统计理论研究接近实际论文提纲

论文题目：武汉长江Ⅰ级阶地超深基坑支护结构设计参数选取与变形关系研究 ——以中海国际大厦超深基坑工程为例

摘要：进入二十一世纪以来,随着武汉地区工程建设的快速发展,建筑工程与市政工程的数量越来越多,形式越来越复杂,基坑开挖的规模和深度也越来越大。武汉因水而兴,城市建设的热点在长江与汉江两岸,超深基坑主要集中在长江Ⅰ级阶地地区,然而,这种发展的趋势与武汉长江Ⅰ级阶地地区复杂的工程地质与水文地质条件、环境保护的要求等制约因素之间的矛盾日益突出,对深基坑工程的理论研究、设计和施工均提出了诸多挑战性课题,深基坑支护技术俨然已成为武汉地区高层建筑工程建设中的难点和热点。土体抗剪强度指标的合理选取是获取符合实际土压力分布模式的保证,是确定安全、经济的支护方案的前提基础,然而传统土工试验所提供的强度参数与实际有一定的偏差,可能导致基坑支护结构的安全性不足,或者是经济性不合理。因此,针对武汉长江Ⅰ级阶地,研究软土取样方法、抗剪强度试验方法以及强度指标的合理选取；获取软土物理力学工程特性统计规律；总结基坑围护结构变形规律；探讨深基坑最优土压力模式；分析基坑变形的影响因素并提出变形控制方法等具有重要的现实意义,这些研究无疑对完善深基坑设计理论具有重要的意义,为武汉地区以及类似地区深基坑工程的设计和计算提供重要的科学依据。本文以武汉长江Ⅰ级阶地中海国际大厦超深基坑工程为例,从对该项目场地进行现场原位静力触探试验、岩土取样以及室内土工试验,获取软土目标地层的相关物理力学参数指标为基本出发点,进行各项物理力学参数指标之间的相关性分析,获取软土物理力学工程特性统计规律,使用弹性地基梁法和三维有限元数值模拟对土体抗剪强度指标选取展开研究,其中针对弹性地基梁法中内支撑水平刚度系数的取值问题,结合本工程内支撑形式特点,进行了圆环支撑水平刚度理论解析式的推导,并使用有限元方法验证该解析式的合理性和适用性。结合实测数据对支护结构变形规律进行了有益的探讨,并使用三维有限元数值分析对基坑变形影响因素及变形控制方法进行了研究,同时使用渗流应力耦合分析法考虑了地下水对基坑变形的影响。本文主要研究结论如下：1、基于超深基坑现场实测数据,深入分析了武汉长江Ⅰ级阶地超深基坑变形规律及土压力分布模式。地下连续墙水平位移曲线基本呈现两头小中间大的“腰鼓”现象,武汉长江Ⅰ级阶地具有典型的二元沉积规律,上部为深厚的软弱黏性土层,下部为砂性土层,对带有内支撑的支护结构体系基坑围护墙变形形式主要呈弓形变形曲线规律,而且武汉长江Ⅰ级阶地中海国际大厦深基坑地下连续墙最大水平位移位置大约在0.56H～0.64H范围内,均值为0.59H。对于上部软弱黏性土层,实测土压力基本介于cq与cu强度指标计算的土压力之问,且远小于岩芯qq强度指标计算的土压力,从土力学基本理论出发,三轴压缩状态更符合土的实际应力状态。对于一级重要性等级基坑工程,建议使用cu抗剪强度指标,对于二级、三级重要性等级基坑工程亦可使用cq抗剪强度指标,应禁止使用岩芯管取样。对于下部深厚砂性土层,土压力实测值与水土分算计算值较为吻合,建议使用水土分算方法计算土压力。2、进行武汉长江Ⅰ级阶地深基坑软土现场取样及土工试验,获取目标地层的各项物理力学参数指标,进行各项物理力学参数指标之间的相关性分析,得到软土物理力学工程特性统计规律,同时研究取样方法对软土各项物理力学指标的影响,并指出目前武汉长江Ⅰ级阶地岩土体取样存在的问题。孔隙比基本上随天然含水量的增加而增大,两者之间的相关程度较高；武汉Ⅰ级阶地中海国际大厦基坑软土天然含水量大部分位于0.85-1.5倍的土体液限范围内：塑性指数基本上随液限含水量的增加而增大,两者之间的相关程度较高；塑性指数与孔隙比之间相关程度较低；软土不同试验方法得到的抗剪强度指标与Ps值之间相关程度均较高,通过Ps值可以反算得到相应的抗剪强度指标,该方法得到的强度指标且具有一定的参考价值,本文提供了Ps值为0.4-0.8MPa对应的软土抗剪强度的总应力指标和有效应力指标。使用岩芯管取样,土体抗剪强度指标明显低于使用薄壁取土器取样方法得到的土体抗剪强度指标;土体天然含水量稍高于使用薄壁取土器取样方法得到的天然含水量；土体液限指数明显大于使用薄壁取土器取样方法得到的土体液限指数。总而言之,岩芯管取样对土体的扰动较静压薄壁取土器取样大,得到的土体抗剪强度指标偏低。目前,武汉长江Ⅰ级阶地普遍采用岩芯管取样,且设计采用的抗剪强度指标一般为直接快剪指标。总体说来,采用岩芯管取样得到的强度指标明显偏低,最终将造成设计过于保守,经济性较差。3、首次提出了基坑内支撑中圆环支撑体系水平刚度计算解析式,就该解析式的使用范围进行了深入分析,并使用有限元方法验证了该解析式的合理性和适用性。探讨了影响圆环支撑体系水平刚度的影响因素,将各支撑杆件划分为受力杆件和传力杆件两大类,使得对圆环支撑体系受力模式更加明确。本文所提出的圆环支撑体系水平刚度计算解析式可为圆环支撑体系基坑设计计算提供依据。4、基于深基坑软土现场取样及土工试验获取目标地层不同试验条件下的抗剪强度指标,使用弹抗法以及三维有限元数值模拟进行深基坑的变形计算分析,得到基坑围护结构的变形及土压力,并与实测数据进行对比分析,探求适宜于武汉长江Ⅰ级阶地深基坑设计计算的土体抗剪强度指标试验方法。弹抗法计算情况下,进行基坑支护设计计算时,基于湖北省地方标准《基坑工程技术规程》对m值计算方法的规定,采用cq试验条件下的强度指标是最为接近实测数据的。岩芯管取样qq试验强度指标取值情况下,得到的土体抗剪强度指标严重偏低,地连墙计算位移最大,与实测数据相差甚远,因此,在进行岩土工程取样时,应禁止使用岩芯管取样。三维有限元数值模拟方面,uu、qq、岩芯qq试验条件土体强度参数取值情况下,地下连续墙水平位移模拟值偏大,与实测值相差较远：cu试验条件土体强度参数取值情况地下连续墙水平位移模拟值与实测值最为接近,cq次之。在基坑开挖范围内,土压力实测值小于岩芯qq、qq和uu试验条件下土体强度参数取值情况下的土压力计算值,而与cu试验条件下土体强度参数取值情况下的土压力计算值较为接近,cq次之,与地下连续墙水平位移反映的规律一致,因此推荐选取cu试验条件下土体强度参数。但从工程应用的角度看,鉴于cq、cu试验条件土体强度参数取值情况下地下连续墙水平位移模拟值相差不大,cq试验条件下土体强度参数取值情况下土压力大于cu试验条件下土压力,使用cq指标进行基坑设计,较使用cu指标安全些,并且室内土工实验中,cq指标较cu指标更容易得到,容易推广应用,因此,进行基坑设计时可使用cq强度指标。同时笔者建议;对于一级重要性等级的基坑首选cu强度指标,二、三级重要性等级的基坑也可使用cq强度指标。5、开展基于渗流应力耦合的软土深基坑变形研究,分析了地下水渗流对深基坑变形及水土压力分布与大小的影响,为地下水的控制提供一定的理论依据。地下水渗流作用对基坑围护结构的变形和受力有较大影响,地下水渗流在渗透性好的砂层中流速最大,二维与三维渗流应力耦合分析计算结果较为吻合。从与坑外地表沉降以及地下连续墙水平位移实测数据的对比分析可知,开展考虑地下水渗流作用的基坑渗流应力耦合分析是有必要的,地下水渗流对基坑变形的影响应予以一定考虑。当坑外地下水位随着季节的变化,地下水补给源头水位的改变,将对地下水渗流以及基坑变形产生一定的影响。对于中海国际大厦落底式止水帷幕,坑外地下水位越高,地下连续墙的变形和弯矩越大,坑外地表沉降也越大,水土压力同样越大,而坑底隆起基本无变化。因此,对坑外地下水位的监测是有必要的,可为控制基坑变形以及周边地表沉降提供及时的监测信息,指导施工。止水帷幕的深度对地下连续墙的变形有较大影响,尤其针对落底与不落底情况,止水帷幕深度越深,地下连续墙水平位移越小,但坑外地表沉降越大：当止水帷幕由落底变为不落底时,地下水渗流流速显著增大,约增大200倍,同时坑底隆起量也显著增大；止水帷幕的深度对坑内外孔隙水压力分布规律影响较大。止水帷幕的渗透系数大小对基坑变形有一定的影响,止水帷幕渗透系数越小,地下连续墙变形和弯矩越大,坑外地表沉降也越大,但坑底隆起越小。当止水帷幕渗透系数小于或者等于10-5m/d时,止水帷幕渗透系数对基坑的变形以及围护结构受力基本无影响。6、运用正交试验设计原理,分析了地层土体强度参数、地下连续墙厚度、环梁刚度、发射梁刚度和土体弹性模量对基坑支护体系变形影响的敏感程度,并考察了各因素的位级趋势。土体强度参数因素极差值最大,其值为141.Omm,且位级趋势图曲线变化明显,为关键因素;地下连续墙厚度和土体弹性模量因素极差值分别为101.7mm、93.7mm,数值大小接近,位级趋势图曲线变化次之,为重要影响因素；环梁截面刚度和发射梁截面刚度因素极差值分别为54.8mm、38.3mm,位级趋势图曲线变化平缓,为一般影响因素。土体强度参数直接影响土压力的大小及分布,而土压力是作用在支护结构上的荷载,对支护结构的变形起着决定性的作用。因此,土体抗剪强度指标的选取应作为基坑设计中重点关注的问题,这正好印证了本文对武汉长江Ⅰ级阶地中海国际大厦基坑抗剪强度参数选取研究的重要性。7、通过运用有限元数值模拟方法研究了围护墙的厚度、内支撑中的封闭环梁道数和截面尺寸、传力杆截面尺寸和竖向间距、以及挖土顺序对围护结构变形的影响,为基坑变形控制提供依据。地下连续墙厚度对其水平位移有较大的影响,合理的地下连续墙厚度需综合考虑周边环境,基坑围护结构变形控制标准等因素确定；对于本文依托工程的圆环内支撑体系,封闭环梁截面尺寸对基坑变形影响程度较大,而发射梁截面尺寸对基坑变形影响程度较小,因此增大环梁及环梁截面刚度可提高内支撑水平刚度,进而有效控制基坑变形；内支撑道数和支撑的竖向布置对基坑变形影响较大,相比两道内支撑,三道内支撑情况下基坑围护结构位移最小,而使用两道内支撑时,支撑的竖向布置位置对基坑的变形起着重要的影响,第一道内支撑一般设置在冠梁标高处,当第二道支撑设置在在0.56H～0.64H范围内,基坑的变形能够得到最大程度的控制,合理设置内支撑的竖向位置是控制基坑变形的一个重要方面；挖土顺序对地下连续墙水平位移有一定的影响,对称开挖可以减小地下连续墙的最大水平位移,最大位移并不是发生在某一层土开挖完成时,而是位于不对称开挖土方量最大之时,对于空间效应显著的内支撑深基坑,分层对称开挖同样可以有效控制基坑的变形。论文的创新点主要体现在：（1）首次对武汉长江Ⅰ级阶地软土地层抗剪强度指标的选取进行了系统的研究,得到了适合于武汉长江Ⅰ级阶地软土地层抗剪强度指标选取的试验方法,选用三轴固结不排水试验cu指标,更符合现场实际土压力分布及基坑围护结构变形。（2）系统推导了圆环内支撑体系的水平刚度理论解析式,就该解析式的适用范围进行了深入分析,使用有限元数值模拟方法验证理论解析式的正确性,同时深入分析了圆环支撑内支撑刚度的影响因素,为类似的基坑圆环内支撑支护设计进行变形与内力计算提供强有力的理论依据。（3）初步建立了武汉长江Ⅰ级阶地软土地层各物理力学工程特性指标之间的统计关系,并提供了软土Ps值对应的抗剪强度的总应力指标和有效应力指标,为软土抗剪强度指标的取值提供了借鉴。（4）深入分析了武汉长江Ⅰ级阶地深基坑的变形规律,得到了影响基坑变形的关键因素,并提出了基坑变形的控制方法。超深基坑围护墙变形形式主要呈弓形变形曲线规律,围护墙最大水平位移位置大约在0.56H～0.64H范围内,均值为0.59H;土体抗剪强度指标为关键影响因素：增加环梁截面刚度、合理设置内支撑的竖向位置、分层对称开挖均可有效控制基坑变形。

关键词：武汉长江Ⅰ级阶地;深基坑;土工试验;抗剪强度指标;三维数值模拟

学科专业：岩土工程

摘要

Abstract

第一章 引言

§1.1 选题依据及研究意义

§1.2 国内外研究现状

1.2.1 岩土参数的选取

1.2.2 深基坑工程中的土压力计算

1.2.3 基坑支护结构的内力计算

1.2.4 深基坑支护结构与岩土相互作用

1.2.5 渗流应力耦合分析研究

1.2.6 深基坑的变形与环境保护

§1.3 主要研究内容、思路、技术路线

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 主要研究思路和技术路线

1.3.3 论文的创新点

第二章 武汉长江Ⅰ级阶地地质特征及中海国际大厦超深基坑工程变形特征

§2.1 武汉长江Ⅰ级阶地地质特征

2.1.1 区域地质构造

2.1.2 区域地形地貌

2.1.3 区域水文地质条件

§2.2 中海国际大厦超深基坑工程简介

2.2.1 工程概况

2.2.2 工程地质条件

2.2.3 水文地质条件

2.2.4 地下水处理方案及控制

§2.3 中海国际大厦超深基坑工程变形特征

2.3.1 地下连续墙深层水平位移

2.3.2 地下连续墙墙顶水平位移

2.3.3 立柱沉降

2.3.4 坑外地表沉降

2.3.5 土压力

§2.4 本章小结

第三章 武汉长江Ⅰ级阶地深基坑软土取样试验及工程特性统计研究

§3.1 软土现场钻探取样

3.1.1 一般规定

3.1.2 仪器设备

3.1.3 现场钻探取样过程

§3.2 室内土工试验

3.2.1 土的物理性质实验

3.2.2 直接剪切试验

3.2.3 三轴压缩试验

§3.3 软土物理力学指标统计

3.3.1 统计原理

3.3.2 软土物理性质指标

3.3.3 软土抗剪强度指标

§3.4 软土物理力学工程特性统计特点

3.4.1 孔隙比与天然含水量的关系

3.4.2 天然含水量与液限的关系

3.4.3 塑性指数与液限的关系

3.4.4 塑性指数与孔隙比的关系

3.4.5 c、φ值与Ps值的关系

§3.5 取样方法对软土物理力学工程特性的影响分析

3.5.1 抗剪强度指标的影响分析

3.5.2 天然含水量和液限指数的影响分析

§3.6 岩土体取样、试验及抗剪强度指标选取存在的问题

§3.7 本章小结

第四章 控制深大基坑变形的圆环内支撑水平刚度计算方法研究

§4.1 解析法

4.1.1 基本假设

4.1.2 水平刚度解析式的推导

§4.2 有限元法

4.2.1 基本思想

4.2.2 边界条件

4.2.3 平均法向位移

§4.3 中海国际大厦超深基坑圆环支撑体系水平刚度计算

4.3.1 有限元计算法

4.3.2 解析法与有限元法计算结果的对比

§4.4 圆环支撑水平刚度影响因素分析

4.4.1 杆件划分

4.4.2 圆环支撑水平刚度影响因素分析

§4.5 本章小结

第五章 武汉长江Ⅰ级阶地软土抗剪强度指标选取与变形计算

§5.1 弹抗法计算分析

5.1.1 弹抗法计算原理

5.1.2 地基土水平抗力系数的比例系数m值的确定

5.1.3 内支撑水平刚度系数的确定

5.1.4 地连墙水平位移对比分析

§5.2 有限元数值分析

5.2.1 数值模拟方法

5.2.2 Midas GTS软件简介

5.2.3 本构模型

5.2.4 模型的建立

5.2.5 参数选取及分析单元

5.2.6 地连墙水平位移对比分析

5.2.7 土压力对比分析

§5.3 本章小结

第六章 基于渗流应力耦合的软土深基坑变形研究

§6.1 地下水渗流基本理论

6.1.1 渗流基本概念及基本定律

6.1.2 渗流基本方程

6.1.3 渗流基本方程的定解条件

§6.2 固结理论

6.2.1 太沙基一维固结理论

6.2.2 Terzaghi-Rendulic拟三维固结理论

6.2.3 比奥三维固结理论

§6.3 渗流应力耦合数值分析模型

6.3.1 间接耦合模型

6.3.2 直接完全耦合模型

6.3.3 渗流应力耦合效应

§6.4 深基坑渗流应力耦合计算分析与研究

6.4.1 渗流应力耦合模型的建立

6.4.2 渗流应力耦合结果与分析

6.4.3 坑外地下水位变化影响分析

6.4.4 止水帷幕深度的影响分析

6.4.5 止水帷幕渗透系数的影响分析

§6.5 本章小结

第七章 武汉长江Ⅰ级阶地软土深基坑变形控制研究

§7.1 软土基坑变形影响因素分析

7.1.1 正交试验原理

7.1.2 正交试验方案设计

7.1.3 计算结果

7.1.4 支护结构系统敏感性分析

7.1.5 考察位级趋势

§7.2 软土深基坑变形控制研究

7.2.1 围护墙的厚度

7.2.2 内支撑的性能

7.2.3 挖土顺序

§7.3 本章小结

第八章 结论与展望

§8.1 结论

§8.2 展望

致谢

参考文献