1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

1、问题的提出及研究意义

1．1问题的提出

经勘察查明，拟建场地地貌单元属长江漫滩地貌单元，属Ⅲ类建筑场地。拟建场地平坦开阔，不会发生滑坡、崩塌、地面下沉等不良地质作用，场地避开了周边主要断层，场地稳定性好；拟建场地浅部有厚层软弱土分布，属对建筑抗震不利地段。地下水及水位以上土对混凝土结构及混凝土结构中钢筋具微腐蚀性。

对各岩土层的工程地质性能评价如下：①层杂填土，结构松散，强度低，工程地质性能差；②2淤泥质粉质粘土，流塑，局部软塑，无侧限抗压强度试验原状土qu=31.25kPa，重塑土q，u=8.20kPa，灵敏度St=3.90，属中灵敏度土；有机质含量为Wu=2.86%；该层具高含水量，高压缩性等特点，为新近沉积土，工程地质性能差；③1强风化粉砂质泥岩，呈密实砂土状，局部呈碎块状，工程地质性能良好；③2中风化粉砂质泥岩，呈短～中柱状，局部呈块状，工程地质性能好，是良好的桩端持力层。

拟建苏合产业园项目位于南京市雨花台区梦都大街以南，凤台南路以西，场地均内设满堂3层地下室，基坑开挖深约15.0米。城市建设高层建筑越来越多，基坑的开挖也越来越深，基坑围护设计和施工越来越复杂，因此对所需的理论及技术的要求也越来越高。

城市建设的密集区正朝地下工程发展，有效开发和利用地下空间，在节约有限的土地资源上具有很大的优势，在调节土地使用结构、给排水基础设施等方面发挥着举足轻重的作用[1]。地下工程规模的扩大和周边环境的复杂性，给深基坑工程带来许多技术难题，基坑围护结构不仅是保证上部结构的安全使用，还需要满足地下结构施工、周围建筑管道、道路的正常使用以及周边建筑的正常使用等要求。这样就出现了一对矛盾，既要支护结构满足以上两个要求，又要将支护结构整体造价保持在合理范围。

1．2研究意义

随着我国现代化、城镇化建设的大规模推进，城市交通问题成为了困扰城市建设的首要问题。城市扩容建设与有限土地这对矛盾，困扰着城市的发展。城市建筑高层化趋势，导致建筑基础加大，基坑变深变大，施工难度增大；更有甚者，深基坑的施工经常遇见周边高层建筑、道路、管线等复杂因素，对深基坑的施工带来更大的困难，此时，施工方法的选择尤为关键。

城市内基坑开挖受周边建筑设施的影响，开挖过后，基坑周边的土体回弹变形，应力状态由静土压力转变为主动土压力，从而导致基坑产生水平位移、竖向位移，基坑内部可能产生隆起。这时，就需要正确的基坑开挖方式、基坑支护方式以及相对应的施工监测方法来进行基坑施工位移控制，并保证围护结构的稳定性。但由于基坑支护结构计算、稳定性分析等理论至今还不够完善，基坑施工过程中位移、安全性等的分析方法尚少。在基坑工程的施工中，城市交通枢纽超深基坑的支护技术及其位移控制技术的研究是有意义的[2]。

2、国内外研究现状

不同基坑工程地质条件和周边建筑群环境的不同，基坑工程的分析理论几乎不存在通用性[3]，基坑工程中的开挖及支护施工过程中，需要根据实际的地质条件优选方案，并对工程施工实时监测。基坑施工过程中主要面临以下问题：基坑围护结构的稳定性、基坑支护结构的应力变形[4]、临近建筑物和地下管线等变形情况。目前对这些问题的解决方法主要有四种：室内试验、现场应力变形监测、工程经验总结、数值分析方法等。

2．1基坑工程的理论研究现状

近几十年来，国内外学者们对基坑工程进行了许多研究，并积累了丰硕的研究成果，取得了许多有意义的成果。但基坑工程的分析理论尚处于急需充实的阶段，还不够成熟。上世纪40年代，TerZaghi[5]和Peck[5]等人在预测开挖边坡的稳定性计算中，提出了总应力计算方法，考虑了支撑荷载，是基坑理论中的一大突破。随着工程建设大规模的推进，工程中逐渐引进监测方法，从上世纪90年代开始到现在，随着工程项目的增多和理论水平的提升，

2.2基坑工程的数字计算

计算基坑变形、应力。稳定性等方法多种多样，概况起来有理论解析法半经典半理论计算法、数字模拟方法三种，也有许多学者采用概率统计的方法进行地表的变形预测。

2．3深基坑变形监测

城市市政工程广泛运用着深基坑支护结构的监测技术，尤其在高层建筑基坑、地铁基坑、过江隧道等工程中。随着建筑密度加大，建筑高层化和基坑规模不断扩大，基坑变形及周边建筑安全问题越来越突出，基坑周围管线布置较多，道路交通安全明显，因此，变形控制越发严格，施工过程中的监测必不可少。

2．4深基坑围护结构

基坑工程主要包括围护体系的设置和土方开挖两个方面。围护结构通常是一种临时结构，安全储备较小，具有比较大的风险。围护结构应满足三个基本要求：一是保证基坑周围未开挖土体的稳定；二是保证相邻建筑物的、地下管线的安全，使它们不受损害；三是保证作业面在地下水位以上；围护结构[6]一般包括挡墙和支撑(或拉锚、土层锚杆)两部分。挡墙即基坑的围护结构，主要承受基坑开挖荷载所产生的土压力和水压力并将此压力传递给支撑(或拉锚)，是稳定基坑的一种施工临时挡墙结构。目前，在我国应用较广、技术上较成熟的基坑围护方案有[7，8]：

(1)放坡开挖及简易支护

放坡开挖是指选择合理的坡比进行开挖。放坡开挖施工简便、费用低，但挖土及回填土方量大，为了增加边坡稳定性和减少土方量，常采用简易支护。一般适用于土质较好、地下水位较低的地基。

(2)悬臂式围护结构

悬臂式围护结构是一种无支撑的悬臂围护结构，常采用有钢筋混凝土排桩、钢板桩、木板桩、钢筋混凝土板桩、地下连续墙、SMW工法桩等作为支撑材料。该结构在基坑开挖时完全依靠插入坑底足够的深度，利用悬臂作用来挡住壁后的土体。

悬臂式围护结构的优点是结构简单，施工方便，有利于基坑采用大型机械开挖；缺点是相同的开挖深度的位移大，内力大、支护结构采用更大的界面和插入深度。

一般适应于场地土质较好，有较大的c、φ值，开挖深度浅(一般在6m以内)，对位移要求不严格的地基。

(3)重力式围护结构

重力式围护结构是通过加固基坑侧壁形成一定厚度的重力式挡墙，利用墙体或格构自身的稳定挡土与止水，维持围护结构在侧向土压力作用下的稳定。常采用水泥土搅拌桩或高压喷射旋喷桩这两种形式。

水泥土搅拌桩的优点是便于机械化快速挖土，挡土又防渗，比较经济；缺点是不宜用于深基坑，位移相对较大，有时受周围环境限制。

高压喷射旋喷桩的优点是施工占地少、振动小、噪音较低；缺点是容易污染环境，成本较高，对于特殊的不能使喷出浆液凝固的土质不宜采用。一般适应于开挖宽度较大，开挖较浅，周围场地较宽，对变形要求不高的基坑，深度一般不超过6m。当基坑深度超过6m时，可在水泥土中插入加筋杆件，形成加筋水泥土挡墙，必要时还可辅以内支撑或锚杆支护加筋水泥土挡墙，以加大基坑的支护深度。

(4)内撑式围护结构

内撑式围护结构是由排桩或排桩加止水帷幕、地下连续墙组成的挡土结构和按基坑平面设计的内支撑结构成，是软土地区应用最多的深基坑支护形式。

作为基坑围护结构墙体的支承，内撑式支护结构对保证基坑稳定和控制周围地层变形起着极大的作用。它主要由支护体系和内撑体系两部分组成，内支撑根据基坑周围土质、开挖深度可设置成单层或多层，平面上可布置成对撑、角撑、水平桁架或拱圈等形式来控制深基坑开挖时挡墙的变形；还可采用”逆作法”施工技术，利用地下结构的楼层作为支护结构的内支撑。

挡土材料常采用钢筋混凝土桩、地下连续墙。支撑材料常采用钢筋混凝土梁、钢管、型钢等。常见的形式有钻孔灌注桩#8212;#8212;钢支撑或钢筋混凝土支撑支护方案、钻孔灌注桩排桩外设水泥土搅拌桩(或旋喷桩)止水帷幕一一钢支撑或钢筋混凝土支撑支护方案、地下连续墙一一钢支撑或钢筋混凝土支撑支护方案。

内撑式围护结构的优点是可以直接平衡两端围护墙上所受的水土压力，构造简单，受力明确，可以有效的控制基坑变形；缺点是基坑内部存在支撑，占用一定的施工空间，不利于大规模的机械化开挖，施工工期较长。

一般适用于各种土层和深度的深基坑工程，特别适用于复杂土质及软弱土地区基坑面积大、开挖深度深的情况。

(5)拉锚式围护结构

拉锚式围护结构由挡土结构与锚固系统两部分组成，由挡土结构与锚固系统共同承担土压力。挡土结构常采用钢筋混凝土墙面(肋柱、面板)、排桩加止水帷幕或地下连续墙；支撑体系常采用土层锚杆，锚杆将桩、墙等挡墙所承受的荷载通过拉杆(索、管、栓)传递到稳定土层中，形成锚杆体系，锚固体系可分为锚杆式和地面拉锚式两种；随基坑深度不同，可分为单层锚杆、二层锚杆和多层锚杆。

拉锚式围护结构具有以下优点：①施工对岩土体扰动小，通过施加预应力立即提供支护抗力，可以有效控制变形；②锚杆(索)的作用部位、方向、间距、可以根据需要灵活调整；③能够提供开阔的施工空间，有效保证土方的开挖、运输、施工所需的作业空间，有效地提高劳动效率；④锚杆(索)施工机械和设备的作业空间小，适合各种地形和场地，施工快捷；⑤相对于钢或混凝土内支撑，可以节省大量钢材和混凝土，造价较低。

一般适用于无流砂、含水量不高、不是淤泥等流塑土层且周边环境较宽敞、地下管线影响较小，且地下物体实际探明的的基坑支护，开挖深度不大于18m。在采用多层锚杆情况下，基坑的开挖深度不受限制，适用深基坑支护工程。

(6)土钉墙围护结构

土钉墙围护结构是一种利用土钉加固的基坑侧壁土体与混凝土护面等组成的结构。由土钉构成支撑体系，喷锚混凝土面板构成挡土体系。它将拉筋插入土体内部，全长与土粘结，并在护面上喷射混凝土，通过土钉、土体和喷射混凝土面层的共同工作，形成复合土体，从而形成加筋土体加固区带，用以提高整个原位土体的稳定性。

土钉墙围护结构具有以下优点：①施工所需场地小，移动灵活；②支护结构轻型，柔性大，有良好的延性；③施工设备及工艺简单，施工的噪音和振动较小，对周围环境影响比较小，适用于城区施工；④施工速度快，土钉墙随土方开挖施工，分层分段进行，与土方开挖基本能够同步，不需要养护或单独占用施工工期，故多数情况下施工速度较其他支护结构快；⑤材料用量及工程量较少，工程造价低。

一般适用于地下水位以上或经降水后的粘性土、粉性土、含有30％上粘土颗粒的砂土地基，开挖深度一般不大于15m。

(7)其他形式围护结构

除了以上几种围护结构，还有门架式围护结构、拱式组合型围护结构、加筋水泥土挡墙围护结构、重力式门架围护结构、沉井围护结构、冻结法围护结构等。

2．5基坑围护稳定性分析方法

稳定性分析方法分为定性分析方法[9]和定量分析方法刚两大类。

(1)定性分析方法

定性分析方法主要是通过工程地质勘察，分析影响边坡稳定性的主要影因素、可能变形破坏方式及失稳力学机制等，对已变形的地质体的成因及演化史进行分析，从而给出被评价边坡的稳定性状况及其发展趋势定性的说明及解释。这种方法的优点是能综合考虑多种边坡稳定性的影响因素，快速地评价边坡的稳定状况及其发展趋势；缺点是只能用于判断边坡是否稳定，无法得到边坡稳定安全系数。常用方法主要有：自然历史分析法、工程地质类比法、边坡稳定性分析数库、专家系统及图解法等。

(2)定量分析方法[10]

定量分析法包括确定性分析法和不确定分析法。

①确定性分析法

a、极限平衡法

极限平衡理论[11]是最经典的确定性分析方法。具体方法是将有滑动趋势范围内的边坡岩体或土体沿着某一滑动面按某种规则划分成若干竖条或斜条，通过块体的平衡条件建立整个边坡平衡方程．以此为基础进行边坡分析，确定边坡的稳定安全系数。由于该方法具有模型简单、计算公式简捷、可以解决各种复杂剖面形状、能考虑各种加载形式的优点，因此得到广泛的应用。

在极限平衡法理论体系的形成过程中，出现过一系列简化方法，常见的有Fellenius法、Bishop法、Janbu法、Spencer法、Morgensternamp;price法、Sarma法等。这些方法的适用条件和情况如表1.1所示。

表1．1极限平衡法的类型

方法	安全系数
Fellenius法	条块问无作用力
Bishop法	条块间只有水平作用力
JaIlbu法	假定条间作用力的位置
Spencer法	条块间水平与垂直作用力之比为常数
Morgenstem-price法	条间切向力和法向力之比与水平方向坐标之 间存在函数关系：
Sarma法	条块间满足极限平衡条件

b、塑性极限分析法

1952年杜拉克(Drucker)和普拉格(prager)提出塑性极限分析法[12]，其最大优点是考虑了材料应力一应变关系，并以极限状态时自重和外荷载所做的功等于滑裂面上阻力所消耗的功为条件，结合塑性极限分析的上下限定理，从下限和上限两个方向逼近真实解，求得边坡极限荷载与安全系数。这种方法的优点是避免了工程中最不易弄清的本构关系表达式，具有清晰的物理概念，应用简单而且在很多情况下可给出问题的严密解，使长期以来条分法研究在假定多余未知函数方面存在的随意性问题得到较好的解决，但极限分析法很难考虑复杂荷载及环境条件的变化，对渗流等因素也难反映。

c、数值分析法

极限平衡法计算简单，在边坡稳定性分析中已广泛应用。然而当边坡由非均质和各向异性材料组成时，用极限平衡法计算则是不可靠的，不能得到令人信服的结果。随着计算机技术的飞速发展，使得采用全面满足静力许可、应变相容和材料本构关系，同时可以不受边坡几何形状不规则和材料不均匀性限制的边坡稳定分析方法成为可能，这就是数值分析方法[13]。

数值分析方法主要包括有限单元法[14]、边界单元法、离散单元法、快速拉格朗日分析法以及无界元法等。

有限元法在边坡岩体的稳定性分析中得到最早应用．也是目前使用最广泛的一种数值分析方法，它可以用来解决弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题。它的优点是部分地考虑了边坡岩体的非均质和不连续性，能算出土坡内的应力场和位移场分布，避免了极限平衡法中将滑体视为刚体过于简化的缺点．能使了解土坡的逐步破坏机理，跟踪土坡内塑性区的开展情况，分析最先发生屈服破坏的部位和需要最先加固的部位等；但是该方法不能很好地求解大变形和位移不连续等问题，不能直接与稳定建立关系，需要定义合适的安全系数，使之计算时能方便利用有限元分析结果。目前有限元法主要包括常规有限元法、有限元强度折减法、刚体有限元法、自适应有限元法等。不同于有限元法，边界单元法[15]只对研究范围内的边界进行离散，因而它要求输入的数据量比较少。该方法处理无限域和半无限域的问题时效果相对理想。但是在处理材料的不均匀性、非线性、模拟分步开挖等方面远远不如有限元法的处理效果，但还是不能求解大变形问题，因此边界单元法使用还是远不如有限元法广泛。

离散单元法[16]是Cundall于1971年提出来的基于非连续模型并应用于岩土体稳定性分析的一种动态的数值分析方法，用来模拟边坡岩体的非均质、不连续和大变形等问题。离散单元法假定单元之间的作用力与它们之间的相对位移量成正比，然后应用牛顿力学建立单元的运动方程，最后采用中心差分法进行显示迭代求解。该方法的优点是可以简便地处理非连续介质的问题，能客观描述己知介质中的既有破坏结构面，还能描述特定条件下时介质中裂缝的产生及发展。离散单元法适用于模拟离散介质，分析节理岩体及其与锚杆(索)的相互作用，对块状结构或一般破裂结构岩体边坡比较合适。但是目前存在的主要问题是阻尼系数的选取和迭代计算的收敛性。

为了克服有限元等数值分析法不能求解岩土大变形问题的缺陷，人们根据显式有限差分原理，提出了FLAC数值分析方法，该方法较有限元能更好地考虑岩土体的不连续性和大变形特性，求解速度较快。其缺点是和有限元法一样，计算边界、单元网格的划分存在很大的随意性，在一定程度上影响计算的精确性。适用于非规则区域的连续问题求解。

为了克服有限元法在计算时其计算范围和边界条件不易确定的缺点，BettessP于1977年提出了无界元方法，它可以看作是有限元方法的推广，它采用了一种特殊的形函数及位移插值函数，能够反映在无穷远处的边界条件，该方法目前广泛运用于非线性问题、动力问题和不连续问题等的求解，有效地解决了有限元方法的”边界效应”及人为确定边界的缺点，尤其是在动力问题中；并且显著地减小了解题的规模，提高了求解的精度和计算效率，对三维问题的尤为显著。目前常和有限元法联合使用，互取所长。由于这些优点，无届元法拥有广阔的前景和发展[2]。

②不确定分析方法

a、可靠度评价法

可靠度评价法是边坡工程稳定性分析中应用最广泛的不确定性方法，它将安全系数定义为作用在滑弧上的抗滑力矩与滑动力矩的比值。

该法通过现场调查，对边坡岩体的性质、荷载、工程地质条件、计算模型等得到一系列的不确定性认识，然后再结合整个边坡系统的具体情况，利用统计中概率分析的方法求出各个影响边坡稳定的因素的概率分布及其特征参数，再利用可靠度评价法来求出边坡工程系统的破坏概率即可靠度。因此，可靠度评价法对边坡工程的经济风险评估和优化决策具有现实意义。但是，可靠性评价法的缺点是目前是获取所需的统计资料比较困难，而且还缺乏一个可以接受的风险水平阀值，容易忽视小概率事件，因而引起严重的后果。

b、模糊综合评价法

模糊综合评价[17]是借助模糊数学的一些基本概念，对实际的综合评价问题提供一些评价的方法。具体的说，模糊综合评价就是以模糊数学为基础，应用模糊关系合成的原理，将一些边界不清、不易定量的因素定量化，从多个因素对被评价的事物隶属等级状况进行综合评价的一种方法。影响边坡稳定性的因素除了一些随机不确定性因素外，还具有一定的模糊不确定性。采用模糊综合评价法对边坡的稳定性作出评价的具体做法通常是先找出影响边坡稳定性的各个因素，并赋予它们不同的权值，然后根据最大隶属度原则和模糊变换理论，综合考虑边坡工程或其属性的相关因素，进而进行等级评价来判定边坡的稳定性。

这一方法主要应用于大型边坡的整体稳定性评价，但它一般取稳定、基本稳定、不稳定三种状态作为备择集，对边坡的评价太过笼统，而且权重的分布大多是由经验来确定的，所以主观性很强。

c、灰色系统分析法

灰色系统理论[18]认为，在决定事物的诸因素中若既有已知的，又有未知的或不确定的，他们所在系统则称为灰色系统。

灰色系统分析法是研究信息不完全系统的有效方法，该方法可以在不完全的信息中，对所需要分析的各因素，通过一定的数据处理，找出它们的关联性，确定边坡稳定性的各个影响因素的影响程度，然后通过多因素叠加分析对边坡的稳定性进行评估。

该方法比较直观、简单、并且操作性很强，适合于数据缺乏、没有原型、复杂且具有不确定性的边坡稳定性问题的研究分析和工程评价。但是该法仅仅是一种定性的分析，缺少精确的定量分析，在实际工程中还是不能仅仅用这一种方法，应与其它方法结合使用。

2．6有限元强度折减法[2]

目前在边坡工程稳定性分析中，用的最广泛的方法是极限平衡法和有限元法[11]。极限平衡法已经相当完善，因为它的简单易用，因而在实际工程中广泛被采用。但是该方法没有考虑土体的应力和应变的性质，而且对于每个边坡要假设#8943;潜在的滑动面，对同一工程问题往往所出各种不同的解。

对于深基坑工程中复杂的边坡问题，不仅需要考虑土体应力应变的关系、变形关系及支挡结构的作用，还需要保证计算的精度。有限元强度折减法则克服了极限平衡法的一些不足，它不需要先假设滑动面的形状，可以自动搜索之前需要假设的滑动面；不需要假设条间力；考虑了土体的非线性弹塑性本构关系、

土体应力应变关系，因而计算结果更加合理；能模拟渐进破坏直到整体剪切破坏，即可描述渐进式破坏过程；能够模拟土体与支护(土钉、锚杆、面层等)之间的相互作用；能够对具有复杂地貌的边坡进行计算。

因此，本基坑工程采用数值分析方法中的有限元强度折减法来计算基坑的围护结构。

强度折减法将强度折减概念、极限平衡原理与弹塑性有限元计算原理相结合，它的原理是把土体的抗剪强度值c和φ，除以折减系数F，按式(1)式(2)所示的形式进行折减，然后把折减以后的虚拟抗剪强度指标和取代原来的抗剪强度c和φ，代人有限元中计算，并不断变换折减系数，得出满足收敛条件的折减系数，即为所求的安全系数。

（1.1）

（1.2）

（1.3）

式中：是折减后土体虚拟的粘聚力；是折减后土体虚拟的内摩擦角；是折减后的抗剪强度。

折减系数的初始值取得够小，以保证开始时是一个近似于弹性的问题，然后不断增加的值，折减后的抗剪强度指标逐步减小，直到某一个折减抗剪强度下整个土坡发生失稳，那么在发生整体失稳之前的那个折减系数值，即土体的实际抗剪强度指标与发生虚拟破坏时折减强度指标的比值，就是这个土坡的稳定安全系数。

参考文献

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[18]陈新民，罗国煜．基于经验的边坡稳定性灰色系统分析与评价．1999.

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

1、工程概况

拟建苏合产业园项目位于南京市雨花台区梦都大街以南，凤台南路以西。该项目用地面积为11028.4平方米，由2栋19~29层写字楼及3层满堂地下室组成，建筑物编号分别为a、b。其中a栋写字楼高29层，建筑高度114.60米，b栋写字楼高75.2米，采用框架剪力墙结构体系。拟建场地均内设满堂3层地下室，基坑开挖深约15.0米。满堂地下室与主楼之间基础脱开，由后浇带相连。

2.基坑围护方案选择