重庆轨道交通环线大竹林控制中心深基坑工程稳定性分析

第一章 绪论1.1 研究背景及意义近半世纪以来，我国经济开始走向高速发展的道路。在此同时，也随之而来的是城市人口的增长和土地资源的日渐紧张，为了节约土地资源和保护城市周边环境，实现经济、环境可持续发展；特别是城市建筑由地上空间的利用发展逐渐向地下空间的发展利用的趋势，建筑行业也向着更高更深的层次发展，由此衍生出大量的、深度不断增大的的深基坑工程。例如我国大型的深基坑项目，首都经贸委大楼和上海市经贸大厦基础深基坑开挖深度分别达到 30m 和 32m；北京京城大厦共 50 层、总层高 208 米，其基础深基坑开挖深度为 24m；上海金茂大厦共88 层，总层高度达到 421 米，基础深基坑开挖深度为 20m，其中含有 3 层的地下建筑等等。在深基坑的规模、数量、基坑的深度不断增加的情况下，同时再加上城市建（构）筑物的影响下；那么基坑本身的安全稳定性、建（构）筑物和城市附属设施的安全性是基坑支护结构最重要的考虑的因素。在基坑深度增加的同时地下水的影响也不断增大；考虑到这些综合因素的影响，促使基坑工程成为一种难勘查、难设计、难施工的工程技术。由于岩土工程的复杂性、支护结构的缺陷性、施工管理不善和理论与现状实际情况差异性、多趋于经验计算值而导致基坑事故频繁；例如：2009 年，在汉口某深基坑临近建筑物轰然倒塌，事故调查结果为该基坑支护结构设计不当，使得临近建筑物地基发生不均匀沉降；2021 年，在珠海市某地发生特大深基坑事故，造成大量的人员伤亡和严重的经济损失；2021 年，重庆沙坪坝区凤鸣山车站工程，在深基坑施工作业现场发生基坑支护坍塌，系因降雨所致，所幸并未发生人员伤亡。在深基坑支护结构设计中，应该综合考虑基坑周边环境和地质水文条件的复杂程度等因素对基坑稳定性的影响。通过对 103 项工程事故的调查，支护结构设计不当占所有深基坑事故的 45%，其次 33%的事故是由于施工管理不良，使得在支护结构施作时没有按照设计要求来施作；22%的基坑事故是由于地下水处理不当导致[1]；如图 1-1 基坑事故原因比例图。曾宪明[2]对 243 项失事的基坑工程的事故原因做出分析，得出如图 1-2 基坑事故原因频率分布曲线；边亦海[3]对 342 项失事工程的事故的原因及其失事支护形式的失事频率进行了分析，如图 1-3 所示基坑围护结构事故频率分布柱状图。.........1.2 深基坑支护结构研究现状1.2.1 土力学发展深基坑工程支护理论是研究怎样确定土压力在支护结构上的分布形式和大小。法国的库伦(C.A.Coulomb)在 1776 年根据砂土直接剪切实验结果，创立抗剪强度的公式，并且分析楔形滑动体在不同的倾角滑裂面上的极限平衡现实，提出了挡土墙土压力计算方法，即库伦土压力公式，也是土力学經典理论之一。在 1857年，英国学者朗肯( W..M.Ranine)提出朗肯土压力理论。在此之后奥地利学者太沙基（.Terzaghi）在总结先前的經典土力学理论的基础上，在 1925 年出版德文版的土力学;（Erdbaumechani auf Bodenphisialischer Grundlage），内容从土的基本物理属性出发，阐述了土的物理性质的各种指标与工程性质的关系其中介绍了土的变形特征和压缩性指标的确定、土的强度破坏特征与抗剪强度指标的测试，以及土中有效应力与总应力的概念等等。然而在古典理论中利用土体滑裂面、完全弹性等假设，但是这种情况下计算出的土压力理论值与实际值具有差异性。随后在 40 年代，.Terzaghi 总结出了土压力的经验计算理论，然而在 60 年间进行进一步的完善和修正并提出包络线；目前，基坑支护结构按照受力特点主要划分为下面三大类：(1)被动受力支护结构：这种支护结构受力是依赖结构本身强度来承受侧向土体压力，使边坡不会产生较大位移，保证基坑边坡不会发生破坏，例如板、桩、墙、管等支护技术。(2)主动受力支护结构：这种支护结构形式主要使用的技术又叫补强类护坡技术，主要是采取一些可行的方法增加原始岩土体的强度，使原始岩土体和支护结构形成一个复合完整的整体，从而达到基坑整体支护的效果，例如搅拌桩、土钉支护、加筋挡土墙等工程技术。.......第二章 深基坑支护计算理论2.1 基坑支护设计理论深基坑破坏形式有两种：强度破坏和稳定性破坏。 强度破坏深基坑支护结构的破坏主要指支护结构因受弯而产生破坏，当施工现场地表面所承受的荷载或者岩土体压力过大的时候，如果工程师在选用支护结构类型和截面大小形式选择、钢筋型号和配筋布置形式不合理等等情况，都有可能引起支护结构受弯承载力不足，使得支护结构失效而造成结构倾覆的现象。 稳定性破坏基坑稳定性破坏一般指的是：墙后土体整体滑动失稳；倾覆破坏；管涌或流砂三方面。1）墙后土体整体滑动失稳：如果桩嵌入土体深度不足引起的圆弧式的滑动，其基坑滑动面在坡脚或者以下。墙后土体整体滑动失稳往往主要因素在于地基承载力不足，地基岩土体脆弱、抗剪强度不足以满足现场施工条件、基坑深度超限或地面违规堆载、锚杆长度不足等等原因。2）倾覆破坏：基坑开挖侧土体被移除后，土体应力释放过程中会引起基坑坑底不同程度的隆起。当岩土体软弱且基坑开挖过深或地面荷载较大时容易引起基坑倾覆破坏，可通过增加桩的嵌入土体深度、加固基坑土、施作花杆、减少地面堆载等等来防止。3）管涌或流砂：有时由于基坑内外存在较大的水位差，当基坑底部的岩土体有无粘性土的细颗粒，这时容易出现流砂或管涌现象的破坏。深基坑施工开挖过程中，由于基坑开挖侧的土体被移除，导致基坑内外土体不能维持原始受力现实，使基坑坑底受力发生改变而产生坑底回弹的现象，这种现象称之为坑底隆起;[45]。在支护结构内外所受土压力大小变化不同的作用下，引起基坑外侧岩土体的移动变化，其包括竖直和水平方向的位移变化，即土体变形;；如图 2-1 基坑变形示意图所示。..........2.2 土压力计算理论在建筑基坑工程开挖的过程中，常常需要用各种挡土结构对基坑边坡加以支挡，目的是为了防止基坑边坡失去稳定性。作用在支护结构上的土压力大小和形式与诸多因素相关而且也难以精确确定土压力的具体大小和分布，主要原因有[49]：①土的类别及土的计算指标：土的类别与天然重度都影响着土压力的大小，如果其重度越大，土压力越大，反之亦然；土的内摩擦角越大，土体的土压力也相对较大。②计算理论：广泛运用库仑和朗肯土压力理论，各自有各自的使用和假设条件。然而因为这些假设和使用条件的限制，使得与实际工程相差甚远，因此常常根据现场实际情况，在理论基础上进行调整和修正。③支护结构的刚度及位移④有无支点及支点位置和反力大小：当基坑开挖不深时，支护体不设支点。当基坑深度较大时，则需要设置支点的道数应该视现场情况而定。⑤所开挖基坑的几何形状和大小：库仑和朗肯土压力都是以平面应变为前提。在长条形基坑中，较长边满足其条件，而在较长变的边缘处或者短边却与理论的适用条件有差异，用土压力的理论来计算得到的结果与实际值差别很大，则表现为土压力大小的空间效应。⑥地下水：往往在基坑工程中存在着地下水的情况，不仅仅改变土的重度和抗剪强度指标，而且支护体不仅仅受到土压力还受到水压力的作用。⑦施工方法、施工工序和施工过程⑧外界荷载和温度：在施工现场场地，由于场地限制，在基坑周边要常常堆放一些施工材料，这些都通过土体对支护体施加压力。.........第三章 深基坑支护结构设计方案....303.1 工程概况........ 303.2 工程地质和水位地质条件............. 313.2.1 工程地质条件............ 313.2.2 水文地质条件............ 323.2.3 地质条件评价............ 323.3 深基坑支护结构的设计依据及选择........ 333.3.1 支护设计依据............ 333.3.2 支护方案的选择........ 333.4 理正深基坑支护结构稳定性计算分析.... 353.4.1 理正深基坑土钉支护结构稳定性计算分析........ 363.4.2 理正深基坑桩锚支护结构稳定性计算分析........ 393.5 本章小结........ 49第四章 控制中心深基坑开挖数值模拟分析..........514.1 MIDAS/GTS 简介.....514.2 深基坑土钉支护结构有限元模型建立与分析.............. 514.3 深基坑桩锚支护结构有限元模型建立与分析.............. 574.4 本章小结........ 67第五章 深基坑稳定性影响因素分析...........685.1 土钉支护参数对深基坑稳定性的影响分析...... 685.2 桩锚支护参数对深基坑稳定性的影响分析....... 735.3 新方案与原方案的稳定性对比.... 775.4 本章小结....... 81第五章 深基坑稳定性影响因素分析在实际工程设计中，既要满足基坑的安全稳定性又要兼顾工程成本；尽可能的在安全稳定性的基础上，控制工程造价的成本。在基坑支护设计中，设计院往往为了更好的保证基坑工程的安全稳定性，故设计支护结构参数常常比较保守，然而同时带来的是工程造价相对偏高。为了控制工程造价成本，同时又考虑基坑的稳定性，在数值模拟中可以通过支护结构参数的变化对深基坑稳定性的影响分析，确定既能满足设计规范的要求又能控制工程造价的最优方案。在土钉支护结构中，土钉的长度、土钉的倾角、土钉竖向水平间距、边坡坡角等因素都是土钉支护重要考虑的参数。同样在桩锚支护结构中锚杆的倾角、锚杆自由端和锚固段长度、桩的直径、桩间距离、桩的嵌固深度等对桩锚支护工作性能的影响。这些参数分别对土钉和桩锚支护结构的安全稳定性中起着重要的作用。为保证其安全性，对深基坑安全稳定性的影响因素进行分析，明确支护参数对稳定性影响的变化规律，使得基坑工程更稳定、安全、可靠和经济。在以下工程模拟中，在原土钉和桩锚支护结构的基坑支护参数设计的基础上，只改变其中某一个要研究的参数，其他参数保持不变，以作对比得出结果。在土钉支护结构分别分析土钉长度、土钉倾角、土钉竖向间距、土钉横向间距；桩锚支护结构分别分析桩径的大小、桩间距、锚杆的入射角、桩的埋置深度等对土钉和锚杆支护性能的影响。.........结论本文首先对深基坑支护结构做出了阐述，并且介绍土钉和桩锚支护结构的技术国内外发展的历史和研究现状，并分别总结和分析了土钉和桩锚支护结构的作用机理和稳定性验算的公式。然后结合重庆轨道交通环线大竹林控制中心深基坑的实例，对土钉和桩锚支护结构进行计算，并且采用 MIDAS/GTS 有限元软件和理正深基坑进行稳定性的分析计算。然后进行分析支护参数对基坑稳定性的影响分析，对支护参数进行优选、证实设计方案中设计参数的合理性和可以进行调整的地方，也进一步验证基坑在设计理论上的稳定安全性。最后对深基坑监测进行分析和与模拟数据进行对比，得出各自的优缺点和其产生的原因。提出了一套设计方案确定前稳定性计算、支护参数的优选、数值模拟、监测的动态管理、设计系统。通过对以上内容的研究，得到下面的结论：1 本文采用理正深基坑计算软件对土钉和桩锚支护结构进行分析，并且对基坑的整体稳定性、抗倾覆、抗隆起等进行计算，同时也证明支护结构安全稳定性。2 采用 MIDAS/GTS 有限元软件分别对土钉和桩锚支护结构进行数值模拟，模拟了基坑的开挖和支护的全过程，模拟得出深基坑的水平位移和沉降量。并且将结果与理正模拟结果进行比较，以证明 MIDAS/GTS 模拟的合理性。土钉支护结构中土体的最大水平位移约为 21mm，基坑边缘竖向沉降位移最大值约为 5mm；桩锚支护结构中土体水平位移最大值约为 28mm，沉降值约为 16mm；其模拟的数值结果都在规范规定的范围内；这也从软件的数值模拟计算得出深基坑的安全稳定性。3 分析基坑支护参数对深基坑稳定性的影响，通过对土钉的长度、土钉倾角、土钉横向距离、土钉竖向距离、桩长、桩径大小、锚杆倾角、桩间距的控制变量，分别得出单一参数的变化对基坑稳定性的影响的规律和特征情况，并且从数值模拟的角度分析设计方案中参数的合理性和可值得改进的地方，使之更好的权衡支护结构的安全性、技术可行性和造价之间的关系，这也很大程度论证了设计方案的安全稳定性和保守性。4 通过对大竹林深基坑边坡水平位移、周围建筑物的沉降监测和分析深基坑变形规律，每个阶段的变化情况，造成此情况的原因。从监测最大值中可以看出基坑变形都控制在监测方案和规范要求的范围内，并且进一步论证基坑的安全稳定性。..........参考文献（略）