本文是一篇土木工程论文，本文针对列车振动荷载作用下基坑支护结构的动力响应问题，提出了可用于波动问题动力分析的复合人工边界条件，基于 COMSOL 软件建立了列车动力学响应问题的计算模型，通过有限元软件的计算，分析了基坑支护结构不同开挖深度下受到列车振动载荷作用时支护结构的动力响应情况。
第一章 绪论
1.1 选题背景与意义
20 世纪 50 年代，我国开始筹备首都地铁网络建设，并在上个世纪 70 年代建成第一条地铁线路，随后国家开始大力发展和建设地铁、人防等工程。在上个世纪的八十年代，我国规划建设地铁的大城市仅有北京、上海、广州等到 2021 年轨道交通已经得到了充分的发展。随着轨道交通的发展给建筑行业带来不少的问题，各大城市中规划的地铁线路少则几条多则十几条。由于铁路的普及和发展，对临近轨道交通的基坑支护结构的设计造成了很大影响。随着支护结构的发展，我国最近 20 年建设了大量的高层建筑，同时基坑的占地面积和挖深不断加大[1]，地铁作为交通运输的一种形式，主要在地下运行的城市列车振动系统且集中在城市中心建筑物密集的地方，所以在基坑施工过程中难免会有地铁隧道在基坑附近穿过。列车振动载荷是一种长期、周期性、稳定的动载，它受到很多因素的影响，长期处于动载作用下会造成孔隙水压力逐渐积累，土的强度降低，地基沉降等不利影响。对深圳而言目前规划的地铁线路有 27 条，截止到 2020 年已经开通运营的线路就有11 条。深圳市罗湖区深圳中学教学区基坑呈 L 形，基坑面积约 21606m2，周长约 925m，最深约为 11.25m；基坑的北侧和西侧分别有一条地铁隧洞穿过。
随着轨道交通的发展与深基坑工程的开挖与支护技术越来越成熟，出现了许多新型的支护结构，排桩支护可分为悬臂桩、双排桩、桩撑、预应力锚索桩。土钉墙和复合土钉墙因工程造价低工期快等优点迅速风靡全国。地下连续墙可作为主体外墙，但因为对水文地质要求过高没有像土钉墙和排桩那么普及。同时支护结构也会出现组合化支护。如：土钉墙与排桩的组合、桩撑与预应力锚索的组合等等。目前的深基坑的支护呈现多样化的方向发展，各类支护结构组合应用，这使得在列车振动载荷作用下的支护结构的受力和变形更加的复杂。
对于不同的支护结构，受到列车振动载荷作用时，其应力应变以及应力集中等问题都存在很大的差异，列车振动载荷是一种长期的载荷，会对周围建筑结构的变形与稳定性带来非常大的影响，长期的动载作用下势必会加快支护结构的强度减弱从而导致支护结构产生疲劳损伤，交通载荷对基坑的影响越来越被学者所重视。对于传统的基坑设计，交通动载都是被处理成为一定比例的静载，来分析对支护结构的影响，而事实上的交通荷载是静载和动载相互作用的，对于列车振动不同的速度下以及离基坑的距离远近的不同也会产生不同的影响。
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1.2 国内外技术现状
因为轨道交通的发展，地铁已成为重要的交通形式，城市当中地铁穿行给建筑行业带来了巨大的影响。在基坑工程施工过程中，无法避免一些基坑周围会有地铁穿过，这将对基坑支护带来一系列的问题。
1.2.1 深基坑支护研究
基坑工程是一个古老的课题。简单的开挖和支护可以追溯到远古时代。随着高层、超高层建筑不断涌现，基坑工程的要求越来越高，随之出现的问题也越来越多，学者重新审视这个课题，许多新的经验、理论得以出现与成熟[2]。
20 世纪 30 年代，Terzaghi 等人研究基坑工程地面施工问题，提出了预估挖方稳定程度和支撑荷载大小总应力法。随后，大量学者开始研究，并且不断的产生新的成就。70 年代改革开放的热浪下，急需完善基本建设，大量高层建筑得以出现[3]。
一般而言，深基坑支护结构形式有两种
(1) 被动支护形式：采用内支撑形式的围护墙系统，内支撑形式主要有水平方向和竖直方向支撑组成，适合在软土地区使用，该支护形式可以有效地节约基坑以外的地下空间资源，由于采用支撑的形式可以增大整个支护系统的强度，减小基坑形变，降低基坑坍塌的风险。
(2) 主动支护形式：采用拉锚形式的围护墙系统，通过锚索或者锚杆的锚固段固定在土层中，这种支护手段减小基坑形变，降低基坑坍塌的风险
王术江[5]等人研究超前工字钢桩加土钉喷锚支护在基坑支护结构中的应用，从实验效果上看，采用这种方法支护是可行的，有效的解决了周边建筑变形稳定问题。韩雪松[6]等通过无支撑双排桩支护体系解决了面积大、跨度大、深度大，基坑周边环境复杂，基坑所在地域土质较差的基坑支护问题，同时为地下室带来极大的便利。杨敏[7]等在之前学者的研究基础上研究了疏排桩-土钉墙复合基坑支护形式中土钉墙的加固效果试验，通过改变土钉长度对这种复合基坑支护结构的稳定性，破坏模式及桩间土拱效应影响显著的分析，土钉长度增大排桩内力减小。付文光[8]等通过对前人研究的分析认为基坑最重要的特征参数是基坑的开挖深度，对开挖深度采用分级的思想对基坑支护的技术交流与使用非常有利，认为不同深度应有相宜的基坑支护方法。
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第二章 深圳市某基坑项目工程概况
2.1 工程概况
深圳市罗湖区属于沿海城市，所以气候多雨潮湿，一年当中的降雨量非常大，考虑到施工过程中的强降雨问题给施工过程带来的影响以及基坑周围水位的升降，这都影响到施工过程的安全和支护结构的稳定。
本文以深圳市罗湖区某新建校区项目为背景，根据主体结构设计图纸及现场地形条件，本项目主要有两个基坑，教学区基坑和 2 号宿舍楼基坑，如图 2-1 所示。
图 2-1 基坑支护及周围环境示意图
教学区基坑呈 L 形，教学区基坑开挖面积约 24569m2，周长约 681m，开挖深度最深约 11.45m。北侧距 9 号线盾构区间最近约 17.1m，西侧距离 6 号线盾构区间最近距离约74.0m，距保留的深圳科学研究院约 14.8m，东侧距离保留的教学楼约 15.9m，南侧距用地红线约 6.3m，距离泥岗西路约 35.9m，拟建两层地下室。
2 号宿舍楼基坑开挖面积约 1168m2，周长约 143m，开挖深度最深约 4.15m，距北侧专家楼 17.8m，距南侧笔架山河道 18.4m，距离 9 号线盾构最近边线约 14.2m。
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2.2.地形地貌条件
拟建场地原始地貌为冲、洪积地貌，现状地表系在冲、洪积地层上人工堆填而成。根据现场钻探对土划分如下：第四系全新统人工填土层（Qml）、第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）、第四系上更新统冲洪积层（Q3al+pl）、第四系残积土层（Qel）、燕山期侵入花岗岩（γ53）。现将岩土层的主要现场特征描述如下：
(1) 第四系全新统人工填土层（Qml）
素填土：以灰、黄为主，基本完成自重固结，顶部为 20～40cm 砼板路面，局部钻孔揭露较多的混凝土块和碎石，该层层厚为 1.30~3.80m，平均层厚为 2.74m，层顶高程为 19.47~31.40m，平均值为 21.95m。该层在场地内普遍分布。该层进行重型动力触探 3.2m，修正后击数为 3~10.5 击，平均值为 5.7 击，标准值为 5.3 击。
(2) 第四系全新统冲洪积土层（Q4al+pl）
粉质黏土：干强度中等，韧性中等，层厚为 0.30~4.50m，平均层厚为 2.15m，层顶高程为 15.95~23.54m，层底高程为 14.71~20.34m，层底深度为 3.20~7.00m。 淤泥质土：局部有机质含量较高，切面光滑、无摇振反应，层厚为 0.90~1.50m，平均层厚为 1.16m，层顶高程为 15.06~17.30m，层顶埋深为 2.70~4.50m，层底高程为15.06~17.30m，层底深度为 3.80~5.80m。
(3) 第四系上更新统冲洪积层（Q3al+pl）
卵石：浅灰，饱和，主要呈稍密~中密状态，亚圆形为主，粒径主要为 2～10cm，，分选性较好，局部含胶结状粘土，砾粒、砂粒填充。层厚为 0.50~4.90m，平均厚度为2.77m，层顶高程为 14.71~28.50m，层顶埋深为 2.00~7.00m，层底高程为 11.70~25.60m，层底深度为 3.20~9.00m。该层进行重型动力触探 3.4m，修正后击数为 7.2~17.1 击，平均值为 12.1 击，标准值为 11.1 击。
粗砂：灰白色、饱和、稍密，主要矿物成分为石英、长石，颗粒呈亚圆状～亚棱角状，充填物为黏粒，黏粒含量较少，级配不良，分选型好。层厚为 1.80m，层顶高程为 16.60m，层顶埋深为 3.20m，层底高程为 14.80m，层底深度为 5.00m。该层仅在ZK16 钻孔揭露，呈透镜体形态存在。
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第三章 COMSOL 动载时域分析中的人工边界 .................................... 11
3.1 常用的人工边界条件 .................................. 11
3.2 人工功能梯度粘弹性边界层 .................................. 14
第四章 基于 COMSOL 软件列车振动荷载下基坑支护结构有限元模型建立 ....... 30
4.1 本构模型的选取 ................................... 30
4.1.1Drucker-Prager 本构 ...........................
