（岩土工程专业论文）粉砂粉土中深基坑水土压力及围护结构受力性状研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 深基坑工程不断出现在高层建筑地下室、地铁车站等城市建设工程中，其 安全问题越来越引起人们的高度重视。目前，对于深基坑开挖问题的研究主要集 中在计算模型和水土压力分布形式两个方面。粉砂粉土中，基坑被动区土体水平 侧压力系数与竖向有效应力关系的研究还鲜有报道。本文以杭州地铁一号线试验 段工程秋涛路车站基坑开挖为研究背景，主要对在粉砂土软弱地基中地铁车站深 基坑开挖工程围护结构的水土压力分布，及英内力和变形作了研究。 首先，本文建立了土压力与位移之间的关系，模拟主动区土压力随围护结 构变形而变化，修改了国家规范建议的弹性地基梁模型中土压力的分布模式，改 进了已有的基于弹性地基梁模型编制的深基坑有限元分析程序m m e t h o d ，模拟 了正常情况下，分步开挖和逐级加撑的施工过程对围护结构工作性状的影响，得 到了各工况下围护结构的内力和变形。 然后，论文通过g d s 应力路径试验，得到了杭州粉土位于不同深度下的土 体模量，建立了深基坑被动区土体水平侧压力系数与竖向有效应力之间的关系， 阐述了渗流能引起被动区土体有效应力的减小，降低了土体的侧压力系数，对基 坑围护结构的稳定造成影响。结合有限元程序m e t h o d 模拟了特殊情况下，即出 现流砂、管涌情况时，分步开挖和逐级加撑的施工过程对围护结构工作性状的影 响，得到了各工况下围护结构的内力和变形。 最后，论文对杭州市地铁一号线试验段工程秋涛路车站基坑开挖围护结构 在正常情况下和极限情况下的内力和变形做了分析，得到了粉砂土地基中地铁车 站基坑开挖围护结构内力和变形的变化规律，为今后类似工程提供了一定的参 考。 关键词：地铁车站基坑开挖 土压力水平侧压力系数有限单元法 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e m e n to f p i tf o u n d a t i o ni nm a n yb u i l d i n g sa n dm e t r o s t h es a f e t yo f d e e pe x c a v a t i o ni sb e i n gp a i dm o r ea u e n f i o n n l ea b o v es t u d i e sm a i n l yf o c u so n t h e o r e t i c a lm o d e la n dd i s t r i b u t i o no fe a r t hp r e s s u r e t h er e l a t i o nb e t w e e nl a t e r a l p r e s s u r ec o e f f i c i e n ta n dv e r t i c a le f f e c t i v es t r e s si np a s s i v er e g i o ni nf r o n to fw a i li s s t i l lg i v e nl e s sc o n c e r n t h i st h e s i si sc a r r i e do u ta g a i n s tab a c k g r o u n do fq i u t a or o a d s u b w a ys t a t i o ne x c a v a t i o no fh a n g z h o un o 1m e t r o t h ea i mi st og e tt h ew a t e r p r e s s u r ea n de a r t hp r e s s u r ea n dt oe v a l u a t et l l ei n t e r n a lf o r c ea n dd e f o r m a t i o no f r e t a i n i n gs t r u c t u r eo f s u b w a ys t a t i o ne x c a v a t i o ni ns i l t ys a n d f i r s t l y , t h e1 i n e a rr e l a t i o nb e t w e e ne a r t hp r e s s u r ea n dd i s p l a c e m e n ti sa s s u m e di n t h i sp a p e r ，t h ed i s t r i b u t i o no fe a r t hp r e s s u r es u g g e s t e di nn a t i o n a lr e g u l a t i o n i s m o d i f i e d t h ef i n i t ee l e m e n tp r o g r a m m em m e t h o dw r i r e nb yv c + + i se m e n d e d ， w h i c hi sb a s e do nt h et h e o r yo fe l a s t i cf o u n d a t i o nb e a m t h em m e t h o di sa p p l i e dt o a n a l y s et h ei n t e m a if o r c ea n d d e f o r m a t i o no f r e t a i n i n gs t r u c t u r ei nn o r m a lc o n d i t i o n s s e c o n d l v s e c a n tm o d u l u sa n dl a t e r a lp r e s s u r ee o e m c i e n ti so b t a i n e df r o mt h e g d s l a bw h i c hs i m u l a t e st h es 仃e s sp a t ho fs o i lw h e ne x c a v a t i n g a c c o r d i n gt ot h e g d s l a b t h et e l a t i o nb e t w e e nl a t e r a ip r e s s u r ec o o 街c i e n ta n dv e r t i c a le f f e c t i v es t r e s s i se s t a b l i s h e dt h ef a c rt h a tt h es e e p a g ec a nr e d u c et h el a t e r a lp r e s s u r ec o e f f i c i e n ti s e x p a t i a t e d t h em r a e t h o dm o d i f i e db yt h er e l a t i o nb e t w e e nl a t e r a lp r e s s u r ec o e f f i c i e n t a n dv e r t i c a le f f e c t i v es t r e s si sa p p l i e dt oa n a l y s et h ei n t e r n a lf o r c ea n dd e f o r m a t i o no f r e t a i n i n gs t r u c t u r ew h e ns h i f t i n gs a n d h a p p e n s f i n a l l y , b yu s i n ge m e n d e dp r o g r a mm m e t h o d ，t h ei n t e m a if o r c ea n dd e f o r m a t i o n o fr e t a i n i n gs t r u c t u r e so fq i u t a or o a ds u b w a ys t a t i o ne x c a v a t i o na r ea n a l y z e di n n o r m a lc o n d i t i o n sa n da b n o r m a lc o n d i t i o n s a n dt h eg e n e r a lr u l e so f t h ei n t e m a lf o r c e a n dd e f o r m a t i o no fr e t a i n i n gs t r u c t u r eo fs u b w a ys t a t i o ne x c a v a t i o ni ns i l t ys a n da r e g i v e n ，w h i c hw i l lp r o v i d er e f e r e n c e sf o rt h es i m i l a re n g i n e e r i n g ， k e s l v o r d s ：s u b w a ys t a t i o n ，e x c a v a t i o n ，e k r t hp r e s s u r e ，l a t e r a l p r e s s u r e c o e f f i c i e n t ， f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ； n 浙江大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 二十一世纪是人类利用和开发地下空间的时代。 可持续发展已成为我国一项国策f 1 】，作为国民经济的支柱产业土木工程也顺 应潮流，走出从大片良田被钢筋混凝土所取代而无法再生及居住、交通、环境的 矛盾日益突出的困境，开始思考如何将地面沃土多留给农业和环境，将地下岩土 多开发给道路交通、工厂和仓库，从而使地下空间成为人类在地球上作为安全舒 适生活的第二个空间。 综观当今世界，众多有识之士已把地下空间的发展和利用作为解决城市资源 与环境危机的重要措施，是实现可持续发展的重要途径。以地铁为例，1 8 6 3 年， 世界最早的地铁伦敦“大都市铁道”开通以来，地铁已经在一百多个国家运 行，总长度超过5 5 0 0 公里( 欧洲约2 1 0 0 公里；亚洲约9 0 0 公里；北美约1 6 0 0 公里； 南美约3 0 0 公里) 。地铁已经成为大城市地下交通的基本形式，不但充分地利用了 地下空间，还很好地解决了城市的交通问题。 随着我国经济建设的突飞猛进及城市化程度的不断提高，大量高层建筑开始 涌现，与此同时出现了大量的深基坑工程，如表1 1 所示，基坑深度般在8 3 0 m ， 如上海金贸大厦，建筑层数8 8 层，基坑开挖面积约2 0 0 0 0 m 2 ，开挖深度为1 5 1 9 6 m ，首都国家大剧院开挖深度达到了3 2 5 m 等，基坑开挖的深度在不断地加深， 开挖面积也在不断地加大。 同时我国城市基础设施建设滞后于城市化进程的矛盾目益显现。以城市交通 为例，交通堵塞已经成为我国各大城市的主要问题。为了解决这一问题，北京、 上海、广州等l o 个经济发达城市先后修建了地下铁道为骨干的大运量快速公交系 统来缓解城市交通的紧张状况，如表1 2 所示。今年我国杭州市已获国务院批准 修建地下铁道，以解决其城市严重的交通问题。地铁等地下交通的建设设计了大 量的深基坑工程。毋庸置疑，我国即将迎来地下工程及地下空间综合开发的高潮。 浙江大学硕士学位论文 表1 1 国内外部分深基坑概况 基坑深度 l 序号地点 工程名称层数 基坑面积m 2 围护形式 m 1 上海 金贸大厦8 8约2 0 0 0 01 5 1 9 6地下连续墙 2 上海明天广场5 81 1 6 6 41 7 2 3 地下连续墙 3 上海浦项广场3 47 9 0 01 5 2 0 地下连续墙 4 上海外环越江隧道 宽4 3 m 3 0 地下连续墙 5北京 东方广场2 09 1 2 0 01 7 2 3 灌注桩 6广州 珠海广场地铁站宽3 9 m 2 6 5 地下连续墙 7 广州金汇大厦2 83 4 3 21 9 2 3 地下连续墙 8 江苏润扬大桥北锚墩约3 0 0 04 8 地下连续墙 g 上海宝钢深基坑3 4 63 2地下连续墙 1 0 东京新丰洲变电所直径1 4 4 m2 9 2地下连续墙 l l 上海 世博变电所直径1 3 0 m3 4地下连续墙 】2 杭州 杭州地铁秋涛路车站约4 9 0 0 1 8 1 钻孔咬合灌注桩 表1 2 国内现有地铁建设的概况 绷带i i 京 天津 止海 i 广州 i = 采圳蹲京i 螂日激1 1 自蒙 睁铁名称学蜘髫试甲南十城r 期卜一期瑟铲誉挈2 每卜 辇擎长度公 t n e e 1 8 5 1 8 5 5 ，谨 i z l 7 s ， j 3 2 睁b 陆b 窟蓄妩嚏s 琵滨f 彰裱辆陋 ，工对j! 爿e s s 年目7 。年6 8 目莒年1 年2 ：詈2 口月茎茎肆下l ：莒年1 2 月冷年底2 0 0 5 i 年 茎嘶 睁阃 i 学蓄衅控臀填器铂胃矿1 2 离璐年明1 需蜘融。年翟n 鐾甲唬7 n 知睁n s s 亿 z e 花 e t 亿托 t 亿 吨 注：本覆格于2 0 0 5 6 摘于杭州网 地铁车站深基坑开挖的各种技术虽然均已比较成熟，但是都处于半理论半 经验的水平上。同时，对于处于不良地质条件以及较高环境保护条件下的基坑开 挖，无论在设计还是在施工上都存在很大的难度。由基坑失稳影响施工或因基坑 开挖影响邻近建筑物安全使用的问题已随着城市建设的发展而成为一个非常严 重的问题，使得人们倍加关注基坑开挖工程围护结构工作性状的研究工作。基坑 工程围护结构设计理论的发展关键之一是正确计算作用在围护结构上的土压力。 浙江大学硕士学位论文 目前在常规设计中土压力一般取静止土压力或极限状态下的主动土压力和被动 土压力，而围护结构由于基坑内土体的嵌固作用和支撑作用，结构位移受到限制， 作用于围护结构上的实际土压力并不处于极限状态。实际土压力是土与围护结构 相互作用的结果，与围护结构的位移、刚度和土体强度等因素密切相关。 杭州市地铁号线工程试验段秋涛路车站处于具有丰富潜水和承压水的粉 砂土地基中。研究该工程围护结构水土压力分布及其围护结构的受力性状对类似 工程具有非常重要的指导意义。本文以秋涛路车站基坑工程为背景，对作用在围 护结构上的水、土压力分布及其围护结构的内力和变形进行了定的研究，以期 为今后杭州地铁等深基坑工程的设计和施工提供参考。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 深基坑的特点 对于基坑的分类，目前没有明确的规定，一般认为，开挖深度在5 m 以下的 为浅基坑，开挖深度在大于5 m 的为深基坑，而开挖深度大于1 5 m 的，部分学者 将其定义为超深基坑。深基坑与浅基坑相比，存在着共同的特点：一、一般施工 时间紧，以地铁为例，随着国内城市化进程的加快，城市内部的交通目益严峻， 地铁的早日建成成为了缓解交通的有效手段。二、距离近，大多大型基坑位于城 市繁华地段，其建设极易受到既有建筑( 构) 物及地下空间综合开发、利用的限 制。同时深基坑具有其自身的特点：一、开挖深度较深，开挖规模较大，如杭州 地铁开挖深度为1 6 8 1 8 1 m ，开挖面积约为4 9 0 0 m 2 ；二、深基坑工程个性较强， 基坑事故时有发生，采用一般古典水、土压力分析理论存在着一定的风险，同时 在东南沿海地区，如上海、杭卅i 等地，还要受到不良地质条件的影响：三、围护 结构要求高，承受的荷载较大，作用于围护结构上的水压力随深度呈线性增加， 土压力随深度呈指数增加，同时土压力受围护结构自身变形的影响。 1 2 2 围护结构的类型和设计理论 对于基坑而言，按基坑开挖深浅不同，围护结构可以分为浅基坑围护结构和 深基坑围护结构。浅基坑围护结构如水泥土墙围护结构，国内多采用格栅形式， 即重力坝式挡墙和边坡插筋支护体系( 复合土钉墙) 等。深基坑围护结构包括重 浙江大学硕士学位论文 力式支护体系和板式支护体系。重力式支护体系包括水泥土墙与其他支护体系， 与浅基础类似，板式支护体系从支护墙体上细分为钢板桩，钢筋混凝土板桩，h 型钢木挡板，钻孔灌注桩，地下连续墙以及sm 1 l r 支护结构。 挡土墙是土木建筑、水利水电、铁道交遥等工程建设中广泛应用的一种围护 结构物。挡土墙的类型很多，基坑维护结构中所采用的水泥土墙、地下连续墙和 排桩等也属于挡土墙的种。根据墙体刚度的不同，挡土墙又可分为刚性挡土墙 和柔性挡土墙两类。刚性挡土墙是指墙体本身刚度较大，在土压力作用下墙体基 本不变形或变形很小的挡土墙，如用砖、石、混凝土等材料建筑的重力式挡土墙、 悬臂式挡土墙、扶臂式挡土墙等，在计算这种挡土墙上的士压力时，可以不考虑 墙体变形对土压力及其分布的影响。柔性挡土墙是指墙体的刚度不大，在土压力 作用下墙体本身会产生变形的挡士墙，如支撑墙、板桩墙、锚定板挡土墙，地下 连续墙等，在计算这类挡土墙上的土压力时，应考虑墙体变形的影响。本文主要 分析柔性挡土墙的土压力分布。 目前，用于分析深基坑多撑式围护结构内力及变形的理论主要有极限平衡 法、弹性地基梁法、有限单元法以及这些方法和反分析方法的结合。 1 ) 极限平衡法 挡土结构内力分析的极限分析方法假定围护结构桩墙上的侧压力均达到极 限状态，这一类方法主要有静力平衡法、等值梁法、弹性曲线法、t e r z a g h i 法、 等弯矩法和等轴力法，目前应用较广的主要是静力平衡法和等值梁法。 2 ) 有限单元法7 6 】 1 9 7 2 年，c l o u g h 第一次将有限单元法运用到基坑工程分析以来，有限元法 在挡土结构分析中得到了广泛应用。近年来，连续介质有限元法也得到了应用， 计算中一般假定挡墙为二维弹性体，土体可假定为线弹性体、非线性弹性体、弹 塑性体或其他本构模型，挡墙及土体多采用八节点等参元，支撑为一维弹性杆单 元，挡墙与土体界面上采用g o o d m a n 接触面单元。连续介质有限元法可求得每一 种工况下挡土结构的内力、位移及支撑轴力，还可求得基坑周围土体及基底土体 的位移。 3 ) 反分析理论 反分析方法的研究始于十九世纪7 0 年代，由于其具有较强的工程应用价值， 4 浙江大学硕士学位论文 很快受到许多学者和工程师的关注，并在较短时期内取得了大量成果，已逐渐成 为岩土工程学科的一个分支，并初步形成了独立的理论体系。 反分析方法即以现场量测值为依据，借助优化反演原理确定荷载和地层性态 参数值，并将可使以这些参数值为输入量，算得的测点计算值与实测值相比误差 为最小的量，作为优化反分析解，尔后将其作为预测计算分析的依据。 4 ) 弹性地基梁法 弹性地基梁法，又称“弹性杆系有限元法”。基底以上部分挡土结构采用梁 单元，基底以下部分挡土结构为弹性地基梁单元，拉杆( 支撑) 为弹性支承单元， 桩墙后的侧压力在坑以上按朗肯主动土压力来考虑，开挖面以下按矩形分布，大 ，0 和孙 j 。”“、 士懈巾 j “ ：j 。j ：= 枷 j “ 一 、 嚣强 k 、复嚣 狂浇d j 。 j o 肿 ，冉， 图1 1 弹性地基梁法分析图式 小等于开挖面处的朗肯主动土压力( 图1 i ) 。然后，对挡土结构进行有限元分析， 求出结构的内力与变形。弹性地基梁法能够考虑支挡结构的平衡条件以及结构与 土的变形协调，分析中所需参数单一而且比较容易确定，并可有效地记入基坑开 挖过程中的多种因素的影响，能根据开挖及地下结构施工过程的不同工况进行分 析，考虑开挖工况的影响。而且，通过一些经验的方法，可以从此法计算得到的 支挡结构的水平位移，初步估计开挖对邻近建筑的影响程度，因而在实际工程中 已经成为一种重要的设计方法和手段，成功地解决了诸多基坑开挖工程设计和施 工的问题。 国内很多学者主要从基坑开挖过程中围护结构所受的土压力分布以及围护 结构模型本身的简化两方面对弹性地基梁模型进行了研究。 浙江走学硕士学位论文 1 2 3 土压力分布模式 在基坑工程的设计和施工中，为了维护基坑开挖边坡的稳定，常需要设置临 时性或半永久性的支护工程，它们经常承受土体侧压力的作用，- 卜压力就是这种 侧压力的总称。土压力是作用于基坑 程的主要荷载，特别在大型基坑的丌挖中 能较正确地估计土压力，对于确保工程的顺利施工和今后的正常使用都具有十分 重要的意义。 土压力足土力学中的一个古老而重要的课题，从1 8 世纪开始就有许多学者对 此进行了研究，提出了压力的计算理论和计算方法，其中著名的是1 7 7 3 年库仑 ( c a c o u l o m b ) 提出的土压力理论和1 8 5 7 年朗肯( w j m r a n k i n e ) 提出的土压力理 论，这两个土压力理论因其计算简单和力学概念明确得到了广泛的应用，成为了 工程建设中土压力计算的基础，以后的各种土压力理论及分析方法，很多也是建 立在上述两个经典土压力理论之上。 经典土压力按围护结构的位移方向、大小和士体所处的三种极限平衡状态， 可分为三种： 日必衄 ( a )( b ，c ) ( a ) 静止十压力 ( b ) 主动土压力( c ) 被动土压力 图1 2 土压力分布类型 ( 1 ) 静止土压力 当围护结构在土压力作用下，不可能产生侧向位移，土体处于弹性平衡状态 时，则作用于结构上的土压力称为静止士压力。如图1 _ 2 ( a ) 所示。 ( 2 ) 主动土压力 围护结构在土压力作用下，将向离开土体的方向移动产生位移，随着这种位 移的增大，作用在围护结构上的土压力将从静止土压力逐渐减小，当位移选到一 定量时，则其后土体开始形成滑裂面，应力达到极限平衡状态，这时作用在围护 结构上的土压力处于最小值，称为主动土压力，如图1 2 ( b ) 所示。 结构上的土压力处于最小值，称为主动土压力，如图1 2 ( b ) 所示。 浙江大学硕士学位论文 ( 3 ) 被动土压力 围护结构在荷载作用下，将向土体方向产生位移，随着这种位移的增大，土 体阻止其变位的抗力增加，使作用于结构上的土压力逐渐增加，当位移达到一定 量时，则其后土体办形成一个滑裂面，应力达到极限平衡状态，土压力达到了最 大值，这时作用于围护结构物上的土压力称为被动土压力，如图1 2 ( c ) 所示。 经典的土压力理论都基于以下的假定：围护结构视为刚性体，土体是理想刚 塑性体，服从m o h r - - c o u l o m b 准则。依照经典土压力理论得到的极限平衡状态下 的土压力值，土压力为直线分布。经典土压力存在着两个明显的弱点：一是要求 土体变形达到极限状态的临界条件；二是经典土压力理论没有考虑围护结构自身 变形对土压力的影响。 现实中作用在围护结构上的土压力，其大小和分布与诸多因素有关：1 ) 围 护结构的形式和自身刚度；2 ) 围护结构表面的倾斜度及其粗糙程度：3 ) 围护结 构的变形及位移；4 ) 填土的性质( 如土的不均匀性，土的物理性质等) ；5 ) 填土 的表面荷载情况；6 ) 地下水的情况，其中围护结构的位移是影响土压力性质的 关键因素。 围护结构的形式和刚度不同，作用在其上的土压力的大小和分布也不相同， 库仑土压力理论和朗肯土压力理论主要适用于刚性的围护结构( 如刚性挡土墙) 。 柔性围护结构( 如柔性挡土墙) 由于受到墙体本身变形的影响，土压力及其分布 与刚性围护结构有很大区别。 ( 一) 网性围护结构的土压力理论研究 首先对经典土压力理论提出质疑的是t e r z a g h i ，t e r z a g h i ( 1 9 3 2 ，1 9 3 6 ) ”“ 通过大规模试验获得了极限状态和围护结构变形的关系，并指出，只有当土体水 平位移达到一定值，土体产生的剪切破坏时，c o u l o m b 和r a n k i n e 土压力值才是正 确的。t e r z a g h i 和t s c h e b o t a r i o f f ( 1 9 6 2 ) 进一步指出，当围护结构绕墙趾转动 时，主动土压力为三角形分布，而当围护结构平移、绕墙顶转动和绕墙中部转动 时，主动土压力为非线性分布。 f a n g 并n l s h i b a s h i ( 1 9 8 6 ) 舯1 对砂性填土刚性挡士墙的主动压力进行了模 型试验，试验结构表明：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，但不同挡土结构的变位方式达到主动土压力状态所需的唯一两基本 7 浙江大学硕士学位论文 一致，土压力合力作用点随着土的密度增加而上升。 f a n g ，c h e n 和w u ( 1 9 9 4 ) 。”对砂型填土刚性挡土墙的被动土压力进行了模型 试验，试验结果表明：墙体平移时，被动土压力为直线分布，墙体转动时，土压 力为非线性分布，土压力大小与合力作用点和墙体的变位方式有关。 陈页开等( 2 0 0 1 ) 自制了模型箱，进行了砂性填土的被动土压力的模型 试验，研究不同变位模式下被动土压力的大小和分布规律。由试验可得：墙后土 压力系数随挡墙的位移变化呈非线性关系，不同的挡墙变位方式，墙后土体达到 被动极限平衡状态所需要的位移不同。 在试验证实的基础上，不少学者提出了各自的土压力计算公式。 d u b r o v a 压力重分布法是建立在库仑土压力理论基础之上，分析了挡墙不同 变位模式下的土压力大小及分布，并求得不同变位模式下土压力的分布解析解。 m e k a r a h 在1 9 6 0 年发表了论挡土墙非线性分布士压力一文，对墙面竖 直、填土表面水平、填土为砂土的挡上墙，采用水平条分法进行了土压力计算， 得到了土压力沿墙高的分布为非线性特性，土压力的分布图为曲线形，而非通常 认为的三角形。 王元战( 1 9 9 7 ，2 0 0 0 ，2 0 0 5 ) “7 “”等将水平条分泫推广到粘性填土中，得到 了微分方程的精确解，给出了土压力分布的计算公式。 k lp a i k 等( 2 0 0 3 ) 0 13 等对作用于围护结构的土拱效应进行了研究，提出 了砂性填土下考虑土拱效应的刚性挡土墙的土压力分布模式。但此公式只考虑了 开挖面以上主动侧土压力的分布模式，对与被动侧土压力和主动侧开挖面一下的 土压力分布没有给出。 蒋波，应宏伟，谢康和( 2 0 0 5 ) 。2 1 考虑墙土摩擦角对挡土墙后土体滑裂面倾 角的影响，对小主应力拱形状进行了理论分析根据土拱形状计算平均竖直应力， 由此得到了对应不同内摩擦角和墙土摩擦角的侧土压力系数，将其用于水平微分 单元法求解挡土墙主动土压力，得到了挡土墙主动土压力强度、土压力合力和合 力作用点的理论公式，并与库仑土压力理论和模型试验数据进行了比较分析 ( 二) 柔性围护结构土压力理论研究 柔性挡土墙在工程种的多到了广泛的应用，与刚性挡土墙不同的是，柔性挡 土墙一般由排桩或连续墙组成，其下端嵌入到士体中，并通过锚杆或内支撑系统 浙江大学硕士学位论文 获得额外的支撑作用，其工程状态一般为弹性嵌固，由于内支撑系统及入土段土 体的约束，在墙后土体的压力下，墙体产生挠曲变形，引起了土压力的重新分布。 在工程中最为典型的柔性挡土墙为锚桩墙和基坑工程的围护结构。 b j e r r u m ( 1 9 7 2 ) 把支撑围护结构的挠曲变形归纳为三种型式，如图1 3 所示。围护结构随着开挖的进行，其水平侧向位移也在发生变化。因此采用刚性 挡墙的分析方法来进行柔性挡墙结构分析是有欠合理的。尽管传统的设计计算方 法在实际的工程应用中往往也能得到较为合理的结果，但是这结果的获得通常需 要很多假定和工程人员的经验判断，通过修正系数来获得结果，随意性很大。对 工程设计和施工人员要求很高。 。i一 图1 3围护结构典型的挠曲形式 t e r z a g h i 和p e c k ”1 在定试验和实测基础上了，用c o u l o m b ( 或r a n k i n e ) 主动土压力系数的一部分为依据，给出了具有支撑的支护结构土压力分布图式， 如图1 4 所示。 1 、对于砂性土 如图1 4 ( a ) 所示，基坑深度范围内支护结构上作用的土压力为均匀分布： p = 0 6 5 y h k 。 ( 1 - 1 ) 式中：k 。= t 9 2 ( 4 5 4 罢) ，为主动士压力系数。 2 、对于r h c 。 6 的粘性土 如图14 ( b ) 所示，基坑范围内支护结构上作用的土压力最大值为： p ( 1 一m 鲁) 彬 ( 1 - 2 ) 浙江大学硕士学位论文 3 、对于c 。 o 式中：见为主动区土压力，本文称为位移相关土压力；，为主动土压力；为 静止土压力；为墙体侧向位移；。为达到主动土压力所需的极限位移( 下文 浙江大学硕士学位论文 简称为极限位移) ： 在基坑开挖之前，墙体两侧作用静止土压力，随着开挖深度的增加，墙体发 生侧向位移，土压力由静止土压力逐渐减小，当墙体偏向坑内的位移达到极限位 移时，土压力减小至主动土压力，本文假定在墙体位移从0 到极限位移的变化过 程中，土压力从静止土压力到主动土压力呈线性减小，并且位移大于极限位移时， 土压力保持不变。 2 2 2 主动区极限位移求解 基坑墙体达到主动土压力所需要的极限位移和一般刚性挡墙的极限位移是 有区别的，对于基坑而言，其墙后土体大致分开挖面以上和开挖面以下两部分， 土体达到主动土压力主要是指开挖面以上部分土体达到主动土压力。 c a s p e ( 1 9 6 6 ) i s 6 1 通过墙后土体的变形状态分析，认为墙后的土体分为a 、b 、 c 三区( 图2 4 ) ，a 为塑性平衡区，b 为弹性平衡区，c 为未受扰动区，e o 和f d b c 均为对数螺旋线。对围护墙后任一深度h 处，高为, s h 的土条而言( 如图中的阴 影部分所示) ，c a s p e 认为a 区各点的水平应变颤相等，氏= 墨盟，式中占( ) 为 上1 围护墙相应深度处的侧向变形，厶为a 区土条的长度；b 区各点的水平应变钿随 x 的增加而线性减小，岛= 警。( 1 一墨手) ，1 x 墨+ 岛，式中上2 为b 区土条的 长度；这样便得到围护墙背后的土体的水平交形i = ( 1 + 鲁) 占( 向) 艿( 而) ，这与 结果不符合。 刘兴旺等( 2 0 0 0 ) 8 在c a s p e 的基础上加以改进，称为改进的c a s p e 法， 此法认为侧壁某一点的侧向变形为土条应变的积分，即 占( ) = r 巳出+ e “岛出( 2 - 1 1 ) 浙江大学硕士学位论文 ah 羔 e 图2 4 主动区土体应变状态分布模式 本文将土单元假定为弹塑性体，通过莫尔应力圆得到了单元土体达到极限破 坏时所需要的最大变形，结合改进的c a s p e 法，得到了深基坑侧壁某一点的极限 位移。具体分析如下： 一般建筑基坑工程的基坑宽度相对深度均较大，假设此时图2 4 中的对数螺 旋线f d b c 通过桩端，这样： ! ：i 坚! ! ! ! 塑 = d e 1 ” = d d 一围护桩插入深度。 。一d 一( 型蔫辈2 ) e r 2 = 。 为了推导的方便，将图中实线e o 、f d b c 分别简化为通过o 点、d 点，且斜率 为t a n ( 4 5 。一刍的直虚线，通过几何关系，可以得到： d ，= k = 2 r 2 c o s ( 4 5 。一要) ( 2 m ) 式中l o e , 为线段o g 的长度。 图2 4 中所示： 乞= 毛h ，0 = 畸( + d i ) ，l o k = 毛d ， ( 2 1 3 ) 1 ) 当0 h s h 时 墙体侧壁变形有a 、b 、c 三区的变形组成，设a 区土条各点的水平应变为 ，b 区各点的水平应变为如：矗( 1 一羔粤) ，厶 x 上i + 如，厶、厶如图所示，c 浙江大学硕士学位论文 区各点的水平应变为0 。 6 ( 功= g a d x + e “岛斑 = f fe d x + r 们一等避( 2 - 1 4 ) = - 拿q ( 2 h 一2 h + d ，) ( 4 ) 式将求侧壁的变形，由线的积分转化为求点的应变。 对于侧壁上某一点单元，随着基坑开挖的进行，围护结构发生一定的侧向变 形，点单元的侧向应力吒由最初土体的静止土压力k o t h 转化成主动土压力 尼。，向。 图2 5 土体的侧向应力变化 将基坑土体的侧向变形看成是一个平面应变问题，则根据弹性力学应力应变关 系，得到 毛= q = 孚( 吒一f u i q ) ( 2 1 5 ) 毛2 q 2 1 f 吒一f i q ) 心。1 ” 假设士体在发生侧向变形时，竖向应力不发生变化，则上式中盯，= o ；对于 单元体而言旷，的变化量，即为土体土压力与被动土压力之差。 土体杨氏模量和压缩模量存在以下的关系： 岛= ( 1 一篙) b ( 2 _ 1 6 ) 将( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 式代入( 2 1 4 ) 式，可得： 浙江大学硕士学位论文 烈 ) = 鲁_ i l ( 2 h 一2 h + d ，) ：茹埘例鲁篙粉见， ( 2 t 2 ) 当h h h + d 时 墙体侧壁变形有b 区的变形形成，b 区各点的水平应变为 岛= 允