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4.2.2地层模拟（土模式） .32 4.2.3 结构模式及材料属性 36 4.2.4 网格和计算 38 4.2.5计算阶段.. 39 4.2.6输出程序. 39 4.3有限元软件的计算.. 4.3.1数值模型 39 4.3.2边界条件及主要围护结构参数 .40 4.3.3开挖工况 .40 4.4计算结果与验证. .42 4.4.1计算结果 42 4.4.2计算模型验证 4.5本章小结. .49 5章立柱桩隆沉的影响因素分析， ..50 5.1 敏感性因素分析. .50 5.1.1立柱桩插入比. 52 5.1.2土体加固深度. .53 5.2立柱桩的隆沉对钢筋混凝土支撑的影响 5.2.1立柱桩隆沉引起混凝土支撑弯矩变化 54 5.2.2支撑弯矩的线性拟合. 59 5.3 立柱桩与地下连续墙之间差异沉降的数值分析 5.3.1差异沉降的数值对比分析. ..60 5.3.2线性拟合. 5.3.3预防差异沉降的措施. ..62 5.4 本章小结 ..62 6章 结论与展望 ..64 6.1 结论 展望 ..65 考文南 .70 读学位期间参加的科研项目和成果 71

螺丝标准4.2.2地层模拟（土模式） 32 4.2.3 结构模式及材料属性 4.2.4 网格和计算. 4.2.5计算阶段.. 4.2.6输出程序. 39 4.3有限元软件的计算. .39 4.3.1数值模型 39 4.3.2边界条件及主要围护结构参数 .40 4.3.3开挖工况 .40 4.4计算结果与验证. 4.4.1 计算结果 42 4.4.2计算模型验证 4.5本章小结. 5章立柱桩隆沉的影响因素分析. ..50 5.1敏感性因素分析.. 5.1.1立柱桩插入比. 52 5.1.2土体加固深度. .53 5.2立柱桩的隆沉对钢筋混凝土支撑的影响 5.2.1立柱桩隆沉引起混凝土支撑弯矩变化 54 5.2.2支撑弯矩的线性拟合. 59 5.3 立柱桩与地下连续墙之间差异沉降的数值分析。 60 5.3.1差异沉降的数值对比分析.. .60 5.3.2线性拟合. .61 5.3.3预防差异沉降的措施. ..62 5.4本章小结 ..62 6章 结论与展望 ..64 6.1 结论 6.2展望 ..65 考文南 .70 读学位期间参加的科研项目和成果 71

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随着我国工业化的进程速度加快，相关的土木工程也在同步建设，地铁工程面临着施工 空间小、施工工期短等特点，同时地铁基坑工程还需要解决开挖深度越来越深和建筑规模庞 大的问题，尤其是地铁车站处于城市繁华地段，地铁深基坑的开挖会造成周围土体的不均匀 亢降、已有建筑产生沉降和墙面开裂等现象。 1、工程意义 目前，深基坑设计的重点逐渐从构件的强度和稳定性控制转向变形位移控制，文献对于 也下连续墙和土体的深层水平位移研究较多，对立柱桩等围护结构的竖向位移研究较少。深 基坑的设计和施工对于基坑围护结构的稳定性有重要的作用，若基坑的围护结构失稳，则会

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对基坑围护结构本身乃至工程周围环境产生一系列影响，例如基坑周围土体向坑内运动造成 基坑塌、已有建筑物产生不均匀沉降、基坑的失稳引起地下管线开裂等。基坑工程的安全 生是整个岩土工程界研究的重点问题，是项目参与者必须关心和解决的问题。立柱桩的隆沉 引起围护结构破坏甚至失稳的案例已在国内屡见不鲜。立柱桩作为基坑围护结构系统的竖向 承重结构，承担着由支撑梁传递的上部竖向荷载，钢筋混凝土支撑及钢支撑的跨度大，支撑 的跨中位置由于自身荷载作用产生向下的挠度，立柱桩的合理布置既可以承受竖向荷载，又 可以减小支撑的挠度变形，合理布置立柱桩的位置、插入深度及确定立柱桩的刚度可以保证 基坑安全的稳定性。 2、经济意义 立柱桩在基坑开挖过程中会产生隆沉效应，立柱桩的隆沉会改变支撑的跨中挠度，增加 钢筋混凝土支撑的附加弯矩。分析研究立柱桩的隆沉所带来的影响，可以保证在基坑开挖安 全的前提下，节省多余的围护结构配筋，为工程节省一定的建筑成本。减少基坑围护结构的 材料用量，既能保证基坑开挖的安全稳定性，文能节省基坑支护结构的成本，为以后类似的 基坑工程提供依据。 地铁工程拉动城市的经济发展，地铁建设到城市外缘甚至是卫星城市，缓解了城市房价 上涨和住房困难的压力，一部分希望在城市中心置业而经济收入较低的消费者可以选在地铁 所到的郊区甚至是卫星城市去置业，这样低收入者即能以较低的成本解决住房问题又能够不 受交通限制享受城市中心的便捷和生活条件。 3、社会意义 增加社会就业，兴修地铁工程是建设城市轨道交通的主流方向，地铁基坑建造需要大量 的劳动力，建造过程中需要消耗大量工人生产的物资，另外地铁运行之后需要大批从业人员 也铁工程可以促进区域经济发展，已城市化的城市不用担心在市中心的发展受到限制，因此 深基坑工程把城市的发展方向转移至地下空间工程，有利于缓解城市用地紧张问题。另外， 城市需要多个卫星城市，而地铁途径的区域往往会迅速升值，成为新的城市中心，从而促进 社会和谐发展。 4、生态意义 节约能源，就能源消耗来说，地铁是最佳的大众交通运输工具。由于地铁行车速度稳定， 大量节省通勤时间，使民众乐于搭乘，节约了开车所消耗的能源，降低环境污染。地铁被称 为绿色交通，使用环保的电能，具有低能耗、低污染等特点。它在能源消耗、人均排放以及 人均噪声污染等方面是各种交通方式中最低的一种。地铁一旦建成，繁忙的地面交通状况可

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以得到有效改善，使地面机动车数量大为减少，从而减轻机动车尾气排放以及噪声对环境的 污染，减轻因城市交通的污染造成生态环境恶化的程度并且可以改善城市居民的生活环境。

1.2.1基坑支护研究

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有限元强度折减法对某倒塌的深基坑进行计算分析，比较不同土体的强度指标，各种基坑稳 定性安全系数得到了合理的评价。张秀川等?23提出伺服钢支撑系统在狭长地铁基坑的应用， 与达到一定强度的传统钢筋混凝土支撑相比，该系统可以自动进行应力补偿，从而减小基坑 的搁置时间同时可加快施工进度，此外，该钢支撑系统施工和拆除过程比较简便，容易施工。 郭丽娜等?24研究钢支撑在基坑开挖过程的变化规律，钢支撑在安装初期，由于土压力的作用 导致钢支撑的轴力快速增长，在钢支撑预应力开始施加时，由于受到施工影响，预应力损失 严重，支撑轴力存在变化波动的趋势。郭余根等25根据基坑开挖的施工过程，以地下连续墙、 内支撑和土为目标，建立三维有限元数值模型，并且分析了深层土体位移的情况和围护结构 立力及位移的影响，从而可以判断基坑的稳定性。

1.2.2坑底土体回弹及坑周土体位移的研

基坑内的土体回弹是造成立柱桩隆沉的关键因素，在开挖过程中，立柱的隆沉是一个缓 慢、持续的过程。软土地区深基坑开挖会使立柱桩产生隆沉效应，由于软土的流变性质较强， 卸荷过程引起土体回弹带动立柱桩的隆起。立柱桩受力要充分考虑桩土之间的关系，由于土 体回弹，桩土之间的相对运动引起桩侧摩阻力产生向上的摩擦力，立柱桩有上浮的趋势。同 时，立柱桩对土也会产生向下的摩阻力，两者相互协调发展，因此立柱桩桩长与土体回弹深 度的影响关系是基坑卸荷影响立柱桩隆沉的直接因素。 刘国彬等26提出残余应力的计算方法，确定基坑残余应力的影响深度，按照不同宽窄类 型的基坑，采用残余应力原理和应力路径的方法建立计算土体回弹的计算模型，计算多个基 坑工程的回弹量，得出的结果可以应用基坑工程的设计。刘国彬等27简化土体回弹量的计算 方法，该方法是基于半理论、半经验的基础上，并且此方法考虑到基坑开挖的面积、基坑开 挖的深度以及基坑放置的时间等，计算参数的物理含义明确，公式操作简单。刘国彬等28提 出采用五元件模型模拟实验结果，通过三轴的流变试验仪，计算基坑卸荷时坑底土体的应力 路径，证明五元件模型可作为淤泥质黏土在卸载条件下的数学模型。李德宁等?29根据残余应 力确定基坑土体的回弹影响深度，运用常规的土体卸荷实验确定回弹模量，或者采用经验公 式估算土体回弹模量，提出了一种新型基坑回弹量的计算模型，该方法计算过程清晰，方便 操作，计算结果可靠。郑刚等30将离散元方法引用到基坑跨塌模拟和亢余度的研究中，并提 出局部破坏的亢余度分析模拟方法，探究支撑支护端部对支护结构余度的影响，继而提出 了由局部破坏导致整体崩溃的模型，模拟结果验证了离散元法在基坑开挖破坏过程中的适用 性。刘念武等31提出内支撑系统的基坑工程具有边角效应，由于基坑边角位置处于围护结构

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加固区，因此基坑边角处土体的位移小于其他地方，从而表现出基坑开挖的空间变形特性， 并且通过不同的地铁基坑监测资料，根据围护结构方式的不同，基坑所展示的平面应变比不 司。李淑等32以北京30个地铁基坑为背景，统计分析了相关地铁基坑的数据，得出北京市深 基坑开挖所引起的地表变形规律。李俊等33以某深基坑支护为例，探讨了支护结构位移、 降、内力及水位等实测数据的变化规律，支护结构的位移随开挖深度的加深而增大，周围环 竟的沉降与距离基坑的位置有关，立柱桩的沉降与土体的隆起、支撑所承受的重量和基坑的 性状有关，

基坑开挖的过程是立程桩与周围主体进行相应的变形协调的过程，立程桩的隆沉受多种 因素的影响。由于学者对立柱桩的研究较少，立柱桩常常被近似认为工程桩，但工程桩与立 柱桩的受力不同，并且大部分研究集中在立柱桩的隆起量等方面，因此提出诸多计算简化模 型，用以计算立柱桩的隆起量；立柱桩与围护结构之间存在差异沉降，差异沉降使其他围护 结构构件受力不均。 Poulos等34曾用弹性理论法分析膨胀土隆起对桩的影响。贺[35’分析了立柱桩的力学特 生和立柱的工作原理，应用Mindlin解求出基坑坑底以下立柱桩的竖向回弹，计算立柱桩隆 沉位移量，并对立柱桩的桩长小于基坑回弹影响深度进行了大量的研究。楼晓明等36分析深 基坑开挖过程中立柱桩的上拨位移，并考虑桩间土的影响，运用广义荷载传递法建立桩、土 的位移表达式，给出坑底土体的隆起计算方法；应用增量法直接预测开挖过程中立柱桩的隆 沉。翟礼嘉等37针对不同的开挖工况，阐述桩、土由于回弹影响深度不同而出现的两种关系， 计算分析了典型上部结构刚度对立柱隆沉的影响，确定桩体回弹模型之间的假设，并提出了 立柱桩隆起的简化计算。冯虎等38°在立柱桩隆起对地铁深基坑钢支撑体系稳定的影响中，提 出基坑在长时间放置下，立柱会持续隆起，指出最后一层土开挖是整个基坑立柱隆起的薄弱 环节。程泽海等39指出在逆作法施工中，控制差异变形量成为施工的关键问题，并且运用刚 系数法分析地下结构的差异沉降变形，修正开挖前静载荷试验结果，考虑立柱桩和地下连 续墙的竖向刚度系数进行折减。牟建华40详细分析了软土地区框架逆作法施工深基坑工程， 立柱桩与土体、框架梁支撑与施工栈桥的相互作用，以及逆作法施工所引起的立柱桩差异沉 降的时空效应特征，对立柱桩差异沉降进行可视化分析，表明立柱的沉降在时间和空间上存 在不均匀性，但基本上呈现上浮趋势。江娟等41分析了立柱桩在施工过程中的受力特性以及

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影响立程桩竖向隆沉的因素，结合某超深基坑的实例工程，关于立柱桩随基坑开挖深度的变 化而做出不同情况的预测，考虑桩土之间的摩阻力，增加土体的回弹模量值所得到的预测结 果与实测值基本接近。张建新等42研究了软土地区逆作法施工的深基坑工程变形状况，指出 立柱桩在逆作法施工中隆起量较小，围护结构地下连续墙的隆沉量较小，但立柱桩与地连墙 之间会产生较大的差异沉降，差异沉降影响着围护结构的应力分布，会增加多余的附加应力， 更整个围护系统容易处于失稳的状态，通过数值模型验证了立柱桩隆沉量的实测值和模拟值， 分析了立柱桩所受轴力的特性。唐世栋等43分析了工程桩对立柱桩桩侧摩阻力的影响，通过 有限元法进行模拟计算立柱桩桩侧的摩阻力，并且根据剪切位移法计算工程桩对立柱桩的影 响折线图，由此可以自编计算桩基沉降的程序。陈明等44通过上海陆家嘴的基坑工程为背景， 运用FLAC3D有限元软件模拟基坑开挖的过程，考虑桩土之间的相对滑移作用，深入分析了 软土地区不同开挖条件下立柱桩的轴力变化规律以及立柱桩桩底的隆起量，立柱桩的隆沉效 果对基坑的稳定性有重要的作用

1.3本文研究的主要内容及创新点

1.3.1本文主要内容

地铁深基坑研究方向大多集中在深基坑的强度和位移方面，研究成果大多是与土体的深 层水平位移和围护结构的沉降相关，对立柱桩的竖同隆沉以及立柱桩与围护结构之间的差异 沉降研究较少。立柱桩的隆沉会导致结构产生平面外的应力，本文旨在分析立柱桩隆沉所产 生的影响，首先从理论的角度出发，建立立柱桩隆沉的数学模型，计算立柱桩的隆沉量，以 某地铁基坑工程为背景，将工程的隆沉实测值与计算值进行对比；其次，立柱桩的隆沉量与 其他围护结构的隆沉量不同，必然会呈现出差异沉降，支撑系统在差异沉降的作用下，支撑 受力不在同一平面，节点在弯、剪、扭等组合应力状态下，会导致支撑节点处产生多余的附 加应力，研究差异沉降量，找出立柱桩差异沉降的最大位移位置以及差异沉降量的最大值； 立柱桩的隆沉会引起支护结构内力的变化，应用相关有限元软件建立数值模型，分析立柱桩 对围护结构的内力影响，对于围护结构的设计和施工起到借鉴的作用。 本文以软土地区地铁基坑为背景，对工程实测资料进行整理，分析立柱桩隆沉以及差异 沉降的时空效应。基于PLAXIS有限元软件对大型地铁基坑进行模拟，研究基坑开挖过程中 立柱桩的隆沉引起围护结构内力的变化。在本文研究过程中，主要包括以下几个方面： 1、分析立柱桩的受力特性，归纳总结基坑开挖过程中立柱桩的隆沉规律，考虑从理论角 度出发，提出立柱桩隆沉的数学模型，并结合实例工程，计算立柱桩隆沉量：

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2、立柱桩间以及围护结构间的差异沉降会使构件处于复杂的应力状态，探讨地铁基坑中 立柱桩的最大差异沉降量及差异沉降量所处的位置，判断立柱桩与地下连续墙之间的差异沉 降趋势； 3、运用有限元软件PLAXIS建立数值模型，根据土体卸荷时的应力路径选取合适的土体 本构关系，结合基坑开挖的实际工况，通过改变不同的敏感性因素分析立柱桩的隆沉及引起 围护结构内力的变化，从不同的插入比中确定限制立柱桩隆沉的桩长，以钢筋混凝土支撑的 极限弯矩为依据，给出立柱桩隆沉的控制值，并且分析立柱桩隆沉对围护结构所产生的内力 大小。

1、本文以软土地区地铁深基坑工程为背景，通过已有的现场监测数据，详细地分析了地 铁基坑开挖过程中立柱桩的隆沉时空规律，归纳总结了立柱桩与围护结构之间的隆沉关系。 也铁基坑一般具有狭长的特点，展现了明显的时空特性，基坑不同位置的开挖面所引起基坑 围环境的变化不同。地铁基坑开挖不仅面临着众多的周围高层建筑，还要考虑城市道路主 要干线的交通量，尤其在软土地区容易诱发围护结构的失稳。本文旨在分析基坑开挖过程中 立柱桩隆沉及与围护结构之间差异沉降的规律，研究成果可为软土地区地铁基坑施工及监测 单位提供参考和意见，确保地铁基坑工程的安全； 2、根据立柱桩隆沉的受力特性，分别将立柱桩的桩长大于土体加固深度和桩长小于土体 加固深度两种状况进行了详细地分析，立柱桩的桩长小于土体加固深度时，立柱桩的隆沉位 移将会随着土体的运动趋势，而立柱桩的桩长大于土体加固深度时，立柱桩的下部桩长可以 提供抵抗立柱桩上浮的摩阻力。考虑立柱桩的压缩和土体的回弹，提出计算立柱桩隆沉的简 明数学模型，该计算方法所采用到的参数具有明确的物理意义，获取比较简便可直接使用， 为地铁基坑工程的设计提供了依据。根据结构力学中的位移法，结合钢筋混凝土支撑的极限 弯矩，将钢筋混凝土支撑与围护结构的连接节点可简化为固定端，计算立柱桩与围护结构之 可的竖向线位移，即立柱桩与地下连续墙之间的差异沉降，则立柱桩的隆沉量是地下连续墙 竖向位移及差异沉降量之和； 3、考虑地铁基坑开挖会影响周围土体位移场的改变，因此结合相关有限元软件PLAXIS 建立3D有限元模型，模拟基坑开挖过程中桩土之间的位移变化，分别探讨不同的敏感性因 素对立柱桩隆沉的影响。应用有限元模拟软件可以直接有效地从数值模型角度出发，可以整 体观测整个基坑的变形状况，节约了缩尺试验的成本和时间，并且根据数值模型可以得到立

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柱桩竖向位移所引起围护结构应力的变化

本文可以结合基坑工程的实测数据从理论角度出发分析立柱桩隆沉的影响规律，应用有 限元软件，可合理地建立相关的数值模型，模拟基坑开挖过程中不可能监测的薄弱点 1、从理论角度分析基坑卸荷的问题，主要包括以下几个方面： （1）力学特性 从理论角度分析立柱桩的受力特性以及桩土之间的界面摩阻力随深度的变化，根据前人 研究总结影响立柱桩隆沉的主要因素。 （2）整理数据 结合基坑工程的实测数据，熟练应用EXCEL和ORIGIN软件进行数据的整理，总结基 坑开挖过程中立柱桩隆沉的相关规律，为地铁基坑的开挖得出优化建议。 2、采用PLAXIS有限元软件，建立基坑开挖的数值模型，主要包括以下几个方面： （1）土体本构模型及相关参数的取值 本文通过有限元软件PLAXIS建立3D模型，根据土体卸荷时应力路径的改变选取适合 数值模型的土体本构关系，通过查阅相关资料确定有限元所用到的围护结构参数取值。 （2）模型结果及分析 通过对比实测数据和模型的计算结果验证PLAXIS模型的正确性，PLAXIS具有强大输 出结果的能力，根据数值模型的计算结果可以进行有效地分析，研究基坑开挖过程中立柱桩 的桩长及土体加固深度的影响，得出关于立柱桩隆沉的建设性意见

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第2章基坑立柱桩隆沉实测分析

2 章基坑立柱桩隆沉实测分析

某城市地铁深基坑采用明挖顺作法，车站全长为178.4m，标准段宽度为20.3m，开挖深 度为16.6m。车站主体为两层三跨箱形框架结构，顶板上方覆土约3.0m，底板理埋深约16.5m~ 9.11m；底板厚1000mm，中板厚度为400mm，顶板厚度为900mm。车站主体结构采用800

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第2章基坑立柱桩隆沉实测分析

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第2章基坑立柱桩降沉实测分析

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第2章基坑立柱桩隆沉实测分析

车站场地主要为第四纪地层时期发育的土质，平均厚度70~110m，成因类型以海相沉积 为主，总体特征如下： 1、沉积物粗细规律变化明显，总体趋势呈现细小颗粒的土质； 2、沉积物的沉积环境由陆相向海相过渡。中更新世早期以洪积为主，中更新世晚期与晚 更新世早期之间以冲积、冲湖积为主，晚更新世晚期以海陆交互沉积为主，全新世则以海相 沉积为主。 该地铁基坑处于东南沿海地区，地貌平坦单一，土质较差，土体的流变性较高，该地区 属于典型的软土地区。主要地层①1杂填土，层厚2.0m；①2粘土，层厚1.5m；①3淤泥质 粘土，层厚4.5m；②1淤泥，层厚2.5m；②2淤泥质粘土，层厚3.5m；③1粉砂，层厚5m； ③2粉质粘土夹粉土，层厚9m；④2粘土，层厚10m；2粉质粘土，层厚5m；③2粉质

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第2章基坑立柱桩隆沉实测分析

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第2章基坑立柱桩隆沉实测分析

2、在观察人员无法到达的区域，在临时立柱桩上布置反射片，使用全站仪来监测立柱垂 直变化情况。

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第2章基坑立柱桩隆沉实测分析

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2.4.2立柱桩归一化的隆沉规律

第2章基坑立柱桩隆沉实测分析

2.5立柱桩差异沉降规律分析

2.5.1立柱桩之间的差异沉降

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第2章基坑立柱桩隆沉实测分析

立柱桩之间差异沉降图

庄之间的最大差异沉降达到了24.5mm，参考上海市基坑工程设计规程定值，差异

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第2章基坑立柱桩隆沉实测分析

沉降或回弹不大于20mm，且不大于柱距的1/400；本工程立柱柱网尺寸一般为9m，差异沉 降量超出规程的22.5%，达到报警值。差异沉降过大，会使围护结构处于附加应力的状态， 极有可能产生较大的剪力和弯矩，如果设计不当，差异沉降对基坑开挖的稳定性造成不利影 响。

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第2章基坑立柱桩隆沉实测分析

底，立柱桩与地下连续墙的隆沉都会达到一个峰值，基坑底板的浇筑使立柱桩与底板的隆沉 不会再产生较大的位移，隆沉趋势稳定。

bLz2处地连墙隆沉图

dLz4处地连墙隆沉图

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ppp第2章基坑立柱桩隆沉实测分析

1、基坑开挖引起立柱桩的隆沉，随着基坑开挖深度的增加，立柱桩隆沉的速率不同，基 坑最后一层土的开挖使立柱桩隆起的趋势得到快速发展，最后一层土的开挖是整个工程最危 险的状态； 2、立柱桩的隆沉存在归一化的规律，基坑中心立柱桩的隆沉量与基坑开挖深度平方的比 值约为0.020%，而基坑两端立柱桩大约为0.012%； 3、根据立柱桩隆沉监测数据，立柱桩的隆沉具有时空效应，由于基坑端头井处采用满堂 加固的施工工艺，而基坑中心采用抽条加固，围护结构刚度的不同引起基坑内立柱桩的隆沉 变化不同，基坑两端的立柱桩隆沉幅度小于基坑中心处的立柱桩； 4、由于不同位置的立柱桩隆沉效果不同，导致立柱桩之间会产生不同的差异沉降，通过 分析立柱桩间的差异沉降变化趋势，得出差异沉降变化最大的区域位于基坑中心与端头并的 过渡位置； 5、由于土与立柱桩及地下连续墙之间的界面摩阻力受力不同，所以基坑土体卸荷时立柱 桩与地下连续墙之间会产生较大的差异沉降。基坑开挖初期，差异沉降平稳变化，随着基坑 开挖至坑底，差异沉降量快速发展，

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第3章立柱桩隆沉机理和计算分析

章立柱桩隆沉机理和计算分

影响立柱桩隆沉的因素较多，相关规范没有给出立柱隆沉的计算方法，可供深人探讨和 研究立柱桩隆沉的案例比较少。深基坑土体的卸荷势必影响着坑内土体的位移，从而带动坑 内立柱桩的隆沉。关于立柱桩隆沉的机理研究主要停留在隆沉位移的简化计算，以及对立柱 与围护结构之间的差异沉降研究。本章从理论角度出发分析立柱桩的受力特性，给出立柱 桩隆沉量的计算值及立柱桩竖向位移的允许控制值，可以为地铁基坑施工及设计提供参考。

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第3章立柱桩隆沉机理和计算分析