1 绪论
1.1 选题背景与意义
近年来，随着城市化进程的持续推进和全国各地不断加大对人才的引进，越来越多的人选择到城市工作或定居。伴随着大量外来人口的进入，城市住房和交通出行等问题愈发明显。为了满足城市地区新增人口的居住和基本出行需求，加大对城市住房和相关基础设施工程的建设已迫在眉睫。城市地区可供开发利用的土地资源十分有限，要想大力开发住房和基础设施，只能使建（构）筑物往更高或者更深的方向发展，以此来提高城市空间的利用率。为此，全国各地城市迫切需要开发利用地下空间[1,2]。
地下空间的开发利用不仅使城市新增人口的住房和生活条件得到改善，同时有利于缓解紧张的地上交通，节约地上土地资源以增加城市绿化，改善城市居住环境。伴随城市建（构）筑物高度的不断增加，以及地下轨道交通线路的增多，城市基坑也在不断向着更深、更大、更难的方向发展[3]。此外，城市基坑工程又有别于其他地区基坑工程：首先，城市建筑密度大，能提供于基坑施工的场地十分有限，所有机械、材料、工人等必须在有限的区域内进行施工操作。其次，城市基坑工程周边环境复杂，在施工过程中不仅要考虑支护结构的稳定，同时还要尽可能不影响周边建（构）筑物、管线、道路等正常使用；除此以外，由于我国幅员辽阔，地形、地貌、气候等差异明显，不同地区地质条件也不尽相同。如：北京地区的砂卵石和黏性土相互交错的地层、广州地区的淤泥质土和砂砾岩的软硬相间地层、长三角洲地区的软土地层等。针对不同地区水文地质条件、周围环境等差异，基坑工程表现出一定的区域特性。其中，具有代表性的上海地区软土地层，多为软塑或流塑状态的粘性土。这类土层通常具有压缩性高、含水量大、灵敏度高等不良特点。一旦基坑在施工过程中发生围护结构失稳，更容易造成邻近建筑物倾斜和周边地表及管线发生不均匀沉降。由此可见，在软土地区进行城市基坑工程施工过程中如何在保证基坑稳定的前提下尽可能减小对周围环境的影响已成为重要问题，这就要求在城市基坑工程设计时，务必选择一种安全可靠的支护方式。
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1.2 基坑工程和环梁内支撑体系概述
1.2.1 基坑工程概述
基坑工程作为岩土领域的传统课题，随着人类社会和科学技术的不断发展，人们对基坑的研究从未停止。对于基坑开挖变形的相关研究，最初由 Terzaghi 等[7]人提出基本理论分析的方法，之后经过众多学者不断完善一直沿用至今。上世纪中期，Bjerrum 等[8]人率先给出了基坑底部回弹量的计算方法。同时伴随科学技术的快速发展，相关监测技术不断完善，大量监测设备应用到工程领域，使相关理论得到有力验证，极大地推动了行业发展。
我国基坑领域相关研究开展较晚，主要由于上世纪 70 年代以前，国内基坑大都在10m 以内，仅有极少数在 10m 以上，但周边环境并不复杂。自北京修建地铁开始，国内才陆续出现 20m 以上的深基坑，从此基坑工程正式步入研究阶段。新世纪以来，由于城市建筑的不断增加以及基础设施工程的蓬勃发展，城市区域可供开发利用的土地急剧减少，促使在城市建设过程中必须提高空间利用率，正因如此也极大地推动了基坑工程的发展。一方面建（构）筑物高度不断增加，相应基坑开挖深度也在不断增大；另一方面，城市地下交通、商场及地下停车场等地下建筑不断增加，基坑工程面临的问题也在日益增多。在此期间，由于国内建筑及基础设施的不断完善，基坑周边环境日趋复杂，在进行基坑设计及施工过程中不仅要考虑自身稳定性的同时还要尽可能减少对周围建（构）筑物、道路、管线等影响。面对一系列的科研难题，各路学者在借鉴国外相关研究的基础上，结合具体问题具体分析，不断探索，逐步完善国内基坑工程相关理论与实践研究，不断推动国内基坑工程的发展。
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2 软土地层工程特性及支护方式统计分析
2.1 软土地质特性及其引发的基坑工程地质问题
2.1.1 我国软土地层分布及成因类型
我国软土地层分布较为广泛，从西部高原至东部沿海均有分布。此外，软土多分布于地下，不仅具有隐蔽性而且分布过于零散。根据其分布和形成类型大致可分为：沿海沉积型、内陆湖盆沉积型、河滩沉积型、沼泽沉积型及山间沟谷盆地沉积型。其中沿海沉积型软土分布相对稳定，厚度较大。内陆湖盆等沉积型软土分布过于零散，厚度较小；沿海沉积又可分为三角洲相、溺谷相、泻湖相、滨海相四种类型。内陆平原区软土则多以谷底相、河漫滩相、湖泊相等类型为主。
2.1.2 软土地质特性
软土地层因其形成条件的多样性和特殊性，相较其他土层往往表现出独特的工程性质。软土常见地质特性主要有以下几点：
1、天然含水量高和孔隙比大
软土因其含水量高，多呈软塑或半流塑状态。由于土中含水量较高，使得饱和土体孔隙比较大，通常在 1.0~2.0 之间。
2、渗透性弱
由于软土地层常在水平方向伴有细沙或粉砂极薄夹层，致使软土渗透系数在水平方向常大于垂直方向。渗透系数通常在 10-9~10-7cm/s 之间。
3、压缩性高
由于软土在形成过程中多含有腐烂植被、微生物和可燃气体，且含水量高、容重小、孔隙比大，使得压缩性较高。压缩系数通常为 0.07~0.15MPa-1。
4、触变性
软土在原有状态不受外界荷载作用时，具有一定强度。当土体受到外界震动荷载作用后，土体结构破坏，强度降低，使得沉降增加并容易产生侧向变形。
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2.2 软土地区基坑常用支护方式统计分析
2.2.1 基坑常用支护结构类型分析
在进行基坑支护结构选择时，往往需要考虑众多影响因素，即使是同一区域基坑项目，也可能存在荷载不同、开挖深度不同、地质条件差异等问题。因此，在工程设计过程中，需要根据具体情况选择一种或多种组合的支护方式。常见支护结构类型如下：
（1）放坡开挖
优势：造价低廉，支护施工进度快。
适用范围：多用于周边无重要建（构）筑物、地下管线，土质较好的开阔场地。
（2）土钉墙
优势：稳定可靠、经济效益和支护效果较好。
适用范围：土层较好，工期充足。适用于周边临近建筑物或道路等对变形控制较为严格区段或较深的基坑，需与预应力锚杆或锚索联合使用。
（3）复合土钉墙 优势：同时具有止水和挡土功能，经济性高，利于机械施工。 适用范围：存在软土层、回填土和受场地限制需要垂直开挖区域。
（4）拉森钢板桩
优势：能重复使用，施工简单，耐久性良好。
适用范围：开挖深度小于 4m 的基坑。当基坑开挖超过 4m 时，应当在基坑内设置一道或多道支撑，同时下部嵌固端进入稳定土层。
（5）灌注桩+锚索（混凝土内支撑）
优势：刚度大、稳定性好、强度高。
适用范围：可用于开挖深度 8~20m 或土层较差地区。
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3 环梁内支撑基坑开挖受力变形特征分析 .................................. 18
3.1 工程概况 ................................... 18
3.1.1 工程简介 .............................. 18
3.1.2 工程地质条件 ............................. 18
4 环梁内支撑与对撑加角撑组合支撑支护效果对比分析 ................................. 35
4.1 对撑加角撑组合支撑基坑数值模型建立 ............................... 35
4.2 对撑加角撑组合支撑基坑开挖受力变形特征 ........................... 36
5 环梁支撑平面不同几何构型对其受力和变形影响分析 ........................... 43
5.1 环梁支撑模型计算体系的选取 .................................... 43
5.2 角撑和辐射撑对支撑受力和变形的影响 ............................ 45
5 环梁支撑平面不同几何构型对其受力和变形影响分析
5.1 环梁支撑模型计算体系的选取
为研究环梁支撑不同角撑、辐射撑、环梁直径和数量布设下支撑平面受力和变形规律，保证建模过程的正确性和计算结果的合理性，结合前文第三章基坑工程基本信息，选取与实际较为接近的同心三环梁支撑进行计算分析，以便为后续不同几何构型环梁支撑分析提供依据。模型平面尺寸依照上述第三章实际工程选取，即长?宽为 183m?196m，环梁直径由内而外分别为 140m、160m 和 180m。支撑周围荷载按第二道支撑进行考虑，通过计算为 83.8kN/m，取为 85 kN/m。计算简图如图 5.1 所示，其他参数均列于表 5.1。
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6 结论与展望
6.1 主要结论
本文依托软土地区某环梁支撑基坑工程，运用数理统计、数值计算和监测数据分析的方法对软土基坑环梁内支撑受力变形特征及几何构型进行研究。主要结论如下：
（1）对我国软土地层工程特性及其常易引发的基坑工程地质问题进行总结归纳；通过对软土地区 32 个已完成城市基坑工程数据统计分析可知：软土地层基坑工程围护结构类型主要为灌注桩和地下连续墙。当基坑开挖深度小于 16m 时，围护结构最大侧向变形分布在 0.5~1.0H 范围。开挖深度大于 16m 时，围护结构最大侧向变形则多分布于坑底附近；环梁内支撑较对撑加角撑组合支撑方式在不同开挖面下可灵活布置，但基坑开挖深度通常小于 15m。对于开挖面积在 20000m2以内、深度大于 15m 基坑则以对撑加角撑组合支撑为主；环梁支撑方式相比对撑加角撑组合支撑方式能多提供 7.05%施工作业面，同时施工作业面空间整体性较好。
（2）根据依托工程资料，建立标准化数值计算模型，由计算结果可知：围护结构侧向变形呈“鼓肚型”分布，其中最大侧向变形位于基坑中部附近，并且随开挖深度的增加逐渐向下移动；基坑在开挖过程中，周边地表沉降并非始终保持单一沉降特征，而是随土体开挖的增加呈现动态变化，最终过渡至“凹槽型”。受“坑角效应”的影响，基坑中部附近地表沉降大于两侧坑角处地表沉降；对于同一道环梁内支撑，由外向内轴力逐渐增大，变形逐渐减小；
（3）由监测数据分析发现，基坑开挖初始阶段，第一道支撑轴力迅速增大，当坑外土体与围护结构相互作用达到平衡后，支撑轴力趋于稳定，并随开挖深度的增加近似呈线性增长。当第二道支撑布设后，两道支撑共同受力，第一道支撑仍作为主要受力构件。伴随土方开挖的增加，第一道支撑轴力逐渐减小，同时第二道支撑轴力明显增加并逐步取代第一道支撑成为主要受力构件；将环梁内支撑基坑开挖数值计算结果与监测数据进行对比发现，两者在围护结构变形、地表沉降和支撑轴力方面较为吻合，变化趋势基本一致，验证了数值计算模型的正确性。
参考文献（略）