深基坑工程變形計算新方法與工程應用（簡體書）

本書針對深基坑支護樁變形與周邊地表沉降計算問題，基於Winkler彈性地基梁理論，考慮支護樁與支撐結構的變形協調，提出了一種新的計算支護樁水平變形的計算方法； 進而在現有地表沉降二維平面計算方法基礎上，引入k值定量描述空間效應影響，提出空間效應影響下狹長深基坑周邊地表沉降的三維預測計算方法。在此基礎上，開展室內物理模擬，分析了地面荷載的大小與分布形式對地下工程支護結構產生的影響； 繼而採用顆粒流數值計算方法，研究了土拱效應對深基坑圍護樁內力與變形的影響。

李濤，1981年生，博士，副教授，博士生導師。現任中國礦業大學(北京)力學與建築工程學院城市地下空間工程系主任。主持和參與國家自然科學基金5項、教育部高校博士點基金課題1項，以及20余項橫向課題。在國內外重要學術刊物上發表論文50余篇，其中SCI、EI收錄25篇。出版著作1本，教材2部。獲9項國家發明專利及實用新型專利。獲得教育部等省部級科技進步獎一等獎、二等獎3項。獲得北京市教學成果二等獎2項。

《深基坑工程變形計算新方法與工程應用》是作者近年來的研究成果和工程實踐總結，可供土木、力學等行業的科技工作者及相關專業的高校師生、研究生參考。

隨著我國城市化的快速發展，城市地面資源稀缺及空間利用率低等問題凸顯，如何有效利用地下空間成為城市發展的必然。城市化建設需要地上與地下協調發展，綜合利用土地，形成土地利用最大化、多層次、立體化的現代城市系統。地下空間作為一種尚未充分利用的資源，越來越受到人們的重視，地下車庫、地下商場、城市地下軌道等各種地下設施正在日益增多。隨著城市建(構)筑物密度的增加，新建深基坑工程周圍常伴隨對地層穩定性要求較高的高樓大廈、線路交錯的地下管線網、複雜多變的地層結構等距離較近的既有地上、地下建（構）筑物。因此，深基坑支護問題便成為巖土工程界的一個研究熱點。早在20世紀40年代就有學者基於基坑支護問題提出一些著名的計算理論，並在基坑支護設計計算方面得到應用。近年來，我國深基坑工程迎來了空前的繁榮，並正逐漸向大深度、大規模、複雜化方向發展。目前在對支護結構變形和地表沉降進行理論分析時，較多地按照二維平面問題進行分析，然而基坑是一個三維空間結構，存在顯著的空間效應。在空間效應影響下，支護結構變形和地表沉降有顯著差異。因此，在城市深基坑工程建設中，除須弄清支護結構土體相互作用機理外，還必須準確預測周圍地層的變形規律。基於此，本書從以下4個方面來探討深基坑工程變形計算的新理論。

(1) 支護結構的受力變形是基坑穩定性控制的重點之一，也是基坑設計和施工過程中重點關注的問題。因此，基於不同巖土層在物理力學性質上的差異，在支護樁的內力與變形理論計算時，在不同巖土體分界處作相應調整，同時將基坑開挖過程的影響考慮在內，以基坑開挖面及特殊地層分界面為節點將樁體分段，基於彈性地基梁法分別建立適合各段的理論計算方法，最後整體得到工程背景下的樁撐支護結構內力變形的計算方法。

(2) 支護結構變形存在顯著的空間效應，為預測在空間效應影響下開挖深基坑周邊的地表沉降，在計算支護結構變形體積時，分空間效應影響段和未影響段兩段計算。未受空間效應影響段圍護結構受力和變形可按二維平面問題進行分析，求解出未受空間效應影響段圍護結構變形後，並基於空間效應變形系數k，獲得空間效應影響下狹長深基坑周邊地表沉降的三維預測計算方法。採用數值計算方法，分別研究基坑尺寸、土體內摩擦角、圍護結構剛度對k值的影響，並給出k值的擬合計算公式。

(3) 針對地面荷載的大小與分布形式對地下工程支護結構產生的影響問題，以北京地鐵6號線西延田一區間軌排井超深基坑為工程背景，通過物理模擬研究豎向荷載、力與樁距和嵌固深度比等因素對支護樁體變形與內力的影響，並將物理模擬結果與現場實測結果進行對比分析。

(4) 對於土拱效應對深基坑圍護樁內力與變形的影響，採用顆粒流數值計算方法，研究深基坑開挖過程中土拱產生、發展的細觀機理，然後進一步深入研究樁間距、樁半徑、距徑比、摩擦系數等因素對樁土相互作用力的影響。

本書主要研究成果是在國家自然科學基金(51508556、51274209)，北京市國資委重點項目——盾構穿越集中風險源區域三維動態管控與施工綜合技術研究與應用， “十三五”國家重點研發計劃子課題(2016YFC080250504)，中國礦業大學(北京)杰出越琪學者、中國礦業大學(北京)青年越琪學者項目的資助下完成的。本書撰寫過程中得到有關專家指導與幫助，在此一並表示感謝。

與此同時，作者十分感謝何滿潮院士、陶龍光教授、楊慶教授級高工、高全臣教授、單仁亮教授、侯公羽教授、江玉生教授、郭東明教授、周予啟教授級高工、陳陣教授級高工、陳昌祿教授、樂建高級工程師、李幻博士等提出的寶貴修改意見和建議。本書編寫過程中，始終得到碩士研究生朱連華、邵文、霍九坤、賈奧運、楊依偉、劉學成、王彥龍、黃曉冀及博士研究生侯蕊和韓茜等的大力幫助和支持，借此機會向他們表示衷心感謝！

由於作者的水平所限，書中難免存在不足之處，敬請讀者與專家批評指正。

作者

2021年10月

第1章緒論

1．1研究背景與意義

1．2深基坑工程設計計算的研究現狀

1．2．1支護結構受力與變形的研究現狀

1．2．2樁撐支護結構設計計算方法

1．2．3深基坑周圍地表沉降的研究現狀

1．2．4深基坑空間效應的研究現狀

1．3主要研究內容

第2章深基坑支護結構水平荷載與計算模型

2．1支護結構的土壓力計算方法

2．1．1支護結構頂部在地面處的土壓力計算

2．1．2支護結構頂部在地面以下的土壓力計算

2．2彈性地基梁計算模型

2．2．1樁的撓曲微分方程

2．2．2水平抗力系數m

2．3空間效應作用下支護結構變形數值計算研究

2．3．1空間效應變形系數

2．3．2空間效應變形系數的影響因素分析

2．3．3空間效應變形系數計算方法

第3章巖土組合地層深基坑支護結構變形計算

3．1巖土組合地層基坑支護結構受力變形計算理論

3．1．1樁體微分方程的推導

3．1．2考慮開挖過程影響的分段獨立坐標法

3．1．3樁體撓度微分方程的求解

3．2巖土組合地層支護結構受力變形理論實例分析

3．2．1深基坑基本工程概況

3．2．2巖土組合地層側壓力計算

3．2．3樁體變形理論計算及結果分析

第4章空間效應作用下深基坑地表變形數值計算研究

4．1基坑周邊地表沉降預測分析

4．1．1基坑周邊地表沉降計算理論

4．1．2支護結構變形體積計算

4．1．3地表沉降體積計算

4．1．4任意位置處地表沉降計算

4．2空間效應作用下深基坑地表變形實例分析

4．2．1深基坑基本工程概況

4．2．2基坑現場監測

4．2．3地表沉降計算及結果分析

第5章地表附加應力對深基坑支護結構受力變形的影響

5．1深基坑支護結構受力變形模型試驗研究

5．1．1模型試驗簡述

5．1．2模型試驗方案實施

5．1．3支護樁體變形試驗結果分析

5．2地表附加應力對深基坑支護結構受力變形數值計算

5．2．1深基坑支護結構計算模型

5．2．2基坑現場監測

5．2．3不同地表附加應力作用下支護樁變化規律

第6章砂卵石地層深基坑支護結構受力變形特性研究

6．1砂卵石地層深基坑現場實測研究

6．1．1工程概況

6．1．2基坑監測方案

6．1．3基坑變形及內力監測數據分析

6．2砂卵石地層深基坑開挖PFC顆粒流數值模擬

6．2．1顆粒流數值方法的基本理論

6．2．2基坑開挖PFC2D數值模擬計算

6．2．3支護樁受力變形細觀機理

參考文獻