（岩土工程专业论文）深大基坑三维全过程计算理论与应用研究.pdf

深大基坑三维全过程计算理论与应用研究 摘要 随着城市建设的发展，基坑的平面规模越来越大，开挖深度也越来越深。板 支撑、地下室逆作法等一些新方法、新技术被运用到深基坑工程中。传统的计算 方法，如规范推荐的弹性地基梁法，在计算这些结构复杂、工况繁多的深基坑工 程时，需引入过多的假定，计算结果不能反映基坑的空间效应和分段施工效应。 针对这些问题，本文在查阅、整理国内外相关文献基础上，做了如下几方面的研 究工作。 1 改进传统的平面计算方法 对传统的弹性地基梁法进行改进，使其适应于基坑支护结构的三维全过程分 析；提出了协调的三维计算模型，采用空间杆件与平板单元取代了平面杆系单元； 采用增量法模拟基坑的整个开挖过程；应用予结构法，对围护结构进行计算优化， 提高程序的运行速度。 2 编制基坑三维全过程分析有限元程序并验证其可靠性 考虑分段施工影响和粱板式支撑的作用，编制基坑三维全过程有限元计算程 序。为提高程序的通用性与可操作性，采用通用图形接口文件( d x f 文件) 作 为程序输入输出文件，这既可发挥现有c a d 软件强大图形编辑显示功能，又可 大大简化本程序的前后处理工作；并通过将本文计算结果与现有软件计算结果的 对比，验证程序的可靠性。 3 基坑支护结构的三维全过程分析的应用研究 利用本文的计算方法及程序，通过典型算例，对分段施工、板支撑、坑外不 均匀堆载等因素的影响进行深入分析，得出规律性成果，为基坑支护结构的优化 设计、施工顺序的合理安排提供计算依据；以西湖文化广场二期基坑工程为例， 详细分析了整个基坑支护结构在施工全过程中的受力及变形性状，并将计算结果 与实测资料相比较，进一步验证本文计算方法以及程序的可靠性。 关键词：深基坑；内支撑；三维；过程分析；有限元 3 一da n a l y s i n gt h e o i 了a n di t sa p p l i c a t i o no fd e e pe x c a v a t i o n c o n s i d e r i n ge f 亿c t so fs t a g e de x c a v a t i o n a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m c n to ft l l el l r b a i lc o n s t r u c t i o n ，m o r ea 1 1 dm o r el a 唱es c a i ea 1 1 d d e 印e x c a v a t i o n s 印p e 盯s o m en e wt e c q u e ss u c ha sb e 螂一s l a bc o m p o s i t eb r a c i n g s y s t e ma n dt o p d o w nm e t h o da r ea p p l i e d h o r i z o n t a le l a s t i cf o u n d a t i o nb e 锄m e 也o d i sm ec o n v e n t i o n a lm e m o dt oa i l m y z er e t a i n i n g 蛐m c m r e s ，锄di sr e c o m m e n d e db yt l l e c o r r e s p o n d i n gn a 蛀o n a lc o d e b u tt 1 1 ea 1 1 a l y s e sb a s e do ne l a s t i c s p r i n gm o d e la r e a l w a y st w o - d i m e n s i o n a l ( 2 d ) ，c 籼o tc o n s i d e rt h et l l r c e d i m e n s i o n a l ( 3 d ) a 1 1 ds t a g e d e x c a v a t i o ne f r e c t s f o rt l l i sr e a s o n t l et l l e o r e t i c a ls o l u t i o n sf o rt h o s ee x c a v a t i o n st h a t a r ec o m p l i c a t e d l yb r a c e d 锄ds t a g e dc o 埘m c t e da l w a y sd i 彘r 劬mt l l e6 e l dd a t a i n t h i sd i s s e r t a t i o n ，o n 也eb 鹪i so f 虹坨s t u d i e ss o 陆a v a i l a b k ，3 da n a l y z i n gt h e o r yo n d e 印e x c a v a t i o ni ss t i l d i e di n - d e p t h t 1 1 em a 主nw o r k i sa sf o l l o w s 1 t h ec u r r e n tm e t l l o df o ra n a l y z i n ge x c a v 砒i o ni sm o d i n e d s p a t i a lb e a m e l e m e n t sa 1 1 ds l a be l e m e n t si n s t e a do fp l 锄a rt m s se l e m e n ta r ea d o p t e dt om o d e lt 1 1 e r e t a i n i n ga 1 1 ds t r i m i n gs t n l c t i l r e t 抽g e n t i a ls o i ls p r i n g sa r ea d d e do nr e t a i n i n gp i l e s i n c r e m e m a lm “h o di sp r o p o s e dt os i m l l l a t et h ew h o l ep r o c e s so ft h ec o n s 饥】硝o n s u b s m l c t i l r em e t l l o di su s e dt oq u i c k e nt h ec a l c u l a t i n gs p e e d t h e s ei m p r o v e m e n t s w i l lf a c i i i t a t et l l e3 da i l a l y s i s 诵t 1 1f e m 2 a3 df e mp r o g r 锄i sd e v e l o p e dt oa l l a l y z et 1 1 el 咖i n i n gs y s t e mi nb m c e d e x c a v a t i o n ，c o n s i d 甜n gt 1 1 es t a g e de x c a v a t i o ne f r e c t sa i l dt t l eb e 锄s l a bc o m p o s i t e s 帆l t s i no r d c rt oi m p r o v et 1 1 ep r a c t i c a l i t ya n dm a n e u v e r a b i l i 哆o ft l l ep r o g r 锄，t l l e u l l i v e r s a lg r a p h i ci m e r f a c e ( d ) ( f ) i su s e d ，w h i c hm a k e si te a s yt ob ei n t e r a c t i v e b e t w e e nt 1 1 i sp r o f a ma n dt l l ee x i s t i n gc a dg r a p l l i cp r o g 删 n t h er e l i a b i l i t yo ft h e p r o 答砌i sv a l i d a t e db yc o m p 撕n gm er e s u l t so ft h i sp r o g m mi nas i m p l ec 嬲ew i m 也a to f t l l ee x i s t i n gc o m m e r c i a lp m g r a m ( f - s p w ) 3 t h ee 虢c t so fs t a g e dc x c a v a t i o n ，s l a bs 仃l l t s ，n o n - 1 1 1 1 i f o r n ll o a d sa r o u n d e x c a v a t i o na r es t u d i e db y3 da n a l y s i so n 如i d e a l i z e db r a c e de x c a v a t i o n t h er e s l l l t s o b t a i n e df r o mt l l en 哪e r i c a le x p e r i m e m sa r ev e r yu s e f u lf o rt 1 1 eo p t j m a ld e s i g no f r e t a i n i n gs m l c 似r ea i l dp r e p a r a t i o no fc o n s 咖c t i o ns c h e m ei nad e e pe x c a v a t i o n f i n a l l y 廿1 ee x c a v a t i o no fa na c t u a lc a s ew b s tl a k ec u l t i a lp l a z ai ss i m u l a t e dw 汕 t h em e t h o da n dp r o g r 剐 i ld e v e l o p e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h es p a t i a la n dt i m eb e h a v i o r s o ft h ee x c a v a t i o na r e 锄a l y z e di nd e t a i l t h es i i l l i l 撕t i e sa 1 1 dd i 疵r e n c e sb e t w e e nt h e l e o r e t i c a lr e s l l l t sa n dt h em e a s u r e dd a t aa r ea i s od i s c u s s e d k e y w o r d s ：d e e pe x c a v a t i o n ；b r a c i n gs y s t e m ；t i l r e e d i m e n s i o n ；p r o c e s sa n a l y s i s ；f e m 第1 章绪论 第1 章绪论 随着我国城市化水平的不断提高和城市人口的大量增加，地面空间的愈加紧 张。为解决这些问题，开发利用城市地下空问成为城市发展的必然趋势。以地下 城市为方向，将大型停车场、商业中心、电影院、交通设备等公共设施，集中到 地下空间形成地下城市，这不仅满足了人们日常需求，而且刨造了更加宜人和舒 适的环境，特别是在历史文化古城，有效的利用地下空间还可以保护众多文化景 观。如此规模庞大功能多样的地下建筑的兴建产生了大量的深基坑工程。 深基坑工程是涉及工程地质、水文地质、工程结构、工程施工及管理、建筑 环境的系统工程，是集土力学、水力学、及结构力学为一体的综合性技术难题。 基坑支护结构虽多为临时性结构，但由于其特殊性，深基坑工程设计施工一般需 要满足两方面的要求：一方面，保证深基坑工程以及其周边建筑、市政管线安全 稳定。深基坑工程设计施工的某一环节出现问题，就有可能导致造成巨大的经济 损失：另一方面，在保证工程安全的前提下，需实现工程造价合理、经济可行。 相同的基坑工程采用不同设计方案，造价相差一倍以上的情况并不鲜见。由此可 见，合理的支护结构设计方案，对保障工程安全、节约造价、加快工程进度以及 减少施工对周边环境的影响都具有非常重要的意义。 在深厚软土地区，为有效控制基坑变形，内撑式围护结构是一种常用的支护 型式。内撑式围护结构由围护墙和内支撑体系两部分组成【2 6 l 。围护结构体系常 采用钻孔灌注排桩墙和地下连续墙，其中钻孔灌注桩施工工艺成熟、质量可靠、 造价较地下连续墙低，使用较为普遍；内撑体系可采用水平支撑和斜支撑。根据 不同开挖深度可采用单层或多层水平支撑，钢筋混凝土支撑具有刚度好、变形小 的优点，尤其得到广泛的应用。当基坑平面面积特别大时，为增强支撑平面的稳 定性和支撑刚度，减小超长支撑杆件的混凝土收缩和徐变的影响，通常还采用混 凝土板与支撑梁相结合的支撑体系。其中利用地下室本身的楼板体系作为水平支 撑的逆作法和半逆作法基坑就是这种支撑体系在工程中的具体应用，当然也可以 采用临时梁板支撑，如杭州在建的标志性建筑西湖文化广场二期工程就采用 了临时的钢筋混凝土梁板作为支撑。 由于内撑式围护结构具有施工质量较易控制、充分发挥钢筋混凝土抗压性 能、施工平台较小、对周边环境影响较小等优点，其应用相当的广泛。 浙江大学硕士学位论文 郭跃2 0 0 6 年6 月 从地质条件上看，内撑式围护结构可适用于各种地质条件下的基坑工程，而 最能发挥其优越性的是软弱地基中的基坑工程。因为软土地基中单根土锚所能提 供的拉力有限，因而就很难经济的。而内撑支护的支撑构件自身的承载力只与构 件的强度、截面尺寸及型号有关，雨不受周围土质的制约。 从开挖深度上看，内撑式围护结构适用的基坑深度不受限制。但当开挖深度 大时机械进出基坑不甚方便，尤其是开挖最后阶段挖土机械退出得整体或解体吊 出；另外内撑式围护结构工程费用较锚拉式结构高；至于多大的开挖深度、出现 多大的土压力适宜采用内支撑，则应通过技术和经济比较决定。 从基坑的平面尺寸来看，内撑式围护结构适用平面尺寸不太大的基坑。过大 的基坑必然导致内支撑的长度断面过大，以至于可能出现经济上不合理的情况。 而采用锚拉结构时，每延长米基坑所需要的锚拉力与平瑶尺寸大小无关。由于存 在这种情况，内撑式围护结构仅适合作为平面尺寸一般的深基坑围护的结构形 式。采用空间结构支撑体系技术可改善平面尺寸较大基坑的内撑布置及受力情 况。 从围护的平面布置来看，内撑式围护结构一般适用于周圈围护或对边围护， 这样充分才能发挥支撑杆件支撑作用。 由于基坑工程问题的复杂性其影响因素是多方面的，难以一一列举。对于一 些特殊问题只能由设计、施工人员因时、因地制宜的逐一解决。 1 1 土压力理论及基坑工程的研究现状 1 1 1 土压力理论研究现状 经典土压力理论c o u l o m b 土压力理论( 1 7 7 6 ) 和r a n 蝴n e 土压力理论( 1 8 5 7 ) 因 其计算简单和力学概念明确，自建立以来一直为工程设计所采用。但随着科学技 术的发展，很多学者认识到经典土压力与实测结果存在的很多差异，从多个角度 对角度对土压力进行理论研究。 b a i l g ( 1 9 8 5 ) i 】认为土体从静止状态到极限主动土压力状态，是一个渐变的过 程，提出了“中间主动土压力”的概念，指出土压力计算应同时考虑墙体变位模 式和变位大小，并建立了绕墙底转动时的主动土压力表达式。 2 第】章绪论 魏汝龙( 1 9 9 7 ，1 9 9 8 ) 【5 35 4 丰旨出，由于基坑开挖属于卸载情况，强度理论应充 分考虑应力历史影响，墙前土压力计算应选用不同于墙后的强度指标，并提出了 一种综合性强度指标( 魏汝龙，1 9 8 5 ) 酗，针对其中有关卸载强度曲线讨论了卸载 时墙前土压力的计算问题。 沈珠江( 】9 7 7 ，1 9 8 4 ，1 9 8 5 ) h 5 叫8 】对软土地基固结变形的做了十分详细分析， 并从有效固结应力法强度公式出发，推导了以常规三轴固结不排永剪参数( 乞和 丸表达的垂直挡土墙上的主动和被动土压力公式( 2 0 0 0 ) 畔】。计算结果表明，被 动土压力与传统公式一致，但主动土压力系数小于传统值。分析结果还表明，即 使按总强度理论，也必须采用“水土分算”的方法。 谢群丹等( 2 0 0 3 ) 【5 6 】文中基于双剪统强度理论，将挡土结构与土相互作用问 题视为空间问题，推导出了粘性土与无粘性土的主动土压力与被动土压力的计算 公式。通过工程实例将计算结果和采用r a n l 【i n e 土压力理论所得的计算结果及实 测结果进行了对比，表明弛m k i n e 土压力理论所得的主动土压力偏大。 王元战等( 2 0 0 3 ) 【5 川采用c o u l o m b 理论的假设，建立关于挡土墙上土压力强度 的一阶微分方程，给出了墙体绕地基转动变位模式下，土压力强度、土压力合力 和土压力合力作用点的理论公式。结果表明，墙体绕地基转动变位模式下土压力 合力与墙体平动变位模式下土压力合力相等，并等于c o u l o n l b 理论计算结果，但 土压力合力作用点和土压力分布有显著差别，且不同墙体变位模式下土压力分稚 不同，土压力合力作用点也不同。 徐曰庆( 2 0 0 5 ) 【5 8 1 考虑墙体平动位移对墙后填土内摩擦角及墙土接触面上外摩 擦角的影响，建立了内外摩擦角与位移之间的关系公式，并分析了其最不利情况 下墙后土楔的受力情况，得到考虑位移效应的非极限状态土压力计算公式 李兴高等【2 0 0 5 ) 口刁以滑动体静力平衡的力的平衡方程为基础，引入l a g r a n g e 乘子，将主动土压力和被动土压力问题转化为确定含有两个函数自变量的泛函极 值问题，并利用滑动体静力平衡的力矩平衡方程计算力的作用点在墙体的相对位 置。并得出土压力作用点相对位置矗仍与土体的内摩擦角、墙土之间的摩擦角6 及 土体的粘聚力郁有关系，并非总是作用在墙高的1 3 处。 陈秋南等( 2 0 0 5 ) 吲基于三向应力作用的双剪强度理论推导了r a l l k i n e 被动土 压力计算公式，克服了m d h 卜c o l l l o m b 屈服准则的不足，使被动土压力公式在三 向应力作用下推导出来，更加符合实际。 浙江人学硕士学位论文郭跃2 0 0 6 年6 月 1 1 2 土压力试验研究现状 t e r z a 曲i ( 1 9 3 2 ，1 9 3 4 ，1 9 3 6 ) 【1 卜1 5 1 通过大规模的模型试验获得了极限状态和 挡土结构变形之问的关系，并指出，只有当土体水平位移达到一定值、土体产生 剪切破坏时，c o u l o m b 和r a l l k i n e 土压力值才是正确的。并进一步证实f 1 9 6 2 ) ： 当挡土结构绕墙趾转动时主动土压力为三角形分布；当挡土结构平移、绕墙顶转 动和绕墙中部转动时，主动土压力为非线性分布。 s o v i i l c ( 1 9 7 2 ) 【10 】通过模型试验分别对土体的蠕变和剪应力松弛现象进行研 究，试验结果表明：对于应力松弛，当墙体移动到一定位置后停止不动，主动土 压力将逐渐增大，直至静止土压力，抗剪强度发挥6 0 ，被动土压力逐渐减小， 直至静止土压力。对于土体蠕变，随着墙体的平移，主动侧土压力逐渐降低到主 动土压力，蠕变位移与时间成对数关系。 f a i l g 等( 1 9 8 6 ，1 9 9 4 ) 【5 6 j 分别对砂性填土刚性挡墙的主动、被动土压力进行 了模型试验，试验结果表明：主动土压力为非线性分布，其分布形式取决于挡土 结构的变位方式，但不同挡土结构变位方式达到主动土压力状态所需的位移量基 本一致，土压力合力作用点随着土的密度增加而上升。被动土压力当墙体平移时， 为直线分布，墙体转动时，为非线性分布，且其大小与合力作用点和墙体的变位 方式有关。 何颐华等( 1 9 9 7 ) 四通过对粘性土基坑支护工程及室内模型试验中土压力、桩 背土体变形、护坡桩内力与水平位移等实测资料的研究分析表明，粘性土上护坡 桩水平位移与土体变形不协调，桩土之间产生地面向下延伸的裂缝；模型试验士 体失稳后的滑动面面与护坡桩夹角约为4 5 。一p 2 ，滑动面延伸至基坑开挖面附 近。 刘国彬等( 2 0 0 0 ) 【3 q 通过对某基坑不同开挖阶段澳4 试结果的分析得出：墙体前 后土压力随开挖以及放置时间而变化，在有支撑深度范围主动区土压力变化不明 显，丽在深层由于墙体位移影响被动区土压力略微增大，主动区减小。在墙体位 移一定条件下，被动区士压力比静止土压力还要小，远未达到被动土压力。并结 合程序反分析和理论研究( 2 0 0 1 ) f 3 5 1 ，提出了一种等效水平抗力系数缸来综合反 映土体抵抗变形的能力，并建立了被动抗力脚约实用计算方法。 梅国雄等( 2 0 0 1 ) f 4 卜4 3 1 ，根据土压力的大小随挡土墙位移和时间变化而变化的 4 第1 章绪论 特点，提出土压力的位移和时间耦合作用下的土压力计算经验公式。 徐同庆等( 2 0 0 0 ) 【5 _ 7 】通过试验模型方法研究刚性挡墙在不同变位情况土压力的 分布，分析了不同变位条件下土压力的变化规律，并得出，在不同的位移阶段， 墙后被动土压力的分布均基本上为三角形分布，被动土压力系数位于r a l l k i n e 被 动土压力系数和c o u l o m b 土压力系数之间。 梁波等( 2 0 0 4 ) 【3 3 l 结合青藏铁路格拉段目前唯一的支挡结构上型挡墙这一工程 措施，对墙后土压力和冻胀力进行了一个冻融循环期的现场测试。同时，研究了 土压力和冻胀力的几种分析模式。对比分析表明，多年冻土区的墙后实际受力状 态远大于设计应力状态。并结合多年冻土的特点，提出了考虑破裂滑动楔体以外 可能的其他作用力修正分析模型，为今后类似工程的设计、施工提供了参考。 1 1 3 土压力数值分析研究现状 随着有限单元法以及计算机技术的发展，有限元法在岩土工程中的应用发展 迅速，并取得了巨大进展。c l o u 曲和w o o d w a r d ( 1 9 6 6 ) 【2 l 首先用有限元法分析土 坝问题，并在1 9 6 7 年第一次把增量有限元法引入到模拟施工工序中，用增加网 格来模拟堆载过程以分析土坝的施工堆载过程。 c l o u 曲和d u l l c a n ( 1 9 7 1 ) 网用非线性有限元法对砂性填土刚性挡土墙平移和绕 墙趾转动两种变位方式进行分析，砂土变形采用d u n c a i l c h a n g 双曲线模型，接 触面变形也采用双曲线模型，引入一维g o o d m a l l ( g o o d m a n ，1 9 6 8 ) 【刀单元，计算 结果表明：土压力值随着墙体的位移而变化，最小主动土压力值和最大被动土压 力值与经典土压力理论值吻合，达到完全主动和完全被动状态的位移和模型试验 结果一致( t e r z a 曲i ，l9 3 4 ) 。 c l o u 曲和h a n s e n ( 1 9 8 1 ) 一1 用解析和有限元法分析了土的各向异性对带支撑 挡墙性状的影响，分析结果表明：基坑开挖改变了主动侧和被动侧土体的主应力 方向，表现出不同于各向同性土的运动方向，土体屈服区域明显多于各向同性土， 主动土压力和被动土压力均小于各向同性土，土压力分布形式也不一致。 m a t s u z a 、a 和h a z a r i k a ( 1 9 9 6 ) 吲为了避免主动状态下墙体与土体脱离，建立了 修正的联系单元( n g o 和s c o r d e l i s ，1 9 6 7 ) 【研并用硬化塑性模型描述应力变形关系。 、k 访( 1 9 9 2 ，1 9 9 5 ，1 9 9 6 ) 【1 8 2 1 1 建立了一个实用的计算模型，来计算挡土结 浙江人学硕十学位论文郭跃2 0 0 6 年6 月 构土压力。墙体刚度由一系列弹性梁单元表示，通过支撑和土体刚度的转化，把 墙体、支撑和土体组合成统一剐度矩阵。此法比有限元法简单并且效率高，但只 适用于线性分析。 朱合华等( 1 9 9 8 ) 【6 5 1 提出了动态旋工反演分析的思想，即在常规的反分析过程 中引入逐步开挖和逐道支撑的动态施工因素。通过反推了各土层的弹性模量系 数，给出了作用在墙体两侧的土压力分布，预报各相继施工阶段的墙体和土体变 形、内力及内支撑梁轴力。计算结果表明，背面侧水平土压力值分布可分为三折 线段形式，其中开挖面附近部分可视作均匀分布。 王占生等( 2 0 0 2 ) 口】根据土体非线性的特性，假定土体抗力与结构位移之间符 合双曲线函数关系，提出了一种土一结构相互作用的简便模拟分析方法。其主要 思路是先把土对结构的作用通过修正结构的刚度来加以考虑，然后再按一般的有 限元方法来进行分析计算。 陈页开等( 2 0 0 4 ) 【2 3 2 4 】用有限元法对刚性挡土墙上的主动土压力和被动土压力 进行了分析研究，土体采用弹塑性的m o h 卜c o u l o m b 本构模型，在土与结构接触 面间引入无厚度的g o o d m 趾接触面单元，接触面上剪应力和剪切位移采用弹塑 性的本构模型，研究不同的挡墙变位模式、不同墙面摩擦特性以及土体变形特性 等因素对土压力大小和分布的影响。 1 1 4 基坑工程的研究现状 顾汉梁等( 2 0 0 0 ) 总结了上海地区基坑围护结构设计中几个计算模型，并在 分析平面框架模型、不协调空间计算模型的不足之处基础上，提出了协调的空间 计算模型，同时应用增量叠加法模拟施工过程。 应宏伟 2 0 0 l y 6 1j 以杭州某一深大基坑工程为戗介绍了基坑工程半逆作法旌工 步骤，并通过对现场监测结果的分析，得出以下结论：( 1 ) 开挖引起的地下连续 墙墙身和坑外地基土体的水平位移均表现出明显的空间效应：( 2 ) 利用地下室部 分梁板兼作水平支撑体系时，由于结构主梁和主粱之问的现浇板协同作用，整体 刚度很大，使主梁承受的内力大大减小。 高文华等( 2 0 0 1 ) 1 2 5 j 采用m i n d l i n 厚板理论，建立了深基坑支护结构内力与变形 时空效应的三维有限元分析模型。详细探讨了分步开挖深度、基坑开挖宽度、边 6 第1 章绪论 界约束条件、地基流变等因素对支护结构内力和变形时空效应的影响。研究表明， 在一定的范围内适当增加挡墙厚度，可有效减小墙体水平位移，但当达到某一值 时，通过增加墙体厚度减少位移作用不大。 郑刚等( 2 0 0 2 1 1 6 3 1 采用弹性抗力法对某一道水平支撑的支护系统进行温差所引 起基坑支护系统内力变化研究分析，并在此基础上发展了一种考虑支撑一围护桩一 土相互作用的估算水平支撑温度应力的简化分析法，该方法较不考虑支撑更接近 于现场测试结果。 陆新征( 2 0 0 3 ) 【3 叼对某基坑进行了施工全过程的三维有限元弹塑性分析和模 拟。文中分别考虑了支护结构和土体之间的相互作用问题，以及各种开挖方案、 降水方案对基坑变形的影响。对比各种分析结果得出考虑共同作用和不考虑共 同作用基坑变形相差达到l o 倍，支护结构内力相差达到1 5 倍。 娄奕红等( 2 0 0 3 ) 【3 8 1 提出用有限元与无界元耦合的方法进行基坑支护结构内力 及变形动态分析，克服了具体工程进行有限元分析时边界条件和计算范围往往不 易确定的困难。计算实例表明，所建立的分析模型可考虑支护墙体位移因开挖而 引起的空间效应和由地基流变而引起的时间效应，可以计算基坑支护结构任意时 刻、任意位置的内力和变形。 杨小平等( 2 0 0 4 1 【删假定基坑开挖面以下的土体为弹性半空间，应用弹性半空 间内部水平荷载作用下的m i n d l i n 解答，建立了基坑支护结构侧边土体的水平应 力与水平位移之间的关系，并采用有限差分法求解支护结构的内力与变形。该计 算方法反映土体连续介质特性等优点。 李大勇等( 2 0 0 4 ) 川采用三维有限元法分析了内撑式基坑工程开挖对地下管线 的影响规律，计算表明：( 1 ) 支撑刚度的增大可有效地控制地下管线的位移，但 存在着最优刚度的界限，即当支撑刚度超过这一界限时，再增加支撑刚度，对地 下管线的位移影响并不显著；( 2 ) 内撑式基坑中存在着端部效应问题，距离基坑 越近，其端部效应就越强，并改变了管线的位移形式。 1 2 基坑支护结构常用计算方法及程序 内撑式围护结构常用计算分析方法较多，根据其各自的特点，大致上可以分 成三类。 7 浙江大学硕士学位论文郭跃2 0 0 6 年6 月 1 基于极限平衡条件的计算方法 这类方法主要的特点是，在计算过程中主动土压力与被动土压力均可按照土 的物理力学参数直接求得，而不考虑围护结构的变形等因素。土压力理论则主要 采用r a n k i n e 土压力理论和c o u l o m b 土压力理论。 这类方法出现较早，计算简单，但存在着一定的缺陷。首先，无论是r a l l l 【i n e 土压力理论还是c o u l o m b 土压力理论都是根据极限平衡条件来计算主被动土压 力值，它反映的是在土处于极限状态下的物理力学特性，却没有考虑挡墙的变位 方式对土压力的影响；其次，这类方法不能直接用于基坑支护结构三维分析，完 全采用经典土压力理论计算得到的主动土压力合力和被动土压力的合力往往是 不为零。这就不可避免的会使支护结构在计算过程产生刚体位移。为了满足计算 要求，需要在计算过程中引入额外的水平向约束，但这往往会引起计算失真。 2 实体有限元计算方法 随着有限单元法及计算机技术的发展，实体单元有限元被逐渐应用到基坑工 程的计算中。这类方法通过一定的本构关系，将土与支护结构以实体单元的形式 建立到分析模型中，从而避开了传统的土压力模型假定以及直接的土压力求解。 实体有限元，特别是三维实体有限元，适用复杂地下结构，并需要考虑土与 结构共同作用、施工过程影响、结构及土体的空间受力特性和土体的非线性行为 的工程应用中。文献f 3 明是此类方法中较为典型的一个例子，文中对土体、钢筋 混凝土地连墙分别采用2 0 节点三维实体单元，线弹性8 节点板单元，实地模拟 支撑结构和土体之间的共同作用及不同施工方案对支护结构的影响。在具体工程 进行有限元分析时边界条件和计算范围往往不易确定的困难，娄奕红等提出用有 限元与无界元耦合的方法进行基坑支护结构内力及变形动态分析，并取得一定的 成果【3 8 】。 从计算理论以及算法上看，实体有限元分析是一种很有发展应用前景的计算 方法，但在实际应用上却存在两方面的不利因素： ( 1 ) 土的本构关系以及计算参数较难确定 土的属性较为复杂，较难选取合适的本构关系以及计算所需要的参数，如 d n l c k e f p m g e r 计算所需的剪胀角在一般的地质资料中并没有直接提供；同时也 很难验证其计算结果的准确性。 ( 2 ) 成熟的商业软件价格过高 8 第j 苹绪论 由于实体有限元计算( 特别是三维分析) 所涉及的建模、网格划分、非线性 求解都具有相当的难度，所以一般采用a b a q u s 、a d i n a 、a n s y s 、f e m l b 等通用商业有限元软件进行分析。但这些软件大多售价不斐，以a n s y s 为例， 仅结构计算( s n t u c t u r e ) 模块就近十万美元。如此高昂的价格对基坑工程计算 的研究分析以及工程应用都是非常不利的。 3 考虑变形等因素的简化计算方法 这类方法一般较多是在第一、二类方法基础上改进而来。在土压力的计算时， 考虑围护结构变形等因素，基坑内外土压力可以随围护结构变形而变化。这类方 法中比较简单做法就是将部分土体假怒成土弹簧，如常用的弹性地基粱法，就是 将被动区土体假想土弹簧。 这类方法优点，采用简化的土压力计算方法，而不必采用实体单元模拟，计 算速度大大提高；考虑围护结构交形等因素，计算结采较接近于实际，在最近的 一些研究中，部分学者将时间、温度也列入到考虑范围；拥有丰富的工程应用经 验，国内绝大部分基坑工程均采用此方法进行计算。但由于这类方法大多局限于 基坑典型剖面上平面分析在计算一些结构复杂、工况繁多的深基坑工程时。往 往会遇到一些问题，国内学者对传统的弹性地基梁做了不少改进工作改进。徐伟 等( 1 9 9 4 ，1 9 9 6 ) 【4 0 | 5 9 1 采用平面框架计算模型对基坑支护结构进行分析。其方法可 以分为两步：先采用弹性地梁法对排桩迸行平面分祈；再将上一步求得的支撑反 力施加到支撑框架上，求解支撑变形及内力。该计算模型较为简洁，但主要存在 两点不足：( 】) 在排桩计算时，较难选取一个合适的支撑刚度；( 2 ) 在平面框架 计算时，需要引入额外约束点。对于形状规则，结丰句对撑的基坑工程这个方法是 可行的，但对于不规则形状的基坑，此方法可能会引起较大的计算误差，特别是 在施加额外约束点的位置上，顾汉梁等( 2 0 0 0 ) 分析平面框架模型、不协调空间 计算模型的不足之处基础上，提出了协调的空间计算模型，避免了不协调空间计 算模型的各种缺陷，同时应用增量叠加法模拟施工过程。该文所采用的计算模型 及计算方法都比较为完善，但也有一些不足之处。文中虽然采用三维的计算模型， 但从文中挡士结构计算简图看，该文对于被动区土体仍只考虑基坑周边法线方向 的弹簧刚度，而没有考虑沿基坑周边的切向土弹簧刚度。在实际工程中，桩间土 层厚度一般在2 0 4 0 c m 之问，其刚度应远大于法向土弹簧刚度。不考虑切向土弹 簧是不太合理的，它往往会使基坑角部的位移计算产生较大的误差， 9 浙江大学硕士学位论文郭跃2 0 0 6 年6 月 国内采用这类方法的计算程序主要有同济大学开发深基坑支挡结构分析计 算软件( f r w s ) 以及北京理正公司开发的理正深基坑支护结构软计软件( f - s p w ) ， 其中f s p w 程序的最新版本支持基坑支护结构的三维分析，但不支持分段旌工、 板支撑以及拆撑等计算并且在多工况计算时还存在着些问题。 1 3 本文主要工作与创新点 随着城市建设的发展，基坑的平面规模越来越大，开挖深度也越来越深。板 支撑、地下室逆作法等一些新方法、新技术被运用到深基坑工程中。传统的计算 方法，如规范推荐的弹性地基梁法，在计算这些结构复杂、工况繁多的深基坑工 程时，需引入过多的假定，计算结果不能反映基坑的空间效应和分段施工效应。 针对这些问题，本文在查阅、整理国内外相关文献基础上，做了如下几方面的研 究工作。 1 3 1 主要工作 1 改进传统的平面计算方法 比较和分析基坑支护结构常用计算方法，在此基础之上，对传统的弹性地基 梁法迸行如下改进，使其适应于基坑支护结构的三维全过程分析：提出协调的三 维计算模型，采用空间杆件与平板单元取代了平面杆系单元；采用增量法模拟基 坑的整个开挖过程；应用子结构法，对围护结构进行计算优化，提高程序的运行 速度。 2 编制三维全过程分析有限元程序并验证其可靠性 针对梁板式支撑体系围护结构的特点，并考虑分段施工等因素对支护结构影 响，编制相应模拟基坑实际施工全过程的三维有限元计算程序。为提高程序的通 用性与可操作性，本文采用通用图形接口文件( d x f 文件) 作为程序输入输出 文件，这样既可发挥现有c a d 软件强大图形编辑显示功能，又可大大简化本程 序的前后处理工作；并通过将本文计算结果与现有软件计算结果对比，验证程序 的可靠性。 3 基坑支护结构的三维全过程分析的应用研究 利用本文的计算方法及程序，对实际工程中常见问题，如分段施工、板支撑、 1 0 第1 审绪论 坑外不均匀堆载等做比较分析，得出规律性成果，为基坑支护结构的优化设计、 施工顺序的合理安排提供计算依据；并以西湖文化广场二期基坑工程为例，详细 分析了整个基坑支护结构在施工全过程中受力及变形性状，并将计算结果与实测 资料相比较，进一步验证本文计算方法以及程序的可靠性，分析了存在的问题。 1 3 2 创新点 1 基坑支护结构的全过程三维分析。与传统的平面计算方法相比，本文所 采用的基坑支护结构的计算模型、计算工况更加接近实际情况； 2 本文方法和程序可适用于复杂的梁板式i l 每时支撑体系围护结构的计算分 析。对采用地下室逆作法和半逆作法的基坑工程，同样可采用本文计算方法及 程序进行分析； 3 首次考虑分段施工等对基坑支护结构的影响，更准确地反映基坑支护结 构在各个施工阶段的变形及内力性状，同时也可以比较不同开挖顺序下的围护 结构变形及内力，为合理安排施工顺序提供计算依据。 第2 章有跟单元法基本原理简介 第2 章有限单元法基本原理简介 工程技术领域内的大多数问题，由于物体的几何形状积载荷作用方式很复 杂，试图按经典的弹性力学和塑性力学方法获得解析解是很困难的，甚至是不可 能的。这种情况下，采用有限单元法获得满足工程要求的近似解是较可行的方法。 本章将对本文程序编写过程中涉及的有限元法基本原理，如率元类型、边界条件、 线性方程组求解等做简单的介绍。 2 1 1 空问杆件单元 2 1 单元简介 1 空间秆件单元刚度矩阵 空间杆单元和平面单元的区别在于：杆件除了可能承受轴力和弯矩的作用 外，还可能承受扭矩的作用。而且弯矩可能同时在两个坐标面内存在。如图2 】 所示。 慨 固2 1 空间轩件受力示意圈 对于空问2 结点杆单元，每个结点有6 个自由度 广义力，它们是 出( 书肚 即有6 个广义位移和6 个 ( 2 一1 ) 其中 q = 融弓毗咒以色】丁( 卢l ，2 )( 2 2 ) p = 【m ，q ，也，心蚝坂r ( f _ l ，2 ) ( 2 3 ) 式中“，一，w 为结点f 在局部坐标系中3 个方向的线位移：吱，民，巴为 结点f 处截面绕3 个坐标轴的转动；馥，代表截面的扭转，钆，以分别代表截面 浙江大学硕士学位论文郭跃2 0 0 6 年6 月 在艋和砂坐标面内的转动；。是结点j 轴向力，。，虬是节点f 在砂及x 在面内的剪力；m ，是结点i 的扭矩，m m 。是节点f 在及砂面内的剪力； 杆单元横截面面积为彳，在船面内截面惯性矩为。，在砂面内的截面惯性 矩为，单元的扭转惯性矩为j 。长度为，材料弹性模量和剪切模量分别为占和 g 的2 结点空间杆单元( 弯曲采用经典梁理论) 在单元局部坐标系内的刚度矩阵可 以表示如下 ( 2 4 ) 2 空间杆件单元的坐标转换 分析空间杆件系统，需要将在单元局部坐标系内建立的单元刚度矩阵转换到 系统的整体坐标系，f 结点坐标转换矩阵如下： l 书翱 陋s ， 其中 九：伊 k 1 4 2 - 6 ) o 皿一p o o q， 哪一r o o o 皿， 。咀了。 。 玛丁 勇h下。 。 。墼， 。 。旦产。堡，。 。 。堡r。竺， o o o 口一， o o o o o 一， 。 o o 剑一， o o o o o 甜一， 。半。孚。字 。墼，。 。 。墼产。墼p 鲋一，o o o o o 叼一， b一，o o o o o 尉一， o望产o o o堡， 6 4 o o bi，o b一， 6 4 一 o o o 叫一， 。 。堡， t 一 。些p 丝， 第2 章有限单元法基本原理简介 式中k ，i ，t 是整体坐标x 对局部坐标；，歹，；的3 个方向余弦，即 ；= c o s ( x ，x ) ，t i = c o s ( x ，y ) ，t ；= c o s ( x ，z ) 其余，；，i ，t ；分别是整体坐标y ，z 对局部坐标的方向余弦a 单元转换矩阵r 为6 肛锄m 单元结点数目) 的方阵，具体形式视单元的结点 数而定，对于2 结点的直杆单元转换矩阵可以表示为： r = 五0 oa 0o 00 00 oo 五o ol ( 2 7 ) 3 杆件单元等效结点力 杆件单元作用着梯形分布荷载，可分解成矩形分布和三角形分布的叠加。单 元等效结点力巧( 局部坐标) 如表2 - 1 所示。 表2 1 杆件单元在矩形和三角形分布荷载下等效结点力 荷载分布 乃 f 节点 ，点 f o 0 ! 。 只 口， 口z l 比ii 儿l 儿l l i 儿i i 出、 j | b弓 f 0o 一，o0 、0ym 。 ，一一 00 vv m 。 口i 2 g f 2 m 】21 2 c 00 e 3 9 ?7 9 ， 2 02 0 o 彳 f o0 - ，一一州t t 丌t 佣 气一五立u i i i i l l u l _ m 。 o o j ” oo ， j ， d y m 。 g z 2q f 2 肼一 3 0 2 0 浙江大学砸上学位论文 郭跃2 0 0 6 年6 月 2 1 2 平板单元 1 平板单元刚度矩阵 平板的中面只有垂直于中面的位移，即挠度，而没有面内的位移。这样一 来，板只产生弯曲变形，通常称之为平板弯曲问题；平板中面的位移”、v 属于 弹性力学平面应力问题研究的内容。平面应力问题中结构的变形是沿厚度均匀分 布的，即结构想薄膜一样工作，通常称次变形为薄膜应力状态。平板中弯曲状态 和薄膜状态两者是互相不耦合的，f 如直杆( 梁) 杆件中，拉压和弯曲、和弯曲、 扭转几种应力状态是互不耦合的一样。所以平板单元看成是平面应力单元和平板 弯曲单元的组合，平板单元刚度矩阵可以由这两种单元的刚度矩阵组合而成，这 里以3 结点平板单元为例，对其刚度矩阵做简单的介绍。 对于平面应力状态 陆喜m “吐( 约 陋s ， 。= 耳”口；，= 眩弓】t ( 2 9 ) 群= 小斜”) d 州掣“出方 ( 2 一l o ) 垦，丑，为应变矩阵口的分块矩阵 d 为弹性矩阵 丑= 刮、r ： 衙 0 烈 砂 d ：三 l v 2 0 槲 砂 洲 融 1l ， v l o o ( f ，工珊)( 2 一1 1 ) 0 o 1 一y 2 其中i ，j ，。为单元的插值函数或形函数 ( 2 1 2 ) 第2 章有限单元泣摧本原理简介 对于平板