学位论文-—基坑监测技术在深基坑中应用.doc
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1、(基坑技术在深基坑中应用)2015届本科(专科)毕业设计(论文)题目:基坑监测技术在深基坑中应用 目录摘 要51 深基坑工程的研究现状62 深基坑监测技术概述8 2.1深基坑工程的分析方法及技术82.1.1深基坑维护结构受力分析82.1.2 基坑抗隆起稳定性分析92.2 深基坑的影响因素102.2.1 渗流对基坑稳定性的影响102.2.2 深基坑工程中的冗余度问题113 监测点的布置与埋设123.1一级位移监测基准点的建立133.2场内二级基准点的埋设133.3基坑顶部位移观测点的布设143.4测斜管的埋设 143.5水位点的埋设153.6磁性沉降标的埋设153.7土压力计和孔隙水压力计埋设1
2、63.8应力计的埋设164 现场监测方法174.1基坑监测的频率174.2基坑位移观测184.3磁性沉降标的测量184.4 测斜仪的测量184.5地下水位观测194.6应力计的测量194.7 邻近建筑物、地下管线及道路沉降测量205 现场监测原则205.1监控报警值的确定原则 205.2监测自始至终要遵循“五定”原则206 基坑监测中存在的常见问题217 深基坑技术的发展趋势238 结论24参考文献26致谢29摘 要 随着城市建设的发展,基坑监测已成了工程建设必不可少的重要环节。中心地带的地价日趋昂贵,向空中求发展、向地下深层要土地便成了建筑商追求经济效益的常用手段。基坑监测主要是对地下土体性
3、质、荷载条件、施工环境的复杂性,对在施工过程中引发的土体性状、环境、邻近建筑物、地下设施变化的监测。本论文通过对深基坑监测技术和影响因素进行分析,得到具体监测点的布置与埋设,现场监测方法及常见问题。最后探讨了深基坑技术的发展趋势。 关键词深基坑;基坑监测;时效性;位移;沉降 AbstractWith the development of city construction,the foundation pit monitoringhas becomean important part of the project construction.Center of thepricemore expe
4、nsive,the means usedto airfor development,landbecamebuilderspursuit economic benefits todeep underground.Foundation pit monitoringis mainlythe complexity ofunderground soilproperties,loading conditions,construction environment,monitoring ofsoil properties,environment and undergroundfacilitiesadjacen
5、t buildings,changescausedin the construction processof the.Through the study on theinfluencefactorsof deep foundation pitmonitoring technology andanalysis,get thearrangement and embeddingspecificmonitoring points,on-sitemonitoring method andcommon problems.Finallydiscusses the developmenttrend ofthe
6、 technology ofdeep foundation pit.keyworddeep foundation pit;excavation monitoring;timeliness;displacement; settlement1 深基坑工程的研究现状随着我国城市化进程的加快,各大中城市纷纷开发地下空间而且发展速度很快。一地铁工程为例,北京、上海、广州等多个城市已拥有多条地铁,还有多条路线仍在建设及规划建设,地铁建设热潮已蔓延至众多内陆城市。随着区域经济的迅速发展,越来越多城市趋于一体化方向发展。为缩短城市间的交通距离,提高通行流量,大型城际交通设施也得到了大量建设。近年来,越江(跨海
7、)隧道呈现大直径、长进距离达7.5km,是世界直径最大的隧道之一;在建的钱塘江过江隧道盾构直径与长江隧道相同,全长4.2km,将穿越著名的钱江涌潮河段。为避开既有地下设施,城市地铁的深度也在逐渐加深,如当前上海地铁最大深埋已超过30m。随着建筑体的巨大化,当前基坑开挖工程规模也越来越大,如上海500KV世博变电站基坑开挖深度超过了33m,是目前世界上最大的全地下变电站,上海虹桥综合交通枢纽工程基坑总面积超过15多万平方米。 随着地下工程建设规模和密度的提高,面临的技术挑战和施工风险也越来越大,特别是在沿江、沿海软土地区,由于其地质环境极脆弱敏感,建设难度剧增。近年来,地下工程导致的工程事故屡见
8、不鲜,如 2003 年 7 月,上海地铁 4 号线浦西联络通道特大涌水事故引起严重地面沉降,黄埔江大堤断裂、周边建筑倒塌,经济损失达 15 亿元; 2007 年 12 月,南京地铁 2 号线汉中门站至上海路站区间隧道施工涌水, 市区主干道路面塌方,形成约 10m 深、50m2 的大坑;2007 年 3 月,北京地铁 10 号线苏州街站东南出入口 处发生坍塌事故,塌方面积约 20m2 ,深约 11m,造成 6人死亡; 2008 年 11 月,杭州地铁 1 号线湘湖站基坑工 程倒塌失稳特大事故,地下连续墙围护结构完全倒 塌,11 辆汽车坠入坑中,21 人死亡; 2009 年 3 月,德国 科隆市中
9、心南部地铁线路中的一段在建设过程中全 部倒塌,造成周围地面数栋建筑被毁,使得科隆历史 档案馆严重受损,损失了无数的具有珍贵历史价值的 档案及资料; 2011 年 3 月,深圳地铁 1 号线续建工程大新站 3 号出入口发生基坑失稳事故,基坑附近路面 塌陷,出现直径约 4m、深 3m 的大坑,并导致市政排污 干管爆裂。由于地下工程施工常在管线密布、建筑物 密集、车流和人流量大的环境下进行,施工造成的地 基变形将危害到临近既有建筑物、市政管线及既有地 下设施,并可能影响人们的人身安全。以往已发生过 一些地下工程施工引起的环境影响的实例,如地铁工 程中,施工后发生地表沉降的概率较高。以深圳地铁1 号线
10、的建设为例,施工期内地面沉降事故占了总事故的 25% ,其中一期工程暗挖施工段最大地表沉降达到了 300mm。冗余度可以被认为是结构( 构件) 抵抗连续倒塌 的能力。结构冗余特性是指结构在初始的局部破坏 下改变原有的传力路径,并达到新的稳定平衡状态的 能力特征。充分的结构冗余特性允许结构“跨越”初始的局部破坏而不向外扩展,从而避免连续性破坏或 倒塌的发生。国外对结构连续倒塌问题及建筑的冗 余度已经进行了30余年的研究,连续倒塌分析受到了广泛的关注,并形成了相应的指导性文件。国内对连续倒塌分析也已针对一些重大工程开展了研究,并已在部分重要建筑的设计过程中引入了这一分析方法。 从近几十年来的重大基
11、坑工程事故来看,单纯的土体强度引起的基坑失稳所占比例有限,很多基坑事故都 是由于挡土结构或支撑体系等结构的局部破坏或局部变形过大引起的。因此,有必要针对重要地下工程 与基坑工程引入冗余度也难以从理论上找到定量分析、预测的方法,这就必定要依赖于施工过程中的现场监测。首先,靠现场监测据来了解基坑的设计强度,为今后降低工程成本指标提供设计依据。第二,可及时了解施工环境地下土层、地下管线、地下设施、地面建筑在施工过程中所受的影响及影响程度。第三,可及时发现和预报险情的发生及险情的发展程度,为及时采取安全补救措施充当耳目。监测在取得大量测试数据同时对工程总结经验、完善基坑的支撑、提高设计水平有着重要意义
12、。2 深基坑监测技术概述2.1深基坑工程的分析方法及技术2.1.1深基坑维护结构受力分析 基坑围护结构的受力分析是基坑设计分析的主要考虑因素之一。目前除无支护放坡开挖,围护结构 的主要形式有: 土钉墙、水泥土重力式挡墙、灌注桩排 桩围护墙、钢板桩围护墙、钢筋混凝土钢板桩围护墙、 型钢水泥土搅拌墙和地下连续墙。目前针对围护结 构的分析方法有极限平衡法、地基反力法和有限单元法。极限平衡法在基坑设计早期提出,一直被广泛应 用,是目前我国相关设计人员最熟悉的基坑支护设计 计算方法之一。由于它计算简单、使用方便,常用于 空间效应不明显、地层较均匀、周围环境较稳定的支 护结构。该方法不考虑墙体变形和横向支
13、撑变形,仅通过已知的土压力计算墙体的倾斜。极限平衡法的 关键和难点在于土压力的计算。Janbu 以及 Peck 首先对基坑周边土压力分布和计算进行了研究。魏汝 龙1对开挖卸载和被动区的土压力计算进行了研究;杨晓军等2 考虑地下水水压力对基坑的围护结构上土压力影响,提出了有地下水时土压力的计算方法;李广信3 对支护结构上水土压力的分算与合算进行了分析,并进一步针对渗透对土压力的影响进行了 分析4。 与极限平衡法相比,地基反力法可以考虑支撑轴力、墙体弯矩、土压力等随开挖过程的变化,能合理解释结构刚度和土刚度的作用,目前地基反力法以 m 法应用最为广泛。王建华等5建立空间三维 m 法并将 其应用于深
14、基坑的支护分析中。有限单元法可以考虑深基坑工程的复杂性,模拟 很多常规方法难以反映的因素,如土体的非线性、弹塑性、桩土接触面的摩擦效应等,因此该方法在实践 中得以广泛应用。Ou 等6利用三维有限元技术分析 了基坑的边角效应对围护体系的影响; 俞建霖等7用三维空间有限元研究了基坑开挖过程中围护结构变 形、土压力的空间分布及基坑的几何尺寸效应; R J Finno8利用三维有限元分析了基坑尺寸、围护墙刚度 对基坑支护和周边土体位移的影响。2.1.2 基坑抗隆起稳定性分析 基坑的抗隆起稳定性分析对保证基坑稳定和测控基坑变形有重要意义。当地基土和地面活荷载在减的弹塑性有限单元法。 应用极限平衡法研究基
15、坑抗隆起稳定性主要有两类: 其一是基于地基承载力的概念; 其二是圆弧滑 动法9-10。Terzaghi 以及 Bjerrum 和 Eide 均假设黏土基坑的稳定性由不排水抗剪强度控制,基于地基承载力模式分析黏土基坑抗隆起稳定性,并给出了稳定系数表达式。但这两种方法均适用于柔性挡土墙,而目前基坑工程中大多采用刚度较大的支挡结构( 如地下11连续墙 围护桩 。张耀东等 在 Bjerrum-Eide 方法的基础上进行了相关改进,提出的抗隆起稳定计算修正公式可以考虑支护墙体的入土深度、坑底下的软土层深度、坑底地基处理和工程桩等的影响; 王成华 等12基于 Terzaghi 承载力理论提出了基坑抗隆起稳
16、定分析的临界宽度法,定义了最可能发生基坑抗隆起失稳破坏的坑外临界宽度。我国基坑工程实践中也常用基于圆弧滑动破坏模式的抗隆起稳定分析方法,新修订的上海市工程建设规范 DG /TJ 08-612010基坑工程设计规范对分层地基中基坑抗隆起稳定分析的圆弧滑动模式给出了更为明确的计算公式。 极限平衡法是在假定破坏面上进行验算,在理论上是不严格的,其解与真实解的关系无法确定。相比之下极限分析法在理论上要比极限平衡法严格得多。Su 等13使用考虑非均质和强度各向异性的上限公式解析方法,分析了窄而深基坑的抗隆起稳定安全系 数; Chang 等14根据地基承载力的 Prandtl 破坏模式并应用上限理论推导了
17、基坑抗隆起稳定性的解析公式, 并对一些工程实例进行了计算与对比; 姜洪伟等15将Sekiguchi-Ohta 的各向异性本构方程求得的各向异性 不排水剪强度应用到深基坑的抗隆起稳定分析中,计算结果表明: 各向异性显著影响基坑抗隆起稳定安全 系数,忽略各向异性的影响将带来偏于不安全的结果; 邹广电16 基于 Prandtl 破坏模式得到了基坑抗隆 起稳定的上限分析公式,但是由于在确定速度场时使 用了简化方法,因此并非严格意义上的上限解; 黄茂17松等基于经典的 Prandtl 破坏模式 结合 Casagrande和 Carrillo 推荐的考虑土体应力主轴旋转的软黏土强度公式,运用塑性极限分析上
18、限定理推导了非均质土层中深基坑开挖的抗隆起稳定公式,研究了基坑开挖土体强度各向异性比、支护墙体入土深度、坑底软土 层厚度对抗隆起稳定安全系数的影响; 黄茂松等18进行进一步的修正,推导了更为严格的基于 Terzaghi 机构和 Prandtl 机构的基坑抗隆起稳定上限解析解。 数值极限分析方法往往比一般极限分析的解析方法得到更合理的破坏面和稳定安全系数。数值极 限分析方法主要包括极限分析有限元法和多块体极 限分析方法。B Ukritchon 等19采用的极限分析有限 元法计算了不排水和各向异性条件下基坑抗隆起稳 定系数的上限和下限,既有极限分析法理论上的严格 性又有有限元适用性强的特点; 秦会
19、来等20提出了支 护墙体刚性条件下的用于饱和黏土基坑抗隆起稳定 分析的多块体相容破坏模式,并使用 Monte Carlo 搜索 技术进行了优化,讨论了基坑宽度、坑底软土层厚度、 支护墙体与土体间侧摩阻、支护墙体入土深度和土体 强度非均质和各向异性等因素的影响。弹塑性有限单元法分析基坑抗隆起稳定性主要 使用强度折减有限单元法 ( SSRFEM) 。A T C Goh等21运用 SSRFEM 方法计算了软土中深基坑的抗隆 起稳定性,并给出了一个计算基坑抗隆起稳定性的简便公式 Cai 等 在 A T C Goh 的基础上 分析了 圆形基坑的抗隆起稳定性,并给出了圆形基坑坑底抗 隆起稳定性的设计图表;
20、 H Faheem 等23的进一步针 对矩形基坑的三维分析表明: 抗隆起稳定性还受基坑 长宽比的影响,当基坑长宽比大于一定值时可忽略三维影响 陈福全等 采用 SSRFEM 方法 分析了不排 水条件下软土地基中内撑式排桩支护基坑开挖的抗 隆起稳定性。基于强度折减技术的弹塑性有限单元 法比较适用于复杂土层条件以及采用土钉和复合土 钉支护的基坑分析。2.2 深基坑的影响因素2.2.1 渗流对基坑稳定性的影响 当基坑开挖达到或者是超过地下水位时,地下水渗流不可避免地将对土体的稳定性产生重要影响,而大量的工程实践显示,渗流问题是许多基坑工程事故 的主要原因之一。南京马台街基坑破坏主要是由管 涌和流砂造成
21、的,导致周围道路建筑物破坏; 上海地 铁 2 号线西延伸段由于承压水涌出造成大面积渗水和 地面塌陷,因而在基坑稳定性分析和计算中必须高度 重视地下水及其渗流作用。25黄春娥等 利用有限元法计算渗流场 然后采用 考虑渗透力的圆弧滑动法分析基坑稳定性。在数值26分析方面董诚等应用 PLAXIS 模拟基坑内降水条件下基坑开挖过程的真实状态,分析渗流作用对深基坑整体稳定性的影响,同时采用有限元强度折减法并考虑流固耦合计算得到基坑整体稳定安全系数。另外对于深基坑工程,往往由于坑内降水使得坑内外水头相差很大,容易造成渗透破坏极大威胁基坑工程的安全。冉龙等27通过模型试验和数值模拟对深基坑渗透破坏模式进行了
22、分析研究。2.2.2 深基坑工程中的冗余度问题 对于基坑支护体系来说,其进行冗余度设计的目的就是通过合理地布置支护体系,采取必要的连接构造节点,在不增加支护体系造价或造价增加很小的前提下,增加支护体系的冗余度,防止局部支护体系发 生局部破坏引起整个支撑体系的变形显著增大或出 现整体破坏。目前国内外还未针对基坑工程开展冗28余度的研究。基于工程实践和理论研究 Zheng 等近期提出了基坑工程的冗余度的概念和基坑支护体 系冗余度的分类: 1) 基坑水平支撑系统的变形冗余度 基坑水平支撑系统的变形冗余度即水平支撑体系的承担竖向支挡结构传递来的荷载时产生变形的冗余度。水平支撑的布置应保证整个水平支撑体
23、系 在不同的与竖向支挡结构连接的位置具有大致相同 的刚度,整体上不同部位的变形差异不至过大。当水 平支撑体系中个别杆件强度或刚度不够时,水平支撑 体系能够将初始局部薄弱区域的荷载有效传递到能 够承担这些冗余荷载的周边结构上,使薄弱区域的变 形不会显著增加。 2)基坑水平支撑系统的稳定冗余度 基坑水平支撑系统的稳定冗余度包括 3 个方面,即: 同一道水平支撑系统的冗余度。对重要基坑工 程的水平支撑系统进行合理设计,使其在局部范围内 主要水平受力构件失效后仍能保证荷载的有效传递;或者在局部构件削弱时可将多余荷载传递到其他受 力路径; 或者局部位置作用冗余荷载( 例如基坑边局 部施工荷载过大) 传递
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