中南大学研究生学位论文选题报告--蔡家辉201106

中南大学研究生学位论文选题报告姓名：蔡家辉学号：094811255题目名称：基坑相关研究课题来源：其他攻读学位：工学硕士学位指导教师：李亮学科专业：土木工程所在单位：土木建筑学院填写日期：2011年6月21日研究生院培养管理办制1一、课题的选题意义和研究价值基坑开挖是基础和地下工程施工中的一个传统课题，近十多年来，在我国科研、设计、施工人员的共同努力下，基坑工程的设计理论和施工工艺都有了较大发展。然而，基坑开挖问理又是一个综合性的复杂课题，它既涉及到土的强度和稳定问题，又包含了变形问题，同时还涉及到土与围护结构、土与基坑内的工程桩的相互作用等问题。而对这些问题的认识和研究，有较于土力学理论、计算方法、测试手段及施工技术和设备的进步和完善。从理论上分析，基坑围护体系实际上是一个土体、围护墙体及支撑体系相互和共同作用的空间整体。构成这个整体的组成成分多而且复杂。首先，土的性质十分复杂，土力学对土的性质方面的认识只达到一定的近似程度，而目前进行的一般土工勘察试验得到的土质特性参数往往误差较大；其次，围护墙体的边界条件很难确定，只能作一些假定，墙体材料的力学特性也只能作一定的近似；此外，土体与围护墙之间，围护墙与支排围檩之间，围檩与支撑杆件之间如何相互作用，如何简化，如何取边界条件都有相当难度。因此，无论是设计理论还是施工技术，深基坑工程都没有达到一个非常成熟可靠的程度，许许多多的深基坑工程事故以及由此造成的巨大损失都在提醒人们：对深基坑工程需要给予足够的重视，并值得我们花大力气去研究和改进现有的理论和方法。本文面向于工程实际，选用长沙市某高层建筑的基坑为工程背景，重点研究了基坑的稳定性、变形和渗流，通过对该基坑在施工过程中的安全监测，采用弹性抗力法和连续介质有限元等相关理论对基坑进行变形分析并作比较。基坑支护方案的优选涉及面广，是一个包含有定性和定量指标的多因素、多层次、多目标的复杂系统决策问题。各影响因素与评价指标不仅带有模糊性和不确定性，而且各因素与评价指标间相互影响、相互制约、相互关联，具有灰色关联性。基坑支护方案优选决策问题往往同时包含有模糊和灰色两种信息，应加以充分利用。因此，本课题基于灰色理论和模糊数学理论，通过建立基坑支护方案的灰色模糊可变决策模型，对定性指标采用集值统计法进行量化，从而使基坑支护方案的确定过程更趋合理化，提高决策结果的可靠性。2二、本课题国内外研究现状和发展动态深基坑工程是一个系统工程，涉及工程地质、水文地质、工程结构和施工管理等，主要研究稳定性、变形和渗流三个问题。内容包括：基坑支护体系的强度和变形控制、基坑坑底和挡土结构后土体的安全和变形控制、周围建（构）筑物的安全和变形控制、相关地下管线的安全和变形控制、地下水的治理措施等。基坑的研究方法多种多样，可归纳为三种方法：实验研究，包括室内模型实验和现场原位测试；理论分析，包括各种数值模拟和解析方法；经验总结，即根据已有的工程数据进行总结、提炼。土压力是作用在基坑支护体系上的主要荷载，是土与支护结构相互作用的结果，也是支护设计中首先需明确的内容。以极限平衡理论为基础的Rankine土压力理论和利用滑楔理论推导出的Coulumb土压力理论无疑是刚性挡墙设计中的重大变革，一直到现在，在基坑和挡墙设计中，仍广泛使用。深基坑的稳定性直接与支护体系的变形稳定以及基坑的工程地质、水文地质条件有关，基坑失稳一方面因基坑土体强度不足、地下水渗流等造成的，另一方面是和支护结构强度、强度和稳定性不足有关。基坑安全既要保证基坑本身不发生整体失稳，也不产生局部失稳；同时还必须保证基底的回弹、隆起量不超过容许值。深基坑支护结构入土深度过小以及地基强度不足是造成深基坑失稳的一个原因。目前，地下连续墙及各种板桩墙的入土深度普遍采用极限土压力的平衡条件来确定，国家基坑规准则采用圆弧滑动稳定条件确定入土深度。一般来讲，对重力式支护结构作稳定性验算时，主要分析基坑整体滑动、倾覆及滑移稳定性；而对于非重力式支护结构，则验算坑底的隆起稳定性。在实践中，基坑整体失稳的研究仍沿用土坡稳定的理论，基坑隆起稳定则引用地基承载力公式。目前，对挡土墙的稳定性研究仍局限于平面问题，尚未考虑地基土各项异性的抗剪强度的影响和基坑内先行施工的工程桩的抗力以及不考虑多支撑体系与挡土墙的整体性的空间抗力。应该说目前的验算方法是比较保守的。在城市深基坑工程设计中，基坑变形控制要求越来越严格。目前，关于基坑变形特性的研究主要有数值方法和实测统计分析两种方法，数值方法可以模拟基坑开挖的全过程，但计算参数难以确定，实测统计分析可以根据大量的工程实测数据，得出深基坑一般的变形规律。研究表明：对逆作法而言，开挖深度对最大侧移的影响不大，逆作法能非常有效地控制墙体侧移；最大侧移与支撑系统的相对刚度关系不大，开挖坑底隆起对墙体最大侧移有很大的影响；绝大部分基坑的最大侧移位置在0.8~1.2H之间，不同支撑类型基坑的最大侧移位置没有明显的区别；对建筑基坑的逆作法而言，相对侧移随墙后软土厚度比的增大而有缓慢增大的趋势；对顺作法而言，则增大的趋势较为显著。杨贵生等利用理论分析、数值模拟得出的模拟结果与实测值大致吻合；基于数值3模拟结果，基坑开挖过程是基坑开挖面上卸荷过程，由于卸荷而引起坑底土体产生向上为主的位移，同时由于墙体两侧压力差而产生墙外侧位移。随着深基坑变形特性研究的深入，把基坑变形和其他学科相结合，产生了一些变形预测的方法。高文华等建立了基坑变形预测的计算模型；师旭超等提出了支持向量机方法；周先存等提出了基于多分支神经网络的深基坑支护变形多点预测方法，建立了深基坑锚杆复合土钉支护结构变形预测模型；焦建新等了基于稳健估计的GM(1，1)模型，将最小一乘法应用于微分方程变量参数求解，建立了稳健灰色模型。关于深基坑变形特性的研究尽管取得了一定的成果，但是关于基坑开挖引起地层移动变化规律的研究，无论是理论还是实践方面都有待提高。4三、主要研究思路和研究内容在系统分析国内外有关深基坑研究成果的基础上，针对目前深基坑的发展现状及工程实践，以长沙市某高层建筑深基坑施工为背景，确定本文主要内容如下：（1）根据长沙市某高层建筑深基坑工程的具体情况，结合现场施工组织，制定切实可行的施工监测方案，包括监测项目、测点布置、监测精度、监测频率等；（2）根据现场实测结果，对各监测项目测试数据加以分析，得出施工过程中各值的变化规律，对支护结构的稳定性加以判断，并根据地下水位、地面沉降、基坑周边房屋基础沉降判断基坑周边环境的安全性。（4）利用弹性抗力法和连续介质有限元等相关理论进行变形分析，结合灰色理论进行的变形预测，通过实测结果和计算、预测结果的对比分析，验证计算模型的合理性。为实际工程操作提供可靠的数据依据。（3）采用相关软件和计算工作进行数值分析，通过对基坑的模拟，分析了基坑变形与稳定性。5四、课题在学术方面的创新点和预期成果4.1创新点1)对经典土压力理论以及典型的原位测试结果进行简要介绍和总结；2)利用变分原理求解刚性挡墙背后填土主、被动滑裂面曲线的解析解，分别探讨填土分别为无粘性土和粘性土时曲线的特点，利用求解得到的滑裂面曲线研究墙后主、被动土压力的一般表达式，对主、被动土压力的分布特点、合力大小及其作用点位置进行系统研究，并与土压力实际测试结果进行比较，探讨土压力解析表达式的可行性；3)建立基坑支护方案的灰色模糊可变决策模型，应用基于贴近度最大的组合赋权方法解决了评价指标权重问题，对定性指标采用集值统计法进行量化。4.2预期成果1)以竖向微分单元法为基础，利用变分原理对刚性挡墙主、下的挡墙滑裂面进行了研究，得到了滑裂面曲线的微分方程；2)利用水平微分土条的极限平衡原理，分析了主、被动破坏状态下土压力沿挡墙高度的分布规律问题，得到了土压力合力大小，合力作用点和主、被动土压力系数的解析表达式；6五、拟采取的研究方法、措施和进度安排5.1研究方法（1）现场监测；（2）经典土压力理论，弹性抗力法和连续介质有限元和极限平衡原理（3）灰色预测及决策分析。5.2进度安排（1）2010年10月2011年6月，收集现场资料。（2）2011年9月~12月，系统学习相关理论。（3）2012年5月论文成稿并完成答辩。六、已有基础(分与本项目有关的工作积累和已取得的成绩、已具备的条件、尚缺少的条件及解决途径)目前已完成了现场实测资料的采集，下一阶段准备深入学习基坑相关土力学理论和灰色理论在基坑变形中的应用，并熟悉相关的分析软件以进行有限元的计算分析。七、经费预算(预算经费总额(元)、开支科目、主要用途、预算金费等)预算经费总额100000元，相关图书购买800元，网络资料收集500元，交通费300元，硕士论文相关资料文印费101600元。7八、指导教师意见签字：日期：九、所在二级单位专家评审意见专家组组长签字：日期：十、所在二级单位意见负责人签字：(单位盖章)日期：十一、备注