城市地下结构施工对邻近构筑物影响的研究
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摘要
在日益发展的城市化进程中，密集的高层与超高层建筑和发达的地下交通网络已成为城市必不可少的重要组成部分。基坑工程常处于密集的既有建(构)筑物附近，基坑施工受到了更加严格的环境制约。预测基坑施工引起的变形及其对周边环境的影响，对于城市中心地区深基坑的设计与施工具有重要指导意义，为了更好跟有效地保护邻近建筑物的安全，在深基坑工程中，对开挖卸荷力学效应的研究变得更加意义重大。
在众多对基坑工程变形与稳定研究中起到重要作用的因素中，土体抗剪强度和本构模型是最为关键的，而它们的准确性与土体应力路径有着密切的关系。本文结合广州中心城区深基坑工程实践，采用试验研究、理论分析、数值模拟等方法，对城市地下结构施工对周边环境的影响进行了研究,取得了以下创新性研究成果。
1.对广州市的地质分区进行调研，给出广州市各岩土环境分区对地下工程适应性的评价，确定了中心城区典型土体为研究对象，结合广州市岗顶酒店基坑工程，采用SLB-1型应力应变控制式三轴剪切渗透试验仪，对基坑开挖影响范围内的淤泥质土、粉质粘土层进行了常规三轴试验和考虑应力路径的k0固结卸荷试验，对土体的抗剪强度指标与应力应变关系的差异在不同固结压力和应力路径条件下进行对比分析了。试验结果表明：前期固结压力对土体强度的影响比较大，k0固结后土体的强度比等压固结的强度高，在土样同属于压缩剪切破坏的情况下，加载条件与卸载条件下土样的破坏强度相差不大。土体孔隙水压力的随轴向应变的变化规律与土体的平均固结压力、土质以及应力路径有关，对于常规三轴试验、k0固结加载试验以及侧向卸载试验，孔隙水压力的随轴向应变的变化趋势可以用指数衰减性的函数曲线来拟合，而轴向卸载试验中孔隙水压力的随轴向应变的变化趋势可以用两段二次抛物线的函数曲线来拟合，总的来说，土体的平均固结压力越大、塑性指数越高孔隙水压力上升得越快，临界孔隙水压力越大。
2.基于不同应力路径下土体试验的结果，验证了k0固结条件土体在不同应力路径下关系曲线存在很好的线性关系，说明k12K m10固结条件下卸荷状态下的曲线能够用双曲线来拟合，以此为基础，把土体在不同应力路径下非线性弹性模型的切线模量表达式推导出来，给出了土体卸荷非线性弹性本构模型参数的确定方法。通过对（13）—曲线的分析，得到：初始切线模量与应力路径、土质以及平均固结压力有关，土体的平均固结压力越大随之塑性指数越低初始切线模量也越大；轴向卸载的初始切线模量值最大、侧向卸载的初始切线模量次之、轴向加载的初始切线模量最小；轴向加载的初始切线模量与围压的关系可以用幂函数来表示，而侧向卸载、轴向卸载的初始切线模量与围压成线性关系。
3.基于MIDAS/GTS有限元分析软件，采用土体卸荷非线性弹性本构模型，从基坑开挖施工全过程、基坑开挖的空间作用、盾构隧道等效刚度折算系数大小、隧道所处土层弹性模量大小等来研究基坑开挖对下方盾构隧道变形的影响，并结合岗顶酒店基坑工程实例进行分析。分析表明，随着基坑开挖，下方隧道竖向位移的增量比水平位移的增量要大，总体来说，深基坑开挖引起隧道的变形以竖向变形为主。盾构隧道变形主要受其上方基坑开挖的影响，隧道上方的基坑开挖，对隧道变形的影响程度较小。
4.通过引入盾构管片的等效纵向刚度、等效横向刚度，来简化盾构管片的计算模型。基于MIDAS/GTS有限元分析软件，采用土体卸荷非线性弹性本构模型，从邻近隧道的空间相对位置、盾构隧道等效刚度折算系数大小、隧道所处土层弹性模量大小等来研究隧道施工对下邻近隧道的影响。分析表明，在盾构隧道下方，沿着盾构隧道方向修建隧道(0°)时，上方盾构的变形也是沿着全长范围的，受新建隧道的影响最大。当盾构隧道和新建隧道夹角45°和90°时，上方盾构隧道管片变形分布具有明显的对称性，沿着盾构隧道向两边延伸，新建隧道对其的影响逐渐减弱。两隧道夹角45°~90°之间，交叠处影响效果很接近；45°时的情况下两隧道交叠范围较大，因此其影响范围也相对较大，所以沿着盾构隧道两个方向上，盾构管片变形减小的速率要小。
5.结合岗顶酒店基坑工程实例，引入遗传算法对传统的BP神经网络进行改进，通过遗传算法搜索，确定了该样本参数下最优的隐含层节点数及最大循环次数，通过自学习与训练确定了最优的神经网络权值参数，提出了深基坑开挖沉降及水平位移预测的基于遗传BP网络建模方法，实现了降低岩体力学参数的变异性所对模型造成的误差，仅在一定范围内取值计算，其预测结果的精度得到保证，通过实例预测可以看出，四组预测值与实测值中最大的绝对水平位移误差为0.25mm，最大的沉绝对沉降位移误差为0.09mm；最大的相对水平位移误差为1.7%，最大的相对沉降位移误差为1.57%。
With the increase of urban building density, and the development of High-level, high-risebuildings and underground traffic engineering construction, much more deep foundation pitengineering are constructed in urban built-up area. These engineering is often near the densebuildings, which restricts the construction of foundation pit engineering by the environment.It is necessary to predict the deformation and its influence on surrounding environment causedby the construction of foundation pit, which has important guiding significance to the designand construction of deep foundation pit for the city center area. The unloading mechanicseffect research on the deep foundation pit excavation is of great significance for effectivelyprotecting the safety of adjacent building.
In these factors affecting the stability and deformation of foundation pit whose soil shearstrength parameters and constitutive model is esscential, which is closely related to the stresspath of soil. In this study, experimental research, theoretical analysis and numerical simulationwere applied to study the environment effect during the urban underground structureconstruction in combination with the deep foundation pit engineering of Guangzhou citycenter. The following research work was carried out.
1. The geological partition of Guangzhou would be studied then get the adaptabilityevaluation of underground engineering according to each partition. The typical soils in thecenter of the city were taken as study objects. The SLB-1type of stress and strain controlledtriaxial shear penetration test instrument was used for testing silty clay and mucky soil in theinfluenced area of the foundation pit by the conventional triaxial compression test andconsolidated triaxial compression test. Then, the different points of soil shear strength indexand stress-strain relationship will be compared in different consolidation pressures and stresspaths. As the results of tests, initial consolidation pressure affected the strength of soil highly.The strength of soil afterk0consolidation was higher than isotropic consolidation. Whenthey broke by compression shear, breaking strengths were almost the same under loading or unloading. The axial strain of the soil pore water pressure changed relating to the average soilconsolidation pressure, soil and stress path. In normal triaxial,k0consolidation and unloadingtests, Pore water pressure with axial strain trends can be fitted by a function ofexponential decay curve. In axial unloading test, axial strain trends of pore water pressure canbe fitted by a function of two quadratic parabolic curves. Generally, pore water pressure andcritical pore water pressure rises rapidly as the large average consolidation pressure and highplasticity index
2. It can be found from the test result of soil testing base on different stress path, byk0consolidation,—ε1relative cure was good linear relationship. The linearmrelationship of the relative curve of soil unloading stress path（13）—was great.According to that, the equation of nonlinear elastic model tangent modulus expression can bederived and found the method of unloading soil nonlinear elastic constitutive modelparameters. By analyzing（13）—curve, initial tangent modulus related to stress path,soil and average consolidation stress. The higher average consolidation pressure, the lowerplasticity index and the initial tangent module became larger. Axial unloaded initial tangentmodulus was the largest, the lateral unloading initial tangent modulus was medium and axialload minimum initial tangent modulus was smallest. Axial load initial tangent modulus andconfining pressure relationship can be represented by a power function. Lateral unloading,axial unloading initial tangent modulus and confining pressure related as linear relationship.
3. By the help of the finite element analysis software MIDAS/GTS, the nonlinear elasticconstitutive model of soil unloading was used, from the whole construction process offoundation pit excavation, the space effect of the excavation, the size of the reduction factorof equivalent stiffness of shield tunnel and the soil elastic modulus size of the tunnel to studythe excavation effect on the deformation of the underlying shield tunnel, while theengineering example was analyzed. As can be seen from the result, when the foundation pitwas excavating, the vertical displacement increment of bottom tunnel was bigger than the horizontal displacement increment. Overall, deep foundation pit excavation mainly causes thevertical deformation. Shield tunnel deformation is mostly affected by the upper foundation pitexcavation but less by upper side excavation.
4. The shield segment equivalent longitudinal stiffness and equivalent lateral stiffnesswas introduced to simplify the calculation model of shield lining segments, Based on thefinite element analysis software MIDAS/GTS, the nonlinear elastic constitutive model ofsoil unloading and unloading test parameters were used to study the impact of adjacent tunnelby the tunnel construction from the nearby space relative position of the tunnel, the size of thereduction factor of equivalent stiffness of shield tunnel and the elastic modulus size of tunnelin the soil. The results show that, the deformation of shield tunnel was impacted dramaticallyby another bottom shield tunnel which was constructing. When the angle of that two tunnelsare45°and90°, the deformation of upper shield segments are obvious symmetry and theinfluence will decrease stretching along each direction of the tunnel. When the angle isbetween45°and90°, the effects on the overlap are almost the same. When the angle equals to45°, the overlap of the tunnels is bigger that the impacted scope is larger so along eachdirection of the tunnel, the deformation declining velocity of shield segment become smaller.
5. As the foundation pit sample, gangding Hotel, genetic algorithm was used forupgrading traditional BP neural network. By using genetic algorithm, the best number ofhidden layer nodes and the maximum number of cycles can be determined. By studying andtraining the superior neural network weights parameters can be found. Then it can proposedthe modeling method of deep excavation subsidence and horizontal displacement predictionbase on genetic BP neural network. The modeling error of variability of rock mass parameterscan be reduced. Taking factors in a certain range, the accuracy of predicted results can beincreased. As can be checked from the results, between four sets of predicted and testedvalues have0.25mm error of relative horizontal displacement. The largest absolute valueerrors of sedimentary displacement, relative horizontal displacement and relative sedimentarydisplacement are0.09mm,1.7%and1.57%.
在众多对基坑工程变形与稳定研究中起到重要作用的因素中，土体抗剪强度和本构模型是最为关键的，而它们的准确性与土体应力路径有着密切的关系。本文结合广州中心城区深基坑工程实践，采用试验研究、理论分析、数值模拟等方法，对城市地下结构施工对周边环境的影响进行了研究,取得了以下创新性研究成果。
1.对广州市的地质分区进行调研，给出广州市各岩土环境分区对地下工程适应性的评价，确定了中心城区典型土体为研究对象，结合广州市岗顶酒店基坑工程，采用SLB-1型应力应变控制式三轴剪切渗透试验仪，对基坑开挖影响范围内的淤泥质土、粉质粘土层进行了常规三轴试验和考虑应力路径的k0固结卸荷试验，对土体的抗剪强度指标与应力应变关系的差异在不同固结压力和应力路径条件下进行对比分析了。试验结果表明：前期固结压力对土体强度的影响比较大，k0固结后土体的强度比等压固结的强度高，在土样同属于压缩剪切破坏的情况下，加载条件与卸载条件下土样的破坏强度相差不大。土体孔隙水压力的随轴向应变的变化规律与土体的平均固结压力、土质以及应力路径有关，对于常规三轴试验、k0固结加载试验以及侧向卸载试验，孔隙水压力的随轴向应变的变化趋势可以用指数衰减性的函数曲线来拟合，而轴向卸载试验中孔隙水压力的随轴向应变的变化趋势可以用两段二次抛物线的函数曲线来拟合，总的来说，土体的平均固结压力越大、塑性指数越高孔隙水压力上升得越快，临界孔隙水压力越大。
2.基于不同应力路径下土体试验的结果，验证了k0固结条件土体在不同应力路径下关系曲线存在很好的线性关系，说明k12K m10固结条件下卸荷状态下的曲线能够用双曲线来拟合，以此为基础，把土体在不同应力路径下非线性弹性模型的切线模量表达式推导出来，给出了土体卸荷非线性弹性本构模型参数的确定方法。通过对（13）—曲线的分析，得到：初始切线模量与应力路径、土质以及平均固结压力有关，土体的平均固结压力越大随之塑性指数越低初始切线模量也越大；轴向卸载的初始切线模量值最大、侧向卸载的初始切线模量次之、轴向加载的初始切线模量最小；轴向加载的初始切线模量与围压的关系可以用幂函数来表示，而侧向卸载、轴向卸载的初始切线模量与围压成线性关系。
3.基于MIDAS/GTS有限元分析软件，采用土体卸荷非线性弹性本构模型，从基坑开挖施工全过程、基坑开挖的空间作用、盾构隧道等效刚度折算系数大小、隧道所处土层弹性模量大小等来研究基坑开挖对下方盾构隧道变形的影响，并结合岗顶酒店基坑工程实例进行分析。分析表明，随着基坑开挖，下方隧道竖向位移的增量比水平位移的增量要大，总体来说，深基坑开挖引起隧道的变形以竖向变形为主。盾构隧道变形主要受其上方基坑开挖的影响，隧道上方的基坑开挖，对隧道变形的影响程度较小。
4.通过引入盾构管片的等效纵向刚度、等效横向刚度，来简化盾构管片的计算模型。基于MIDAS/GTS有限元分析软件，采用土体卸荷非线性弹性本构模型，从邻近隧道的空间相对位置、盾构隧道等效刚度折算系数大小、隧道所处土层弹性模量大小等来研究隧道施工对下邻近隧道的影响。分析表明，在盾构隧道下方，沿着盾构隧道方向修建隧道(0°)时，上方盾构的变形也是沿着全长范围的，受新建隧道的影响最大。当盾构隧道和新建隧道夹角45°和90°时，上方盾构隧道管片变形分布具有明显的对称性，沿着盾构隧道向两边延伸，新建隧道对其的影响逐渐减弱。两隧道夹角45°~90°之间，交叠处影响效果很接近；45°时的情况下两隧道交叠范围较大，因此其影响范围也相对较大，所以沿着盾构隧道两个方向上，盾构管片变形减小的速率要小。
5.结合岗顶酒店基坑工程实例，引入遗传算法对传统的BP神经网络进行改进，通过遗传算法搜索，确定了该样本参数下最优的隐含层节点数及最大循环次数，通过自学习与训练确定了最优的神经网络权值参数，提出了深基坑开挖沉降及水平位移预测的基于遗传BP网络建模方法，实现了降低岩体力学参数的变异性所对模型造成的误差，仅在一定范围内取值计算，其预测结果的精度得到保证，通过实例预测可以看出，四组预测值与实测值中最大的绝对水平位移误差为0.25mm，最大的沉绝对沉降位移误差为0.09mm；最大的相对水平位移误差为1.7%，最大的相对沉降位移误差为1.57%。
With the increase of urban building density, and the development of High-level, high-risebuildings and underground traffic engineering construction, much more deep foundation pitengineering are constructed in urban built-up area. These engineering is often near the densebuildings, which restricts the construction of foundation pit engineering by the environment.It is necessary to predict the deformation and its influence on surrounding environment causedby the construction of foundation pit, which has important guiding significance to the designand construction of deep foundation pit for the city center area. The unloading mechanicseffect research on the deep foundation pit excavation is of great significance for effectivelyprotecting the safety of adjacent building.
In these factors affecting the stability and deformation of foundation pit whose soil shearstrength parameters and constitutive model is esscential, which is closely related to the stresspath of soil. In this study, experimental research, theoretical analysis and numerical simulationwere applied to study the environment effect during the urban underground structureconstruction in combination with the deep foundation pit engineering of Guangzhou citycenter. The following research work was carried out.
1. The geological partition of Guangzhou would be studied then get the adaptabilityevaluation of underground engineering according to each partition. The typical soils in thecenter of the city were taken as study objects. The SLB-1type of stress and strain controlledtriaxial shear penetration test instrument was used for testing silty clay and mucky soil in theinfluenced area of the foundation pit by the conventional triaxial compression test andconsolidated triaxial compression test. Then, the different points of soil shear strength indexand stress-strain relationship will be compared in different consolidation pressures and stresspaths. As the results of tests, initial consolidation pressure affected the strength of soil highly.The strength of soil afterk0consolidation was higher than isotropic consolidation. Whenthey broke by compression shear, breaking strengths were almost the same under loading or unloading. The axial strain of the soil pore water pressure changed relating to the average soilconsolidation pressure, soil and stress path. In normal triaxial,k0consolidation and unloadingtests, Pore water pressure with axial strain trends can be fitted by a function ofexponential decay curve. In axial unloading test, axial strain trends of pore water pressure canbe fitted by a function of two quadratic parabolic curves. Generally, pore water pressure andcritical pore water pressure rises rapidly as the large average consolidation pressure and highplasticity index
2. It can be found from the test result of soil testing base on different stress path, byk0consolidation,—ε1relative cure was good linear relationship. The linearmrelationship of the relative curve of soil unloading stress path（13）—was great.According to that, the equation of nonlinear elastic model tangent modulus expression can bederived and found the method of unloading soil nonlinear elastic constitutive modelparameters. By analyzing（13）—curve, initial tangent modulus related to stress path,soil and average consolidation stress. The higher average consolidation pressure, the lowerplasticity index and the initial tangent module became larger. Axial unloaded initial tangentmodulus was the largest, the lateral unloading initial tangent modulus was medium and axialload minimum initial tangent modulus was smallest. Axial load initial tangent modulus andconfining pressure relationship can be represented by a power function. Lateral unloading,axial unloading initial tangent modulus and confining pressure related as linear relationship.
3. By the help of the finite element analysis software MIDAS/GTS, the nonlinear elasticconstitutive model of soil unloading was used, from the whole construction process offoundation pit excavation, the space effect of the excavation, the size of the reduction factorof equivalent stiffness of shield tunnel and the soil elastic modulus size of the tunnel to studythe excavation effect on the deformation of the underlying shield tunnel, while theengineering example was analyzed. As can be seen from the result, when the foundation pitwas excavating, the vertical displacement increment of bottom tunnel was bigger than the horizontal displacement increment. Overall, deep foundation pit excavation mainly causes thevertical deformation. Shield tunnel deformation is mostly affected by the upper foundation pitexcavation but less by upper side excavation.
4. The shield segment equivalent longitudinal stiffness and equivalent lateral stiffnesswas introduced to simplify the calculation model of shield lining segments, Based on thefinite element analysis software MIDAS/GTS, the nonlinear elastic constitutive model ofsoil unloading and unloading test parameters were used to study the impact of adjacent tunnelby the tunnel construction from the nearby space relative position of the tunnel, the size of thereduction factor of equivalent stiffness of shield tunnel and the elastic modulus size of tunnelin the soil. The results show that, the deformation of shield tunnel was impacted dramaticallyby another bottom shield tunnel which was constructing. When the angle of that two tunnelsare45°and90°, the deformation of upper shield segments are obvious symmetry and theinfluence will decrease stretching along each direction of the tunnel. When the angle isbetween45°and90°, the effects on the overlap are almost the same. When the angle equals to45°, the overlap of the tunnels is bigger that the impacted scope is larger so along eachdirection of the tunnel, the deformation declining velocity of shield segment become smaller.
5. As the foundation pit sample, gangding Hotel, genetic algorithm was used forupgrading traditional BP neural network. By using genetic algorithm, the best number ofhidden layer nodes and the maximum number of cycles can be determined. By studying andtraining the superior neural network weights parameters can be found. Then it can proposedthe modeling method of deep excavation subsidence and horizontal displacement predictionbase on genetic BP neural network. The modeling error of variability of rock mass parameterscan be reduced. Taking factors in a certain range, the accuracy of predicted results can beincreased. As can be checked from the results, between four sets of predicted and testedvalues have0.25mm error of relative horizontal displacement. The largest absolute valueerrors of sedimentary displacement, relative horizontal displacement and relative sedimentarydisplacement are0.09mm,1.7%and1.57%.
引文
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