基坑开挖对建筑物基础安全的影响分析

  本篇论文是一篇建筑硕士论文范文，近年来，人工神经网络迅速发展，在模式识别、数据处理等领域得到广泛的发展，因为其适用于高速并行处理系统，而且由很强的容错率，故人工神经网络在隧道工程中已经有很广泛的应用。BP 神经网络作为使用最为广泛的人工神经网络，它是一种多层前馈神经网络，主要特点是信号前向传递，误差反向传播。

  1.1 选题背景及研究意义
  随着我国经济和社会的高速发展，城镇化进程的推进，大量人口向中心城市聚集，给城市交通带来巨大压力。以广州市为例，到 2020 年，广州市总人口规模将达到 1500万；广州管辖的城市总面积 7434.4 平方公里；截止 2020 年底，广州市登记在册的机动车持有量己经超过 318 万辆。这些因素迫使广州市的建设只能向高空发展以及占用城市绿地,这些导致了交通阻塞、环境污染、建筑空间拥挤、基础设施落后、城市防灾能力薄弱等“城市综合症”。给城市生活带来了严重的影响，也极大地限制了经济和社会发展的步伐，是现代城市可持续发展的绊脚石。我国大城市交通紧张状况，在改革开放初期就已呈现出来。目前，各大城市交通条件严重恶化，车均道路面积以 10%~15%的速度下跌，发达国家所经历的机动车剧增，道路交通严重阻塞的僵局又在中国大城市重演。回顾发达国家的大城市发展，其发展的历程也说明地面空间、地下空间与上部空间协调发展的城市立体化再开发，是城市中心区改造唯一现实的途径，城市立体化开发需要充分利用地下空间。当今发达国家为实施可持续发展，解决城市人口、环境、资源三大危机和医治“城市综合症”，其良药就是地下空间开发与利用：城市快速轨道交通，以及市区修建地下铁路，用以拓展交通空间代替地面汽车交通，不仅可以缓解地面道路阻塞和居民乘车难的问题，而且其相对于汽车绿色环保，更有利于城市环境保护，这是如今最为可行的办法。我国一些发达地区已经进入了大规模建设地铁的时代，如广州市已经拥有了 14 条地铁线，截至 2019 年 12 月，广州地铁在建线路共有 12 条。桩基础是作为一种广泛使用的基础形式，其特点是将上部结构的荷载传到深层稳定的地层中去，而且可以减少多种地形的影响，具有着非常大的承载潜力。因其可以将上部较大的荷载传递到周围土体和深层土体当中，所以适用于城市中的高层、超高层建筑。相对于其他的基础形式，桩基础不仅承载性能好、沉降小、而且机械化施工也较为便捷，因此被广泛的应用于各种工程。如前文所述，桩基础已成为城市中的高层建筑常用的基础形式之一，而城市往地下发展，离不开基坑工程，如今的基坑工程也向着更深、更大的方向发展。在建筑物林立的城市中心地带进行基坑开挖时，临近基坑的建筑物桩基础必然会受到基坑开挖的影响，这主要是因为基坑开挖造成的土体卸荷会引起的坑后土体的位移，而坑后土体位移主要是侧移和沉降两种形式。首先，基坑开挖侧的土体移除引起的坑后土体发生侧移，会造成作用于桩基础侧的土体侧压力发生变化，从而引起桩侧阻力的变化，对桩身荷载的传递造成一定的影响；同时，这种坑后土体的侧移还会在桩身引起水平位移、附加弯矩和应力等，严重时甚至可能使桩发生破坏不能继续承担上部荷载。其次，在基坑开挖之后，坑底会发生向上的隆起变形，坑后土体就会产生不均匀沉降，当桩周土体相对于桩发生向下的位移时，会在桩侧产生负摩阻力，增加作用于桩身的轴力，从而影响到桩身荷载的传递；这种土体的不均匀沉降还有可能使上部结构发生倾斜，视建筑物登记的不同造成不同影响，严重时会导致建筑物开裂，严重威胁建筑安全。从上述文章可知，基坑开挖会对邻近建筑物的桩基础的受力和变形产生一定的影响，基桩对于建筑物的影响重大，建筑物的安全性和可靠性涉及人们的生命和财产安全，因此研究基坑开挖对邻近建筑物桩基础的影响意义深远。

  1.2 本课题的国内外研究现状及发展趋势
  目前，桩的受力分析最主要的形式是数值计算方法，桩基础所受荷载在其设计承载力范围之内，弹性理论的分析方法也足以反映桩基础的主要工程受力性状。桩受荷载影响的分析方法主要有：有限单元法、弹性理论法以及近年来提出的积分方程方法等。有限单元法适用性十分广泛，不仅弹性分析可以使用，而且在理论上还可以考虑非线性、非均匀性及界面滑动等各种特性，不过在实际工程的分析中，其建立的模型相当复杂，施工过程的仿真包含大量的细节模拟，难度较别的分析方法要大得多，而且其计算结果的精度又受多方面因素制约，因此有限元离散的计算结果也会存在不小的误差。弹性理论法是将桩周土体等代于各向同性且均质的弹性体，同时地基土性质不因桩的存在而发生变化，又假定桩土之间是不产生相对滑移，应用半无限体内受集中力的Mindlin 解答求得土体位移，从而得到桩身应力和位移的分布。而 Poulos 则逐步完善了弹性理论法，将其完善成比较系统的分析理论，使得弹性理论法成为桩基础研究分析的一种重要理论方法。积分方程方法是基于 Muki & Sternberg 在 1970提出的虚拟桩模型，采用 Hankel积分变换和积分方程理论，建立群桩相互作用的第二类 Fredholm 积分方程进行求解，结合传递矩阵方法还可用于求解成层地基中的桩基问题。该方法在理论上可求解层状地基中的大规模群桩、混合群桩问题。积分方程方法近年以来得到较多地重视，因为在理论上较为严密，计算量也相对较小，被一些学者认为是值得推广的分析方法之一。De Beer( 1977)根据桩与周围土体相互作用的特性，将侧向受荷桩基分为两类：第一类桩基是主动桩，其受力特点是直接承受外荷载并主动向土中传递应力；第二类桩基是被动桩，其并不直接承受外荷载，而是因桩周土体在自重和外荷载作用等因素影响下产生水平运动从而受到影响。但是由于土体移动产生于桩侧的荷载在实际工程中是难以确定,测量也困难。因此, 被动桩的问题要比主动桩复杂得多 。在工业厂房、港口码头、边坡加固等工程中，桩基不仅受到作用于桩顶的主动荷载，还要抵抗土体在自重或者外荷载作用下的侧向变形，这些工程中的桩受力情况是比较典型的被动桩受力情况。基坑开挖对邻近建筑物桩基础的影响主要涉及到两个方面的问题，一方面，基坑开挖引起坑外的土体发生变形，另一方面，是这种土体的变形将会影响邻近建筑桩基础，会对桩基的承载性能造成一定的影响。从此我们可以得知，基坑开挖这一课题中的桩是属于被动桩的范畴。

  桩基础是一种应用十分的基础形式。桩的作用是将上部结构的荷载传递给坚硬、可压缩性较低低的土层或岩层，以保证建筑物的安全性，使其能够满足地基稳定和变形的要求。地铁施工后形成的地下空间卸载桩一侧的土体，会影响桩的力学性能，导致上部结构的变形和破坏。桩的荷载传递理论研究的是桩的力的传递，以及桩和土相互作用的变形协调规律。所以，本章主要介绍桩的承载机理和桩土相互作用的影响因素以及以 winkler 模型为基础的桩基础考虑土体刚度时的数值模拟方法。

  2.1 桩基的作用机理

  桩的荷载传递规律：当单桩桩顶受到竖向荷载，桩身受力会产生向下的位移，同时桩侧相对于土体会受到向上的摩阻力，桩身荷载通过桩侧摩阻力传递到桩周土层中，致使桩身荷载和桩身压缩变形随深度递减。同时，如果桩顶荷载不断增大，桩身压缩和位移量会随之增长，桩身下部摩阻力在荷载到达一定程度时也会开始起作用，桩底的土层也因受到桩的挤压而产生桩端阻力。而且，桩端土层压缩量的增加会增大桩土之间的相对位移，这样桩侧摩阻力就越来越大，当桩侧摩阻力达到极限后，若继续增大荷载，这些荷载增量将全部由桩端的土体来承担，当桩底的荷载达到桩端持力层土的极限承载力时，桩端持力层土体大量压缩和塑性挤出，位移增长速度显著增大，使桩发生急剧的不停滞的下沉而发生破坏，此时桩所受的竖向荷载就是桩的竖向极限荷载。由桩的荷载传递规律得知，桩顶荷载一般由桩侧摩阻力和桩端阻力共同承担，桩侧摩阻力先于桩端阻力发挥，其中桩端阻力直接传递至桩端持力层，桩侧阻力以剪应力的形式传递给桩侧土体。桩顶沉降随着桩土接触面剪切刚度和法向刚度的增大而减小。剪切刚度的增加意味着土体的抵抗剪切变形能力的增强，即而导致桩顶沉降减小，主要起作用在于桩侧。法向刚度的增加则意味着土体抵抗变形能力增加，即桩身的侧向变形减小，同主要起作用在于桩端。在数值计算中，考虑桩土相互作用时，剪切刚度和法向刚度是两个十分重要参数。

  2.2 桩侧阻力的影响因素

  桩侧阻力对桩基础承载力有很大的影响，但是它受到很多因素的影响，桩顶荷载的大小、桩土相对位移、土的性质、桩身刚度、桩长、桩径等。摩擦力的产生依赖位移，同理桩侧阻力需考虑桩与桩周围土体的相对位移。当桩土相对位移较小时，桩侧阻力与桩土相对位移之间存在近似的线性关系。随着两者的相对位移增大，桩周土体的侧压力和桩土的相对位移对桩侧阻力都有较大的影响。最大桩侧阻力出现在这两个因素的最佳组合中。随着桩土相对位移的增大，桩土相对位移逐渐增大。随着水平的增加，桩侧最大抗力增大，桩位下移。桩土的相对承载力。位移达到极限后，桩侧阻力不再增加，我们称桩侧阻力为极限侧压力。其中，桩的侧阻力是由桩与周围土体相互作用引起的，因此桩周土体的性质是也是很重要的。土体的性质是会直接影响桩侧阻力。桩身通过周围土体的剪切变形会把桩荷载传递给周围土体。一般情况下，桩侧阻力随桩周土体强度的增大而增大。桩周土的其他一些性质，如剪胀性、湿陷性和液化，都是特殊的。在一定条件下，桩侧阻力也会有不同程度的降低。基坑开挖实质是土体的卸载，土体卸载会引起的附近土体的侧压力减小，从而产生变形，其中包括土体侧移和底面沉降。这些土体的位移会作用于桩基础，从而就会对建筑物造成影响。土体的侧移和沉降相当于桩土相对位移发生改变，从而对桩侧阻力产生影响，使得桩身荷载发生变化，改变荷载的传递。土体沉降也可能对桩产生负摩擦阻力，相当于给予桩身附加作用力。而且基坑开挖侧的土体发生的不均匀沉降会造成建筑物构件受剪力和扭曲，甚至这些位移过大会造成构件的破坏。而且不均匀沉降过大会造成建筑物倾斜，引起应力重分布。

  3.1 有限元程序 MIDAS/GTS 简介

  3.2 MIDAS/GTS 模拟理论基础

  3.5 本章小结

  4.1 人工神经网络

  4.2BP 神经网络结构的确定

  4.3 BP 人工神经网络训练样本数据

  4.5 本章小结

  5.1 工程概况

  第六章 结论与展望