毕业论文-基坑开挖对超邻近高层建筑的影响研究.doc

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IAbstract II目录 IV第1章绪论 、内容及方法 7第2章郑州京广家园的工程概况 13第3章数值模拟理论研究 22本章小结 22第4章超邻近基坑开挖对高层建筑的数值模拟研究 40第5章主要结论和展望 41参考文献 ,人类的生产力开始飞速增长,对自然界的认识不断加深,科学知识不断得到丰富,同时人类也向自然索取的更多资源,如矿物资源、海洋资源、土地资源和能源等等[1,2]。特别进入二十一世纪,人口出现了爆炸式的增长,城市化进程不断加快,为了解决人们住的问题,就需要更多的土地资源,建设更多的房屋[3,4]。在这个大背景下,人类与土地资源的矛盾日益突出,对于有限的土地资源,提高利用容积率的一个好的方法就是向天空和向地下发展。向天空发展就有了高楼大厦等高层建筑的出现,高层建筑很大程度上提高了单位土地面积的人口承载力[5]。对于高层建筑,为了维持高层建筑的稳定和安全,需要建设更大更深的基础构造,这就对基坑工程提出了更严格的要求。与此同时,在有限的城市空间里,合理地利用每一寸土地都具有十分重要的意义。最新规划的建筑物,为了提高自身建筑面积,经常将建筑边沿紧靠已有的建筑,这就进一步促进了基坑工程的高要求发展[6-8]。以中国为例,自改革开放以来,我国的国民经济得到了飞速发展,基础设施建设不断加快,城市化进程也处于加速当中。特别是2000年之后,基础设施的建设达到了有史以来国内最快的增长时期,大量资金和设备涌入房地产行业,几年之间的建设量超过了过去所有建设量的总和[9]。高层建筑的总数不断增加,高层建筑的高度也不断增加,因此,基坑开挖的深度越来越深,施工工艺也越来越复杂,难度也越来越大。八十年代到九十年代,我国新建的高层建筑只有1000多幢,而在90~91年新增加的就有1000多幢,2001到2002年间新增加的达到3000余幢。2002到至今,高层建筑物的建设仍在不断地加速当中。迄今为止,中国已经建成的高层建筑物总面积超过10亿平方米,高度超过100m的高层建筑物超过1000座,高度超过200m的高层建筑物多达100座[10-13]。例如,台北101大楼448m,东帝土大厦(高雄)347m,香港国际金融中心415m,深圳地王大厦325m,广州中信广场322m,上海六六广场288m,上海明天广场285m,上海中心632m。对于超高层建筑物,为了保证上部结构的安全,必须建设非常深的基础工程;在基础工程施工的同时,也可以充分利用地下空间,这使得深基坑工程越来越多,施工的难度越来越大,暴露出越来越多的工程问题[14-17]。比如,在天津,高度达到湖北工业大学硕士学位论文基坑开挖对超邻近高层建筑的影响研究湖北工业大学工程硕士学位论文3530米的周大福金融中心,其基坑工程最深处超过负32米,相当于正常的10层楼的高度,目前是天津市房建领域最深的基坑;上海城建承建的郑州紫荆山地铁站,其基坑外号“中原第一深基坑”,,,并且地下连续墙埋深达51米。深基坑(“Deepfoundationpit”)的概念首先起源于西方,于1940年首次出现[18,19]。所谓的"深基坑"是指为进行建筑物或构筑物基础以及地下室的施工而开挖的地面以下的地下空间。在基坑工程界,,就称为深基坑[14,15]。对于大部分高层建筑物,其地下空间一般为2~3层,部分建筑可达到4层。这些地下空间一般用作地下停车场、地下仓库、地下商场、地下人防工程或者地下车站等[20]。地下空间的开发利用是一个较新的课题,需要较长时间的经验积累。随着大规模的城市改造,城市可利用的空间显得越来越珍贵。城市里的地下商场、地铁等一般位于人员流量大、人口密集、建筑密集的地方。为了促进城市的可持续发展,这就需要我们合理地开发利用这些地区的地上及地下空间,于是深基坑工程就暴露在已有的城市道路工程、已有建筑物或构筑物、城市管线及其周边区域[21-23]。这基坑工程施工的区域,基坑工程极有可能处于复杂的工程地质和水文地质条件下,同时周边的建筑或道路使得施工场地非常狭小,非常不利于施工作业。基坑的红线仅仅靠近周围建筑的边沿。基坑设计或施工过程中,如果设计不合理或者施工不利,就极有可能扰动周边环境,造成地表建筑物的不均匀沉降,引起建筑物倾斜或者开裂,或者管线发生移位和破坏,威胁周边环境的安全和造成严重的经济损失。根据已有调查和最近报道,由于基坑工程导致的场地施工安全和周边环境问题占到工程总量的10%~15%,特别对于高地下水位的软土地区甚至达到20%以上,有个别地区基坑工程中,有较大问题的约占总数的60%,边坡挡土支护结构发生破坏或倒塌的竟占30%及以上[13,24,25]。所有的这些工程事故,都给周边环境造成非常恶劣的影响,直接使得周边建筑不能使用或者造成重大伤亡事故。例如,2014年4月郑州某基坑由于塔吊拆卸时,造成土体的卸载扰动,引起基坑塌方,造成多名工人被埋的工程事故。2014年杭州某工地,由于深基坑开挖维护不当,造成基坑边缘一加油站发生较大倾斜,面临很大的安全风险。2014年成都某建筑工地基坑倒塌,造成多量车辆掉入坑底。2013年青岛市区台东一路的当代广场的建筑工地发生基坑倒塌事故,造成工地一侧路面塌陷,严重影响周边的交通通行。因此在深基坑工程开挖过程中,必须采取正确基坑支护结构的设计,合理解决施工中碰到的各种施工问题变得非常紧迫,这些工程问题引起了国内外诸多科学家及工程师的重视湖北工业大学硕士学位论文基坑开挖对超邻近高层建筑的影响研究湖北工业大学工程硕士学位论文4[9,11,26]。在设计阶段,就要对基坑施工过程中可能面临的风险进行全面论证和规避。尽管当代的已经开展了很多深基坑方面的研究,但是鉴于基坑工程的复杂性,不仅与工程地质有关,还有施工管理有关,基坑可能面临各种各样的实际问题。对开挖过程中,深基坑支护结构对周围土体的影响、对周围建筑物的影响的定量分析,规律还不是很充分,因此需要进一步的研究。,但归纳之后大体上可以分为以下几类[27]:顺做法:放坡开挖,无内支撑围护体系,有内支撑围护体系逆作法:全逆作法,半逆作法顺逆结合:主楼顺做,裙楼逆做;主楼区大开口逆做;中心岛顺做,周边逆做。每种方法都有自身的优点和缺点,总体方案选型时需要考虑工程造价,施工进度,周围环境的安全等因素。(1)顺作法特点:传统开挖施工方法,施工工艺成熟,维护结构体系与主体结构相对独立,相比逆作法,设计施工均比较便捷,对施工单位的管理和技术水平的要求相对比较常规,施工单位的选择面较广,基坑支护结构设计与主体结构的设计关联度较低,受主体结构设计进度的制约小,基坑工程有条件尽早开工。具体实施时又可以分为三种形式:放坡开挖形式(适用于浅基础,特点:经济、进度快,但要求有足够的场地),无支护结构形式(需要考虑工程地质条件以及水文条件),有支护结构(板式支护结合内支撑体系,中心岛式支护体系)[28]。对于周边环境复杂的,变形控制要求高的软土地基,板式支撑维护体系是常用及成熟的类型,需设置和拆除大量临时的支撑,当基坑面积达到一定范围时,经济性较大。当基坑面积不大时,其技术经济性较好。支撑体系拆除时一般会引发二次变形,同时爆破拆撑以及拆撑后的废弃混凝土碎块对周边环境有不利影响[29]。中心岛式支护体系适用于超大面积基坑工程,造价比较经济,基坑中部土方采用敞开式开挖,具有出土便捷的特点,基坑周边的地下结构需要二期施工。(2)逆作法深基坑的逆作法是指施工地下基础的同时,进行地表建筑物的施工,上部结构施工不受地下结构施工的影响,可以显著缩短由于基坑开挖造成的工程延误,特别适用于工程紧急或者地表交通不能中断的区域施工湖北工业大学硕士学位论文基坑开挖对超邻近高层建筑的影响研究湖北工业大学工程硕士学位论文4[30,31]。逆做法施工的优点有基坑变形小,且对于周围环境和建筑物的影响小,可缩短工程施工的总工期,使结构的设计更为合理,节约资源,具有较强的经济性,适用于大面积的深基坑工程。当周边环境变形敏感,可以采用逆作法,因为利用结构梁板支撑刚度大的特点可以控制维护体变形。逆作法适用于施工场地紧张,工期进度要求高的基坑项目。(3)组合方案,顺逆结合类型一:塔楼顺,裙楼逆。适用范围是地下室几乎用足了建筑红线的情况,使得施工场地狭小,塔楼为超高层,是控制工期的主导因素,并且开发商为了延续投资,对塔楼工期要求高,周边环境保护要求高。类型二:裙楼逆,塔楼顺。塔楼区域一般设置成大空间开口,出土效率高,可加快裙楼逆做施工的进度,大大缩短裙楼上部结构的工期,且对周边变形控制有利,亦可改变地下作业的通风及采光,缺点是一般会增加工期。类型三:中心顺做,周边环板逆做。该方法适用于超大面积深基坑工程。,水泥土重力式维护结构,地下连续墙,灌注桩排桩维护墙,型钢水泥土搅拌墙,钢板桩维护墙,钢筋混凝土板桩维护墙等[7,8,31-33]。以下简单介绍各种周边维护结构的特点。(1)土钉墙土钉墙一般适用于有一定自稳能力的土体。土钉墙具有的特点有设备工艺简单,形状适应性强,经济性较好,坑内无支撑体系,实现敞开式开挖,柔性大,有良好的抗震性和延性,破坏前有变形发展过程,密封性好,完全将土体表面覆盖,防止水土流失,雨水,地下水靠群体作用是基坑保持稳定,土钉墙制作施工时需要场地小,设备移动灵活。与桩相比,土钉的孔径小,对卵石漂石以及填土层具有较强的穿透性;而且便于信息化施工,能够根据检测数据及地质条件调整土钉的参数。土钉墙也有不足之处,那就是占用坑外地下空间,土钉施工与土方开挖交叉进行,对现场施工组织要求较高。土钉墙适用于基坑开挖深度h≤12m,周边环境保护要求不是很高,地下水位以上或经人工降水后的人工填土、粘性土和弱胶结砂土的基坑。不适合含水率丰富的粉细砂及含水量高的松散中粗砂、砾砂及卵石层,粘聚力很小、过于干燥的砂层等地质条件的基坑。为了弥补单一土钉墙的不足,出现了复合土钉墙:土钉墙+预应力锚索+隔水帷幕湖北工业大学硕士学位论文基坑开挖对超邻近高层建筑的影响研究湖北工业大学工程硕士学位论文6+微型桩(填土,软塑性粘性土)。(2)水泥土重力式挡墙水泥土重力式挡墙的优点是具有较好的止水性,且使用后留下的障碍物比较容易处理,但缺点是占用空间大,位移控制能力较弱,基坑变形较大,当墙体厚度较大时,水泥土搅拌桩的高压喷射注浆对环境影响大。水泥土重力式挡墙适用于较浅的基坑,适用基坑深度h≤7m,当周边环境保护高时,深度不宜超过5m。当周边1~2倍开挖深度范围内有变形或沉降敏感的建筑时,一般不用水泥土重力式挡墙结构。(3)地下连续墙地下连续墙适用于开挖深度h≥12m,是现浇做成的,形式有壁板式、T、∏形或通过将各种形式槽段组合的形式,格型,圆筒形等结构形式等。地下连续墙的特点有整体性好、安全性高、刚度大、支护结构变形小、抗渗能力强、坑内降水对周边影响小、低噪音、低振动,可做地下构造物的外墙,可配合逆作法施工。但是地下连续墙必须要注意废浆的处理,当适用于粉砂地层易引起槽壁坍塌及渗漏问题,当进行槽段接缝,两墙合一需进行专项防水设计。地下连续墙适用于基坑深度≥10m,对变形计防水高的工程,可贴红线极近,作为主体结构的一部分,可以用于逆作法施工,地上地下同步施工。一般情况下,地下连续墙适用于超深基坑,深度可达30~50m。(4)灌注桩排桩维护墙灌注桩排桩维护墙具有多种形式,情况如下:分离式:旋喷桩,工艺简单、成熟,质量易控制,造价经济,喷声小,无振动,无挤土效应,施工时对周边环境影响小。对多数地层均可适用,从软粘土到粉砂性土。双排式:增大整体抗弯刚度和抗侧移能力是,抗弯刚度大,自立式悬臂结构,围护体占用空间大,设置止水帷幕。咬合式:场地充足,较深,变形控制较高,且无法内支撑结构,止水受力可以同时考虑,先行桩,后行桩,超缓凝混凝土优点:止水受力合一,占用空间小,整刚大,防水好,施工速度快,可以干孔作业,机械噪音低,污染小,造价低,对成桩要求较高,施工较难。适用条件:淤泥,流砂条件从施工工艺和施工成本来看,灌注桩施工较连续墙简单,并且成本更低,可以采用机械钻孔或人工挖孔的方法,当没有大型机械的时候,可以不用大型机械,具有对周边环境影响小,对土体扰动少的特点。人工挖孔桩由于不采用大型机械,因此施工费用低,可以并行施工,容易保证较高成孔精度(垂直中心偏差),但是钻孔灌注桩有一个缺点就是桩径截面较大,具有较大的开挖量。