上海地区支护结构与主体地下结构相结合的深基坑变形性状研究

摘要

由于在变形控制、可持续发展等方面的诸多优点，支护结构与主体地下结构相结合已成为建设多层地下结构的一种有效方法，是上海软士地区近年来迅速发展和应用的新型支护型式。在支护结构与主体地下结构相结合的深基坑工程设计中，最关切的问题是预测基坑的变形，但目前尚缺乏对其变形性状的系统研究。由于基坑工程的高度复杂性，采用常规的弹性地基梁法或平面有限元法已难以分析支护结构与主体地下结构相结合深基坑的复杂变形性状，因此本文采用三维有限元建模和大量的基坑实测数据分析并结合三个大型基坑工程的实践对上海地区支护结构与主体地下结构相结合的深基坑变形性状进行了系统的研究。主要内容包括如下几个方面： 1．对支护结构与主体地下结构相结合的深基坑建立了考虑土、围护结构、水平支撑体系和竖向支承系统共同作用的三维有限元模型；采用弹塑性的修正剑桥模型模拟基坑开挖过程中土体的非线性特性：基于面-面接触模型实现了连续墙与土之间的接触算法，用以真实地模拟连续墙与土体的相互作用；进而实现了对基坑施工过程的仿真模拟。系统地分析了均质地层中支护结构与主体地下结构相结合深基坑开挖的变形行为、应力和应变行为及其空间效应。研究了墙体与土体之间设置接触面与否及接触面参数对基坑变形的影响。分析了修正剑桥模型各参数对基坑变形的影响。 2．在上海地区典型土层条件下，采用前面提出的三维有限元模型，对影响支护结构与主体地下结构相结合基坑的变形进行了系统的参数研究。研究了连续墙的厚度、水平支撑楼板的厚度、水平支撑楼板的竖向间距、悬臂开挖深度、坑底加固、基坑的长宽比及连续墙接头对基坑变形的影响。结合支护结构与主体地下结构相结合基坑的特点首次研究了工程中非常关心的出土口留设位置、盆式和岛式开挖、分块放坡开挖、工程桩的存在等因素对基坑变形的影响规律。探讨了在广泛的参数影响下基坑的变形特征变量包括连续墙的最大侧移、地表最大沉降、墙土体最大侧移及坑底回弹的一般变化规律，得到了其变化范围的上限，并讨论了各变形特征变量的相互关系，从而为实测统计提供了理论支撑。 3．收集了上海地区315个基坑工程的详细资料，在对大量的基坑实测数据分析的基础上研究了支护结构与主体地下结构相结合深基坑的有关变形性状。给出了围护结构最大侧移的变化范围及平均值，对其影响因素如墙底以上软土厚度、同护结构插入比、支撑系统刚度、坑底抗隆起稳定系数、桩土面积比及首道支撑的位置进行了定量分析。给山了墙后地表最大沉降的变化范围及平均值、分析了墙后地表沉降的分布模式、建议了地表沉降包络线的方程。对影响地表最大沉降的因素进行了分析并与常规顺作法基坑进行了对比。分析了坑底回弹、墙顶及立柱竖向位移的变化范围及其相关规律。研究了上海地区连续墙类、灌注桩类、钢板桩类、SMW工法类、搅拌桩类及复合土钉类等常规顺作法基坑围护结构的变形规律，并将其与支护结构与主体地下结构相结合基坑的围护结构变形规律进行了对比，揭示了后者与常规顺作法基坑在变形规律上的异同。研究得到的有关变形的规律为基坑变形的预测提供了实用图表，可直接应用于上海地区深基坑工程变形的预测。 4．对由由国际广场、兴业银行大厦和上海铁路南站北广场三个采用支护结构与主体地下结构相结合深基坑工程的变形进行了实测研究。对实测结果的分析表明，同护结构各个测斜点在各个工况下的最大变形均在理论分析给出的范围之内，且平均最大侧移与理论研究得到的平均最大侧移吻合得很好，表明理论研究结果能较好地预测围护结构的最大变形。实测得到的墙后地表沉降、管线沉降和建筑物的沉降分布均位于理论研究得到的支护结构与主体地下结构相结合基坑的地表沉降包络线之内，表明该包络线可用来较好地预测基坑开挖对周边环境的影响。研究了基坑开挖引起的水平梁板支撑体系的沉降或回弹的分布规律及基坑变形的时间效应。分析了基坑开挖引致的周边建筑物的三维沉降形态。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景与意义

1.1.1上海地区基坑工程现状

1.1.2支护结构与主体地下结构相结合的特点与应用

1.1.3研究的意义

1.2研究现状综述

1.2.1已有的关于基坑开挖研究现状回顾的若干文献

1.2.2支护结构与主体地下结构相结合的深基坑变形分析方法研究

1.2.3围护结构变形性状研究

1.2.4墙后土体变形性状研究

1.2.5坑底土体变形性状研究

1.2.6立柱与立柱桩的变形性状研究

1.3本文的主要研究内容与创新点

第二章支护结构与主体地下结构相结合的深基坑三维有限元分析

2.1引言

2.2修正剑桥模型

2.2.1正常固结曲线和回弹曲线

2.2.2临界状态线(CSL)

2.2.3屈服面函数

2.2.4硬化和软化行为

2.2.5修正剑桥模型的计算参数

2.3连续墙与土体的接触算法

2.4考虑土与结构共同作用的三维弹塑性有限元分析模型

2.4.1几何模型介绍

2.4.2土体的模拟

2.4.3连续墙的模拟

2.4.4支撑构件的模拟

2.4.5连续墙与土体接触算法的实现

2.4.6有限元分析的实施

2.5支护结构与主体地下结构相结合的深基坑变形性状分析

2.5.1围护结构的变形

2.5.2墙后土体的变形

2.5.3坑底土体隆起变形

2.5.4一柱一桩的位移

2.6支护结构与主体地下结构相结合深基坑的应力和应变性状分析

2.6.1连续墙的弯矩

2.6.2围护结构的侧向土压力

2.6.3开挖引起土体中应力和应变的变化

2.7设置接触面与否及接触面参数对基坑变形的影响

2.7.1设置和不设置接触面对变形的影响

2.7.2接触面参数对变形的影响

2.8土层输入参数对变形的影响

2.8.1孔隙比e的影响

2.8.2侧压力系数K0的影响

2.8.3泊松比ν的影响

2.8.4 e-lnp压缩曲线斜率λ的影响

2.8.5 e-lnp回弹曲线斜率κ的影响

2.8.6临界状态参数M的影响

2.9本章小结

第三章上海地区支护结构与主体地下结构相结合的深基坑变形参数分析

3.1引言

3.2上海地区典型土层及计算参数的确定

3.2.1上海地区典型土层及工程地质特性

3.2.2土层基本计算参数的确定

3.2.3接触面参数的确定

3.3上海地区支护结构与主体地下结构相结合的深基坑一般变形特征

3.3.1分析模型

3.3.2一般变形特征

3.4上海地区支护结构与主体地下结构相结合的深基坑变形参数研究

3.4.1参数研究的范围

3.4.2连续墙厚度的影响

3.4.3水平支撑楼板厚度的影响

3.4.4水平支撑楼板竖向间距的影响

3.4.5悬臂开挖的影响

3.4.6出土口留设位置的影响

3.4.7盆式开挖和岛式开挖的影响

3.4.8分块开挖的影响

3.4.9坑底加固的影响

3.4.10工程桩的存在对基坑变形的影响

3.4.11基坑长宽比的影响

3.4.12连续墙接头对变形的影响

3.5计算结果总结及与已有文献相关结果的对比分析

3.5.1连续墙的最大侧移

3.5.2墙后地表最大沉降

3.5.3墙后土体最大侧移

3.5.4坑底中点回弹

3.6本章小结

第四章上海地区支护结构与主体地下结构相结合的深基坑实测变形性状分析

4.1引言

4.2上海地区常用的基坑围护型式

4.3上海地区基坑工程变形实测案例数据库

4.3.1数据库的建立

4.3.2数据的分类

4.4支撑系统的刚度及坑底抗隆起稳定系数的定义

4.4.1支撑系统的刚度

4.4.2坑底抗隆起稳定系数FS

4.5围护结构变形性状分析

4.5.1围护结构的最大侧移

4.5.2墙底以上软土厚度对最大侧移的影响

4.5.3插入比对最大侧移的影响

4.5.4支撑系统刚度对最火侧移的影响

4.5.5坑底抗隆起稳定系数FS对最大侧移的影响

4.5.6工程桩的存在对最人侧移的影响

4.5.7首道支撑位置对围护结构变形的影响

4.6墙后地表变形性状分析

4.6.1墙后地表最大沉降

4.6.2墙后地表沉降分布模式

4.6.3墙后地表沉降影响因素分析

4.6.4墙后地表沉降与围护结构侧移之间的关系

4.7坑底回弹、墙顶及立柱竖向位移

4.7.1坑底回弹

4.7.2墙顶竖向位移

4.7.3立柱竖向位移

4.8支护结构与主体地下结构相结合的围护结构变形性状与其它围护型式基坑的对比

4.8.1与连续墙类基坑对比

4.8.2与灌注桩类基坑对比

4.8.3与钢板桩类基坑对比

4.8.4与SMW工法类基坑对比

4.8.5与搅拌桩类基坑对比

4.8.6与复合土钉墙类基坑对比

4.8.7对比结果汇总

4.8.8其它板式围护基坑过大变形原因分析及变形控制措施

4.9本章小结

第五章由由国际广场深基坑变形实测研究

5.1引言

5.2工程简介

5.3工程地质条件

5.4支护方案简介

5.5现场监测方案与施工工况

5.6实测结果与分析

5.6.1围护桩的侧移

5.6.2围护桩项圈梁位移

5.6.3立柱与水平梁板支撑体系的竖向位移

5.6.4土体侧向位移

5.6.5基坑开挖对周边管线的影响

5.7本章小结

第六章兴业银行大厦深基坑变形实测研究

6.1引言

6.2工程简介

6.3工程地质条件

6.4基坑支护方案

6.4.1墙体的结合

6.4.2水平构件的结合

6.4.3竖向构件的结合

6.4.4针对周边环境的保护措施

6.5施工工况与现场实测

6.5.1施工工况

6.5.2施工现场实测

6.6变形实测结果分析

6.6.1连续墙的变形

6.6.2连续墙顶位移

6.6.3土体的侧移

6.6.4地表的沉降

6.6.5管线的沉降

6.6.6建筑物沉降分析

6.7本章小结

第七章上海铁路南站北广场深基坑变形实测研究

7.1引言

7.2工程简介

7.3工程地质条件

7.4基坑支护方案

7.4.1两墙合一的围护结构

7.4.2设置大面积出土口的水平支撑体系

7.4.3竖向支承系统

7.5施工工况与现场实测

7.5.1施工工况

7.5.2施工现场实测

7.6变形实测分析

7.6.1连续墙的侧移

7.6.2连续墙顶的沉降

7.6.3立柱与水平梁板支撑体系的沉降

7.7本章小结

第八章结论与展望

8.1主要研究结论

8.2进一步的研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文及参加的科研工作

附录上海地区基坑工程安全数据库

附录参考文献