（岩土工程专业论文）黄土逆作箱涵的受力性能分析与优化设计.pdf

摘要 黄土逆作箱涵的受力性能分析与优化设计 学科：岩土工程 作者：赵晓玲 导师：郭增玉( 教授) 摘要 签名：赵亟硷 签名： 堑缓坌 逆作法以其诸多优点已在地下工程、市政工程中得到广泛应用，对逆作法基坑开 挖技术的研究将有力推动基坑工程的发展和进步。本文以逆作工况下公路立交箱涵的 实际受力特点和设计计算方法为研究重点，采用有限元数值分析方法对逆作法施工开 挖过程进行了模拟，在此基础上对箱涵侧增板桩部分的入土深度和截面厚度这两个重 要设计参数进行了计算分析，使之得到了优化和调整；同对为其它类似的箱涵逆作法 工程提出了具体的设计参数确定方法，并对其进行优化分析。主要研究成果： ( 1 ) 基于对有限元模型计算结果的分析得到了逆作法施工过程中箱涵围护结构的 内力、变形和箱涵坑底、坑周的地面变形规律；围护结构的水平位移最大值较软士地 区小，其与黄土的自稳性较好有关； ( 2 ) 基于对箱涵侧墙板桩部分的入土深度和截面厚度两个设计参数的优化，研究 了围护结构不同截面厚度和入土深度对墙体位移和坑底隆起变形的影响规律； ( 3 ) 针对箱涵逆作法刚性围护结构的特点提出了基坑抗隆起验算方法和对墙体侧 向位移产生影响的综合因素系数p ； ( 4 ) 针对箱涵逆作法的特点提出了设计参数的具体确定和优化方法，为其它类似 的箱涵逆作法工程提供了设计思路，并实现其最优化设计。 关键词：逆作法；基坑工程；箱涵结构；有限元数值分析：优化设计 西安理工大学硕士学位论文 1 i t i e ：r e s e a r c ho nt h em e c h a n i c sa n do p t l m i z a t i o nd e s i g n o fb o xc u l v e r tu s i n gt o p d o w nc o n s t r u c t i o ni nl o e s s r e g l o n m a j o r ：g e o t e d h h t c a le n g i n e e r i n g a u t h o r ：x l a o l l n gz h a o s u p e r v i s o r ：p r o f z e n g y ug u o s i g n a t u r e ： s i n c ei t sl o t so fa d v a n t a g e ，m p d o w nc o n s t r u c t i o nh a sw i d e l yb e e nu s e di nu n d e r g r o u n d e n g i n e e r i n ga n dm u n i c i p a le n g i n e e r i n g t h er e s e a r c ho nt h et e c h n o l o g yo ft o p - d o w ne x c a v a t i o n w i l lp r o m p tt h ed e v e l o p m e n to fp i te n g i n e e r i n g f o c u s i n go nt h ec h a r a c t e r i s t i co fm e c h a n i c s a n dd e s i g nm e t h o do fo v e r p a s sb r i d g eb o xc u l v e r tb u i l tw i t ht o p - d o w nc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y , f i r s t l y , i nt h i sp a p e rt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s sw a qs i m u l a t e dw i t hn u m e r i c a lm e t h o d , a n dt h e n t h et w oi m p o r t a n td e s i g np a r a m e t e r ( t h ed e p t hi n t ot h ee a r t ha n dt h et h i c k n e s so fw a l l ) o ft h e s i d ew a l lo fb o xc u l v e r tw e 亿o p t i m i z e da n da d j u s t e dw i t hr e i t e r a n tc a l c u l a t i o na n da n a l y s e ： l a s t l y , t h em e t h o dt od e t e r m i n i n gt h ed e s i g np a r a m e t e r si ss u g g e s t e df o ro t h e rs i m i l a rp m j e c t s ， a n dw i t ht h em e t h o dt h ed e s i g np r o d u c t i o nc a nb eo p t i m i z e de n o r m o u s l y t h em a i nr e s u l t sa s f o l l o w s ： 1 ) b a s e do nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o no fs u p p o r t i n g s t r u c t u r ed u r i n gt h et o p d o w nc o n s t r u c t i o nh a db e e no b t a i n e d ；a n da l s ot h ep r i n c i p l eo ft h e g r o u n dd e f o r m i n go fb a s ea n ds u r r o u n d i n g so fb o xc u l v e r th a db e e ng o t t e n t h em a x i m u m h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to fs u p p o r t i n gs t r u c t u r ei ss m a l l e rt h a nt h a to ft h er e g i o nw i t hs o f ts o i l ， a n di ti sq u i t ei na 每e e m e n tw i t ht h es e l f - s t a b i l i t yo fl o e s s 2 ) b a s e do nt h eo p t i m i z a t i o no ft h et w op a r a m e t e r so ft h ed e p t hi n t ot h es o i la n dt h e t h i c k n e s so fs i d ew a l l ，t h ei n f l u e n c eo ft h et w o p a r a m e t e r so i lt h ed i s p l a c e m e n to fw a l la n do n t h eh e a v eo ft h eb a s ew a so b t a i n e d 3 ) f o c u s i n go nt h ef e a t u r eo ft h es u p p o r t i n gs t r u c t u r eo fr i g i db o d y , t h em e t h o dt oj u s t i f y t h eh e a v eo ft h e p i t b a s ea n dt h ef a c t o rb w h i c ht or e f l e c tt h ei n f l u e n c eo nt h es i d e 摘要 h e l pf o rt h ed e s i g no f o t h e rs i m i l a rp r o j e c t s ，a n df u l f i l lt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g n k q 7w o r d s ：t o p - d o w nc o - - o r ee x c , a v a t i o n ；b o xc u l v e r t s 啦哪c t u 聆；f e mn u m e r i c a l 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：邀照碴口7 年；月习日 学位论文使用授权声明 本人起煎查在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：蠢黛娃 导师签名：夸纽啪7 年于月纠日 1 绪论 1 绪论 1 1 论文选题背景和研究意义 工业化、城市化趋向导致城市人口密度增大，人们的生活与工作空间明显不足； 许多大中城市的基础设施相对落后，制约了经济与社会的发展，于是如何合理开发和 充分利用有限的空间资源日益引起人们的关注。目前，在大中城市中除大量兴建高层 建筑，积极向高空发展外，地下空间的开发和利用日益为人们所重视拓展地下空间 所涉及的深基坑开挖是一项非常复杂的施工过程，不仅要注意到基坑自身的安全与稳 定，亦需要重视和解决因基坑开挖引起的各种环境问题。现代化城市各种建筑物和地 下构筑物的密度增加，对于深度较大的多层地下室，用明挖顺作方法施工受到多方面 的限制“”。 对于带多层地下室的高层建筑，使用明挖顺作方法施工工期过长，许多高层建筑地下 结构施工工期占总工期的四分之一甚至三分之一；其次围护结构在整个施工过程中只是作 为临时结构，待地下结构施工完毕其作用随之消失，而为此发生的费用是相当大的。就城 市市政工程而言，其性质决定了其中绝大多数市政工程往往要建在交通繁忙、建筑物密集、 商业繁华、地下隧道与管线纵横交错的复杂城市环境中，这就要求在施工期间减少对周围 商业及交通的影响，以及对邻近建筑物的保护。上述情况促使我们对明挖顺作的施工方法 和工艺作出改进，以适应新的建设要求因逆作法具有有效地控制基坑变形、保护环境、 最小地占用施工场地、有效解决交通问题以及缩短高层建筑施工工期等优点，得到了越来 越多的应用，己成为当今世界在交通繁忙、建筑物密集的城市中心地区修建地下商场、立 交箱涵以及带多层地下室的高层建筑的有效施工手段之一“。 正是由于我国高层建筑的发展与市政工程的大规模建设使逆作法作为一种新的施工 方法被用于工程实践，并为人们所认可，同时也给地下工程理论提出了新的课题。它不仅 要考虑施工过程中围护结构的内力、变形和稳定性还要考虑周围地层变形对临近建筑物和 地下管线的影响等传统基坑工程问题5 1 6 1 ”。 深基坑工程的逆作法施工是指在地下基础施工的同时，还可以进行地上建筑物的 施工。待上部建筑施i n 若干层后，地下各层基础工程也全部竣工。逆作法一般在城 市内建筑高层时，周围施工环境比较恶劣，场地四周邻近建筑物、道路及地下管线， 不能因任何施工原因而遭到破坏，为此在开挖基坑旌工时，通过发挥地下结构本身对 坑壁产生支护作用的能力，即利用地下结构自身的桩、柱、梁、板作为支撑，即安全 又经济。当用逆作法施工时，主体结构的顶板和楼板兼作施工阶段的围护结构，基坑 西安理工大学硕士学位论文 开挖引起的地层位移可明显降低。 1 2 课题的由来d 1 1 2 1 工程概况 西安朝阳门交箱涵位于朝阳门外护城河东侧、环城东路与长乐西路交汇处，朝阳 门向西连接东五路，向东连接长乐西路主要承担沿线西京医院等重要医院，韩森寨国 防工业区，纺织城轻纺工业区的交通量，是西安市交通规划中二轴三环八射线中的东 西轴线，是交通最密集的地段之一。 朝阳门设计为南北向，连接环城东路，西临护城河，距河岸边的最近距离约为5 m ， 北洞口东侧紧靠西安电器商城，南洞口东侧紧靠西安市城东机电器材超市及居民住宅 楼群。箱涵结尺寸为南北长6 2 8 m ，东西宽2 2 4 m ，跨度1 6 m ，净空高5 2 5 m ，共设沉 降缝2 处，顶板距上部路面1 0 m 。在箱涵所处位置分布着密集、复杂的地下管线网。 在长乐西路方向分布l 条雨水方沟，l 条雨水管道，l 条天然气管道和l 条通讯电缆；。 在环城东路南段、北段分布1 7 条管线，其中有7 条电力电缆，3 条污水管道，4 条给 水管道该工程的平面布置图如图3 2 所示。 图1 - 1 朝阳门立交箱涵平面布置图 f i g 1 - 2s k e t c h o f c h a o y a n g g a t ec | r o s s r o a d b o x c u l v e r t 1 2 2 工程地质条件 箱涵周围土质主要为q 3 黄土及薄层( 0 5 m 一3 0 m ) 不连续分布的杂填土。q ，黄土 的基本物理力学性质为天然含水量m = 1 8 2 5 ，干密度m = 1 2 8 9 c m 3 ，凝聚力c = 1 0 k p a ，m = 2 4 2 8 。地下水位位于洞底基础面下o o 5 m 。 2 1 绪论 1 2 2 施工方案的选取 根据箱涵所处环境特殊和工期要求紧的情况，认为朝阳门箱涵采用逆作法施工是理 想的施工方案，该方案应满足的基本条件为：( 1 ) 施工期间不能中断交通：( 2 ) 施工 期间要保证地下管线、线网的使用畅通；( 3 ) 施工中要保证安全和快速旌工。 按基本条件的要求，为满足条件( 2 ) ，将本来可以按地下连续墙处理为一个施工单 元的箱涵侧墙要分解为两个施工单元，即：板桩和桩间墙。 1 3 逆作法的发展概况与趋势 1 3 1 逆作法在国内外的发展 基坑工程设计长期以来就是个十分棘手的问题，许多学者在这方面作了大量的工 作，并且取得一定的成果，但是人们对逆作法的研究，大多还停留在施工方面1n 过去对于逆作法地下工程的设计往往采用与其它地下工程相同的设计方法，即把地下 工程的设计分为两个阶段：一是施工阶段的设计：一是正常使用阶段的设计。施工阶段 的设计主要采用与一般支护体系相同的设计方法n “、地下连续墙、桩基、地下结构楼 板做为独立的受力构件按立柱设计理论、挡土墙设计理论、灌注桩和结构楼板设计理 论分别进行设计正常使用阶段的设计则按照现有的地下结构的设计理论进行。；对于逆 作的地下工程，考虑其施工特点进而进行围护体系设计的研究，根据现有的文献资料， 目前国内、外该领域尚少有人涉及。 1 9 3 3 年日本首先提出逆作法的设想，并与1 9 3 5 年应用于东京都千代田区第一生命保 险相互会社大厦。1 9 5 0 年意大利首先开发出了排桩式地下连续墙，并应用于地铁车站 的盖挖法施工，其良好的挡土性能使逆作法在地下水位以下的施工成为可能6 0 年代， 各种低振动低噪音的机械的开发利用，如贝诺特挖掘机、钻孔挖掘机，促进了逆作法 在更大范围内的推广。7 0 年代，打桩机的发展使得支承立柱的施工精度大大提高，逆 作结构本身与围护墙一起承担施工荷载，同时立柱与立柱桩所需的费用大大降低，使 得逆作法在越来越多的国家得到应用。著名的工程有日本读卖新闻社大厦，地上9 层， 地下6 层，总工期只有2 2 个月，与传统方法相比缩短工期6 个月。美国芝加哥水塔广场 大厦“”，7 5 层、高2 0 3 米，4 层地下室，围护结构采用l 米厚1 8 米深的地下连续墙，1 4 4 根大直径灌注桩作为中间支承立柱，当地下结构完工时，主体上部结构已经施工至3 2 层。英国伦敦a d e r s g a t es t r e e tb a s e m e n t 工程，地上8 层，地下7 层，基坑深2 2 米， 围护采用厚l 米、深3 0 米的地下连续墙，压入型钢作为中间支承柱。其他著名的工程还 西安理工大学硕士学位论文 有法国巴黎拉弗埃特百货大楼，德国慕尼黑卡尔斯广场地下综合体，美国波士顿邮政 广场，日本东京八重街她下街等等。9 0 年代后，随着监测系统的不断完善、出土效率 的不断提高和其他先进施工技术的出现，逆作法已经广泛应用于大平面、大深度和周 边环境。 在香港，伴着工程建造技术和质量的不断提高，逆作法施工以其施工占地小和缩 短工期等方面的明显优势颇得发展商的重视，运用逆作法施工的工程己经相当普遍 香港九龙站上盖工程“钉位于九龙西部的填海区，该工程与地铁相连接，占地1 6 万m 2 ， 建筑面积2 4 5 万一地下结构三层，地面五层裙楼及6 栋3 6 层塔楼，建筑高度为1 5 0 m ， 工程建造工期只有2 8 个月( 不包括桩基及地下连续墙施工) 现场根据建筑师的设计， 采用逆作法进行基础结构的施工。工程采用钻孔灌注桩共有7 2 根，直径在2 0 3 o m ， 桩长3 0 4 0 m 。钻孔桩按独立承载设计，每根桩相应承受插入桩内钢柱传来的荷载。该 钢柱作为地下室部分的永久立柱，从地面层再开始转换为混凝土柱。地下连续墙作为 地下室的外墙，墙厚1 2 m , 深4 0 m 差e 右，标准幅宽6 2 在地下墙各层结构楼板位置相 应标高处预埋钢筋，在每幅墙接头处无法预留钢筋的位置，采取后期楼板施工时再钻 孔插筋的方法连接。逆作法施工首先进行的是地面层梁板的施工，然后进行地下一层 挖土，上部结构同时施工。由于立柱桩及地下墙支承在坚硬岩层上，在基础施工尚未 结束前上部结构旆工的高度几乎没有限制。 日本是目前逆作法应用最为广泛，也是工法和技术应用最为成熟的国家。逆作法 应用的领域已包括高层建筑、地铁车站、地下广场、市政工程、及旧建筑改建等。 我国于1 9 5 5 年在哈尔滨地下人防工程中首先提出并应用了逆作法施工技术。1 9 7 6 年上海比较系统地研究了地下连续墙在工业民用建筑中的应用，8 5 年建成的上海基础 公司科研楼是我国第一个采用全逆作法施工取得成功的建筑物。9 0 年代后，随着我国 高层建筑和地铁工程的大规模发展，地下工程逆作法施工逐渐在全国推广开来。著名 的工程有9 3 年上海地铁一号线陕西南路、常熟路、黄陂南路三个地铁车站主体“，这 是我国第一次在地铁车站建设中采用“一明二暗”的逆作法施工技术，比通常的顺做 法施工面积缩小了一半，减少动迁1 3 ，提前一年半恢复路面交通和商业9 9 年竣工的 上海城市规划展览馆“”，是我国第一个采用逆作法的钢结构工程，地下2 层地上4 层同 时完成，缩短工期3 个月。9 9 年竣工的深圳赛格广场“”，地上7 0 层地下4 层，开挖深度 2 0 米，是我国第一个采用钢一混凝土组合结构的逆作法工程，缩短工期6 个月，地下连 续墙最大变形仅为2 1 u l f n o 年竣工的北京天安门地铁车站“，采用柱下梁式基础半逆作 法施工，成功实现了无桩基础又不设l 临时立柱的逆作法施工。其他著名的工程还有上 4 i 绪论 海恒积大厦。上海明天大厦，广州好世界大厦，福州新世纪大厦，深圳地王大厦等。 在建的世界第一高楼一上海环球金融中心。其基础采用的是中筒顺作、裙房逆作的顾 逆结合施工。逆作法在我国经过近五十年的发展，由于各地不同的地质条件，在各地 呈现不同的特点，主要体现在立柱桩和立柱的施工方法上。总的说来，逆作法特别适 用于有多层地下室的高层建筑及有迅速恢复交通和商业要求的地铁车站。 p e e k 早在4 0 年代就提出用表现土力学分布图来计算支撑和墙体的内力，至今仍被 工程解广泛应用。h a b b a r d ，t e d d ，c a r r e t ( 1 9 8 4 ) 均通过实测资料总结了围维护结构的 受力和基坑周围土体位移的变化规律，确定了土压力的分布形式。彭京( 1 9 9 1 ) 曾对粘 性土挡土墙的性能进行了有限元分析，并结合离心机模型试验的结果，比较了土体实 际状态与极限状态之间的关系。g o h ( 1 9 9 3 ) 用有限元研究了刚性挡土墙的力学性状，结 果表明只有在靠近墙顶2 3 的范围内作用在墙上的土压力才接近于主动土压力的极限 状态f a n g ( 1 9 9 4 ) 通过砂土的模型试验研究了不同墙体变性模式下的被动土压力，结 果发现被动土压力的发挥性状与墙体的位移形式有关李永盛( 1 9 9 6 ) 通过现场实测的 结果，探讨了复合型重力坝体结构所承受的水、土压力，认为作用在围护结构外侧的 土压力初期为静止土压力，随开挖减小为主动土压力，且优于粘性土的“自立拱”效 应和降水对提高土层强度的影响，实测士压力较理论计算值小坝体外侧的水压力在 开挖前为静止水压力，随开挖明显增大，随后逐渐减小。但始终高于开挖前的水压力 水平。高文华( 1 9 9 8 ) 提出按墙体位移计算土压力的方法。孔莉莉( 1 9 9 8 ) 通过实测工程 资料分析得出逆作法与顺做法在施工状态下，墙体所受的土压力值均可以采用相同的 计算方法。陈卫星( 2 0 0 0 ) 在用弹性地基梁法分析采用盆式挖土的逆作法施工条件下地 下墙变形时认为。坑外土压力可按开挖深度为盆底标高考虑，坑内土弹簧从坡顶开始 设置，但土弹簧系数应根据被动土压力的发挥情况进行折减；下连续墙埋深较大时， 坑外开挖面以下的土压力分布在初期工况采用三角形分布。姜斌、蒋桐、丁大钧( 1 9 9 5 ) ”结构的计算方法作了初步的探讨，给出了逆作法地下结构整体计算的分析模型，并 把此分析方法的结果与传统分析方法的结果进行了对比，结果表明：考虑施工过程的整 体计算方哈尔滨工业大学工学硕士学位论文法较为精确、合理；丁伟达，部伟民，祝 涌年( 1 9 9 8 ) “”介绍了恒积大厦逆作法施工期问结构和支撑体系的设计方法，但本文主 要是从设计的角度出发，并未给出逆作法地下结构的具体计算过程，而是从计算承载 力进行结构承载力验算的方面作了具体介绍：杨学林，施祖元，益德清( 1 9 9 9 ) “”结构 的竖向支撑体系和围护结构的设计方法作了讨论，但实质上仍然是把逆作地下结构的 围护和支撑体系当作独立的构件，采用传统的方法进行的计算，并没有考虑“逆作法” 西安理工大学硕士擘位论文 旋工的地下工程其本身的特点：高振锋，叶可明，王允恭，谢卫兵( 2 0 0 1 ) “研究了逆 作法麓工设计的一般方法；赵然，陈波等( 2 0 0 2 ) 伽1 研究了逆法藏工分析的面向对象有 限元软件一t d m ，其土体弹塑性模型采用了修正的剑桥模型。由上面的叙述可见，逆作 法实践是超前，在理论上的研究探讨还是近十多年才开始的，且对“逆作法”地下工 程的设计，现有的研究还局限在沿用传统的地下工程设计理论，并没有考虑到“逆作 法”这种特殊施工工艺特点对其结构受力的影响，因此，在这一方面做进一步的研究 是有必要的。 1 3 。2 逆作法的发展趋势 从逆作法现有的缺点出发，同时参考日本等国家的先进经验，今后可以从以下几 个方面改进逆作法施工工艺体系，从而使逆作法得到更高效更广泛的利用。开发适合 子逆作法的小型挖土机械，提高出土效率。在日本已开发出这样的机械，并且由于预 应力预制梁和钢梁在日本的广泛采用，甚至开发出适用于逆作法的梁拼装机，大大提 高了施工效率。我国由于逆作法还未得到广泛应用，故开发专用机械似乎还没有市场 但这两者是相辅相成的，这肯定是逆作法今后发展的一个主要趋势。 设计施工一体化。由于逆作法工艺体系的复杂性，设计单位和施工单位应加强合 作，保证结构受力性能的前提下，按逆作法施工工艺对结构布置进行优化如充分利 用工程桩，如改变局部传力体系以避免过于复杂的节点等。 采用信息化施工，加强现场监测工作。通常需要进行监测的数据有墙体位移，墙 体应力，立柱沉降和周边地面沉降，若有临时支撑还需监测其轴力分析比较监测数 据，不仅可以确定现在基坑所处状态是否安全，还可以进一步预测下一步工况的变化。 另外每个工程的监测数据的积累，对相关规范的编制有重要意义。 结合工程经验对逆作工法进行系统研究，并将理论成果列入规范。实际上新版的 建筑地基基础设计规范 1 1 已经将逆作法作为独立的一节，列入第七章基坑工程中 在一些逆作法应用较多的地方，其地方标准有的已经得到执行，有的也在编制中。 1 4 逆作法概述 所谓逆作法，施工顺序与顺作法相反，在地下结构施工时不架设临时支撑，以结 构本身的楼板作为支撑，从上往下依次开挖和构筑结构体的施工方法伽1 1 4 1 逆作法的特点 6 1 绪论 i 4 1 1 逆作法的优点 ( 1 ) 由于用结构自身的楼板作为支撑，所以支撑具有相当高的刚度。这样使得挡墙 的应力、变形减小，提高了工程施工的安全性，减少了对周围环境的影响。 逆作法旆工与传统方法施工的变形比较见表1 - 1 表i - i 逆作法施工与传统方法施工的变形比较懈1 f i g 1 1c o m p a r i o nb e t w e e nt o p - - d o w nt r a d i t i o n a lc o n s t r u c t i o nm e t h o d 变形量( 硼) 施工方法 地下连续墙的水平变形底板隆起邻近建筑物的沉降 传统方法 2 6 3 51 84 1 2 逆作法2 0 6 06 02 5 5 0 ( 2 ) 由于逆做法施工不需要放坡挖土，减少占地，减少土的挖出与回填。因而减少 了城市的污染，达到了文明施工的目的。 ( 3 ) 由于最先筑好顶板，可以与地下施工并行，早期展开地上结构的旌工，这样地 下、地上结构同时施工，缩短了主体工程的工期。 ( 4 ) 由于在进行地下结构施工时，不会影响地面交通的正常通行，进而避免了由于 施工所引起的交通困难。 。 ( 5 ) 由于逆作法施工是利用地下结构自身作为施工中的支撑和围护结构，省去了常 规旋工中相应部分的费用，同时由于不需要放坡开挖，减少了占地，进而节约了施工 场地占道费用，因而具有显著的经济效益。在软土、粘土地区、逆作法施工节约的成 本占总成本的1 1 一1 3 。 ( 6 ) 由于开挖和施工的交错进行，逆作结构的自身荷载由立柱直接承担并传递至地 基，减少了大开挖时卸载对持力层的影响降低了地基回弹量。 ( 7 ) 适用于任何不规则形状平面或大平面。 ( 8 ) 逆作法施工为工程施工提供了双倍的工作面，解决了场地狭小、拥挤的问题。 7 西安理工大学硕士学位论文 ( 9 ) 有利于结构抵抗水平风力和地震作用。 1 4 1 2 逆作法的缺点 ( 1 ) 逆作法所设立柱内钢骨架与原设计设置的梁主筋、基础梁主筋冲突相碰。 ( 2 ) 为搬运开挖出的土方，需在顶板处设置临时孔，必须对顶板采用加强措施。 ( 3 ) 地下工程在板下进行施工，闭锁的空间使大型机械设备难于进场，因此，使得 逆作法无法采用机械化施工，大大降低了施工效率 ( 4 ) 混凝土的浇筑在逆作施工的各个阶段都分有先浇和后浇，产生先后交接处，这 不仅给施工带来不便，而且为避免结构防水等问题，对施工计划及质量管理提出了更 高的要求。 1 4 2 逆作法的分类 根据对围护结构的支撑方式，基坑工程逆作法分为以下几类： ( 1 ) 全逆作法：利用地下各层钢筋混凝土肋形楼板对四周围护结构形成水平支撑。 ( 2 ) 华逆作法：利用地下各层钢筋混凝土肋形楼板中先期挠筑的交叉格形肋梁，对 围护结构形成框格式水平支撑，待土方开挖完成后再二次浇筑肋形楼板( 见图1 - 2 ) 图卜2 半逆作法示意图 f i g 1 2s k e t c ho fs e m i t o p d o w nm e t h o d ( 3 ) 部分逆作法：利用基坑内四周暂时保留的局部土方对四周围护结构形成水平抵 挡，抵消侧向土压力所产生的一部分位移。在基坑中部按正作法施工，基坑四周用逆 作法( 见图1 - 3 ) ，这种方法也叫盆状开挖逆作法。 8 1 绪论 l ti l 麓手椿j i、 。 吐 ) 。1 7 。 釜一l 肇 孵- 盈曩、o 7 二 一1 一一j l 一j l ，：= ， 、蠢寿， |x奄 i f 。- _ x i 图1 - 3 部分逆作法示意图 f i g 1 3s k e t c ho fp a r t i a l t o p d o w nm e t h o d ( 4 ) 分层逆作法：分层逆作法是采用土钉墙( 见图1 - 4 ) 分层逆作四周的围护结构，分层 逆作法造价较低，施工进度又快，一般在士质较好的地区施工采用分层逆作法，会取得较 好的效果。 图1 - 4 分层逆作法示意图 f i g 1 4s k e t c ho fs t r a t i f i e d t o p d o w nm e t h o d 除了上述几种逆作法施工地下结构外，还有部分正作法部分逆作法、土方抽条开挖逆 作法以及考虑时空效应的逆作法等等”1 嘲。 1 5 目前逆作法施工存在的问题 9 西安理工大学硕士学位论文 我国逆作法施工技术还属于项新兴的施工技术，掌握这项施工技术的施工企业 在国内还不多。虽然逆作法施工具有很多常规施工技术所不具备的优势，但是山于日 前研究逆作法的学者相对较少，因此逆作法施工技术的发展不快，存在系列的问题： 1 ) 在逆作法设计和施工的配合方面 目前设计单位不直接参一与逆作法旌工过程的结构受力分析和设计，只能依靠施 工单位自身的力量进行研究分析，而施工单位由于人员配备的局限性，往往没有强大 的结构分析设计队伍，因此在进行逆作法的分析和设计时只能半经验半理论，没有正 规的理论设计依据：同时设计单位也不参与工程的施工组织设计，因此设计单位和施工 单位常常因为设计思路和施工进程发生矛盾，譬如在桩基施工阶段，如果按传统的施 工工艺，设计单位只要给出桩位图就能进行施工，但是采用逆作法施工工艺单靠桩位 图就不能进行桩基工程的旌工了。因为在这个阶段就必须确定逆作法施工时的临时支 撑柱的截面和分布，必须大致了解地下室的结构布置，如果采用全逆作时，还必须了 解上厩几层的结构，才能计算出临时支撑柱所承受的荷载，才能确定支撑柱的截面形 式和单桩是不是能够满足逆作法施工的要求。耳前结构设计经常与逆作法施工设计脱 节，导致工程不能正常进行。上海长峰商城工程在2 0 0 2 年5 月，然而中间由于地下室结 构以及生部结构的变动，工程桩的布置迟迟不能确定，导致逆作法施工不能正常进行， 延误了很长的工期。 逆作法施工过程中，旄工缝的留设问题也是设计和施工单位争论的焦点，梁柱接 头的设计必须满足设计要求，然而设计方往往对施工单位提出的施工缝留设位置以及 接头方式产生质疑，在双方的讨论中设计方由于缺乏逆作法的专业设计经验又不能提 供强有力的设计方案。 施工设计一体化是目前国际上比较流行的设计施工管理方式，但是我国目前的工 程管理模型还处于设计与施工分开的阶段。逆作法作为一种特殊的施工工艺对设计的 要求比较高，如果设计合理经常能节省工程造价，节约施工工期。 2 ) 挖土机械方面 日前我国逆作法施工时一般采用小型挖机进行挖土和坑内的水平运输，通过小型 挖机的几度转移后，将土方集中到取土口中，然后通过各种垂直运输设备将土方装上 运士车。这种施工方法不仅挖土速度比较慢，效率不高：同时在上海等一些软土地区， 土方经过几次的翻运，有可能液化，形成流塑状态，不利于下一步的运输。 i 绪论 3 ) 模板工程方面 如果采用支撑排架加模板的模板体系，那么土方开挖向下进行的时候就会遇到何 时拆模的问题，作为受力结构的模板拆除必须在混凝土强度达到设计强度时方可进行 拆除，因此就浪费了工期在等待模板的拆除上，如果楼板结构采用钢混组合楼板，即 采用压型钢板作为楼板结构的受拉结构，同时又作为混凝土浇筑时的模板体系时，就 可大大提高逆作法的施工速度，进一步缩短工期 1 6 逆作法基坑开挖理论的研究现状 1 6 1 逆作条件下围护结构内力与变形计算 逆作条件下围护结构内力与变形的计算方法与通常条件下围护结构计算方法类 似，根据选取的研究对象和基本假定不同大致分为3 类：经典计算方法、弹性地基梁板 法和连续介质有限元法。 1 6 1 1 经典方法 经典计算方法主要用于上个世纪8 0 年代以前，先选择挡墙的入土深度以满足基坑 稳定、抗隆起、抗渗水的要求，再按照经典土压力理论计算主动、被动土压力( 或对其 做一些经验型修正) ，然后计算设计挡墙和支锚根据入土深度以及是否设置支锚，经 典计算方法有自由端法、弹性曲线法、等值梁法、太沙基法等。经典方法适合于开挖 深度较小的钢板桩( 或钢筋混凝土板桩) 挡墙，即悬臂支护或一道支撑的围护结构。经 典方法中还有山肩邦男法，它修正了主动被动土压力，建立了有多道支撑的挡墙内力 计算的解析方法。对于多道支撑的深基坑( 特别是软土地区的深基坑) ，以上的经典方 法难以考虑分步开挖的过程和支护结构的整体性状，例如支护结构与土体的共同作用 ( 土压力随墙体变位的变化) ：支锚设置过程中墙体内力和变形的变化；坑底加固坑外 降水对支护结构的影响：墙顶圈梁的作用和设计；软土基坑开挖的时间和空间效应等。 而这些问题有时候却是基坑开挖和支护的控制因素，故现在已经很少用这些方法来分 析基坑的开挖和支护。 l - 6 1 2 弹性地基梁法 目前工程中最常用的是弹性地基梁板法，这也是现行规范”“1 推荐的计算方法。 它引入水平受荷桩横向抗力的概念，以墙体为研究对象，将坑外土压力作为施加在墙 体上的水平荷载，按照弹性地基梁或板的方法计算墙体的内力荷位移。比起经典方法 它可以考虑多道支撑的分步开挖和分步支锚。此方法中应重点考虑两个问题，一是确 西安理工大学硕士学位论文 定坑外土体荷载( r p 主动区土压力分布) 。二是确定地基模型( g p 被动区土弹簧的刚度分 布) 。 关于主动区土压力分布，对于不同土性，许多学者根据试验以及实际工程的实测 资料提出了不同的土压力分布模式。实际上土压力是随着墙体变位而变化的，h a b b a r d 瞄c a r n e t 协1 均通过实测资料总结围护结构受力与周围土体变化的规律，进而确定土 压力的分布形式。6 0 h 盯1 用有限元研究了刚性挡墙与土体的共同作用，结果表明在近 墙顶2 3 范围那的土压力才接近于主动土压力的极限状态李永盛拍通过实测资料分 析，探讨了复合重力坝所受的水、土压力，认为由于粘性土自力拱效应使土压力始终 小于理论值，而水压力始终高于理论静止水压力。高文华憎1 提出按墙体变位计算土压 力的方法，即通过墙体变位和土压力的迭代计算直至收敛，求得作用在结构上的主动 土压力。 另外关于水土合算或分算，吴铭炳汹通过对软土深基坑支护结构上土压力、孔隙 水压力大量监测数据的分析，建议对于软土采用朗肯理论按照水土合算计算土压力， 其中主动土压力采用固结快剪指标，被动土压力采用快剪指标。高大钊哪! 认为对于砂 土和粉土宜用水土分算，对粘性土宜用水土合算。 1 6 1 3 连续介质有限元法 以上方法可以得到各个工况下挡墙的内力、位移以及支撑的轴力，为了同时得到 基坑周围土体和坑底土体的应力和位移，就必须采用连续介质有限元法。有限元在基 坑工程中的应用研究，许多学者已经做了很多工作，取得了一些公认的成果，如单元 的选择、开挖过程的模拟。 计算中假定挡墙为弹性体，采用二节点、三节点梁单元( 对于二维情况) ，或采用四节 点、八节点板单元( 对于三维情况) 土体为线弹性体、非线性弹性体或弹塑性体，采 用四节点、八节点平面单元( 对于二维情况) ，或八节点、二十节点实体单元( 对于三维 情况) 。支撑为线弹性体，采用两节点杆单元支护与土体的共同作用问题是通过结构 与土体之间设置接触面单元来实现，目前得到较广泛应用的接触面单元有三种类型。 6 0 0 d m a n 等人“2 1 提出了二维四节点无厚度的节理单元g o o d m a n 单元，实质是确定两个相 互垂直的劲度系数为疋、k 的弹簧，来传递节点之间的正应力和剪应力，后人根据试 验又进一步提出了确定疋的双曲线模型k a t o n a 等人3 3 ”提出了一种新型摩擦接触单 元，用位移约束和接触力约束来模拟摩擦面变形，不需要法向和切向刚度系数，嵌入 罚函数或拉格朗日乘数来控制约束，很适合刚体接触问题d e s a i 等人“”“提出了一种 1 2 1 绪论 有厚度的四边形薄层单元，能反映接触面及周围趋于剪切破坏带的变形特性。单元切 向刚度可由试验确定，法向刚度由薄层单元和相邻的实体单元共同组成针对土体分 步开挖的过程，w a n a 协1 首先提出了扣除开挖部分的单元刚度，即使之成为空气单元， 后在开挖面处施加开挖等效荷载，使开挖面成为应力自由面的方法来模拟工况。 对于有限元方法，选取计算参数( 土体本构参数、摩擦面上各参数) 是很重要的问 题。这些参数都能由室内试验来确定，但是由于取样的扰动、实验和现场的边界差异、 仪器精度、地基土非均匀性等，室内实验测定的参数往往和实际由较大差别。故近十 几年发展起来的反分析方法和人工神经网络方法在岩土工程中得到很大应用。 1 6 2 逆作条件下基坑变形计算 基坑变形主要是指坑底隆起和地表沉降，当然还包括稳定性验算，因为稳定安全 系数和坑底隆起和地表沉降是直接相关的。影响基坑变形的因素很多，对于逆作法而 言，主要有楼板刚度以及是否设置临时钢支撑，挡土墙入土深度，内部结构和挖土方 式、降水、超载、地基土性质等。计算坑底隆起和地表沉降的方法主要有经验估算和 有限元法两种 如上文所述，连续介质的有限元法可以通过增量法模拟基坑开挖的全过程，从理 论上可以有效的分析挡墙变形，坑底隆起，地表沉降及土体位移对周围环境的影响， 故在基坑变形就算中得到广泛的应用。m a n a l 哺1 首先提出了通过开挖面处施加开挖等 效荷载，使开挖面成为应力自由面来模拟工况。g a h a b o u s s i 等人汹考虑分步应力释放， 对开挖等效荷载进行了修正。胡孔国”等人分别采用d p 准则和m o h e - c o u l o m b 准则对 基坑开挖变形进行了弹塑性有限元分析。杨林德m i n d l i n 厚板理论出发，建立了用 于软土深基坑围护结构变形分析的有限元计算理论和方法。俞建霖汹1 三维空间有限元 法分析了开挖过程中围护结构变形的空间效应。王广国”1 人根据大应变理论，建立并 分析了基于t o t a ll a g r a n g e 方法的有限元模型。 虽然许多学者在应用有限元进行基坑变形分析上傲了许多工作，但是经验方法估 算也是同样重要和有效的，特别是实际工程应用中。当然前人提出的经验公式不是针 对逆作法结构的，但同样有借鉴作用。最初是p e c k 蚰1 现场地表沉降观测资料，提出了 对于不同土层，分析墙后地表沉降及其范围的经验关系曲线。以及相应的经验估算方 法。由于p e c k 提出曲线时考虑的钢板桩墙，后人对其方法进行了修正和完善，使其可 以适用于柱列式和壁式挡土墙。侯学渊阅以非线性b l o t 固结理论为基础，参考盾构法 隧道地面沉降的p e c k 公式，提出了基坑地层损失法的概念，即根据墙体水平位移和地 西安理工大学硕士学住论文 面沉降二者的地层移动面积相关原理，通过墙体水平位移来计算地面沉降。分为三角 形和抛物线形两种，并给出了相应的经验公式。m a n a 等人“分析粘土基坑开挖的监测 资料，提出了根据坑底抗隆起稳定系数估算挡墙最大水平位移和地表最大沉降的方法， 其中抗隆起稳定系数按照太沙基公式计算。h s i e h 等人基于九个不同支护方法的工程实 例的拟合，认为逆作法施工与顺做法施工引起土体变形的规律基本相同。根据最终墙 体最大位移4 与初始无支撑时墙体最大位移4 的比值，把最终地表沉降分为下凹形和 拱肩形，并给出相应的经验公式。 1 6 3 逆作条件下围护结构竖向受力和沉降计算 这是逆作法特别要关注的一个问题，通常基坑的围护结构仅受到侧向力作用，但 是逆作法基坑中地下连续墙不仅承受侧向土压力作用，还承受竖向施工荷载。许多学 者进行了地下连续墙的室内模型试验和现场承载力试验，结果表明，单一式地下连续 墙承载力也是由端载力和侧摩阻力组成，其值可取钻孔灌注桩在同类土层中端载力和 侧摩阻力的平均值。当然它们的作用不是同时得到发挥的，取决于墙体与土体之间的 相对位移。当然墙体的承载力不是关心的重点，逆作法中关心的重点是地下连续墙与 立柱桩的差异沉降。 关于单桩沉降的计算理论已经比较成熟，主要有荷载传递法、弹性理论法、剪切 位移法和有限单元法，关于群桩沉降仍然采用半经验的等代墩基础法。至于地下连续t 墙的沉降则没有很成熟的理论，但是可以借用以上单桩沉降计算中的一些方法。特别 是弹性理论法，因其理论严密推导方便，不少学者将其应用到地下连续墙中，取得了 一些有意义的结论汤永净1 将p o u l o u s 弹性理论应用于逆作法施工中地下结构共同 作用的研究中，王卫东m 也将p o u l o u s 弹性理论引入到地下墙的沉降计算中，得到了 墙桩相互影响下各自的沉降。 逆作法施工过程中既要考虑墙与桩受到上部施工荷载，又要考虑开挖卸载对其的 上抬影响，实质是卸荷再压缩的过程，仅靠弹性理论难以反映真实的沉降位移场，故 需要引入有限单元法对墙、桩的沉降场进行比较全面的分析。e l l