第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
随着我国城市化进程的不断推进，人口正迅速地集中于城市，从而使人口增长与资源环境之间的发展出现不平衡的现象。存在严重的交通拥堵，迅速恶化的环境以及紧张的城市用地资源等问题。为了实现可持续发展，向高空、地下索取空间已成为城市未来发展的一种趋势，这将不可避免地导致城市高层建筑越来越多，与此同时基坑开挖也将越来越深。
近年来，长春地区的建设发展迅速，但城市建设中的基坑大部分位于人口稠密的地区。存在诸如建筑物包围、地下管网密集、施工场地狭窄、施工环境复杂和工期紧张等问题。它很有可能对相邻建筑物、地下交通线路和市政管线等产生不利影响[1]。事故发生时，基坑开挖引起的变形不仅会造成周边建筑物等设施的破坏，严重时更会危及到人身安全。因此，需要通过研究长春地区深基坑变形的规律，以此来确保周边建筑和设备的安全及正常使用，同时也将减少施工期间的不利影响。
在这种情况下，除了满足基坑围护结构的强度要求外，还必须满足变形要求，将基坑周围的土体变形控制在允许的范围内，以及确保基坑周边建（构）筑物的正常使用，是基坑工程设计和施工的关键性问题。因此，复杂条件下的基坑工程设计应由传统的强度控制转变为满足强度基础上的变形控制，同时开展基坑开挖引起变形的规律研究也是十分重要的[2]。这不仅需要基坑支护体系满足稳定性要求，还需要其变形小于某一控制值。根据变形控制设计并不是越小越好，也不易统一规定，所以合理的基坑变形控制指标是变形控制设计的关键[3]。当需要根据变形来控制设计时，应合理选用设计变形控制量，变形控制量的大小直接影响工程投资，有时甚至是指数增长关系。现阶段无论是从规范、设计理论，还是从变形控制标准等诸多方面来看，长春地区的基坑工程还存在大量的问题亟待解决。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 基坑开挖变形研究现状
基坑开挖过程中若不对支护构件变形及地表沉降进行合理控制，由围护结构与地表土体产生的过量附加变形将直接危及工程安全。基于基坑工程支护变形的重要影响性，国内外的学者开展了一系列研究，总结了许多深基坑支护变形规律，对基坑支护体系的设计与施工提供有利参考[4]。表 1-1 给出了有代表性的 7 篇研究基坑开挖变形的文献，表中按照时间顺序编排。
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第 2 章 基坑工程变形控制理论
2.1 基坑工程变形机理
需要控制的主要变形是基坑本身变形和基坑周边建（构）筑物变形。目前在变形控制的基坑工程设计和施工中，周边建（构）筑物变形要求更为严格，但其实控制基坑本身变形才是控制周边建（构）筑物变形的过程和手段，而不是直接控制目标。在这种变形控制前提下，就需要我们深入了解基坑工程变形机理。
基坑施工是土体扰动并和支护结构相互作用，从而使应力重新分布的过程，同时也人为地把原状土体划分为基坑外部、围护结构和基坑内部三个部分，这将不可避免地引起三种基坑变形形式，它们分别是周围地表沉降变形、围护结构变形和坑底隆起，并且这三种变形也具有相互影响的错综关系[30]。
（1）支护结构变形
支护结构变形是墙内土体与墙外土体共同作用的结果，一般可分为水平位移与变形、竖向位移与变形两种。如图 2-1 所示。
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2.2 变形控制设计理论
2.2.1 深基坑工程支护理论
（1）极限平衡法
极限平衡法是最早发展应用的基坑支护结构计算理论，该方法以计算简便、受力明确、手算快速等优点在早期的基坑支护结构计算中应用广泛。极限平衡法是将围护结构与土体相互作用的超静定问题通过一定的力学假设模型转化为静定问题，从而求解支护问题。
（2）弹性支点法
局部弹性地基模型（也称为 Winkler 基础模型）是捷克工程师 E.Winkler 于 1876年首次提出的，它假定基础上任意点的沉降 y 与该点的压力强度成正比[33]。现代弹性地基梁模型三个假设为：1）平截面假设；2）假设梁上各点与土体各点紧密相贴，梁的位移与土层的变形保持一致，即土层与梁协同变形；3）不考虑梁的轴力。在三个假设的基础上，建立围护桩与土层的几何、物理和力学平衡方程，通过微分方程来求解。
（3）数值模拟法
无论是经典土力学计算模型还是弹性地基梁法，都是将深基坑开挖与支护的三维空间内的土体受力与变形简化为一维平面问题，计算误差较大。从 20 世纪 70年代以来，首先发展了二维有限单元法，将基坑四周和基底简化为平面结构，分析土体与围护结构相互作用与基坑变形稳定，国内外诸多学者研究并发展了该方法，并取得一系列的研究成果。但是二维有限单元法完全没有考虑深基坑显著的“时空效应”特点，致使计算结果误差大，造成施工事故或者材料的浪费。三维有限单元法应运而生，发展迅速，利用 FLac3D、ABAQUS、GTS NX 和 ANSYS等数值模拟软件可以模拟实际地层、施工工况、支护结构，从而预测基坑的变形和受力，是一种理论技术较为成熟的分析方法。
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3.1 长春地区常见地层条件及岩土参数 ................................ 12
3.1.1 地层条件 ............................... 12
3.1.2 土层参数 ...................................... 14
第 4 章 长春地区深基坑变形特性分析 ................................. 22
4.1 基坑地表变形特性分析 ..................................... 22
4.1.1 地表最终变形 ................................ 22
4.1.2 地表沉降分布模式 ..................................... 23
第 5 章 长春地区深基坑变形规律及其控制研究 ...................... 31
5.1 基坑地表变形规律研究 ............................... 31
5.1.1 地表最大沉降与开挖深度的关系 ........................... 31
5.1.2 地表沉降与土层厚度的关系 ................................ 32
第 6 章 基坑变形控制设计实例
6.1 HS 模型参数应用
6.1.1 HS 本构模型
修正摩尔库伦模型（Modified Mohr-Coulomb）是对摩尔库伦模型的改进，又称为 HS 模型，该模型由非线性弹性模型和弹塑性模型组成，如图 6-1 所示。1998年，Schanz 基于 D.C 模型建立了适用于模拟硬土和软土新的本构模型。该模型仍然假定应力与轴变 成双曲线关系，其区别在于邓肯张模型是用变模量的弹性关系来描述，而 HS 模型是用弹塑性来描述该关系。本质上，模型的形态相似于 M-C模型，并且内聚力 C 和内摩擦角φ仍用于表示极限状态应力下土样的强度特性[45]。然而，它与 MC 本构模型相比，最大的优势就在于该模型描述了应力增量随应变不断变小的土体硬化现象，以及通过实验获得的参考割线模量 、加载卸载模量 和固结实验的参考切线模量 ，它们都用来描述土体强度，因而该模型可以更准确地模拟土体开挖过程[54]。
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第 7 章 结论与展望
7.1 结论
通过在大量实测数据分析的基础上，系统研究了长春地区基坑的变形规律和特征。进一步提出了长春地区基坑的风险等级标准和变形控制指标，最终能在实际工程中得到应用，主要结论如下。
7.1.1 长春地区基坑基本参数取值范围：
（1）根据长春地区水文工程地质特征，统计分析了长春地区 12 个基坑工程实例的勘察资料，得到了第四系黏性土层物理力学性质指标的基本范围，可以作为长春地区基坑设计的参考取值依据。
（2）通过数据分析，得出长春地区基坑开挖基本设计值为：开挖深度平均值是为 13.06m，支护桩嵌固深度平均值是 4.46m，插入比范围为 0.21～0.44，插入比平均值是 0.35，地层加权主动土压力系数平均值是 0.56。根据统计结果可基本看出所研究的各基坑概况，在对长春地区基坑进行数值分析中，将参考这些数据建立标准化模型。
参考文献（略）