地基沉降变形特征及其机理分析，北京地铁车站深基坑变形特性及机理分析

A. 基坑工程环境影响控制

为了避免或减少基坑工程带来的环境问题，学者们从多个角度进行了研究，具体如下：

（1）地面沉降预测

避免地面沉降带来的环境问题，首先要对基坑工程引发的地面沉降量进行预测，以此指导基坑的设计、施工。基坑工程带来的地面沉降主要由两部分组成，基坑降水引发的地面沉降和基坑支护结构位移引发的地面沉降，其中前者对环境影响的半径更大，后者对基坑临近建（构）筑物、地下管线影响较大（蒋国盛，2000）。近年来，预测基坑降水引发地面沉降的研究成果较多，个别学者综合考虑了降水和支护结构对地面沉降的共同作用。

GgambolatiG（1974）研究威尼斯的由多层含水层与弱透水层组成的地下水系统抽水引起的地面沉降问题时最早提出两步走的地面沉降预测模型，即水流模型和土体变形模型分别计算，该模型首先由概化的轴对称拟三维地下水流模型计算含水层中水头H的变化，根据含水层和弱透水层的水头H变化计算有效应力的变化，从而计算各土层的变形量，这些变形量之和即为地面沉降量。顾小芸等（1998）考虑三维渗流和一维次固结变形，均通过孔隙比和渗透系数之间的关系实现土体变形和渗流的耦合，提出了各自的地面沉降部分耦合模型。

R.W.Lewis（1978）以Biot固结理论为基础提出完全耦合模型，并于1978年将其运用于威尼斯的地面沉降计算中，结果表明水头下降和地面沉降比两步计算较快地趋于稳定。

周志芳（2004）在土层降水-固结过程中，考虑到渗透系数和贮水系数随土层物理力学参数的非线性变化，提出了深基坑降水与沉降的非线性耦合计算方法。

骆祖江（2006）将地下水渗流场和土体应力场进行耦合，建立了深基坑降水与地面沉降变形的水土全耦合三维数学模型，并采用三维有限元数值分析方法，以上海市环球金融中心深基坑降水为例，模拟预测了基坑中心水位降至标高-23.4m时基坑周围地下水渗流场与地面沉降变形场的分布特征。结果表明，全耦合模型稳定性好，收敛速度快，能模拟复杂三维地质体和整个基坑降水工程的结构。

王翠英（2006）通过比较大量深基坑降水地面沉降实测值与理论值，得出理论沉降修正系数，对类似地层的基坑降水工程预测沉降量具有实用价值。

陈锦剑（2006）为预测基坑开挖及降水过程中周围土体的沉降，采用基于比奥固结理论的有限单元法在大型有限元软件中建立轴对称模型进行了分析。结果表明：该方法可以反映抽水引起的孔隙水压力变化及土体沉降变化规律，是种实用可行的方法。

（2）基坑支护结构变形预测

基坑支护结构变形预测的方法有以下五类：

① 在基坑施工过程中，对监测数据进行实时统计分析，研究基坑变形发展趋势。利英博（2003）对广州某深基坑的变形位移进行了监测，并通过分析其发展趋势指导基坑施工。

② 从基坑变形机理的角度，基于数值模拟的方法进行研究。任建喜（2007）以北京地铁奥运支线森林公园车站南基坑为工程背景，采用有限元法研究了影响地铁深基坑围护结构变形的主要因素，预测了围护结构的变形。李琳（2007）就杭州和上海软土地区46个成功深基坑的实测结果进行了研究和总结，分析了基坑开挖深度与最大侧移及其位置的关系。丁勇春（2008）通过对上海软土地区地铁车站基坑实测数据的分析，探讨了基坑围护结构变形、坑外土体变形及地表沉降的一般规律。侯永茂（2009）采用三维有限元分析方法研究得到了无支撑基坑变形的规律。王桂平（2009）针对软土地基基坑工程存在的“时空效应”特性，在杆系有限元法的基础上，综合考虑土体的时空效应作用，提出软土地区基坑支护结构内力和变形的工程实用计算方法。贾彩虹（2010）采用非稳定渗流-应力耦合的方法对基坑降水开挖过程中的变形问题进行数值模拟分析，计算了坑底开挖的隆起量和桩后地表沉降。

③ 基于灰色理论进行研究。赵昌贵（2008）、胡冬（2009）用灰色系统预测理论建立了深基坑变形的非等时距GM（1，1）预测模型。闫韶兵（2006）应用等维GM（1，1）模型预测基坑变形，经过精度检验和残差修正，预测精度较高，编写了实用的MATLAB算法程序。

④ 基于神经网络进行研究。贺志勇（2008）基于BP神经网络建立了深基坑变形预测模型。贾备（2009）将灰色理论和BP神经网络相结合，王江（2007）将混沌优化算法和BP神经网络相结合，李玉岐（2004）将修正权值和阀值时的学习速率和动量项变为可调参数，分别提出了改进BP神经网络。刘勇健（2004）将遗传算法与神经网络相结合建立了深基坑变形的实时预报模型。王万通（2008）将模糊控制理论与神经网络技术相结合，建立了一种基于模糊神经网络的深基坑施工变形预测模型。王宁（2009）将基坑变形影响因子构造为考虑开挖深度的瞬时变形影响因子和考虑蠕变效应的历史变形影响因子，利用径向基函数神经网络建立了深基坑变形的监测模型，可实现对后期开挖的深基坑变形的非线性预测。周先存（2009）基于多分支神经网络进行了深基坑变形多点预测研究。袁金荣（2001）在分析灰色系统与神经网络基本原理的基础上，结合前人研究成果和实例分析，认为灰色系统不宜用于地下连续墙水平位移的预测，神经网络是解决基坑变形预测的有效方法。

⑤ 基于支持向量机进行研究。赵洪波（2005）较早的将支持向量机应用于预测深基坑变形，表达了深基坑变形与其影响因素之间的非线性映射关系，预测结果表明，利用支持向量机进行深基坑变形是可行的、有效的。徐洪钟（2008）应用最小二乘支持向量机回归建立了基坑位移与时间的关系模型。师旭超（2010）利用遗传算法来搜索支持向量机与核函数的参数，提出了深基坑变形预测的进化支持向量机方法，该方法避免了人为选择参数的盲目性，同时提高了支持向量机的推广预测能力。

（3）选用合理的支护结构

怎样选择支护结构，各地区的经验和地方规范要求不尽相同。但一般来讲，地下连续墙、带支撑（拉锚）的排桩、能用于不同安全等级和深度的基坑，其侧向位移小，有较好的稳定性；土钉墙、水泥土墙、悬臂排桩应用于安全等级不高、深度不大的基坑支护。通过支护结构优化设计，避免支护结构侧向位移带来的工程事故及环境问题。

李大勇（2004）考虑了土体、围护结构与地下管线三者的耦合作用，采用三维有限元法分析了内撑式基坑工程开挖对地下管线的影响规律，得到了有价值的结论。

施群（2007）在贴近地铁边缘的深基坑施工中，采用地下连续墙和建筑地下室外墙两墙合一的建筑结构，收到了良好的效果。

曹文贵（2008）在深入研究基坑支护方案确定之影响因素基础上，确定出其主要影响因素及评价指标，并根据影响因素与评价指标的层次性和模糊性特点，建立了确定基坑支护方案的综合优化评价模型。

李涛（2010）在合理选择支护结构的同时，认为应加强主动防护控制基坑引发环境问题方面的机理和方法研究，并以隔档墙为例介绍了主动防护技术的思路。

（4）地下水控制

工程实践表明，大大小小的工程事故大多与地下水有关，基坑工程常用地下水控制方法有截水帷幕、井点降水、明沟排水，通过选择地下水控制方法来控制过大的地面沉降、管涌。

丁洲祥（2005）采用Biot固结理论分析了止水帷幕对基坑工程环境效应的影响，结果表明，深厚透水地基中增加竖向止水帷幕的深度并不能有效减小对周围环境的影响；漏水部位周围土体的渗流等势线较为密集，渗流速度较大，容易诱发扩大破坏；竖向封闭式止水帷幕漏水引起的坑边土体的沉降和地表土体的侧移相对较大，水位下降迅速。

张莲花（2005）针对基坑工程中降水将不可避免对周围环境产生影响的事实，首次提出沉降变形控制的降水最优化问题的概念，这种考虑环境的因素进行优化降水设计的方法改变了过去仅从工程施工和安全的角度进行降水设计的传统观点，实际中取得了较好的效果。

（5）基坑工程监测

基坑工程中，对周边建筑物（管线）、支护结构的位移、沉降；土压力、孔隙水压力等进行监测，可以尽早发现危险的前兆，修改设计施工方案，采取必要的工程措施，防止工程事故和环境事故的发生。

纪广强（2002）通过对南京某超高层建筑深基坑开挖监测结果进行分析，认为基坑地质条件较好且开挖满足支护系统安全稳定的条件时，仍可能对周围环境造成较大的影响。

（6）施工管理

资料表明，工程施工问题造成的基坑事故、环境破坏占事故总数的41.5%，因此对基坑施工进行严格的科学管理对减少基坑事故有重要意义。

以上研究表明，基坑引发的地面沉降是造成环境影响的主要原因，为了降低其发生的概率和强度，可以从支护结构、地下水控制、施工监测、施工管理几个方面采取措施。这些措施的实行在现行国家标准、行业规范、地区规范等标准化文件中已有较多的体现。

B. 地基沉降变形特征及其机理分析

根据试验得到的P-s曲线特点，结合试验过程中观察到的地基破坏特征及标志层的变形特征，本次载荷试验中地基剪切破坏的形式主要可分为整体剪切破坏和局部剪切破坏两种类型。

（1）整体剪切破坏

本次载荷试验饱和振坠法处理地基试验工况地基破坏形式为整体剪切破坏。地基破坏现象如图6.23所示，其特征是在地基土中形成连续明确的延伸至地表的滑动面，隆起现象相对较为明显，基础下沉较为显著。由于风积砂黏聚力C＝0，基础（圆形载荷板）周围土体隆起直观表现为以载荷板圆心为中心，载荷板周围出现一系列辐射状裂缝，裂缝最长达35cm，即基础周围地基隆起范围约1.5倍基础宽度。沉降与荷载的关系开始呈线性变化，当濒临破坏时出现明显的拐点。

（2）局部剪切破坏

本次载荷试验中，风积砂干密度1.58g/cm³含水量2％、4％、6％、8％、12％、16％和干密度1.63g/cm³含水量4％的七种工况地基破坏形式为局部剪切破坏，地基破坏现象如图6.24～图6.30所示。其特征介于整体剪切破坏和冲剪破坏两者之间，土中剪切破坏区域只发生在基础下的局部范围内，虽然也有连续滑面和楔，但滑动面并不延伸到地面，沉降较大，隆起现象时有发生。另外，随着构成地基风积砂含水量的增大，基础周围裂缝的开裂程度和延伸程度不断减小。其原因主要是由于毛细水造成的假黏聚力增大所致。沉降与荷载的关系一开始就呈非线性变化且无明显的拐点。

图6.22 地基极限承载力随干密度的变化情况

图6.23 饱和振坠法处理地基破坏后的现象

图6.24 风积砂干密度1.58g/cm³含水量2％试验工况地基破坏现象

图6.25 风积砂干密度1.58g/cm³含水量4％试验工况地基破坏现象

图6.26 风积砂干密度1.58g/cm³含水量6％试验工况地基破坏现象

图6.27 风积砂干密度1.58g/cm³含水量8％试验工况地基破坏现象

图6.28 风积砂干密度1.58g/cm³含水量12％试验工况地基破坏现象

图6.29 风积砂干密度1.58g/cm³含水量16％试验工况地基破坏现象

图6.30 风积砂干密度1.63g/cm³含水量4％试验工况地基破坏现象

这里要说明的是，本次载荷试验中，风积砂干密度1.53g/cm³含水量4％和水坠未振密法处理的地基，由于地基处理方法和试验施工过程使两种工况的密度很小，虽然承载力很小，但地基仍有一定的整体强度，因此在地基破坏时没有出现明显的连续滑动面，而似在基础四周土体发生竖向剪切破坏，沉降增加而隆起现象不明显（图6.31，图6.32），P-s曲线呈现出非线性的特点。

图6.31 风积砂干密度1.58g/cm³含水量4％试验工况地基破坏现象

图6.32 水坠未振密法处理地基破坏现象

本次载荷试验对干密度1.58g/cm³含水量12％、干密度1.58g/cm³含水量16％和水坠未振密法处理三种试验工况，地基埋深15cm范围内铺设标志层，来观察此范围内地基的沉降变形特征。将标志层变化拐点连接，可以直观地看出基础下部刚性核的形态特征（图6.33～图6.35）。当密度较大时，地基发生整体或局部剪切破坏，此时，基础下会形成较为明显的刚性核。但当密度小于一定程度时（仍有一定整体强度的情况下），基础下部土体因松散压缩量很大，随基础一起下沉，在刚性核形成之前地基已经发生破坏。

图6.33 干密度1.58g/cm³含水量12％标志层变化情况

图6.34 干密度1.58g/cm³含水量16％标志层变化情况

图6.35 水坠未振密法处理标志层变化情况

由此可见，基础下刚性核的形态特征反映了地基土的密实程度及地基承载力的大小，即刚性核越完整，地基土密实度越好，承载力也相应越高。据此，我们可以推断在地基发生整体剪切破坏时，基础下部土体会形成较为完整、明显收敛的刚性核，这与太沙基理论中假定地基滑动面形态是基本吻合的。

C. 某地铁车站深基坑监测数据分析论文怎么写

某地铁车站深基坑监测数据分析论?