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1、题目院(系)建筑与土木工程学院专业班级土木工程专业080 班姓名禇盼学号0804050709指导教师任建喜日期2012年月日题 目：专 业：硕 士 生：(签名)指导教师：(签名)摘 要随着我国经济的快速发展以及城市现代化建设的要求不断提高，地下空间的开发和利用已显得尤为重要。大型基坑工程是高层建筑和城市地下工程的重要组成部分，深基坑设计和施工技术成为热点问题。本文以黄土地区西安市地铁4号线大差市站深基坑工程为背景，结合具体工程环境和施工要求，通过对深基坑的不同围护结构形式进行比较与选型论证，确定深基坑围护结构的形式，并对围护结构进行设计计算，以期为类似深基坑工程设计和施工提供指导。本文在第1章
2、中介绍了深基坑的发展状况、人们对其设计理论的研究状况及重点研究方向；第2章主要介绍了基坑支护的一些常用方法及各自的特点；在第3章中，从排桩的计算、降水方面对深基坑计算理论进行了阐述，最后还介绍了施工监测方面的内容；第4章通过对西安地铁4号线大差市站的具体分析，运用前面讲到的理论方法，对基坑支护进行了设计；第5章确定大差市站基坑工程监测方案；第6章对施工组织设计做了一个简单的设计，着重介绍了降水、围护结构的施工工艺。关键词Subject：Specialty ：Name： （Signature）Instructor：（Signature）AbstractWith the increasing de
3、mands of Chinas rapid economic development and urban modernization, development and utilization of underground space has become particularly important. The large-scale excavation engineering is an important part of high-rise buildings and urban underground engineering, deep foundation design and con
4、struction technology has become a hot issue. Deep foundation pit of the loess region of Xian subway line on the 4th Dachashi Station, combined with project-specific environmental and construction requirements, different envelope structure of the deep foundation with the selection of demonstration, t
5、o determine the design calculations, in order to provide guidance for similar deep foundation design and construction.Chapter 1 introduces the development situation of the deep foundation of its design theory, research status and focus of research ; Chapter 2 introduces some commonly used methods of
6、 excavation support system and their own characteristics; In section 3 chapter, from the calculation of the row of piles, the precipitation aspects of deep computing theory expounded, and finally the construction of a monitoring component; Chapter 4 by a specific analysis of the Xian subway Line 4 D
7、achaishi Station, use the front mentioned theoretical methods, the foundation pit support design; Chapter 5 determines the foundation pit of the station monitoring program; Chapter 6 of the construction design to do a simple design, focusing on precipitation, retaining structure the construction pro
8、cess.Key words:目 录第1章 绪论.11.1 深基坑工程的发展状况.11.2 深基坑支护设计理论及计算方法研究现状.41.3 深基坑工程支护结构设计的原则.61.4 深基坑工程中存在的主要问题.61.5 深基坑工程支护技术的发展趋势.7第2章 基坑支护的主要内容和方法.82.1 基坑支护的内容和特点.82.1.1 基坑支护的主要内容和功能.82.1.2基坑支护的主要特点.92.2 基坑支护方法的概述.102.2.1 排桩或地下连续墙的支护结构.112.2.2 水泥土墙支护.122.2.3 土钉支护.132.2.4 逆作拱墙支护.142.2.5 内支撑支护.14第3章 深基坑设计计
9、算理论.163.1 土压力计算.163.1.1 静止土压力.163.1.2 填土面水平时的朗肯土压力.173.2 地下连续墙止水帷幕.183.2.1 地下连续墙的分类.193.2.2 地下连续墙的优点.193.2.3 地下连续墙止水帷幕的应用.203.3 排桩设计.203.3.1 嵌固深度计算.213.3.2 桩内力计算.213.4 降水设计.223.4.1 管井降水一般计算方法.223.4.2 辅助降水.233.5 施工监测.243.5.1 基坑监测工作的基本原则.243.5.2 基坑监测的主要内容.243.5.3 基坑监测过程的基本要求.27第4章 西安地铁大差市站基坑围护设计.284.1
10、 大差市站工程概况及设计资料.284.1.1 概述.284.1.2 本区地质情况概要及不良地层情况.284.1.3 大差市车站周边建造物.314.2 施工降水.314.2.1工程地质概况.314.2.2渗透系数.324.2.3 基坑用水量.324.2.4 管井降水计算.334.3 支护结构设计.344.3.1 支护方案的比较与选型论证.344.3.2 横断面计算.344.3.3 横断面计算.464.3.4 支护参数最终确定.57第5章 大差市深基坑监测方案.585.1 工程概况.585.2 基坑监测方案.585.2.1 监测内容.585.2.2 监测仪器.585.2.3 观察时间与频率.595
11、.2.3 监测点的布设.60第6章 深基坑支护施工组织设计.646.1 编制依据.646.1.1 编制依据.646.1.2 编制原则.656.1.3 编制内容.666.1.4 施工组织设计目标.666.2 工程概况.666.2.1 工程简述.666.2.2 工程特点及重点、难点分析及对策.676.3 总体施工方案.696.3.1 总体施工方案.696.3.2 施工顺序.716.3.3 总体施工步骤.716.3.4 总体施工流程.716.4 施工总平面布置.736.4.1 布置原则.736.4.2 布置依据.736.5 施工方案及技术措施.736.5.1 降水.736.5.2 围护结构施工.75
12、结论88致谢89参考文献90附录90第1章 绪论1.1 深基坑工程的发展状况基坑工程是一个古老，并且又具有时代特征的土木工程课题。木桩围护和放坡开挖早在远古时代就已经出现。人类的土木工程活动在很大程度上促进了基坑工程的发展，特别是到了上世纪末和本世纪初，伴随着大量的高层、超高层建筑和地下工程的不断出现，对基坑工程的安全、功能等各项要求都越来越高，出现的问题也越来越多，促使岩土工程技术人员以新的思维去审视基坑工程这一古老课题，并使许多新的经验、理论的研究方法得以出现并发展成熟。在本世纪30年代时，Terzaghi等人就已经开始研究基坑工程中的相关岩土工程问题。至那以后的历史长河中，全世界各国的许
13、许多多学者都投入了这项研究之中，并切不断地在这一领域取得非常多的丰硕的成果。然而基坑工程在我国进行广泛深入的研究则是始于80年代初，那个时候我国的改革开放方兴未艾，基础建设正如火如荼，随之而来的高层建筑不断涌现，相应地高层建筑的基础埋深则不断增加，开挖深度自然也就不断增加，对基坑工程的各项要求也就月越高。尤其是到了90年代，许多城市都在进行大规模的改造，在经济繁华的市区内进行深基坑开挖，给这一古老课题提出了的新的内容以及技术难题，那就是：如何控制并解决深基坑开挖时所引起的环境效应问题，从而进一步促进了深基坑开挖技术的研究与发展。随之产生了许多先进的设计计算方法，许多的新的施工工艺也就在工程中不
14、断付诸实施，出现了许多技术先进的成功的工程实例。但由于基坑工程的复杂以及设计、施工的考虑不周，工程事故发生依然时有发生。任何一个工程方面的课题的研究发展都是理论与实践的密切结合，并不断互相促进，最终走向成熟的成果。基坑工程的发展则往往是出现一种新的围护结构型式，然后带动新的分析方法和计算理论的产生，并按照实践、认识、再实践、再认识的规律，不断完善从而走向成熟。早期的基坑开挖常采用放坡的形式来围护基坑的稳定，后来随着基坑的开挖深度的不断增加，放坡已经无法满足保持基坑稳定的要求，因此产生了围护开挖。迄今为止，围护型式已经发展至数十种。从基坑围护的机理来讲，基坑围护方法的最早是放坡开挖，然后出现了悬
15、臂围护型式、内撑（或拉锚）围护型式、组合型围护型式等等。然而基坑放坡开挖则需要有非常大的施工工作面，并且开挖的土方量较大。在工程条件允许的情况下，依然是基坑围护的一种简便经济的好方法。悬臂围护型式是指没有内支撑和拉锚的围护结构，而是通过设置钢筋混凝土桩或钢板桩形成的围护结构。有时它也可以通过对基坑周边的土体进行改良，形成稳定的结构，例如水泥土重力式挡墙结构。内撑式（拉锚式）围护结构的发展改善了悬臂式围护结构的受力性能和变形特性，同时满足较深基坑的支档土体要求。而为了发挥围护结构材料的极限承载能力，使围护结构形式更加经济合理，并能适合各种基坑形式，发展了组合型围护型式。基坑围护结构人们最早采用的
16、是木桩，而现在我们则经常使用地下连续墙、钢板桩、钢筋混凝土桩，以及通过地基处理等方法而采用的土钉墙、水泥土挡墙等。钢筋混凝土桩的设置方法有人工挖孔桩、沉管灌注桩、钻孔灌注桩和预制桩等。在我国，深基坑工程的主要特征以及存在的主要问题有:虽然我国地大物博，但是人口却最多，人均占有的土地都不及全世界人均占有土地的l/10。为了节约每寸土地，旧房则不断被拆除，建筑逐渐向更高空或是地下发展，许多高层建筑拔地而起。根据有关数据统计，在19801989年的这10年间里，我国新建的高层或是超高层建筑多达1000余幢，而在l9901999年这l0年间里，我国新建的高层建筑或超高层建筑则超过9000幢。为解决我国
17、土地资源紧张，其中一条重要出路就是要适当地不断发展多层和高层甚至超高层建筑，不断向空中或地下发展。中国城镇现代化建设正如火如荼，高层及超高层建筑如雨后春笋大量涌现，深基坑工程也就越来越多。同时，建筑物密集，基坑的深度极大以及地下设施周围极其复杂，使得基坑放坡开挖的这一围护方式已经再也不能满足如今的城镇现代化建设的需要。因此，深基坑的开挖与围护引起了各方面的广泛重视。特别是自90年代以后，基坑的开挖与围护问题已经成为我国土木工程界的热点问题之一。基坑工程的数量、规模快速增加，暴露了许许多多的工程问题。总的来说，目前我国基坑的开挖与围护状况具有以下的特点： a工程地质条件越来越差：城市的现代化建设
18、不像水电站、风电站以及核电站等设施那样，可以在非常广阔的地域中选择优越适合的建筑场地，因为为了满足城市规划的需要经常是随遇而安，因此工程地质及水文条件极差。这一现象在沿海的发达城市十分明显，像某些城市存在湿陷性黄土，软土及淤泥质土等，工程地质条件十分复杂。b基坑周围已经建造的或正在建造的高大建筑物十分密集：大兴土木工程不仅要确保本建筑的基坑稳定安全，而且必须不能影响周围其他建筑物的安全。 c基坑深度增加：因为地皮珍贵，为了使用方便，或为了符合城市规划化规定及人防需要等，建筑投资者就必须向地下空间发展。过去，大城市建l2层地下室也是非常少的，中等城市就更加为少见。现在的大城市以及沿海城市，特别是
19、那些经济特区，地下34层早已经变得非常普遍，56层也不少。因此，基坑深度一般都大于10m。 d基坑围护方法非常多：如人工挖孔桩、深层搅拌桩、预制桩、抗滑桩、地下连续墙、木支撑、钢支撑、拉锚、注浆、喷锚网支护法等，各种桩、墙、板、撑、管以及锚杆相互联合的组合支护法等等。e基坑工程事故多：这类问题目前在土木工程界显得异常突出，以至于很难说哪个地区、哪个大城市已经建的基坑工程近年来从不出事故。不管地质条件比较好的地区（如北京），还是地质条件差的地区（如上海、惠州等）都或多或少的会出现一些问题。很多地区基坑工程的成功率很低，仅为1/3，很多基坑工程都出了工程事故，或多少存在毛病。这样的结果就是对国家的
20、经济造成了巨大损失，同时还影响居民的安定生活。综合起来，目前我国的基坑工程中存在的主要问题有以下几个方面： a基坑工程发生事故的主要原因之一就是基坑工程的设计水平较低。很多部门错误的认为深基坑开挖围护工程仅仅是施工单位的事，相关责任也应该由施工单位承担，而不需要设计资质。设计院及岩土工程单位参与太少，基坑工程围护的相关设计大多是由施工单位自己完成。由于设计人员的技术水平各不相同，计算方法、参数取值没有统一的参考规定，这就使得一些工程设计存在缺陷多、隐患大等忧患，盲目的挖掘潜在安全性能，从而导致安全储备过低，发生严重工程事故，或盲目增加安全系数造成严重浪费。 b深基坑围护技术以及施工技术有待尽快
21、发展提高以适应当前工程的需要。目前深基坑开挖围护工程早已经发展到以大、深、复杂为特点的新时期，尤其是某些地区的工程地质条件以及部水文地质条件差，深基坑工程施工技术的改进等问题，都有待于进一步的研究。 c质量检验方面存在问题，基坑围护结构的质量检验方法也没有统一的相关规范或规定，造成基坑围护结构的质量监督和质量评价十分困难。缺乏针对基坑围护工程特点而建立的质量管理体系，检测部门资质混乱。 d深基坑工程对工程勘察有特殊要求，基坑工程勘察工作十分重要，然而许多勘察单位经常不重视对基坑环境的勘察，专门针对基坑的工程地质条件及水文地质条件的分析重视还不够，而且缺乏科学的针对各种计算参数的试验方法及取值方
22、法，经常不符合工程现场实际情况，有些勘察单对于一些工作量大的现场试验及原位测试工作偷工减料，勘察深度和勘察点的布置也不遵循相关规范，不符合基坑工程要求，以致给设计、施工带来困难和隐患。e施工现场混乱，技术水平低，并且缺乏科学管理。我国对属于岩土工程的地下施工项目，资质限制并不是很不严格。许多单位转手承包基坑支护工程，少数不具备技术条件，人力、物力等基本素质较差的施工单位，为了追求利润，经常不向相关单位征求意见就随意地修改工程设计，降低安全储备。f监理工作的相关问题：目前深基坑工程的监理工作在人力、技术等很多方面还很不能适应工程的特殊要求，基坑工程的监理也应该作为整个土木工程监理的一个重点来对待
23、。深基坑围护的目的与要求: a确保基坑坑壁的稳定，保证施工安全； b确保周边邻近建（构）筑物和管线的安全； c必须有利于开挖以及地下室的建造； d确保围护结构的施工方便，保证经济合理。1.2 深基坑支护设计理论及计算方法研究现状支护结构强度、变形和稳定性的分析计算基本方法可总结为三类，就是土抗力法、极限平衡法和有限元分析法。 （1）土抗力法土抗力法通常又被称为基床系数法或地基反力法，假定地基为弹性时，也可以称为弹性地基反力法，我国建筑基坑支护技术规程(JGJ120-99)推荐的方法则称为弹性支点法。土抗力法在桩受水平荷载时的分析计算中应用非常广泛。按照地基反力的各种假设，主要分为极限地基反力法
24、、弹性地基反力法(包括线性弹性地基反力法和非线性弹性地基反力法)和复合地基反力法（p-y曲线法)三种。它们都不同程度地考虑了桩土之间的共同作用。目前使用最广泛的是假定地基反力系数为深度的线性函数的线性弹性地基反力法。基坑围护设计土抗力法的形成是在横向受荷桩分析计算方法的基础上不断研究改进发展而来的。早期由于受计算技术的局限性，将工程实际情况作了很大的简化，以便可以使用解析法求解。例如 “弹性法”、“弹塑性法”和日本的“山肩邦南法”等，假定围护墙后作用的土压力是已知的主动土压力。“弹性法”假定开挖面以下的土体均处于弹性区。“弹塑性法”和“山肩邦南法”则是将开挖面以下墙前的土体分成弹性区和塑性区；
25、伴随着计算技术的不断发展，基坑支护设计土抗力法开始可以采用数值解法求解。20世纪50年代，波尔斯(Bowles)开发了求解弹性地基梁的有限元程序，对土抗力法的发展做出了很大的贡献。目前，常见的土抗力法是弹性地基反力法，它的形成是建立在地基基础设计计算的弹性地基梁分析方法基础上，并且引用横向受荷桩的分析方法改进而来，即将计算宽度的围护墙作为一个垂直的地基梁，支撑则简化为与其弹性模量和截面面积相关的二力杆弹簧。基坑开挖面以下，墙前土对梁的地基反力用土弹簧来替代；而墙后荷载常用的有两种计算模拟:采用主动土压力和采用土弹簧模拟，土弹簧系数即为地基土的水平基床系数。按荷载的施加情况，求解的方法有“增量法
26、”、“总量法”等。目前我们采用的弹性地基反力法仅仅部分地考虑了围护结构与土的线性共同作用，分析计算中所需土的物理力学参数比较单一，同时还可以有效地计入影响基坑开挖过程中基坑稳定的众多因素之中。如作用在围护墙上的土压力大小随着支撑(或锚杆)数量随开挖深度的增加而变化、预压力及支撑布置前的围护墙的位移对围护墙的内力和变形的影响等，从而可以大致模拟分步开挖时的各工况情况。同时，根据围护结构的水平位移的大小可以初步评估基坑开挖带来的环境影响。正因为这些优点，弹性地基反力法得到十分广泛的应用。但它的缺点就是没有考虑围护结构与土体的非线性共同作用，我国现行规范规定所推荐的弹性支点法对墙后基坑开挖面以上都是
27、按主动土压力考虑，而基坑开挖面以下则按定值土压力考虑，这些都与工程实际存在着巨大的差距，仍需作进一步的研究和完善。(2)极限平衡法在基坑支护设计的发展早期，极限平衡法一就直被广泛应用，而且目前仍是我国相关设计人员最熟悉并掌握的的基坑围护设计计算方法之中的一种。因为它计算简便，设计人员可以通过手算即完成。在目前情况下，即使采用弹性地基反力法计算围护结构内力确定支护参数，但基坑的嵌固深度还是需要使用用极限平衡法才能确定；此外，采用极限平衡法计算一些“空间效应”不明显的一级基坑和地层较稳定、周围环境不复杂的二级基坑中的悬臂单支点支护结构的内力也是非常合适的。因此，在今后一段时期内，在一定范围内，极限
28、平衡法仍然会得到应用。极限平衡法有等值梁法、静力平衡法、太沙基法等，而等值梁法和静力平衡法在我国比较受欢迎。极限平衡法假定土体达到极限状态，作用在围护墙前后的土压力分别达到被动土压力和主动土压力，然后在这个基础上再作其他的力学假设，用静定问题代替超静定问题再求解。它的缺陷就是认为围护墙的位移对土压力的变化没有影响，而且也不能反映围护结构的变形情况，特别是是对有支撑的围护结构设计采用等值梁法时，认为对支点力的计算与支点刚度系数无关，从而不能模拟分步开挖的各工况条件。所以，极限平衡法无论在理论上还是应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复杂性，使用常规的分析方法难以反映诸多因
29、素的综合影响。近年来，数值力一法被采用较多，主要是使用有限单元法来分析基坑的整体特征，就是把包括地基土在内的整个基坑看作为一个空间结构体系，并考虑开挖过程中围护结构与土体共同作用、渗流、时间等因素的影响，综合分析围护结构的内力、变形和稳定性以及开挖所带来的环境影响。有限元分析法中所采用的土体的本构模型有线性弹性模型、非线性弹性模型、弹塑性模型和粘弹塑性模型等。有限元分析方法又包括二维和三维有限元两种分析方法。二维有限元分析法就是用垂直面和水平面代替空间形式的基坑结构体系，然后分别使用弹性杆系有限元分析法求解这两个平面，再将分析结果综合起来，即可得到关于基坑围护结构体系分析结果。这种方法虽然具备
30、某些三维分析的特征，但却存在着明显的缺陷，即将水平面分析的外荷载和边界条件视为垂直面分析得到的支撑反力和支点位移，而这却并不能反映两个平面的协同工作，并且分析过程中没有考虑垂直面与水平面各构件刚度的匹配。三维有限元分析，取一定范围内为求解域，土体和围护墙一般采用六面体八节点等单元；空间接触单元则取由四根线段组成的固体单元；支撑构件取为空间杆单元，对基坑空间结构体系进行整体分析求解。有限元分析方法可以更加充分地考虑多种因素的影响，国内外学者近年来在整体计算模型选择、边界条件和排水条件及施工过程模拟、本构模型和土的物理力学参数确定等方面进行了大量的研究。但由于存在着土体模型和土的物理力学参数很难准确确
