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随着“十三五”规划地实施，国家进一步加大对基础建设地投入，城市地下工程迎来高标准，大发展的新局面。为了更好地控制地下工程施工过程中自身及周边环境的安全，就必须深入认识当今环境下地下工程的变形特性、变形机理及控制措施。其中，城市深基坑工程是一切建筑的基础，是地下工程的重要环节，如何建立安全可靠的基坑支护体系成为当前日益严峻的城市地下环境中十分重要的研究课题。
本论文以天津地铁6号线地铁车站25个深大基坑工程为研究背景，对基坑体系变形及力学特性进行详细的统计分析，得到天津地层条件下，内撑式基坑围护结构和墙后地表的变形特性，进而给出相应的控制标准。采用数值模拟和实测统计相结合的方法，研究基坑围护结构刚度、内支撑刚度及周围地层条件等对基坑变形的影响，得到各因素的主次关系，及最优参数组合。其次，在以上影响因素的分析基础上，提出综合支护体系刚度的表示方法，可较好反映基坑体系的变形规律，为基坑体系支护结构设计提供依据。基坑施工过程中，墙后主动土压力是引起基坑体系变形的关键，在前文研究得到的基坑变形模式基础上，考虑基坑分层开挖、围护结构柔性变形、墙土摩擦作用、土体非极限状态和土拱效应的影响，得到改进的主动土压力理论模型。最后提出基于变形控制的基坑支护体系设计方法，在极限分析法的基础上，考虑基坑施工过程中，土体应力应变的发展，及结构弯曲变形和内支撑压缩变形存储的弹性变形能。由基坑塑性变形机制，得到墙后任一点的变形控制值与围护结构变形的关系，由能量守恒方程是否满足，判断支护结构设计方案是否满足控制标准的要求，对内撑式基坑分步开挖设计提供建议。主要研究成果包括:
(1)通过天津地铁6号线地铁车站25个深基坑工程案例，得到基坑施工基本变形模式和变形特性。天津地铁6号线地铁车站基坑围护结构变形主要为内凸形，墙后地表变形主要为凹槽形。围护结构最大侧移值δhm平均值为0.12％H，H为基坑开挖深度，最大侧移值埋深Hδhm介于(0.75H±8m)范围内。墙后地表最大沉降δvm平均值为0.15％H，约为最大侧移值δhm的1.13倍，墙后地表沉降影响范围与围护结构埋深大小相近。
(2)采用数值模拟和实测统计相结合的方法，研究影响基坑围护结构变形和墙后地表沉降的主次因素，得到基坑综合支护体系刚度表示方法。对围护结构水平位移和墙后地表沉降影响最大的因素分别为:土体内摩擦角、土体重度和内支撑竖直方向道数。基于Clough系统刚度，提出一种可综合考虑基坑围护结构、内支撑及墙后地层条件的支护体系综合刚度表达式。它以基坑周围土体不排水抗剪强度调动率为出发点，将支护结构刚度与墙后土体刚度相结合，根据基坑围护结构变形控制标准和所在地层土体特性对基坑支护体系进行优化。该修正无量纲综合支护体系刚度可有效减小变形的离散性，基坑围护结构最大变形随着修正无量纲综合支护体系刚度的增大而明显减小。
(3)建立可综合考虑基坑施工过程、开挖深度、围护结构柔性变形、墙土摩擦作用、墙后土体非极限状态和土拱效应的主动土压力计算模型。基坑开挖对墙后土体造成扰动，墙后滑面倾角β随基坑开挖深度H和墙土外摩擦角δ的增大而减小，随土体内摩擦角ψ的增大而增大。主动侧土压力系数Kaw随ψ、土体黏聚力c和最大位移比Smax/Sa的增加而减小，随δ的增加而增大，随最大位移埋深比H/h的增加，在埋深较小时增大，埋深较大时减小。考虑基坑开挖深度H、墙土摩擦角δ和土层间摩擦角ψ的主动土压力σaw呈“中间大、两端小”的非线性分布，且最大侧移值位置越高，ψ和δ越大，非线性分布越明显，σaw随c和Smax/Sa的增加而减小，受H/h的影响较小。主动土压力合力Eaw随ψ、δ、c和Smax/Sa的增大而减小，受H/h的影响较小。主动土压力合力作用点Haw随ψ、δ的增加而增大，随c和Smax/Sa的增加而减小，随H/h的增加略微增大。
(4)将基坑围护结构变形和土体的非极限状态引入极限分析法中，得到土体强度调动的MSD(Mobilized Strength Design)法，与现有设计方法相比，MSD法可考虑基坑施工过程和基坑与土体协调变形的影响。本文对MSD法进行改进，使其适用于分析内支撑结合柔性围护结构支护的基坑工程中，提出基于地层变形控制的基坑支护体系动态设计方法。在已有MSD法基础上，根据工程实践经验，对增量变形机制进行调整，提出变波峰余弦函数曲线形式，改进后的增量影响范围较原MSD法更接近于实测结果。通过在能量守恒方程中引入内支撑压缩变形能和开挖面以上围护结构弯曲变形能的影响，结合基坑体系塑性变形机制，以达到通过地层变形控制基坑围护结构变形的作用，分析支护结构设计方案是否满足变形控制标准。将改进MSD法与原MSD法、竖向弹性地基梁法及工程经验相比，得到改进MSD法计算结果与实测结果更加吻合，表明改进方法具有更好的适用性，该研究成果可为基坑支护体系设计提供依据。
本论文以天津地铁6号线地铁车站25个深大基坑工程为研究背景，对基坑体系变形及力学特性进行详细的统计分析，得到天津地层条件下，内撑式基坑围护结构和墙后地表的变形特性，进而给出相应的控制标准。采用数值模拟和实测统计相结合的方法，研究基坑围护结构刚度、内支撑刚度及周围地层条件等对基坑变形的影响，得到各因素的主次关系，及最优参数组合。其次，在以上影响因素的分析基础上，提出综合支护体系刚度的表示方法，可较好反映基坑体系的变形规律，为基坑体系支护结构设计提供依据。基坑施工过程中，墙后主动土压力是引起基坑体系变形的关键，在前文研究得到的基坑变形模式基础上，考虑基坑分层开挖、围护结构柔性变形、墙土摩擦作用、土体非极限状态和土拱效应的影响，得到改进的主动土压力理论模型。最后提出基于变形控制的基坑支护体系设计方法，在极限分析法的基础上，考虑基坑施工过程中，土体应力应变的发展，及结构弯曲变形和内支撑压缩变形存储的弹性变形能。由基坑塑性变形机制，得到墙后任一点的变形控制值与围护结构变形的关系，由能量守恒方程是否满足，判断支护结构设计方案是否满足控制标准的要求，对内撑式基坑分步开挖设计提供建议。主要研究成果包括:
(1)通过天津地铁6号线地铁车站25个深基坑工程案例，得到基坑施工基本变形模式和变形特性。天津地铁6号线地铁车站基坑围护结构变形主要为内凸形，墙后地表变形主要为凹槽形。围护结构最大侧移值δhm平均值为0.12％H，H为基坑开挖深度，最大侧移值埋深Hδhm介于(0.75H±8m)范围内。墙后地表最大沉降δvm平均值为0.15％H，约为最大侧移值δhm的1.13倍，墙后地表沉降影响范围与围护结构埋深大小相近。
(2)采用数值模拟和实测统计相结合的方法，研究影响基坑围护结构变形和墙后地表沉降的主次因素，得到基坑综合支护体系刚度表示方法。对围护结构水平位移和墙后地表沉降影响最大的因素分别为:土体内摩擦角、土体重度和内支撑竖直方向道数。基于Clough系统刚度，提出一种可综合考虑基坑围护结构、内支撑及墙后地层条件的支护体系综合刚度表达式。它以基坑周围土体不排水抗剪强度调动率为出发点，将支护结构刚度与墙后土体刚度相结合，根据基坑围护结构变形控制标准和所在地层土体特性对基坑支护体系进行优化。该修正无量纲综合支护体系刚度可有效减小变形的离散性，基坑围护结构最大变形随着修正无量纲综合支护体系刚度的增大而明显减小。
(3)建立可综合考虑基坑施工过程、开挖深度、围护结构柔性变形、墙土摩擦作用、墙后土体非极限状态和土拱效应的主动土压力计算模型。基坑开挖对墙后土体造成扰动，墙后滑面倾角β随基坑开挖深度H和墙土外摩擦角δ的增大而减小，随土体内摩擦角ψ的增大而增大。主动侧土压力系数Kaw随ψ、土体黏聚力c和最大位移比Smax/Sa的增加而减小，随δ的增加而增大，随最大位移埋深比H/h的增加，在埋深较小时增大，埋深较大时减小。考虑基坑开挖深度H、墙土摩擦角δ和土层间摩擦角ψ的主动土压力σaw呈“中间大、两端小”的非线性分布，且最大侧移值位置越高，ψ和δ越大，非线性分布越明显，σaw随c和Smax/Sa的增加而减小，受H/h的影响较小。主动土压力合力Eaw随ψ、δ、c和Smax/Sa的增大而减小，受H/h的影响较小。主动土压力合力作用点Haw随ψ、δ的增加而增大，随c和Smax/Sa的增加而减小，随H/h的增加略微增大。
(4)将基坑围护结构变形和土体的非极限状态引入极限分析法中，得到土体强度调动的MSD(Mobilized Strength Design)法，与现有设计方法相比，MSD法可考虑基坑施工过程和基坑与土体协调变形的影响。本文对MSD法进行改进，使其适用于分析内支撑结合柔性围护结构支护的基坑工程中，提出基于地层变形控制的基坑支护体系动态设计方法。在已有MSD法基础上，根据工程实践经验，对增量变形机制进行调整，提出变波峰余弦函数曲线形式，改进后的增量影响范围较原MSD法更接近于实测结果。通过在能量守恒方程中引入内支撑压缩变形能和开挖面以上围护结构弯曲变形能的影响，结合基坑体系塑性变形机制，以达到通过地层变形控制基坑围护结构变形的作用，分析支护结构设计方案是否满足变形控制标准。将改进MSD法与原MSD法、竖向弹性地基梁法及工程经验相比，得到改进MSD法计算结果与实测结果更加吻合，表明改进方法具有更好的适用性，该研究成果可为基坑支护体系设计提供依据。