑受力特征非常復雜，土的工程性質(zhì)也很復雜性而且具有不確定性，土力學計算模型的近似假定與實際情況又存在差異，學術界和工程界人士也就越來越重視深基坑支護設計的研究。一旦發(fā)生深基坑工程事故，給國家和社會造成的生命財產(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課題就是：如何以最少的投資，最短的工期，同時確保設計基準期內(nèi)安全運行，并且還要滿足對周圍環(huán)境的保護要求。深基坑工程與多方面因素相關，是一門十分復雜學科，也是一項系統(tǒng)工程。盡管國內(nèi)的專家及學者都早已經(jīng)對深基坑工程進行了大量的研究，取得了一些成功的經(jīng)驗，但是在理論上依然還不夠成熟。深基坑開挖與支護技術與許多因素相關，許多的理論與實際問題都有待進一步完善和解決。 選題目的與意義城市地鐵建設的全面鋪開帶來了深基坑工程的飛速發(fā)展。深基坑工程是一個復雜的綜合性巖土工程問題，幾乎涉及到巖土力學與工程的各個方面。地鐵車站深基坑工程在施工和設計方面都同一般的建筑深基坑有所不同，因為它在場地、規(guī)模、工程造價以及對環(huán)境的影響等方面的要求都非常高。地鐵通常都是穿過城市主要的發(fā)達商業(yè)區(qū)域、主要的旅游景點等，在這些城市的繁華地段，地鐵車站的建設會受到已有建筑(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的建筑等等的超尺寸基坑，同時還是具有時間、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施工很好的有機結(jié)合起來，如車站與隧道區(qū)間段的銜接。因此，地鐵車站深基坑圍護結(jié)構(gòu)類型方案的選擇，對各種影響因素的考慮重點也不一樣。根據(jù)地鐵車站本身的特點，它的深基坑支護方案評價的主要有這么幾個方面：所處的工程地質(zhì)條件，適用范圍，質(zhì)量可靠性，安全性，對環(huán)境的影響，施工進度，總造價。某地鐵將會成為某的主要交通工具，承擔著絕大部分的客流運輸任務，對其工期和質(zhì)量的要求都很高。地鐵車站深基坑工程是地鐵建設的重要組成部分，并且地鐵車站深基坑開挖規(guī)模和技術難度都相當大。而某車站是四、六號線換乘站，客流量會更大，一旦發(fā)生深基坑坍塌事故，不但會造成嚴重的經(jīng)濟損失和人員傷亡，而且會產(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，對深基坑的圍護結(jié)構(gòu)進行選型論證，確定圍護結(jié)構(gòu)形式，并給出某地鐵車站深基坑圍護結(jié)構(gòu)設計方案和施工監(jiān)測方案，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計和施工提供參考。所以，本文研究的課題具有重要的工程應用價值，也能對所學知識進行鞏固，更加熟練的掌握。 深基坑工程的研究現(xiàn)狀 深基坑支護設計理論及計算方法研究現(xiàn)狀支護結(jié)構(gòu)強度、變形和穩(wěn)定性的分析計算基本方法可總結(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，也可以稱為彈性地基反力法，我國《建筑基坑支護技術規(guī)程》(JGJ12099)推薦的方法則稱為彈性支點法。土抗力法在樁受水平荷載時的分析計算中應用非常廣泛。按照地基反力的各種假設，主要分為極限地基反力法、彈性地基反力法和復合地基反力法三種。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。基坑圍護設計土抗力法的形成是在橫向受荷樁分析計算方法的基礎上不斷研究改進發(fā)展而來的。早期由于受計算技術的局限性，將工程實際情況作了很大的簡化，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，假定圍護墻后作用的土壓力是已知的主動土壓力。“彈性法”假定開挖面以下的土體均處于彈性區(qū)。“彈塑性法”和“山肩邦南法”則是將開挖面以下墻前的土體分成彈性區(qū)和塑性區(qū)；伴隨著計算技術的不斷發(fā)展，基坑支護設計土抗力法開始可以采用數(shù)值解法求解。20世紀50年代，波爾斯(Bowles)開發(fā)了求解彈性地基梁的有限元程序，對土抗力法的發(fā)展做出了很大的貢獻。目前，常見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設計計算的彈性地基梁分析方法基礎上，并且引用橫向受荷樁的分析方法改進而來，即將計算寬度的圍護墻作為一個垂直的地基梁，支撐則簡化為與其彈性模量和截面面積相關的二力桿彈簧。基坑開挖面以下，墻前土對梁的地基反力用土彈簧來替代；而墻后荷載常用的有兩種計算模擬:采用主動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結(jié)構(gòu)與土的線性共同作用，分析計算中所需土的物理力學參數(shù)比較單一，同時還可以有效地計入影響基坑開挖過程中基坑穩(wěn)定的眾多因素之中。如作用在圍護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、預壓力及支撐布置前的圍護墻的位移對圍護墻的內(nèi)力和變形的影響等，從而可以大致模擬分步開挖時的各工況情況。同時，根據(jù)圍護結(jié)構(gòu)的水平位移的大小可以初步評估基坑開挖帶來的環(huán)境影響。正因為這些優(yōu)點，彈性地基反力法得到十分廣泛的應用。但它的缺點就是沒有考慮圍護結(jié)構(gòu)與土體的非線性共同作用，我國現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定所推薦的彈性支點法對墻后基坑開挖面以上都是按主動土壓力考慮，而基坑開挖面以下則按定值土壓力考慮，這些都與工程實際存在著巨大的差距，仍需作進一步的研究和完善。(2)極限平衡法在基坑支護設計的發(fā)展早期，極限平衡法就一直被廣泛應用，而且目前仍是我國相關設計人員最熟悉并掌握的基坑圍護設計計算方法之中的一種。因為它計算簡便，設計人員可以通過手算即完成。在目前情況下，即使采用彈性地基反力法計算圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)力確定支護參數(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，采用極限平衡法計算一些“空間效應”不明顯的一級基坑和地層較穩(wěn)定、周圍環(huán)境不復雜的二級基坑中的懸臂單支點支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力也是非常合適的。因此，在今后一段時期內(nèi)，在一定范圍內(nèi)，極限平衡法仍然會得到應用。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比較受歡迎。極限平衡法假定土體達到極限狀態(tài)，作用在圍護墻前后的土壓力分別達到被動土壓力和主動土壓力，然后在這個基礎上再作其他的力學假設，用靜定問題代替超靜定問題再求解。它的缺陷就是認為圍護墻的位移對土壓力的變化沒有影響，而且也不能反映圍護結(jié)構(gòu)的變形情況，特別是是對有支撐的圍護結(jié)構(gòu)設計采用等值梁法時，認為對支點力的計算與支點剛度系數(shù)無關，從而不能模擬分步開挖的各工況條件。所以，極限平衡法無論在理論上還是應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，數(shù)值力一法被采用較多，主要是使用有限單元法來分析基坑的整體特征，就是把包括地基土在內(nèi)的整個基坑看作為一個空間結(jié)構(gòu)體系，并考慮開挖過程中圍護結(jié)構(gòu)與土體共同作用、滲流、時間等因素的影響，綜合分析圍護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形和穩(wěn)定性以及開挖所帶來的環(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平面，再將分析結(jié)果綜合起來，即可得到關于基坑