第 1 章 绪论
1.1 问题的提出
随着我国城市化建设进程的加快，大量高层、超高层建筑以及地下工程的不断涌现，地下空间的利用率逐年提高。基坑工程的开挖面积越来越大、开挖深度越来越大，难度也越来越高。对基坑支护的要求也随之增高。与此同时，深基坑周围密集的建筑和复杂的地下设施使得传统的放坡开挖技术不再满足现代城市建设的需要。因此，保证基坑安全是广大岩土工作者首要的责任，必须引起高度重视。尤其 90 年代以来，基坑工程的安全问题是技术复杂的难点，也是备受关注的热点[1,2]。
城市深基坑开挖过程中不仅要考虑围护结构自身的安全稳定性，还要考虑土体开挖对周边环境的影响，防止支护结构及周边环境发生失稳破坏等现象。这就对基坑工程的设计与施工技术提出了更高的要求。确保基坑围护结构及周边环境的变形在要求范围内。
影响基坑变形的影响因素众多[3-7]，基坑开挖过程中围护结构的变形和周围土体变形，是因为受到开挖过程中突发及偶然情况的影响。基坑土体的挖土及降水等施工因素，改变了原状土体的物理力学性质。由于基坑开挖造成土体的应力改变，外加土体的复杂性等随机性因素的影响，无法通过理论计算的方法得到基坑变形的准确位移数值。为了能够准确的掌握基坑开挖过程中变形稳定性，需要对围护结构及土体进行实时监测，掌握基坑变形状态，以确保基坑工程的安全施工。
通过对深基坑工程的施工监测，整理分析实测数据。判定基坑围护结构、周边土体及周围建筑物的变形情况，以便指导基坑工程施工[8]。由于影响深基坑变形的因素众多，主要包括工程特点、工程地质条件、支护结构设计方案、施工方法。广大学者们对于基坑变形的计算始终不能达到与实测数据相匹配，计算方法也是多种多样，理论计算结果只是不断的接近实测数据，不能准确的计算出变形量。
.............................
1.2 国内外现状
基坑变形稳定性研究开始于上世纪 30 年代，最初是以土压力为研究重点，研究方向主要为土压力在各个方向的变形规律[11-14]；50 年代通过研究得出了验算基坑在开挖过程中基坑基底隆起的方法；60 年代基坑实时监测逐渐应用于施工现场；70 年代以后，很多国家已经开始着手制定相关规范指导实际施工。20 世纪 80 年代以来，中国经济的快速发展和城市化进程的推进，建筑工程朝着更高更大的方向急剧发展。90 年代，通过不断的学习和总结，国内深基坑研究已经相对成熟，并编纂了相关的设计规范和施工规范。2000 年前后基坑工程的行业标准和地方标准均先后颁布，2009 年后以《建筑基坑工程监测技术规范》GB50497 为代表的相关规范均得到了全面的修订。经济飞速发展，地下空间已经成为发展过程中的重要一环，这对基坑工程提出了更高的要求，这不仅关系到我国的经济命脉，也与我国社会主义现代化建设的进程息息相关。
1.2.1 基坑变形规律研究现状
随着我国经济高速发展，底层建筑物空间的利用无法充分满足人民日益增长的需求，因此推动建筑行业产生巨大变革，高层、超高层建筑物不断涌现，四通八达的地下交通网出现在各大城市的规划蓝图上。但无论是高层建筑还是交通系统都涉及到一个重要问题，就是基坑。大大小小的基坑失稳造成的事故也随之涌现，我们不得不重视基坑稳定性对建筑物的影响。为减少基坑事故的发生，及时察觉基坑失稳前兆，人们在不断地探索基坑变形的规律。
国外在基坑稳定性研究的初始阶段中，瑞典人彼得森最早提出条分法对基坑失稳现象的研究，虽然取得较大的成果，但其粗浅的原理和基本假定脱离了实际情况，对基坑变形规律的研究还有待进一步完善；后在极限平衡和弹性理论出现的基础上，索柯夫斯基提出了松散介质极限平衡原理，但该原理没有考虑岩体的力学和结构面，后人在此基础上完善了该时期基坑稳定性的发展；在深入发展阶段，人们以极限平衡理论为基础，运用图解法和计算分析法求出安全系数来判断其稳定性，推动基坑稳定性研究持续发展。
............................
第 2 章 深基坑变形理论分析
2.1 深基坑变形计算方法
目前对于基本变形的计算方法有很多，主要包括：有限单元法、地层损失法、估算法。
2.1.1 有限单元法
有限单元法是在六七十年代发展起来的强有力的数值分析方法，随着计算机技术的快速发展，对于前后处理技术得到了技术支持，解决了很多复杂的岩土工程问题。有限单元法有几个突出的优点及缺点，有限单元法可用于非均质问题，解决多层土、多种材料、都区域应用问题，用于非线性材料，能够解决材料的各向异性，可适应复杂边界条件[44]。其次可用于解决包括应力变形、渗透、固结、流变、湿化变形、动力、温度问题等。但是有限单元法的单元形态对计算结果影响较大，计算比较复杂、麻烦，计算模型、参数对结果影响大，解决非连续性问题比较困难。
2.1.2 地层损失法
地层损失法最早是由同济大学侯学渊教授提出来的，由于基坑内土体的挖除，导致围护结构内侧出现凌空面，土体应力得到了释放，破坏了土体的原始应力状态，出现应力不平衡现象，使得围护结构内外侧产生较大的土压力差。基坑外侧的主动土压力作用在围护结构上，导致围护结构向基坑内侧发生变形。基坑外侧土体发生塑性变形，向基坑内侧产生水平变形，引起基坑周围地表的沉降变形。
侯学渊[36]教授在长期的科学研究工作中，在 Peck 和 Schmidt 对于地面沉降研究的基础上，利用有关围护结构水平位移及基坑周围地表沉降的研究理论，采用杆系有限元及弹性地基梁计算方法，再根据墙体位移和地表沉降的面积相关理论，近似求解地表沉降值。
2.1.3 估算法
基坑变形计算法中估算法包括时空效应法、经验估算法、稳定安全系数法、反分析法。时空效应法控制基坑结构变形和周围地层位移的方法，考虑时空效应的施工方法和在围护墙在无支护情况下暴露时间为主的参数，强调设计与施工的密切配合，通过采取相应的措施，达到控制变形目的，已取得了显著的经济效果。
.........................
2.2 深基坑变形现象
由于基坑内土体的开挖，基坑周围土体应力得到释放，土体发生应力重分配，造成围护结构在压力差[45,46]下产生位移，进而造成基坑支护结构及周边环境发生变形。基坑的开挖方式、开挖深度、支护结构等的不同，基坑土体周边位移和沉降也不尽相同。围护结构、坑底隆起和周围地表沉降变形是深基坑主要的变形现象。
2.2.1 围护结构变形
围护结构由于基坑土体的开挖，内外会产生土压力差，进而导致围护产生变形，主要包括水平和竖向变形。
（1）围护结构的水平变形
由于基坑内土体的挖除，使得围护结构内侧出现凌空面，在基坑外侧主动土压力的作用下，围护结构会有向坑内产生变形的趋势。随着开挖深度的不断加深，产生的变形也随之增加，开挖到坑底时，基坑以下的支护结构内侧受到被动土压力[45,46]。由于在开挖过程中施加锚索支护，在每部施加每层锚索前，支护结构的变形都会随之加大。围护结构的位移使得围护结构外的土体向基坑内侧移动，使得墙后土体水平向应力减小及剪应力增加，出现塑性区。基坑外侧土体向基坑内侧移动，使得基坑内侧土体水平向应力增大及剪应力增加。
不同的围护结构由于刚度的不同，对围护结构的水平位移的影响也不同。刚性围护结构相对刚性强度大，结构顶部位移形态呈三角形。柔性围护结构通过锚杆施工来较小围护结构的侧向变形，围护结构深层水平位移呈抛物线形。
（2）围护结构的竖向变形
在基坑工程的施工中，围护结构的竖向变形往往得不到足够的重视，但是如果不加考虑，会对周边环境的稳定性造成影响。围护结构的变形既有可能上浮也有可能下沉。由于基坑开挖的影响，使得土体自重应力得到释放，基坑土体向上隆起，从而带动围护结构产生向上的变形，如果由于施工的影响，那么围护结构可能就会产生下沉现象。
...........................
3.1 长春北湖地区地层及环境条件特点 ............................ 18
3.1.1 长春北湖地区地层条件特点 ............................ 18
3.1.2 长春北湖地区环境条件特点 ...................... 19
第 4 章 深基坑有限元模拟分析——以长春北湖吾悦广场为例 ............................ 37
4.1 工程概况 ............................... 37
4.1.1 工程地质条件 .................................. 37
4.2.2 水文地质条件 ........................ 38
第 5 章 深基坑变形规律在设计参数优化中的应用分析 ........................................ 54
5.1 围护结构刚度优化 .......................... 54
5.2 围护结构嵌入度优化 ................................55
第 5 章 深基坑变形规律在设计参数优化中的应用分析
5.1 围护结构刚度优化
围护结构刚度的设计是保证基坑及周边环境安全的前提，也是基坑工程变形控制的重要前提和保障。合理的围护结构刚度设计是控制围护结构变形的重要条件。
本文通过改变围护结构刚度来分析对基坑变形的影响。对围护结构的不同刚度进行模拟，上图 5-1、5-2 就对不同地连墙厚度 0.3m~0.8m 范围内的 6 个工况条件下的围护结构深层水平位移和周围地表沉降值进行模拟分析。
......................
第 6 章 结论与展望
6.1 结论
长春新区是第 17 个国家级新区，如今长春新区正在进行大规模的建设当中，然而由于长春北湖地区地质条件复杂，在本地区的建设中，在借鉴其他地区工程经验的基础上，需要我们对该地区的深基坑变形规律进行总结分析。本文以长春北湖新区地区三个典型深基坑工程为研究背景，了解国内外深基坑变形监测方法和深基坑数值分析方法的研究现状，对深基坑变形计算方法、变形现象、基坑变形机理、基坑变形影响因素、基坑变形控制措施进行了进一步的分析。对基坑的现场监测数据进行分析，利用有限元软件对基坑工程进行数值模拟，对比分析结果。并对基坑工程进行优化。
本文主要的研究结论和研究成果如下：
（1）长春北湖地区深基坑工程支护方案主要为桩锚支护及土钉墙支护形式。叙述了深基坑的变形计算方法、基坑变形现象、基坑变形机理、基坑变形影响因素、基坑变形控制方法。
（2）长春北湖新区地区深基坑工程围护结构水平变形随基坑开挖深度的不断增加而增加，深层水平位移最大值位置随基坑开挖不断向下移动，最大值约为0.12%H，位移随基坑开挖深度变形曲线呈抛物线形分布。
（3）长春北湖新区地区深基坑周边地表距离围护结构不同距离的沉降在不同工况下随基坑开挖深度的变化曲线呈现出“凹”形变化。基坑开挖对基坑周围沉降的影响范围大概为 1.5~2.0 倍基坑开挖深度。
（4）选取长春北湖新区某深基坑工程作为研究对象，运用 MIDAS GTS NX有限元软件对该基坑工程开挖及支护全过程进行数值模拟分析，将模拟结果与监测结果进行对比分析，两者结果曲线变化趋势基本相同，监测值大于模拟值，这是由于实际工程施工中，影响基坑变形的不确定因素所造成的。
（5）利用变形规律对基坑工程中的设计参数进行优化分析，通过对围护结构刚度、围护结构嵌入比、锚杆预应力及位置设计参数进行优化。
（6）通过整理分析长春北湖新区地区深基坑工程的变形规律，利用有限元软件做进一步研究，对设计参数进行优化，达到减小施工难度及节约工程成本，对该地区基坑工程设计与施工起到一定的借鉴与指导作用。
参考文献（略）