开题报告深基坑开挖对邻近建筑物影响的数值模拟分析

开题报告深基坑开挖对邻近建筑物影响的数值模拟分析本文简介：****大学全日制工程硕士研究生学位论文开题报告论文(设计)题目：深基坑开挖对邻近建筑物影响的数值模拟分析研究生姓名：学号：工程领域：建筑与土木工程学校导师：企业导师：填表时间：2015年12月3日研究生部制表说明一、工程硕士学位论文选题应直接来源于生产实际，或具有明确的工程背景与应用价值，并具有一

开题报告深基坑开挖对邻近建筑物影响的数值模拟分析本文内容：

****大学

全日制工程硕士研究生学位论文开题报告

论文(设计)题目：

深基坑开挖对邻近建筑物

影响的数值模拟分析

研

究

生

姓

名：

学

号：

工

程

领

域：

建筑与土木工程

学

校

导

师：

企

业

导

师：

填

表

时

间：

2015年12月3日

研究生部制表

说明

一、工程硕士学位论文选题应直接来源于生产实际，或具有明确的工程背景与应用价值，并具有一定的技术难度和工作量。

二、论文选题类型必须下列类型之一：

1、一个较为完整的工程技术项目、工程管理项目的规划或研究；

2、工程设计或实施；

3、技术攻关、技术改造、技术推广与应用；

4、新工艺、新材料、新产品、新设备的研制与开发；

5、引进、消化、吸收和应用国外先进技术项目；

6、应用基础性研究、应用研究、预先研究。

三、开题报告交所在学院、研究生部各保留一份存查，并作为检查报告执行情况的依据。

研究生姓名

王磊

入学时间

2014.9

论文名称

深基坑开挖对邻近建筑物影响的数值模拟分析

选题类型

应用研究

报告时间

报告地点

预计学位论文完成时间：2016.10

开题报告评议组成员名单

姓名

职称

姓名

职称

摘

要

研究内容和意义简介（限300字以内）

随着我国经济建设快速发展，城市发展空间越来越小，建筑结构向地上、地下发展逐渐变成今后发展的方向。基坑开挖由于土体卸荷，打破了原有土体的稳定体系，原静止土压力区变为主动土压力区，会产生向基坑方向的侧向变形，进而引起地表沉降、水平位移，对周边邻近建筑物产生不利影响，因此研究深基坑开挖引起的地表沉降及水平位移对已有邻近建筑的正常安全使用具有实际意义。

本课题结合目前深基坑围护结构中广为采用的排桩与土钉围护方法，通过分析研究基坑开挖对邻近建筑物的变形影响，可以更好地指导相同或相似基坑工程的设计及施工，从相关工程中吸取经验教训，尽力将基坑开挖对邻近建筑物的影响程度降到最低，既要保证基坑工程的安全施工，更要确保已有建筑物的安全稳定。因此，研究分析深基坑开挖对邻近建筑物的变形影响具有重大积极意义，对相关实际工程应用具有指导作用。

一、立项依据（课题来源、选题依据、工程应用价值等）

课题来源：自选课题

选题依据：

随着我国经济的发展和城市化进程的加快，如何保证城市基础设施建设能满足人们日益增长的各方面需求成了城市正常运转的重中之重，而人口的急剧膨胀更促使人们的生存空间逐渐由二维空间向三维空间转变，在这种背景下，高层建筑物的兴起及城市地下空间的开发也就成为了城市发展的一种必然。其中，城市地下空间的大规模开发，诸如高层建筑地下室、地下铁道及车站、地下停车场、地下街道、地下民用与工业建筑等的修建，为深基坑工程技术的发展开辟了一个快速发展的新纪元，尤其是目前各大城市地下轨道交通的规划与设计，更是将深基坑的发展推向新的高潮。

自从20世纪90年代开始，随着高层建筑及地下铁道的大规模建设，基坑工程的快速发展不仅体现在开挖面积的迅速扩张，更体现在开挖深度的显著增大，以90年代的中期为例，基坑开挖深度才逐渐接近20m，仅有少量超过20m，而从90年代末期至今，在短短十几年时间内，基坑的开挖深度则迅速增大至30m~40m，甚至超过了40m，如天津站交通枢纽工程的最大开挖深度达到33.5m，天津117大厦主塔基坑开挖深度达到36m，上海世博地下变电站基坑开挖深度接近34m，上海地铁四号线修复工程深基坑开挖深度更是接近了41m。而基坑开挖深度的增大，已经促使基坑工程的研究主题发生了改变，深基坑及超深基坑的所涉及的工程与技术问题已经逐渐成为了基坑工程理论与实践的主题，尤其是超深基坑所涉及的相关土力学问题。

深基坑的大规模建设不仅为基坑工程技术的发展带来了前所未有的机遇，更对工程技术人员提出了许多重要的工程难题与挑战，而在这些挑战中，基坑的***问题成为了深基坑技术发展所必需面临的一个重要课题。由于深基坑通常位于繁华密集的城市中心，基坑周边密布着建筑物及各类地下管线，且常常紧邻交通主干道，施工场地狭小，这使得深基坑设计与施工的难度显著增大，更进一步增大了基坑工程的安全风险。此外，目前各大城市，如北京、上海、天津及广州等，为了进一步节约土地资源、合理调配基础设施资源，均逐渐采用高效、集成的方式整合城市的基础设施建设，不仅出现了高楼林立的中央商务区（CBD），更是规划了诸多大型的交通枢纽工程。例如天津于家堡国际金融区，除了数十幢高度达200m~300m的超高层建筑外，更有多条地铁贯穿其中，形成了大型的地下交通枢纽。再如天津站交通枢纽工程是集京津城际轨道、地铁2、3、9号线、地下直径线、津秦客运专线及原普速铁路于一体的超大型综合换乘枢纽，地下工程为整体地下三层，部分地下四层结构，地下三层结构底板埋深25m~28m，地下四层结构底板埋深32.5m，局部最大开挖深度达33.5m，占地面积约为50000，地下工程总面积可达190000。此外，上海虹桥综合交通枢纽工程更是集航空、城际铁路、高速铁路、轨道交通、长途客运、市内公交等多种换乘方式于一体的综合交通客运站，地下空间的总面积达到了二十余万平方米。因此，在这样的超大型深基坑工程中，如何处理好基坑在降水、开挖及围护等工序施工过程中对周边环境的影响，以及各个深大基坑之间时空差异所带来的相互影响，成为了工程的难题与焦点。

在基坑周边环境的保护过程中，邻近建筑物的保护往往是***的重中之重，尤其是对于地处密集城市中心区的大深度开挖，如何有效地控制基坑的变形、保护邻近建筑物的安全是工程技术人员所必须面对的重要难题。同时，基坑变形的控制及周边环境的保护通常贯穿于基坑工程的各个环节，不仅贯穿于围护结构及支撑体系的设计、围护结构的施工、降水、土方开挖、支撑系统的架设等环节，同时还包括支撑系统拆除及地下结构的施工等的各个环节，其中，坑内土方的开挖势必引起周围土体应力场的变化，并由此引发基坑周围的土体发生变形，从而对邻近建筑物的变形产生较大影响，且在变形较为严重时将可能危及邻近建筑物的安全。因此，如何有效地评估深基坑开挖所引发的周边土体位移及邻近建筑物的变形，成为了深基坑工程技术发展所必须面临的核心问题。

工程应用价值：

我国

90

年代以后，大部分城市的基础设施建设进入了全盛时期。各个开发商为了节约用地，达到控制成本和获取高额的利润的目的，必然使得建筑向高层发展，向地下空间最大化的发展，因此高层建筑下面常常会有大规模的基坑工程施工，可以作为地下车库或者地下商场，但是，建筑所在的地理位置往往处于人口疏密或者建筑密集区域，那么必然使得基坑开挖的施工范围狭小，然而由于理论研究不够，基坑开挖技术有限，围护研究不完全，因此施工过程中往往会对周围建筑物，地下管道的安全照成一定的影响。在实践当中，基坑的设计往往说是以保证基坑的稳定性，由此没有考虑到对基坑之外的建筑的影响现，比如对邻近建筑物的影响，如果影响过大，建筑物会有开裂甚至倒塌的危险，财产会有不同程度的损失。

基坑开挖时围护措施是属于临时性的工程，建设完成之后围护往往会被拆掉，因此，不少建设单位通常为了节省开支，对围护投入甚少，因此安全储备并不高，施工质量难以保证，但是受到降雨等的影响，基坑开挖过程中常常会出现一些问题，比如坍塌等，会造成经济损失和出现较大的社会影响。基坑出现问题后处理起来又会比较困难，在经济性与安全性矛盾突出的时候，那么就需要我们在保证安全的前提下，使工程造价能够控制在可接受范围之类，这是一个实际的问题。

近几年来国内基坑事故频发，给社会造成的负面影响极大。因此，开展基坑工程变形性状研究，对周围建筑物基础的安全性及其可能造成的环境影响进行预测具有重要意义。

本文结合某一紧邻建筑物的具体基坑工程，采用有限元软件ABaqus模拟三维基坑开挖过程中地表变形对邻近建筑物基础及建筑物的影响，探讨围护结构的变形、位移及最终导致的基坑周围近邻建筑物的位移、倾斜和沉降的影响，为同类工程实际提供借鉴指导。

二、文献综述（国内外研究现状、发展动态、主要参考资料）

国内外研究现状：

Attwel等探讨了地下工程或基坑开挖引起的地面沉降以及对地面建（构）筑物和地下管线的影响。

Bransby

等对砂土地层中的悬臂板桩进行了室内模型实验，据以研究了板桩和土体在开挖过程中的受力变形特性，并研究了土与挡墙之间接触面光滑程度及砂土性质等对挡墙侧移和坑周土体沉降的影响。

Bolton

等利用模型实验研究了基坑失稳前地下连续墙的性能、土与围护结构的相互作用以及土体位移、墙体位移、坑周土体沉降和空隙水压力的分布规律。

Laefer，Debra

Fern通过实际模型试验，具体比较研究了刚性和柔性悬臂围护结构对坑周土体和近邻建筑物位移的不同影响。

Bryson

Lindsey

Sebastian通过对芝加哥国家地铁工程在

Frances

Xavier

Warde

School

段，引起的校舍的开裂及围护结构的变形，研究了在软土地基中，应用刚性围护进行深基坑开挖，对近邻建筑物的影响，指出建筑物自重预沉降是围护结构开裂的函数。

Ge

Xuewu通过香港地铁隧道实际工程参数，应用二维数值模拟的方法，研究了深基坑开挖对近邻隧道的影响，指出隧道的挤压变形是最有害的影响因素。

Iame定性分析了影响坑周土体变形的各种因素，并将其归为八个方面：①基坑尺寸（长度、宽度、深度）；②土的性质；③地下水条件；④基坑暴露时间；⑤支撑系统；⑥开挖和支撑的顺序；⑦邻近的结构和设施；⑧活荷载。

刘维宁等对非饱和土的工程性质以及城市地下工程的环境影响和控制理论方面进行了研究。

候学渊等研究了软土基坑围护结构的变形控制，对不同部位，如墙体、基底、地表等提出了不同的变形控制。

潘秋元等研究了基坑开挖中应力路径对不排水强度的影响。在基坑开挖过程中，墙体与土体的摩擦使得各点的应力路径变得非常复杂，很难通过试验完全模拟，墙后土体处于压缩状态，坑底土体处于膨胀状态；基坑开挖过程中从主动区到被动区，主应力发生旋转，墙后附近土体单元竖向为大主应力方向，而坑底附近土体单元侧向为大主应力方向。

孙均研究了地下连续墙基坑开挖对环境土工病害的预测与防治，指出软土层基坑开挖过程中，卸载作用导致开挖面以下土体内的应力及侧压力减小，但还保留着相当部分未完成卸除的残余应力，而且上层土体开挖的卸载作用对下层土体中应力的影响，也只是在一定范围内存在，它对此深度以下土体中的应力影响很小。

高文华以

Mindlin板理论为基础，将围护墙体作为一竖放在地基上的板，并考虑地基的时效性、板土之间的接触摩擦以及分步开挖效应，建立了深基坑围护体系受力与变形时空效应的有限元模型，获得了一种实用的围护体系受力与变形的三维简化分析方法，可用来指导基坑设计、开挖和周围环境的维护。

陈观胜等结合工程实例探讨了深基坑开挖对周围建筑物的影响问题及保护措施。

何颐华、杨斌等通过对深基坑护坡桩土压力的工程测试研究了土压力分布、桩背土体变形、护坡桩内力与位移规律，探讨了深基坑护坡桩的破坏机理。

王利民等依据上海外滩金融中心的深基坑工程施工监测结果，分析了基坑开挖引起周围建筑物的沉降变形影响范围、沉降量与距基坑的距离以及围护结构和土体的水平位移之间的关系、地表沉降与围护结构水平位移之间关系等。

刘国彬和候学渊研究了上海软土的卸荷性状，通过三轴试验研究了不同卸荷应力路径下的变形特性，对土体的卸荷行为进行了归一化，提出软土的卸荷模量远大于常规三轴试验所获得的压缩模量或弹性模量，应力路径对软土模量的影响非常显著；初始卸荷模量与平均固结压力呈线性关系。

孙岳崧等研究了应力路径对应力应变关系的影响。研究表明，应力路径对土的应力应变关系影响很大。

刘祖德等研究了平面应变条件下膨胀土的卸载变形特性，表明膨胀土的平面应变侧向卸荷试验能较好的符合开挖、削坡等工程实际应力的变化情况。

张亚奎在其硕士论文中模拟分析了在不同围护情况下，深基坑开挖对近邻建筑物的变形、围护结构变形以及基坑外地层沉降的影响，对其发展变化规律进行了分析总结。

刘先念等基于基坑开挖数据监测，对基坑开挖引起的土体变形进行了分析。表面基坑开挖空间效应以及时间效应对基坑变形有很大影响，在实际工程中最好考虑。

张杰等对徐州地铁1号线临河车站基坑开挖变形分析研究，指出在偏压荷载总用下，基坑变形呈现出非对称特征，并且变形与临河距离有密切关系。

姜忻良等通过对下穿地铁隧道施工对邻近建筑物的模拟，分析研究了隧道开挖对建筑物的倾斜度、建筑物杆和梁受力的影响。指出，当隧道施工穿越建筑物的过程中，地表沉降呈现出先增大后保持一段时间不变，随着隧道通过建筑物，地表沉降又逐渐趋于平缓。

发展动态：

近年来，随着深基坑工程的普遍应用，在实践中获得了大量珍贵的数据和经验，基坑的围护技术从理论到实践都有了很大的发展，比如一种新的基坑开挖围护技术—逆作法。适用于较深基坑及对周边变形有严格要求的基坑但是由于现场地质条件复杂，天气条件难以预测，基坑围护失效屡有发生。围护措施一旦破坏，处理起来既费时又费力，不仅造成了重大的经济损失，而且周围环境造还会受到不同程度的不良影响，因此在设计阶段就要做好充分的准备工作，在城市建筑密集的建筑中开挖基坑，对基坑的稳定性有很大要求，要求其变形必须控制在严格的范围内，否则就可能会影响周围的建筑物或者地下管线。因此，我们必须研究基坑开挖过程中围护结构、周围岩土体的变形，周围建筑所受到的影响之间的关系。基坑出现的事故一般有：围护结构变形过大导致周围的地下管线的的破坏，基坑周围土体位移过大塌方或者滑坡，与基坑相邻的周边建筑因沉降的不均匀等原因导致建筑物的倾斜或者开裂甚至倒塌等。

随着工程材料的发展，材料的强度越来越大，围护构件的强度得到了极大的提高，强度破坏已经不是造成这些事故的主要原因，而是围护结构的变形过大。虽然，学者们和工程技术人员在基坑工程设计的变形控制和安全措施等方面做了大量的研究，但是对于基坑开挖过程中的围护结构变形、基坑周围岩土体的位移和邻近建筑基础的变形三者之间关系的研究还不够透彻，我们需要对其展开大量的研究工作，来得到这三个方面的规律。

我国在各地工程的实践经验中，得到了宝贵的经验，科研也有了部分成果，在基坑开挖围护理论上和技术上都有了较大的进步，有些工程领域达到了国际上的水平，但是目前仍然有很多问题需要进一步研究，理论也需要完善，围护措施的选取必须技术可靠，经济上可行，必须考虑地址条件等多种因素，基坑的发展会为我国的现代化建设提供基础。

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三、研究方法及技术路线

研究方法：

（1）文献分析法。通过大量、广泛的文献搜集，以核心文献为纲，以高水准文献的核心观点为骨，为本课题分析解读、归纳总结、逻辑演绎等具体的学术研究提供坚实、系统的理论支撑。

（2）实证分析与逻辑分析结合。在现有收集的资料基础上进行实证分析，是本课题运用的比较普遍也是比较重要的一种研究方法。

（3）案例研究法。案例研究法是对单一的研究对象或研究现象进行深入而具体研究的方法。这也是本课题核心的研究方法之一，本课题正文第四章基坑开挖对邻近建筑物的数值模拟分析就是这种方法的集中体现。

技术路线：

背景研究

基坑工程现存问题

基坑工程发展

基坑工程现状

已有研究

文献调研

确定论文题目

研究内容和目标

基础理论研究

研究问题基本假设

数值模拟分析

结合研究理论

得出结论

四、论文主要内容及预期成果

论文主要内容：

论文主要包括摘要、正文、致谢和参考文献，正文主要包括五部分，分别是绪论、基坑工程对周边环境影响的理论研究、数值分析方法及软件介绍、基坑开挖对邻近建筑物变形影响的数值分析及结论和展望。第一章绪论主要包括引言、课题研究意义、基坑工程发展和研究现状和基坑围护体系介绍。第二章基坑工程对周边环境影响研究理论，主要包括岩土的理化特性、基坑开挖变形理论和基坑开挖对邻近建筑物的影响，基坑开挖变形理论是本章的重点。第三章数值分析方法及软件介绍主要包括有限元方法基本理论、ABaqus软件简介和特点。第四章基坑开挖对邻近建筑物变形影响数值分析时本论文的重点，主要包括本工程简介、模型建立、基坑开挖对邻近建筑物的模拟以及计算结果分析。最后一部分是总结和展望。

预期研究成果：

深基坑开挖对其周围环境影响的因素是非常复杂的，与施工方法、降水情况、支护结构形式、土体特性、基坑开挖深度、基坑与建筑物距离及基坑周边动荷载等因素有关，其中支护结构形式、基坑开挖深度与基坑与建筑物之间的距离是重要的影响因素。由前述可知，围护结构变形、周围地层沉降和近邻建筑物变形三者之间又有其复杂的内在联系；同时，随着工程规模的不断增大，工程造价的不断增加，基础工程的费用也有了显著的增长，这其中支护费用又占有较大比例，故而采用经济合理的围护形式已成为各深基坑工程追求的目标。因此，探讨基坑开挖与围护结构变形及近邻建筑物变形之间的关系不仅很有必要，而且有很大的现实意义。

故而本课题结合目前深基坑围护结构中广为采用的排桩与土钉围护结构，探讨基坑支护结构的变形、位移及每层土体开挖对基坑周围邻近建筑物的水平位移、竖向沉降及建筑物倾斜的影响，分析研究深基坑开挖支护结构变形及对近邻建筑物的影响规律。

五、工作进度安排

2015年11月—2016年1月前期资料收集和整理

2016年2月—2016年4月前期的调查方法的实施和数据的整理

2016年5月—2016年8月完成论文初稿。

2016年9月—2016年10月初论文基本定稿。

2016年10月底前定稿

学校导师意见:

学校导师签字:

企业导师意见:

企业导师签字:

评议组意见：

组长（签字）：*年*月*日

所在学院审查意见

学院（公章）院长（签字）：*年*月*日

14