（岩土工程专业论文）贵州山区深基坑变形的有限元分析.pdf

贵卅| 山区深摹坑变形的有限兀分析 贵州山区深基坑变形的有限元分析 摘要 基坑工程是一个复杂的地质工程问题，它既涉及到基坑自身强度与稳定性，又包含了 地质环境和社会影响问题。在基坑开挖过程中，除了要保证基坑的安全，使坑内和坑外的 各种工程j l 顷$ r j 施工，还要保证相邻建筑物和地下管线等设施的安全。 本文主要研究贵州山区深基坑变形，利用有限单元法，通过大型有限元程序a n s y s i o 0 来进行模拟计算。将所研究问题假定为平面应变问题；岩土体为理想弹塑性模型，采用平 面四节点等参单元，遵循适于岩土的d r u c k e r p r a g e r 屈服准则；桩与岩土体之间通过设置 接触单元来模拟基坑围护桩桩与岩土体的相互作用，重点分析了建筑物与基坑的不同距离、 基坑围护桩的刚度变化和围护桩底端土体物理力学参数变化时基坑开挖对基坑及建筑物变 形的影响。 本文得到了一些对基坑工程设计和施工有意义的结论，可供基坑工程设计、施工和研 究基坑开挖对周围环境影响时参考。由于现阶段有关基坑和近邻建筑物变形的研究较少， 本课题的研究成果还将对今后相关的数值模拟分析具有参考价值。 关键词：深基坑；近邻建筑物；数值模拟：变形：环境影响 贵州山区深皋坑变形的有限儿分析 f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sf o rd e f o r m a t i o no fd e e pe x c a v a t i o n i ng u i z h o u m o u n t a i n o u sa r e a a b s t r a c t 1 1 1 ee x c a v a t i o ne n g i n e e r i n gi sac o m p l e xg e o l o g i c a le n g i n e e r i n gp r o b l e m i tc o n c l u d e sn o t o n l yt h es t r e n g t ha n ds t a b i l i t o fe x c a v a t i o n ，b u ta l s og e o l o g i c a le n v i r o n m e n ta n ds o c i a la f f e c t s i ne x c a v a t i n gp r o c e s s ，i tc a , l s u r e st h es a f e t yo fe x c a v a t i o n , i no r d e rt oc o n s t r u c ta l lk i n d so f e n g i n e e r i n g ，a n de n s u r e st h es a f e t yo ft h ea d j a c e n tb u i l d i n g s ，u n d e r g r o u n dp i p e - l i n e sa n do t h e r f a c i l i t i e s t h i sp a p e rs t u d i e st h ed e f o r m a t i o no fd e e pe x c a v a t i o ni ng u i z h o u m o u n m i n o u sa r e a t 1 1 e f i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dl a r g ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dp r o g r a ma n s y s l 0 ，0i su s e dt os i m u l a t e a n da n a l y z ee x c a v a t i o na n da d j a c e n tb u i l d i n g si n t e r a c t i o n ，i nt h em o d e l ，p r o b l e mo ft h es t u d y h a sb e e np r e s u m e da sp l a n es t r a i np r o b l e m s e e m l y , t h es o i li ss e e m e da si d e a le l a s t o p l a s t i c m o d e l ，a n du s ef o u rn o d ee q u a l p a r a m e t e re l e m e n tw h i c ha b i d e sb yd r u c k e r - p r a g e ry i e l dc r i t e r i a o fs o i l a tt h es a m et i m e ，c o n t a c te l e m e n ti ss e tb e t w e e n p i l ea n ds o i lt os i m u l a t et h e i ri n t e r a c t i o n w h a ti sm o r e ，t h i sp a p e rh a sa n a l y z e de x c a v a t i o na n da d j a c e n tb u i l d i n g si n t e r a c t i o ni nt h e d i f f e r e n td i s t a n c eo fe x c a v a t i o na n da d j a c e n tb u i l d i n g s ，t h ed i f f e r e n ts t i f f n e s so fb r a c i n gs y s t e m ， a n dt h ed i f f e r e n tp h y s i c a lm e c h a n i c sp a r a m e t e ro fs o i l a tl a s t ，s o m ev a l u a b l ec o n c l u s i o n sb e n e f i tf r o md e s i g n ，c o n s t r u c t i o no fe x c a v a t i o n e n g i n e e r i n ga n dr e s e a r c ha b o u te x c a v a t i o na n da d j a c e n tb u i l d i n g si n t e r a c t i o n n o wt h er e s e a r c h o ne x c a v a t i o na n da d j a c e n tb u i l d i n g si n t e r a c t i o ni sl a c k i n g 。t h e r e f o r e ，t h er e s u l t sc a l lb eu s e da s r e f e r e n c ef o rt h er e l e v a n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n do t h e rr e s e a r c h k e yw o r d s ：d e 印e x c a v a t i o n ；a d j a c e n ts t r u c t u r e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； d i s p l a c e m e n t ；e n v i r o n m e n t a le f f e c t - 2 - 贵州山区深基坑变形的有限元分析 1 1 前言 第1 章绪论 随着我国社会和经济的迅速发展，城市面貌同新月异，大量的高层建筑如雨后春笋般 不断涌现。尤其是近几年来，随着城市建设用地的紧张，城市发展模式向地下或空间发展 成为一大趋势，由于建筑结构及使用功能上的要求，基坑开挖深度越来越深，如上海的经 贸大厦基坑开挖的最大深度达到了3 2 m ，北京的京城大厦地下开挖深度为2 3 5 m1 2 7 1 q 我国 的高层建筑将会越来越多，建筑面积将会越来越大，基坑向大深度、大面积发展是必然的。 深基坑工程是城市相当繁荣和进步之后的必然产物，它所涉及的问题之多之广之杂想 必每一位基坑工程方面的专家学者一定深有体会。随着城市建筑物和生命线工程( 即水、电、 路) 以及光缆等各类地下管网的密集化，对深基坑开挖的要求也越来越严格，不仅要确保开 挖基坑本身的安全与经济，而且还要考虑到周边临近建筑物的安全和各类线网的通畅，于 是。严格控制基坑开挖引起的周边地面沉降与横向位移就成了首要的任务，基坑变形必须 满足坑内、坑外周边环境两方面的控制要求3 1 。为研究深基坑开挖后的变形及土体与支护 结构稳定性，控制深基坑变形，为基坑工程设计、施工提供依据，在导师的指导下，我选 择了“贵州山区深基坑变形的有限元分析”作为硕士学位论文的题目。 二战后的2 0 多年间，欧美地区的发达国家在重建家园的需要和工业进程的推动下，为 兴建高层和超高层大厦。修建城市地铁而出现了大量的基坑工程，基坑支护技术的研究随 之丌= 展起来。自从上世纪四十年代始，t e r z a g h i ，p e c k 等入提出了预估挖方稳定程度和支 撑荷载大小的总应力法以来，深基坑工程设计和施工的理论和实践得到了不断的发展t 3 0 1 至今国内外的许多学者致力于这一领域的研究，并取得丰硕的成果。2 0 世纪5 0 年代， b j e r r u m 和e i d e 给出了分析基坑坑底隆起的方法，2 0 世纪6 0 年开始在奥斯陆和墨西哥城 的软粘土深基坑工程中使用仪器进行监测，对提高预测的准确性起到了促进作用。“ 基坑工程在我国进行广泛研究始于2 0 世纪8 0 年代初，高层建筑发展和地下工程的兴 起，促进了深基坑的发展，随之产生了深基坑支护设计与施工问题。基坑开挖深度不断加 大，促进了深基坑开挖技术的研究与发展，产生了许多先进的设计、计算方法( 如有限元 理论) ，众多新的施工工艺不断付诸实施，出现了许多技术先进的成功工程实例( 如地下连 续墙法，1 9 8 9 年施工的上海人民广场地下变电站工程，基坑直径6 0 米，基坑开挖深度达 贵卅f 山区深摹坑变形的有限c 分析 1 7 米，是当时全国最大的地下连续墙工程。“1 ) 。进入9 0 年代后，为了总结我国深基坑支 护设计与施工经验，丌始编制全国性和地方性的行业规范，例如建筑基坑工程技术规范 ( y b j9 2 5 8 9 7 ) 、建筑基坑支护技术规程( j g 儿2 0 9 9 ) 、基坑工程设计规程( 上海市 杯准d j g 0 8 6 1 9 7 ) 、深圳地区建筑深基坑支护技术规范( s j c 0 5 9 6 ) 、建筑基坑支护工 程技术规程( 广东省标准( d b j t 1 5 2 0 9 7 ) 、武汉地区深基坑工程技术指南( w b j i 7 9 5 ) 等，新颁布的国家标准建筑地基基础设计规范( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 增加了基坑工程的设 计方法这些都有力的推动和规范了基坑工程的发展。 目前基坑变形研究的手段基本上有原型观测、数值模拟、理论分析、经验公式等几种 1 1 9 1 数值方法主要是采用平面有限元法和有限差分法模拟基坑工程的全过程。通过应用不 同的本构摸型可以模拟土体的弹塑性变形，土体流变，排水固结等性质，也可以比较好的 模拟丌挖卸载、支撑预应力等实际的施工工艺。非数值方法往往是在某些理论假设的基础 上，通过对原型实测数据或数值模型计算结果的拟合分析得到半经验性结论，或者直接由 大量原型观测数据提出经验公式。 基坑工程从早期的放坡开挖，发展了悬臂围护、内撑( 或拉锚) 圈护以及组合型围护； 迄今为止，围护型式已发展至数十种。国内外学者对支护结构、开挖技术研究及软土基坑 变形研究颇多，但就贵州山区深基坑变形研究还不多，尤其是使用有限元这一强大工具来 分析还较少：虽国家或地方规范中对基坑变形控制有允许值的规定，如表1 1 、表1 2 ，由 于影响变形的因素较多，如地域、坡体类型( - i - 质或岩质) 、支护结构形式、施工顺序、周 围环境等，仍很难作出统一定量的规定。 现今深基坑建造多在城市中，场地狭窄，简单放坡施工越来越没有可能，故旌工技术 难度大。在当前的工程实践中，深基坑一方面存在极大的浪费，另一方面事故也频频发生。 基坑工程的研究无论在理论上还是在实践上还不很成熟，因此对其深入研究是十分必要的。 尽管如此，从发展的观点来看，无论是民用建筑还是市政工程，都有向地下发展的趋势。 因此，深基坑工程前景广阔，出现的新问题就更需要加强研究与制定对策。 总之，深基坑支护技术具有相当难度和复杂程度，被誉为岩土工程领域最富有挑战性 的课题之一，它涉及到土与支护结构的强度、变形、稳定性及相互作用问题，基坑工程是 高层建筑施工中的一大难点，研究如何安全、有效、经济地设计、建造它是有必要的。n 2 1 l 1 9 1 【1 7 l 贵州山丛深幕坑变形的有限兀分析 表l i 基坑边坡支护允许位移一选自建筑基坑工程技术规范( y b j9 2 5 8 9 7 ) 基坑边坡支护破坏后影响程度及基坑i ：程周围情况最人位移允许值 基坑边坡支护破坏后影响严重或很严重基坑边坡滑移面内有重要建( 构) 筑物t t 3 0 0 荩坑边坡支护破坏后影响较严重，基坑边坡滑移面内有重要建( 构) 筑物h 2 0 0 基坑边坡支护破坏后影响一般或轻微，基坑周围1 5 m 以外有主要建( 构) 筑物h 1 5 0 注：1 、h 为基坑当时的开挖深度： 2 、本表适用于深度1 8 m 以内的基坑。 表卜2 一、二级基坑变形的设计和监测的控制一选自基坑工程设计规程( 上海市标准d j c , 0 8 - 6 1 - 9 7 ) 墒顶位移( c m )墙体最大位移( c m ) 地面最人沉降( c m ) 安全等级 监控值设计值监控值设计值监控值设计值 一级 35 5 83 5 - 二级 61 081 261 0 1 。2 基坑工程概述 1 2 1 基坑工程的特点 深基坑工程是一项综合性很强的系统工程。深基坑围护工程一般包括以下内容：围护 体系、支撑体系、土方开挖( 工程及设施) 、降水工程、地基加固、监测和环境保护工程。 深基坑工程涉及到各方面的内容，基坑工程中围护体系是临时结构，一般情况下，在 地下室施工完成后，基坑围护体系就不再需要，此时基坑工程基本结束。深基坑工程一般 包括以下特点： 1 、综合性强 深基坑工程涉及土力学中稳定、变形和渗流三个基本课题，三者融溶一起需要综合处 理。有的基坑工程土压力引起支护结构的稳定性问题是主要矛盾，有的土中渗流引起土体 破坏是主要矛盾，有的基坑周围地面变形是主要矛盾。深基坑工程的区域性和个性强也表 现在这一方面。同时，深基坑工程是岩土工程、结构工程及施工技术相互交叉的学科，是多 种复杂因素相互影响的系统工程，是理论上尚待发展的综合技术学科。 2 、区域性强 岩土工程区域性强，岩土工程中的深基坑工程，区域性更强。如黄土地基、砂土地基、 贵州山区深肇坑变形的有限元分析 软粘土地基、红粘土地基等工程地质和水文地质条件不同的地基中，基坑工程差异性很大， 即使是同一城市不同区域也有差异。正是由于岩土性质千变万化，地质埋藏条件和水文地 质条件的复杂性、不均匀性，往往造成勘察所得到的数据离散性很大，难以代表土层的总 体情况，且精确度很低。所以，深基坑开挖要因地制宜，根据本地具体情况，具体问题具体 分析，而不能简单地完全照搬外地的经验。 3 、个性强 深基坑工程不仅与当地的工程地质条件和水文地质条件有关，还与基坑相邻建筑物、 构筑物及市政地下管网的位置、抵御变形的能力、重要性以及周围场地条件有关。因此， 对深基坑工程进行分类，对支护结构允许变形规定统一的标准是比较困难的，应结合地区 具体情况具体运用。 4 、时空效应显著 深基坑的深度和平面形状，对深基坑的稳定性和变形有较大影响。在深基坑设计中， 要注意深基坑工程的空间效应。土体是蠕变体，具有较强的蠕变性。作用在支护结构上的 土压力随时间变化，蠕变将使土体强度降低，馒土坡稳定性减小，故基坑丌挖时应注意其 时空效应。 5 、环境效应显著 深基坑工程的开挖，必将引起周围地基中地下水位变化和应力场的改变，导致周围地 基土体的变形，对相邻建筑物、构筑物及市政地下管网产生影响。影响严重的将危及相邻 建筑物、构筑物及市政地下管网的安全与正常使用，所以应注意其环境效应。 6 、风险性大 深基坑工程是个临时工程，安全储备相对较小，因此风险性较大。由于深基坑工程技术 复杂，涉及范围广，事故频繁，因此在施工过程中应进行监测，并应具各应急措施。深基坑 工程造价较高，但有时临时性工程，一般不愿投入较多资金，一旦出现事故，造成的经济损 失和社会影响往往十分严重。 7 、工程量大，工期短 由于深基坑开挖深度一般较大，工程量比浅基坑增加很多。抓紧施工工期，不仅是施 工管理上的要求，它对减小基坑变形，减小基坑周围环境的变形也具有特别的意义。 8 、质量要求高 由于深基坑开挖的区域也就是将来地下结构施工的区域，甚至有时深基坑的支护结构 费州山区深幕坑变形的有限，分析 还是地下永久结构的一部分，而地下结构的好坏又将直接影响到上部结构，所以，必须保 证深基坑工程的质量，才能保证地下结构和上部结构的工程质量，创造一个良好的前提条 件，进而保证整幢建筑物的工程质量。另一方面，由于深基坑工程中的挖方量大，土体中原 有天然应力的释放也大，这就使基坑周围环境的不均匀沉降加大，使基坑周围的建筑物出 现不利的拉应力，地下管线的某些部位出现应力集中等。故深基坑工程的质量要求高。 9 、施工周期长 深基坑工程具有较高的事故率，深基坑工程施工周期长，从开挖到完成地面以下的全 部隐蔽工程，常常经历多次降雨、周边堆载、振动等许多不利条件，安全度的随机性较大， 事故的发生往往具有突发性。呦7 1 川1 1 2 2 基坑工程研究现状 基坑工程应该说是一个岩土与结构工程以及施工技术紧密结合的工程问题。放坡丌挖 和采用简易木桩支护我国古来有之，基坑工程的发展，往往先有实践经验，再发展相应工 程理论，再更好的用于指导新的基坑工程，获得良好的经济效益。 t e r z a g h i 和p e c k 等学者早在2 0 世纪4 0 年代，开始从事涉及基坑工程的岩土工程问题 的研究，提出了预估挖方稳定和支撑荷载大小的总应力法，5 0 年代b j e l t u n l 和e i d e 等人又 分析了基坑底板的隆起的问题。针对士体在外荷载作用下，表现出柬的应力应变关系通 常具有弹性、塑性、粘性以及非线性、剪胀性、各向异性等特点，为了较好的描述土的应 力- 应变一时间的关系，国内外很多学者还从宏观和微观方面土的本构关系着手进行研究， 对提高岩土工程的计算精度，有着非常重要的作用。在基坑工程中，最容易出问题的时候 往往是在基坑开挖的过程中，因为这是一个应力卸载的过程，而通常我们设计采用的土的 指标，往往是加载试验做出来，与基坑开挖卸载的实际情况有时会有很大的出入，所以有 很多研究人员研究了土的不同应力路径的研究。 随着计算机技术的发展，有限元模拟分析方法被引入基坑工程的研究工作，成为一种 研究基坑工程较为有效的方法，但是在有限元模拟基坑开挖的实际应用中，计算结果的精 度目前尚不能完全令人满意。 它一方面能满足理论计算分析上的严密性，而且还以其强大的工程适用性得到很多学 者的青睐，不仅可以考虑土体与支护结构之间的相互作用、土体内部渗流与变形的耦合性， 对整个基坑开挖施工过程进行动态分级模拟，为信息化施工提供适时地处理方法。 贵州山区深肇坑变形的有限7 c 分析 另一方面从目荫研究结果来说，用有限元法来进行计算往往与工程旋工时实际测得数 据常会有一定的偏差，这主要是由于土力学理论还有很多不完善的地方，有限元所采用的 土层物理参数有很大的随意性，土层的埋藏情况以及地下水的活动情况都很难与实际情况 完全一致，而且现在对支护结构中的圈梁和支撑的处理一般都过于简单，实际工程中证明， 圈梁与支撑处理方式不同会对结果产生较大的偏差。这些因素又常常导致了有限元的模拟 基坑开挖的计算结果可信度不高。在实际的信息化施工过程中，往往采用根据已有的监测 数据预测基坑土体的沉降和位移，或者采用位移反分析的方法来研究基坑丌挖等问题，来 不断完善设计为考虑周全的方面和制定更为合理的下一步施工方案。 要想利用计算机进行有限元分析，特别是进行数值分析，离不开土的本构关系。工程 问题数值分析的精度很大程度取决于所采用的本构模型的合理性。一种数值计算方法能否 在土工问题分析中得到较多的应用，很大程度取决于是否能采用多种本构模型进行计算分 析。自r o s c o e 与他的学生( 1 9 5 8 1 9 6 3 ) 仓t l 建剑桥模型，至今，各国学者已发展了数百个 本构模型，但得到工程界普遍认可的极少，严格地说尚没有。岩体的应力应变关系则更 为复杂。看来，企图建立能反映各类岩土的、适用于各类岩土工程的理想本构模型是困难 的，或者说是不可能的。因为实际工程土的应力应变关系是很复杂的，具有非线性、弹 性、塑性、粘性、剪胀性、各向异性等等，同时，应力路径、强度发挥度、以及岩土的状 念、组成、结构、温度等均对其有影响。当选择土的本构模型进行计算时需要结合层的 性质、地下水文条件、土层的应力历史、所受荷载分布、上部结构类型与结构布置、材料 的性质以及环境影响等诸多方面的因素来考虑，对于同一个工程问题也可以考虑从不同的 角度，选用不同的模型来进行分析。 目前，关于基坑开挖方面的环境保护问题，己经有不少人做过这方面的研究工作。 李海坤“”用极限平衡法推导了考虑基坑影响土体极限承载力的计算，研究了基坑开 挖对邻近建筑物的地基的极限承载力进行了研究。发现基坑开挖能够显著的降低邻近建筑 物的极限承载力，而其随着开挖深度的增加，影响加剧，土体的极限承载力与c 呈线性关 系，对m 值变化敏感，在被动区加固可以较好的提高土体的极限承载力。 唐海峰、李蓓以基坑工程为背景，针对上海外坏隧道浦西暗埋段的大型超深基坑 工程的主要环境保护问题，对基坑开挖引起的主要管线和建筑物的沉降、跟踪注浆保护措 施及其效果进行了分析。实测数据表明，基坑开挖使周围建筑物和管线会产生较大的沉降 速率和沉降量，尤其是降低深层承压水使远处的建筑物产生了不容忽视的下沉。实践证明， 贵州山区深基坑变形的有限元分折 采取预注浆与跟踪注浆相结合的保护措施，可以有效地减小基坑丌挖对周围环境的影响。 毕湘利，周顺华们通过模拟的轮轨激振简载，分析新建的平行换乘车站深基坑丌挖 过程中，既有车站结构的动力响应。分析认为：在换乘站基坑开挖过程中，由列车动荷载 引起的既有车站结构位移在允许值的7 范围以内( 根据上海地铁公司规定新建换乘车 站深基坑开挖过程中引起既有老车站结构的绝对沉降量和水平位移量不得大于2 0 mm ，车 站内轨道变形也不允许超过l o m m 。) ；车振荷载主要引起连续墙的竖向振动加速度，但基 坑丌挖后竖向振动加速度变化不大，而水平振动加速度幅值有较大增长。 段绍伟，沈蒲生珐3 1 利用非线性有限元方法计算了深基坑开挖引起的地表沉降量；墙体 侧向挠度。采用有厚度的接触面单元模拟土体与支护墙体、土体与地下管线的相互作用， 分析了土体与地下管线接触面的应力应变关系，并建立了接触面上的应力应变方程。探讨 了地表沉降、墙体侧向挠度对地下管线拉裂破坏的影响。研究结果表明，当地表最大沉降 量达到一定值时，将会引起地下管线的竖向拉裂破坏；当支护墙体侧向挠度达到一定值时， 将会引起地下管线的水平拉裂破坏。 国内外学者对基坑开挖引起的环境问题作了许多研究，提出一些经验半经验的预测方 法，但是随着新的施工工艺的应用，围护结构的变形形态与以往施工方法的变形形态有所 不同，现在的周围环境要求越来越高，由于基坑深度的发展，支护结构的刚度越来越大， 地表沉降相对来说反而减少，所以这些经验、半经验公式在实际工程中的应用值碍进一步 的研究探讨。随着有限元引入，开始以数值模拟的方式进行研究，基坑开挖引起的环境问 题仍需要进一步进行。2 9 1 3 基坑支护结构的类型9 1 基坑支护包括两个主要的功能：一是挡土，二是止水。目前工程所采用的支护结构型 式多样，通常可分为桩( 墙) 式支护体系和重力式支护体系两大类：根据不问的工程类型 和具体情况这两类又可派生出各种支护结构型式，目前分类方法也有多种。因为支护结构 分挡土( 挡水) 及支撑拉结两部分，而挡土部分因地质水文情况不同又分透水部分及止水 部分，其各部分采用的结构类型分类如下： i 、按止水性来划分 ( 1 ) 透水挡土结构 a ) h 型钢、工字钢桩加插板 贵州山区深肇坑变形的胄限冗分析 b ) 疏排灌注桩钢丝网水泥抹面 c ) 密排桩( 灌注桩、预制桩) d 1 双排桩挡土 e ) 连拱式灌注桩 f 土钉支护 g ) 插筋补强支护 ( 2 ) 止水挡土结构 a ) 地下连续墙 b ) 深层水泥土搅拌桩 c ) 深层水泥土搅拌桩加灌注桩 d ) 密排桩问加高压喷射水泥桩 e ) 密排桩f 日j 加化学注浆桩 d 钢板桩 2 、按支撑锚拉划分 a ) 自立式( 悬臂桩、墙) b 1 锚拉支护 c ) 土层锚杆 d ) 钢管、型钢支撑 e ) 钢筋混凝土十字交叉支撑 f ) 斜撵 g ) 环梁支护体系 h ) 逆作法施工 下面对常用的一些支护形式做简要介绍。 1 3 1 钢板桩支护 钢板桩应用于建筑深基坑的支护，全国各地区虽然应用并不普遍，但它不失为一种施 工简单、投资经济的支护方法，在上海软土地区过去应用较多。但由于钢板桩本身柔性较 大，如支撑或锚拉系统设置不当，其变形会很大，因此对基坑支护深度达7 m 以上软土地 层，基坑支护不宜采用钢板桩支护，除非设置多层支撑或锚拉杆。在工程中应考虑到地下 贵州山区深基坑变形的有限兀分析 室施工结束后钢板桩拔除时对周围地基土和地表土变形的影响。 1 3 2 地下连续墙 地下连续墙工艺是近几十年在地下工程和基础工程中广泛应用的项技术。地下连续 墙在建筑物和构筑物密集的地区可以施工，对邻近的建筑物及基础不产生影响。地下连续 墙的刚度大，能够承受较大的侧压力，如土压力和水压力的水平荷载。在基础开挖的时候， 变形小，因而周围地面沉降少，不会危害临近建筑物和构筑物。地下连续墙如果与锚杆配 合拉结，或用内支撑或者地下结构支撑，则可以抵抗更大的侧向压力，基坑也能筑的更深。 1 3 3 柱列式灌注桩排桩支护 往列式间隔布置包括桩与桩之间有一定的净距的疏排布置形式和桩与桩相切的密排行 置形式。柱列式灌注桩作为挡土支护结构也有很好的刚度，但各桩之间的连系差，必须在 桩顶浇筑较大截面的钢筋混凝土帽梁加以可靠连结。为了防止地下水或者地下水夹带土体 颗粒从桩i t 日j 空隙流入( 渗入) 坑内，应同时在桩问或桩背采用高压注浆、设置深层搅拌桩、 旋喷桩等措施，或在桩后专门构筑防水帷幕。灌注桩施工较连续墙简便，可用机械钻孔或 人工挖孔，成本低于连续墙，可以不用大型机械，又无打入桩的噪声、振动和挤压周围土 体带来的危害。人工挖孔桩的施工费用低，可以多组并行作业，成孔精度( 垂直中心偏差) 也高，但桩径截面较大。排桩支护形式分为悬臂式排桩支护和支锚式排桩支护，而支锚式 又分单点支锚和多点支锚。在大多数情况下悬臂式柱列桩适用于安全等级为三级的基坑支 护工程，支锚式柱列桩适合于一、二级安全等级的基坑支护工程。但如在地下水位以下的 砂层或软土中施工且出水量丰富时，人工挖孔就比较困难而且很容易引起土体流失，造成 地层沉陷，这时应采用套管钻孔或泥浆护壁和水下浇注混凝土，在做好隔水防渗的前提下， 钻孔灌注桩支护结构也可用于深层软土中的支护。 1 3 4 锚杆支护 锚杆支护是一种岩土主动加固和稳定技术，作为其技术主体的锚杆，一端锚入稳定的 土( 岩) 体中，另一端与各种形式的支护结构联结，通过杆体的受拉作用，调用深部地层 的潜能，达到基坑和建筑物稳定的目的。锚杆适应性强，基本不受基坑深度的限制；机动 灵活，可与多种其它支护型式配套使用，这是锚固支护的两大特点。因此，锚固技术在深 贵州山区深基坑变形的有跟元分折 基坑中的应用具有显著的技术经济效益。根据目前国内外深基坑锚固支护工程应用的实践 经验，锚丰t 可与各种支挡桩( 钢板桩、人工挖孔灌注桩、钻孔灌注桩等) 组成桩锚体系，也 可与各种墙( 地下连续墙、土钉墙、钢筋混凝土挡墙等) 组成锚杆挡墙。 1 3 5 土钉支护 土钉支护是一种用于土体开挖后边坡稳定的新型挡土技术。由于土钉一般是通过钻孔、 插筋、注浆来完成的，因此也被国内外工程界称为砂浆锚杆或者锚钉支护，在国外又被称 为原位加筋横向支撑系统，又由于其类似于加筋土挡土墙，因此土钉支护还常被称为土钉 墙，其挡土机理与重力式挡土墙相类似。 1 3 6 深基坑工程的逆作法施工 深基坑的逆作法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 建筑施工到若干层后，地下各层基础工程也全部竣工。般在城市内建筑高层时，周围施 工环境比较恶劣。场地四周近邻建筑物、道路及地下管线，不能因任何施工原因而遭到破 坏，为此在开挖基坑施工时，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。逆作法施工在国外早已使用，国内也已有一定 数量的工程采用( 如上海廖创兴会融中心基坑工程一上海最深逆作法施工的工程，廖创兴 金融中心大厦工程是一栋地下五层，地上三十九层的高级商务楼。基坑平均丌挖深度为 2 2 4 m ，局部深坑达到2 8 4 m 。基坑深度当时属上海房屋建筑之最。) 。目前技术已趋向成熟。 深基坑逆作法由于地下各层楼盖有很大的水平刚度，其对四周支护墙或桩的作用可以 视作水平方向为不动铰支点，因此在所有的支护方法中其效果是最好的一种。尤其适用于 基坑周围环境特别困难的情况下，如相邻建筑物极为靠近、坑周土质非常软弱、地下水较 高且水压力较大、对周围道路、管线的变形有严格限制等情况。深基坑逆作法的适用深度 不限，目前我国已在地下六层的深基坑中采用过逆作法。在国外，凡是超深基坑，层数很 多的大型地下工程，一般均采用逆作法施工。 1 4 基坑开挖对环境影响 从建筑房地产业玎发的角度到旧城改造的需要，在城市密集的建筑群内建造大厦的百 分比越来越大。因而深基坑工程环境效应问题，也就是环境土力学问题，同益引人瞩同。 1 2 贵州山区渫皋坑变形的存限，分析 深基坑工程事故给周围环境会带来不良效应，甚至造成严重的后果。从大量的基坑工程实 践中发现，基坑工程对环境的影响主要出现在以下几个方面： 1 、降排水环境效应 在地基土为粉细砂、粉土、粉质粘土的基坑工程，采用降排水深丌挖，常由于地下水 动水压引起工程事故与工程问题，主要包括：砂土地基有时产生砂沸现象( 渗透压力引 起的液化。当砂土下部孔隙水压力达到或超过上覆砂层和水的重量时，砂土就会因提失颗 粒之白j 的摩擦阻力而上浮，当淤泥和砂粒随着水流向上穿过上覆土层( 通常为粘性土层或 淤泥层) 内的孔隙而在地表呈集中渗流的现象，称之为砂沸。) ，导致围护体系产生稳定性 破坏；存在承压水时，基坑底土层不能承受承压水作用而产生“突涌”破坏：“管涌” 引起相邻地基淘空导致破坏。 2 、围护桩施工环境效应 围护桩施工的环境影响比较大，在非挤土桩中主要是人工挖孔桩。由于它主要是人工 挖掘，地基土层中出现l 临空面，引起附近土体的侧移。当成排开挖，土层又是软土或花岗 残积土时，人工挖孔桩筒中涌泥，侧移现象更为严重，往往造成附近既有建筑物沉降、倾 斜、上部结构丌裂、道路路面沉降、地下管道断裂等。围护桩为预制桩时，因是挤土型桩， 也常带来挤土公害。拉森式板桩( 波浪式板桩) 虽大大减小挤土效应，但在拔桩时会带动 部分地基土层中土体上拔，也会引起邻近建筑物的附加沉降。 3 、土方开挖环境效应 在深厚软土如淤泥、淤泥质粘土土层中开挖基坑，由于软土的蠕变性，要重视“时空 效应”做到随挖随撑。在厚层软土基坑中，施打挤型工程桩，常引起坑内土体产生很高 的超静孔隙水压、侧移与隆起。在这类基坑中挖土，分层从中央有序地开挖，非常必要。 甚至有时由于分层太厚，还将引起基桩的歪斜及桩身裂缝。 4 、止水帷幕渗透漏水坏境效应 当止水帷幕出现渗漏时，往往来势猛又突然的大量漏水漏砂，造成边坡失稳、坍塌、 倒桩及附近建筑物、路面急剧沉陷等。 随着经济建设的发展，高层建筑的基坑面积越来越大，深度也越来越深。基坑常处在 密集的建筑群中。基坑周围密布各种各样的建筑物、地下管线、城市道路等等。开挖基坑， 大量卸荷，由于应力释放，即使有刚度很大的支护体系，坑周土体仍难于避免会发生水平 方向和竖直方向的位移。再由于地下水的渗流，基坑施工期长，坑周土体移动对建筑物、 贵种f 山区深摹坑变形的有限元分析 道路交通、供水供气管线、通讯等造成很大的威胁。本文就以基坑丌挖对基坑及建筑物变 形的影响展丌分析研究。啪1 1 5 本文的研究目的及主要内容 1 5 1 本文的研究目的 本文通过分析建筑物在不同荷载工况下，基坑开挖对基坑及建筑物变形的影响，进行 数值模拟计算，德到基坑变形和建筑物变形等的影响规律，以期得到些基坑工程在选择 合理的支护结构形式，控制基坑变形，防止支护结构失效，减少基坑工程对周围建筑物的 影响等方面有参考价值的结论。这对减少基坑工程事故，取得良好的经济效益及社会效益 是有利的。 1 5 2 本文的主要内容 第二章主要介绍贵州山区红秸土土体的地质特征、物理力学性质、红粘土地基常见的 工程地质问题和基坑变形的问题，总结了影响基坑变形的因素，分析了基坑变形和失稳的 原因。 第三章主要介绍有限单元法的基本原理、土体材料的本构模型、数值计算中所用到的 单元模型、接触分析、非线性分析方法和有限元软件a n s y s 的介绍。本文在数值模拟计 算中所选用土体材料的本构模型为d r u k e r - p r a g e r 模型，桩及岩土体均用平面四节点等参单 元进行模拟，锚索采用平面杆单元进行模拟，接触分析使用t a r g e l 6 9 和c o m a l 7 2 来定义 2 d 刚体柔体接触对，非线性分析方法选用全牛顿一拉普森法( f u l ln e w t o n r a p h s o n 法1 。 第四章主要进行数值模拟计算，并将计算结果进行整理分析，得到一些有益于工程实 践的理论。首先介绍计算模型的建立以及各种参数的确定，然后根据基坑的周边环境分为 不同的工况进行计算。在数值模拟计算中。把建筑物对基坑的作用近似等效为均布荷载旌 加在基坑周边，然后按照建筑物距离基坑的不同距离、基坑围护桩的刚度变化和围护桩锚 固端土体物理力学参数变化分为多种工况进行模拟计算，最后分析基坑开挖对基坑及建筑 物变形的影响。 第五章对全文的上作进行总结，并提出对今后研究上作的展望。 贵州山区深基坑变彤的有限，分析 1 6 小结 本章主要介绍本论文的选题意义、基坑工程的特点、基坑工程的研究现状、基坑支护 结构类型以及常用结构类型的介绍，然后分析基坑开挖对环境的影响，最后介绍本文的研 究目的和主要内容。 贵州山区深基坑变形的有跟冗分折 第2 章贵州山区红粘土基本特性及基坑变形3 8 1 贵州位于中国的西南部，介于东经1 0 3 。3 6 1 0 9 。3 5 、北纬2 4 。3 7 2 9 。1 3 之间，靠近东南沿海和长江中游地区，同于浅内陆位置。北与四川相连，东连湖南，南 接广西，西邻云南，是西南的交通枢纽和通向东南沿海最近的通道。省域东西最长处5 7 0 公里，南北最宽处5 1 0 公里，土地总面积为1 7 6 万平方公里，约占全国土地总面积的1 8 3 ，是一个隆起于四川盆地和广西丘陵之间的岩溶化高原山区。贵州地势上西高东低，处 于云贵高原向东面过渡的斜坡地带，西面高，北、东、南三面低，总体呈由西向东逐渐由 高至低的地势，并朝南北方向倾斜，以山地地形为主。岩石性质大多数为可溶性的碳酸赫 类岩石。西部海拔1 5 0 0 2 8 0 0 米，中部l 0 0 0 米左右，北、东、南三面边缘河谷地带在5 0 0 米以下。 贵州南北跨纬度约5 。，处于南亚热带的位置，属于亚热带季风气候，东半部在全年 湿润的东南季风区内，西半部处于无明显的干湿季之分的东南季风区向干湿西南季风区的 过渡地带。出于地处低纬度、高海拔，离海洋较近，加上山脉纵横，河流交错，致使地形 地势甚为复杂。从而形成了气候的复杂性和多样性。 冬无严寒，夏无酷暑。冬季最冷的一月平均气温大部分地区在4 ，1 0 。c ，未出现过 平均气温低于一5 的严寒天气；夏季最热的7 月平均气温除边缘低热河谷地区达2 8 外， 大部分在2 2 。c 2 6 。c 之间，很少有同最高气温高于3 5 的炎热气候。雨水充沛，光、热、 水变化基本同步。贵州常年雨量都超过l o o o 毫米个别年份曾有2 3 4 1 ，7 毫米的记录，即 使是省内的少雨区年雨量也在8 5 0 9 0 0 毫米：4 月上旬到5 月上旬，雨季自东向西陆续 到来，6 7 月降雨量达到全年最高峰，此时正值全年高温、多光照时期。多阴雨，少只照， 这是贵州气候资源的最大特色。常在9 月中、下旬，出现持续5 1 0 天以上的绵阿天气， 不少年份甚至持续2 0 天以上，贵州绝大部分地区日雨量大于o 1 毫米的同数多达1 6 0 2 0 0 天。啪 正因为贵州独特的地理位罨和复杂多样的气候特征。使得贵州贵州成为中国典型的喀 斯特地貌分布区。岩溶地貌占全省总面积的7 0 以上，是世界上岩溶地貌发育最典型的地 区之一，是中国岩溶分布最广的省。碳酸盐岩出露面积近1 3 万平方公罩，石芽、石沟、峰 林、峰丛、溶蚀洼地、漏斗、溶洞、暗河等形态到处可见，分布广泛，不仅喀斯特地貌种 类齐全，由碳酸盐岩风化形成的红士( 碳酸盐岩红土。岩土工程勘察规范( g b5 0 0 2 1 擞州山区深基坑变形的有龈几分析 2 0 0 1 ) 中指的红粘土，以下称红粘土) 也分布广泛，性质典型，具有与其他母岩形成的红 土不同的成因和一些不同的性质，还会产生一些相应的工程地质问题和环境问题。 2 1 贵州山区地基基本特性 2 1 1 土体的地质特征 1 、红粘土与下伏基岩岩性的关系 红粘土的下伏基岩的岩性是碳酸盐岩系地层。所谓“碳酸盐岩系地层”指的是碳酸靛 类岩石以及由碳酸盐类岩石为主夹有很少量的非碳酸盐岩夹层，非碳酸盐岩夹层的厚度较 小，主要是沉积岩中的泥岩和页岩。碳酸盐岩则包含了质纯的白云岩、石灰岩以及含有数 量不等的杂质的各类泥质自云岩、泥质灰岩、硅质灰岩等等。碳酸盐岩红土( 红粘土) 分 布在碳酸盐岩系上，这个地质特征表明了两点，其一是说明碳酸盐岩是这种红土的母岩， 因为在相距不远的非碳酸盐岩系上就没有碳酸盐岩红土分布，而是覆盖其它土类，碳酸盐 岩红土的分缸区与碳酸盐岩岩系的分布区域相一致；其二是表明碳酸裁岩红土主要是由母 岩风化后就地堆积的。或者确切地说是没有经过远距离搬运的，才可能具有土与母岩分布 范围相一致的特点，但在局部区域有较小距离的移动，这主要是受贵州山区局部地形起伏 特征的影响。 2 、土体剖面的基本地质特征 红粘土的天然剖面厚度不大，一般仅十余米厚，局部可达二十余米厚，也有不少地段 厚度小于十米，或缺失土层。这种厚度分布特征表明红粘土作为地质体沿水平方向上厚度 变化明显，而且有时变化很快，在土层缺失的地方和土层厚度分布很薄的地方，基岩出露 地表或埋藏在地表土层下很浅的位置。 红秸土剖面沿深度变化的特征表现为与众不同的特点，就是土体的物理力学特性沿深 度的变化规律与j f 常土体剖面的变化规律正好相反，因此又可称其为“反均衡剖面”或简 称为“反剖面”。“反剖面”的特征为： ( 1 ) 从地表往下，土的密实度逐渐减小，一般以土的天然孔隙比e 逐渐增大来表示： ( 2 ) 从地表往下，土的天然含水量逐渐增高； ( 3 ) 从地表往下，土的稠度状态由硬逐渐变软，可以从颦硬状态逐渐变为硬塑状态、 可塑状态、软塑状态，有时再往下甚至可见到流塑状态。在一个土体的天然剖面上，可能 贵州山区深肇坑变形的有限，c 分析 缺少轻硬状态或其它某些状态的土，但由硬变软的状态变化规律在红粘土中是一致存在的。 天然剖面上最常见的是上部为硬塑状态，下部为可塑状态，当土层较厚和条件一定时，可 能会五种状态齐全。 ( 4 ) 从地表往下，土的力学性质随稠度状态的变化而变化，从较好变为较差：抗剪强 度降低、压缩性增大、地基承载力减小。 3 、下伏碳酸盐岩基岩的岩溶起伏面及相应问题 红粘土与下伏基岩的接触面是特殊的岩溶地质界面，这使得岩土接触面的特征完全不 同于其它沉积岩上的岩土接触面，主要表现在： ( 1 ) 碳酸盐类岩石虽然具有沉积岩的层状特征，但岩石表面的岩溶形态常形成起伏不 定的特点。大量的溶沟、溶槽、石芽甚至有岩溶裂隙、漏斗等形态并存，岩溶正、负地形 相l 、日j 分布，使得红粘土下伏的基岩面成为起伏不定的溶蚀面，岩面产状变化大j 高低不平。 而且，当红粘土层覆盖在碳酸赫岩层之上，由于土壤中侵蚀性的c o ：含量高于空气中c 0 2 含量数十倍，渗入土层中的地下水溶解土中的c 0 2 后，具有了更强的侵蚀性，溶解土壤下 面的基岩，使得覆盖型岩溶形态甚至比裸露型的更为发育。 ( 2 ) 下伏基岩起伏不定的溶蚀岩层界面造成了土与岩层的特殊接触关系。分稚在岩溶 正地形如石芽上面的土层相对较薄，而分布在岩溶负地形上的土层相对较厚，这种变化经 常是突然的，也没有确定的距离和模式，常常会在水平距离楣差仅仅不到1 米，而基岩起 伏差可以达到数米甚至十几米。相应地，土层的厚度也相差数米至十余米。也有岩面比较 平缓，土层厚度变化不大的情况。变化的规律受地形、岩性、水文地质条件等多种因素的 影响。 ( 3 ) 下伏碳酸盐岩中溶沟、溶槽等负地形的存在，容易产生地下水的富集。特别是当 溶沟、溶槽深度较大和岩溶正地形问的跨度较小时，溶沟、溶槽边壁岩面产状较陡，容易 在岩土接触面处产生地下水的富集，这些水分的集中会导致溶沟、溶槽中的碳酸箍岩红土 长期处于富水条件中，当埋深超过几米的深度后，这些士中的水分又不易被大气蒸发，使 土的天然含水量