（固体力学专业论文）高层建筑深基坑工程数值分析及支护结构优化设计研究.pdf

摘要 、s 3 l s a ； 本文对国内外与深基坑工程支护设计计算相关的问题进行了分析和总结。为 本文之后的分步开挖的基坑平面有限元模拟分析和研究提供了参考和依据。 在考虑土与结构相互作用的基础上，采用二维平面有限元法建立了深基坑有 限元模型，并模拟其复杂的分步开挖过程，对基坑性状的进行了分析和探讨。模 型采用八结点等参平面四边形单元、d r u c k e r - p r a g e r 理想弹塑性本构模型以及用 接触面单元模拟了土与围护结构的相互作用，并给出了相应的接触面模拟的接触 算法流程。 利用平面有限元模型对深基坑工程的开挖性状进行了分析，研究了开挖过程 中围护结构的水平位移、墙后土体的地表沉降、支撑力等的分步开挖效应。探讨 了围护结构刚度( 墙体宽度) 、墙体插入深度和支撑刚度对基坑性状的影响。 提出了基于变形控制的支护体系优化设计方法。该方法考虑了支护结构和土 的相互作用；考虑了支护结构和内撑结构之间的整体协调。首次将优化技术和有 限元方法相结合的方法，用于基坑支护体系的优化设计，结果显示出该方法是可 行的。 耋键词：深基坑开挖平面有限元数值模拟变形控制 优化设计 a b s t r a c t t h ec o m p u t a t i o nm e t h o d sa n dp e r t i n e n tp r o b l e m so ft h es u p p o r t w o r k so fd e e de x c a v a t i o na r ea n a l y z e da n ds u m m a r i z e di nd e t a i l i nt h i s p a p e r , w h i c ha r et h er e f e r e n c e st ot h ef e ma n a l y s i so f t h em u l t i s t a g e d e x c a v a t i o n w i t ht h ec o n s i d e r a t i o no fs o i l s t r u c t u r e i n t e r a c t i o n ，p r o c e s s o f m u l t i s t a g e dc o n s t r u c t i o n ，ap l a n ef e m m o d e lf o rs i m u l a t i n ge x c a v a t i o n i se s t a b l i s h e d w h i c hi su s e dt oa n a l y z ea n dd i s c u s st h eb e h a v i o r so f e x c a v a t i o n t h em o d e l a d o p t se i g h t - n o d e si s o p a r a m e t r i cq u a d r i l a t e r a l e l e m e n t ，d r u c k e v p r a g e ri d e a le l a s t i c - p l a s t i cs t r e s s - s t r a i nm o d e la n dt h e c o n t a c te l e m e n t ，w h i c hi su s e dt os i m u l a t et h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h ew a l l a n ds o i l a c c o r d i n g l y , af l o wc h a r ta b o u tt h ea r i t h m e t i co fc o n t a c ti s i n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h ep l a n ef e mm o d e la n a l y z e st h eb e h a v i o r so f d e e pe x c a v a t i o n a n dt h es t e p e x c a v a t i o ne f f e c td u r i n ge x c a v a t i o ni ss t u d i e ds u c ha st h e h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to ft h er e t a i n i n gw a l l ，g r o u n ds e t t l e m e n ta n dt h e f o r c e si ns t r u t s n ei n f l u e n c e so nt h eb e h a v i o r so fe x c a v a t i o na r e d i s c u s s e dd u et ot h es t i f f n e s s ( w i d t h ) o ft h er e t a i n i n gw a l l ，t h ee m b e d d e d l e n g t ho f t h e w a l la n dt h es t r u ts t i f f n e s s b a s e do nt h ed e f o r m a t i o n c o n t r o l ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n m e t h o do f t h e r e t a i n i n gs t r u c t u r ei sp r o p o s e d t l l i sm e t h o dc o n s i d e r st h ei n t e r a c t i o no f s o i l - s t r u c t u r ea n dt h ew h o l e h a r m o n yo ft h er e t a i n i n g s t r u c t u r ea n d i n n e r 。s u p p o r ts t r u c t u r e f i r s tt h em e t h o dc o m b i n e so p t i m i z a t i o nd e s i g n m e t h o dw i t hf e m t h er e s u l t so fa n a l y s i s p r o v e t h a tt h i sm e t h o di s f e a s i b l e k e y w o r d s ：d e e p e x c a v a t i o n c o m p u t e da n a l y s i s o p t i m i z a t i o nd e s i g n p l a n ef e m d e f o r m a t i o ne o n t r o l 1 1 概述 第一章绪论 基坑工程是基础和地下工程施工中的一个古老而又有时代特点的岩土工程 课题，同时又是一个综合性的岩土工程难题，既涉及到土力学中典型强度问题， 又包含了变形问题，同时还涉及到土与支护结构的共同作用问题。对于这些问题 的认识及其对策的研究，是随着土力学理论、计算技术、测试仪器以及旌工机械、 施工工艺的进步而逐步完善的。 放坡开挖和简易木桩围护可以追溯到远古时代。人类土木工程活动促进了基 坑工程的发展。随着我国城市化的进程不断加速，愈益要求开发三维城市空间。 特别是到了本世纪，随着高层和超高层建筑的发展，以及人们对地下空间的开发 和利用日益增多，基坑工程不仅数量增多，而且向更大、更深的方向发展。由于 大量的基坑工程集中在市区，施工场地狭小，施工条件复杂，基坑围护体系不仅 要保证基坑及围护结构本身的安全，而且还要保证周围建( 构) 筑物和市政设施 的安全以及正常使用，也就是说基坑还存在着环境效应的问题。因此对基坑工程 的要求越来越高，出现的问题也越来越多。由此促进了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和施工工艺。 实践表明，基坑工程比其它基础工程更突出的特殊性是，其设计和施工是相 互依赖、密不可分的，施工的每一阶段，结构体系和外部荷载都在变化，而且施 工工艺的变化，开挖工序和位置的变化都非常复杂，且都对最后的结果有直接的 影响，决非最后的计算简图所能决定的。基坑的稳定性、支护结构的内力和变形、 地层的位移对周围建筑物和地下管线的影响及保护的计算分析，目前尚不能准确 地得出定量结果。有关基坑的稳定及变形理论对解决这类工程实际问题有非常重 要的指导意义。 1 2 深基坑支护结构计算的现状及存在的问题 一般目前常用的支护开挖方法【3 】1 3 9 1 1 4 0 】有：根据开挖深度的不同采用放坡和支 挡形式进行。前者仅适合用于开挖深度较浅的基坑，而对于开挖深度大于4 0 米 的软土地区，则需借助支护结构开挖，常用的支护形式有加固型支护和支挡型支 护两大类以及这两类的组合。加固型支护主要有水泥搅拌桩支护系统、喷锚网支 护系统；支挡型支护主要有桩排支护系统、钢筋混凝土桩排支护体统、框架式桩 堡主堡苎壹曼堡墨篓苎堕三堡墼堕坌堑墨茎芏堕塑垡垡堡生墅塑 排、带有内支撑的桩排系统和地下连续墙支护系统，而这些支护系统中，往往辅 以止水妨渗、支撑拉锚、加固土体、降水排水、挖土卸荷等一系列的技术措施组 成因地制宜的每一具体工程的支护方式，以达到深基坑支护工程的整体最优效 益。 目前采用的支护结构的计算主要存在两方面的问题，一方面是计算理论、计 算方法的问题，一方面是土体计算参数的选取问题。 基坑计算方法大致可以分为三类，第一类是常规设计方法：第二类称为弹性 抗力法；第三类是有限元法。 常规设计方法是最常用的方法，其要点是首先选择一定的入土深度，在满足 总体稳定、抗隆起、抗渗流要求下，用经典土力学理论计算主动土压力和被动土 压力。然后，对重力式刚性挡土墙验算其抗倾覆、抗滑移稳定性：对柔性挡墙， 计算其内力和变形，对墙身和支撑结构进行计算。这种方法对于普通挡土墙或者 开挖深度不深的钢板桩是比较成熟的。但对深基坑，特别是软土中的深基坑支护 结构的计算则难以考虑更为复杂的条件，难以分析支护结构的整体性状。我国建 筑基坑支护技术规程( j g j l 2 0 9 9 ) 【l 】对常规设计方法做出了一些明确的规定。 弹性抗力法( 又称杆系有限元法、基床系数法) 是针对常规方法中挡土墙内 侧被动土压力计算中出现的问题提出的改进。由于挡土墙位移有控制要求，内侧 不可能达到完全的被动状态，实际上仍存在弹性抗力阶段，因此，引用承受水平 荷载桩的横向抗力概念，用土弹簧模拟被动区的土体抗力，将墙后外侧主动土压 力作为施加在墙体的已知水平荷载，用弹性地基梁法计算支护体系的变形与内 力。一般的弹性地基梁有限元法在计算支护结构内力和变形时，没有考虑施工过 程的连续性，也没有考虑工况之间的关系，认为各个工况之间相互独立计算，忽 略了前工况结构受力变形对后续工况的影响，视后续工况的各道支撑瞬间同时施 工的。这种假定是不符合实际施工过程的。杆系有限元法简单方便，但这种方法 只能求出墙体和支撑的内力、位移和变形，而不能求出周围土体的变形，如地表 沉降、坑底隆起和墙体变形。并且土体弹簧系数( 基床系数) 比较难以确定。我 国建筑基坑支护技术规程( j g j l 2 0 9 9 ) 【1 】推荐使用该方法。 有限元单元法由于能够处理分析域的复杂性状及边界条件，材料的非线性和 几何非线性，已在深基坑工程中得到了应用【2 9 l 【3 2 l 【3 3 1 1 3 4 l 【3 5 l 【3 6 1 印。在基坑变形和内 力计算中，如基坑的平面形状比较规则，并且有一个方向的尺寸远大于另一个方 向的尺寸，可认为基坑处于平面应变状态，可将士体离散成三角形单元或四边形 单元，将围护墙离散成梁单元，再引入具体的边界条件求解。它可以从整体上分 析支护结构及基坑周围土体各点的应力与位移性状，能够考虑土体的非线性、流 变性等性质，而且可动态模拟开挖支撑的施工过程，在理论上是较合理的，其发 2 展相当迅速。除了数值分析方法本身的问题以外，用有限元法的关键是要正确选 用计算模型与设计参数。目前已经开发了一些基坑支护设计计算软件，如北京理 正软件公司开发的深基坑支护软件、同济启明星工程计算器、安世软件工程技术 ( 北京) 有限公司开发的软件包g e o t e c h n i c a l & g e o e n v i r o n m e n t a ls o f t w a r e 中的 d e s i g n s p a c e 6 0 。但除上海地区以外，该法并没有被列入地基基础设计规范，也 就是说有限元方法应用于基坑支护设计没有得到推广。因此，有限元方法仍然是 研究基坑支护设计计算方法的热点。 1 3 选题目的及意义 基坑工程是一个系统工程，涉及工程地质、水文地质、工程结构、工程施工 与工程管理，是融土力学、水力学以及结构力学于一体的综合性学科。围护结构 是由若干个具有独立功能的体系和部分组成的整体，因此无论是设计还是施工均 应从整体的系统出发。只有协调好系统的各个部分，才能构成良好的整体。就某 一具体的基坑工程而言，既要注意土和土层结构，又要考虑场地的水文条件：既 要估算作用在围护结构上的土压力，又要分析土中渗流对围护结构和基坑稳定的 影响；而基坑挖土的方式和顺序又与基坑稳定直接有关。基坑开挖深度在基坑工 程中起到了主导作用，而基坑周围的环境对基坑围护方案的确定具有制约作用。 因此在确定基坑围护方案时，要求整个系统的总体效益最优，系统的最优化并不 要求所有部分均达到最佳的特征，却要求各部分的状态在系统协调下达到总体效 益最优。基坑工程中一对矛盾一直困扰着人们，即经济性和安全性这一对矛盾。 由于目前尚缺乏可靠的理论和方法，实际工程中有时为了安全性，不得不加大投 资，造成不必要的浪费：另一方面有时为了片面追求经济性，而降低了基坑的稳 定性和变形方面的控制要求，而造成工程事故，导致了更大的经济损失。解决这 一矛盾的合理途径就是要研究深基坑工程的优化设计。已有不少学者提出的优化 设计思想f 2 】f 7 】【8 】【9 】【1 6 】，主要是从各种不同方案之间比较来选择较经济合理的基坑 开挖支护方案的优化。本文在前人研究的基础上，认为：在控制基坑稳定性和变 形的前提下，基坑支护结构优化设计也要从系统的观点出发，研究三个方面的优 化：( 1 ) 不同支护选型之间的比较：( 2 ) 支护结构体系的优化( 如截面尺寸、入 土深度等) ；( 3 ) 支撑系统的优化( 如支撑布置、支撑截面、支撑间距等) 。本文 主要探讨( 2 ) 、( 3 ) 两个方面的优化。本文的研究结合方案间的比较优化，将对 基坑工程的设计产生一定的推动作用。 硕士论文高层建筑深基坑工程数值分析及支护结构优化设计研究 1 4 本文所做的工作 根据目前基坑工程的研究现状和工程的设计需要，本文主要完成了以下几个 方面的工作： 1 、分析和总结了与基坑工程设计计算相关的问题； 2 、考虑了土与结构的相互作用以及开挖过程，采用二维平面有限元法，对 深基坑工程的力学特性进行了模拟分析； 3 、运用有限元方法研究分析了深基坑开挖过程中围护结构水平位移、周围 地表沉降的分步开挖效应，探讨了围护结构刚度( 墙厚) 、墙体插入深度以及支 撑刚度对深基坑围护结构水平位移、周围地表沉降量和支撑轴力的影响规律。这 些规律的研究为支护结构的优化选型奠定了基础。 4 、系统的提出了基于变形控制的支护体系优化设计方法。该方法考虑了支 护结构和土的相互作用；考虑了支护结构和内撑结构之间的整体协调。 5 、首次将优化技术和有限元方法相结合的方法，用于基坑支护体系的优化 设计，结果显示出该方法是可行的；一般现有支护体系( 特别是钢筋混凝土支护 体系) 具有较大的优化空间。 6 、应用工程实例说明了有限元模拟方法的合理性，以及优化方法的作用。 4 第二章基坑支护设计理论 深基坑开挖研究工作常采用以下三种手段 6 】： ( 1 ) 理论分析研究； ( 2 ) 实验研究，包括土在基坑开挖中的性质的研究和基坑的模型实验研究 ( 3 ) 工程经验总结，提出由工程实测或经验得到的经验公式。 下面根据不同的研究内容，对基坑支护设计的相关问题进行分析。 2 1 围护结构上的土压力 围护结构承受的主要荷载是土压力，土压力是土与挡土结构之间相互作用的 结果。它不仅与土本身的性质如容重、内聚力、摩擦角等有关，而且还与支护结 构的刚度、变位、开挖深度、以及开挖顺序有关。由于影响土压力的因素十分的 复杂，对土压力的计算至今也没有一个统一的结论。 古典土压力计算仅考虑几种极限状态，即所谓的主动土压力、被动土压力、 静止土压力三种极限状态。最具有影响的是基于库仑( c o u l o m b ) 和朗肯( r a n k i n e ) 土压力公式。 2 1 1 朗肯土压力理论( r a n k i n e ，1 8 5 7 ) 1 3 1 1 4 1 1 5 1 1 6 i 朗肯土压力理论假设墙背表同垂直光滑，填土表面水平，通过考虑墙后土体 中某一点的极限平衡条件，从弹性半空间的应力状态出发，导出主、被动土压力 计算公式，基本公式如下： 对于粘性土： 只：= 1y h 2 。一2 c h 一2 。2 h k 2 c h 厄- t ( 2 i 1 ) 只= = y 2 。一 一 ( 2 ) o = 寺y 巧+ 2 胡再 ( 2 1 2 ) 对于无粘性土： = 去，h 2 k 。 ( 2 1 3 ) 0 = i 1y h 2 k p ( 2 1 4 ) 式中： 亿= t 9 2 ( 4 5 。一萼) ：定，= t g2 ( 4 5 。+ 要) ： 堡主堡兰壹星丝篓堡苎竺三矍垫篁坌堑墨圭苎丝塑垡些堡堡! ! 壅 只主动土压力( k n m 2 ) ； e 被动土- e , 力( k n i m 2 ) z 计算土压力点的深度( m ) ： y 、c 分别为土的重度( k n m 3 ) 、土的内摩擦角( 。) 、土的粘聚j j ( k n m 2 ) 。 在朗肯土压力计算理论中，假定了墙背是垂直光滑的，填土表面为水平，因 此，与实际情况有点出入。由于墙背摩擦角占= 0 ，则将使计算土压力偏大， 而p 。偏小。 2 1 2 库仑土压力理论( c o u l o m b ，1 7 7 3 ) 【3 】1 4 1 1 5 i i 剐 对t - 无粘性土，法国的土力学家库仑假设墙后存在一士锲，通过考虑土锲处 于极限平衡时的整体力学平衡条件，直接计算出作用在墙后的总土压力，基本公 式如下： 只= 日2 e ( 2 1 5 ) o = 争2 巧 ( 2 1 6 ) k ，= 坐萼些= = 二i ( 2 1 7 ) 蛆n 2 口ts i n 2 c 口干占1 ，j 主：；篇i 其中：口、口分别为墙背与竖直线、水平线的夹角； 占为墙背与土之间的外摩擦角： h 为挡土墙的高度。 库仑土压力理论是根据无粘性土的情况导出，没有考虑粘性土的粘聚力c 。 因此，当挡土结构后用粘性土作为填料时，在工程实践上常采用换算的等值内摩 擦角九来进行计算。 由于库仑土压力计算公式是以平面滑裂面为基础导得的，对于实际的曲面滑 裂面有一定的差异。在主动状态滑裂面的曲度较小，采用平面滑裂面来代替，偏 差不大；但在被动状态两者差异较大，采用平面滑裂面将会引起较大的误差。而 且其误差随着万角的加大而增加。根据t e r z a g h i 的分析f i l l ，当占= 毋时，误差可 达到3 0 ，当占 1 3 0 ，必须考虑滑裂面的曲度。 2 1 3 粘性土主动土压力f a l l 4 i 根据极限平衡理论，假设墙后土体在主动状态下滑裂面为平面，可导出形式 与库仑和朗肯无粘性土主动土压力相似的粘性土主动土压力计算公式： 塑! ：堡= ：! ! ； 查星垡堡篓苎堕三望墼堕坌堑墨塞芝竺塑垡! 坐堕壅一 1 只= 妻y h ! k 。 2 1 7 1 ，s i n ( a + 卢) 。、“一s i n2 口s i n2 ( 口+ 一一占) j k q s i n ( a + f 1 ) s i n ( a - f i ) s i n ( 2 r s i n c t c o s ( a + f l - b - f i ) - 声+ 占) s i n ( 声一卢) 1 + 12 瓶k qs i n ( a 鬲f l ) s i n ( 庐刁而q s i n 赢a 面河可s i n ( a = 6 ) s i n ( 而河r s i n 碉j 一 1 l 【2 b + 一) +c o s ) ( k g 。 一 + j ) + 口c o s ) j j 目= 一僖i s 4 忑s i n 万f l + 磊s i n 石( a - 面0 - 6 ) i ； 脚小丽2 q 器端 2 c 叩5 丽 式中：0 为滑裂面的倾角，其余符号同前所述。 粘性土计算公式，如把墙背竖直光滑与填土表面水平的朗肯条件代入，即可 把土压力转换为朗肯公式；如果使c = 0 ，即可把土压力转换为相应的库仑公式。 这说明朗肯和库仑土压力仅仅是粘性土土压力的特例。 2 1 。4 基坑开挖支护中的土压力 设计支护结构必须搞清作用于结构上的外荷侧向土压力。作用于支护结构的 土压力与支撑、锚杆的设置情况，土性的变化与地下水等因素有关。由于支护结 构上的土压力是随着开挖的进程逐步形成的，又随着支撑或锚杆的设置及每步开 挖施工参数的差异而产生受力状态的改变，因此其土压力的分布与一般挡土墙存 在着差异。另外深基坑工程中水的渗流、空间及时间效应对于土压力的大小和分 布也有很大影响。 ( 1 ) 土压力随结构变位的影响1 3 i 土压力由于支护结构的变位，处在静止土压力和主、被动土压力之间。是由 静止土压力减小到主动土压力或增大到被动土压力。日本森重龙马对作用在支护 结构上的土压力，建议根据结构的变位进行增减修正。开挖以前作用土体按静止 土压力计算，开挖后假定在结构上的土体处于弹性变形状态，并按文克尔的基床 系数法来求解结构上的土压力。 被动侧土压力随着结构位移的不断增大而增大，并逐渐达到某一极限状态， 这一极限值大致为被动土压力。同样，主动侧土压力随着结构位移的不断增大而 减小，并逐渐达到某一极限状态，这一极限值大致为主动土压力。 对土压力的修正公式可表示为： 堡! 堡兰 壹星些篁塑苎些三翌墼堕坌塑墨壅芏丝塑垡些丝兰旦垄一 被动侧： 以= p o + 托占 岛 主动便0 ： p 口= p o k h j p 。 式中：p o 为静止土压力：k 水平地基基床系数；占为结构的变位； p 。p 。分别为主动、被动土压力；口、分别表示被动侧和主动侧。 ( 2 ) 渗流对土压力的影响 一般概念上的土压力包括地下水压力和土骨架侧压力，渗流带来的地下水压 力的变化是显而易见的。如图1 2 1 所示，如果不考虑地下水的渗流，那么c 点 右侧的水压力为只。= 儿( 日。+ 日：) ，c 点左侧水压力只，d = 儿2 。当地基土 中有渗流时，比如考虑如图1 2 2 所示均质地基中的渗流情况，则显然在c 点两 侧水压力应该相等。也就是说，由于渗流中的水头坡降，造成c 点右侧的水压 力降低，同时c 点左侧的水压力升高，使得实际上c 点左右两侧的水压力是一 致的。 、 a 口 毒hi 订fj b ， 7 易? 不透水层 图2 2 1 一种无渗流影响的特殊情况 、口 a b h： 订f 7 刁t氐h | 图2 2 2 有渗流情况 土中渗流在造成水压力变化的同时，也相应地改变了土骨架的侧压力。水压 力之所以会发生变化，是由于水在渗流过程中受到土骨架的阻力，这个力的反作 用力就是土骨架受到的水在渗流中对土骨架的渗透力。渗透力是一种体积力，单 位体积内受到的渗透力j = y 。f 其中f 为水头梯度。 渗流效应有两个方面：一方面时作用在围护墙后的水压力减小，使墙前的水 压力增大，这是有利的：但另一方面，水在土中渗流时将对土的颗粒骨架产生渗 透力，因此将对有效土压力产生效应，在墙后，渗透力基本上沿竖向而下，使竖 向的土自重应力增大，因而也就增大了墙后的土压力：在墙前，渗透力基本上是 向上的，使竖向的土自重应力减小，因而墙前的土压力将减小，这些又都是不利 的。渗流效应的大小，与墙前后的水位差有关，由于般深基坑工程的水位差较 大，因此考虑渗流效应是必要的。 ( 3 ) 空间效应对土压力的影响 土压力的空间效应从本质上来说是土压力与土体位移关系的一种表现。从表 顾士论文高层建筑深基坑工程数值分析及支护结构王j 皇些丝丛塑塑 观上看，土压力的空间效应表现在两个方面：一是在随深度由于支护结构的变形 而产生的土压力的调整：二是在平面上，同一深度处的土压力随平面位置不同而 存在的差异。 土压力在深度上的土拱效应，土力学界很早就开始研究这个问题。应用较多 的考虑土压力深度效应的三种方法：丹麦规则、o h d e ( 1 9 3 8 ) 、r o i s i n ( 1 9 5 3 ) 。 r o w e 在1 9 5 2 年指出，当锚固板桩墙的锚杆发生塑性变形时，可不考虑土压力在 深度上的调整，而当支撑相对刚性和墙体相对柔性时，考虑土压力深度上的土拱 效应将是合适的。 ( 4 ) 时间效应对于土压力的影响 基坑开挖是一个卸载过程，基坑外围及基坑底的土体在卸载过程中产生负的 超静孔压，负超静孔压随时间而消散。这个过程与地基土在加载之后随时间正超 静孔压消散的过程相类似，但效果刚好相反：若是加载情况，超静孔压是正的， 随着超静孔压的消散，地基土固结，土体抗剪强度提高：卸载情况则相反，超静 孔压为负，随着孔压恢复，地基土膨胀，土体抗剪强度降低。也就是说，对于加 载情况，加载完成时是最不安全的，而对于卸载情况，卸载完成初期是最安全的。 反映在土压力上，就是开挖主动土压力随时间要增大。 2 2 基坑围护体系 基坑围护体系一般包括两部分：挡土体系和止水降水体系。基坑围护结构一 般要求承受土压力和水压力，起到挡土和挡水的作用。一般情况下围护结构和止 水帷幕共同形成止水体系。 2 2 1 围护结构型式及适用范围1 4 1 ( 1 ) 围护结构型式主要可以分为下述几类： ( 2 ) 放坡开挖及简易围护： ( 3 ) 悬臂式围护结构； ( 4 ) 重力式围护结构； ( 5 ) 内撑式围护结构； ( 6 ) 拉锚式围护结构： ( 7 ) 土钉式围护结构： 其它型式围护结构。主要有门架式围护结构；拱式组合型围护结构：喷锚网 围护结构：沉井围护结构；加筋水泥土墙围护结构；冻结法围护等。 1 、放坡开挖及简易围护及适用范围 硕士论文高层建筑深基坑工程数值分析及支护结构埋些鏊堕里! 壅 放坡开挖是选择合理的基坑边坡以保证在开挖过程中边坡的稳定性，包括坡 面的自立性和边坡整体稳定性。放坡开挖适用于地基土质较好，开挖深度不深， 以及施工现场有足够放坡场所的工程。放坡开挖一般费用较底。在放坡开挖过程 中，为了增加基坑边坡稳定性，减少挖土土方量，常采用简易围护。如在坡角采 用草袋装土或块石堆砌挡土，或在坡角采用短桩隔板围护等。 2 、悬臂式围护结构及适用范围 悬臂式围护结构常采用钢筋混凝土桩排桩墙、木板桩、钢板桩、钢筋混凝土 板、地下连续墙等型式。钢筋混凝土桩常采用钻孔灌注桩、人工挖孔灌注桩、沉 管灌注桩及预制桩。悬臂式围护结构依靠足够的入土深度和结构的抗弯能力来维 持整体稳定和结构的安全。悬臂式围护结构对开挖深度很敏感，容易产生较大的 变形，对相邻建( 构) 筑物产生不良的影响，因此只适用于土质较好、开挖深度 较浅的基坑工程。 3 、重力式围护结构及适用范围 目前在工程中用的较多的是水泥土重力式围护结构，常采用深层搅拌法形 成，有时也采用高压喷射注浆法形成。为了节省投资，常采用格构体系。水泥土 与其包围的天然土形成重力式挡墙支挡周围土体，保持基坑边坡稳定。深层搅拌 桩重力式围护结构常用于软粘土地区，开挖深度约在6 0 m 以内的基坑工程。采 用高压喷射注浆法施工还可以在砂类土地基中形成水泥土挡墙。水泥土抗拉强度 低，水泥土重力式围护结构适用于较浅的基坑工程，其变形也比较大。 4 、内撑式围护结构及适用范围 内撑式围护结构由围护结构体系和内撑体系两部分组成。围护结构体系常采 用钢筋混凝土桩排桩墙和地下连续墙型式。支撑体系可采用水平支撑和斜支撑。 根据不同开挖深度又可以采用单层水平支撑、二层水平支撑及多层水平支撑。当 基坑平面面积很大，而开挖深度不太大时，宜采用单层斜支撑。内支撑围护结构 适用范围广，可适用于各种土层和基坑深度。 5 、拉锚式围护结构及适用范围 拉锚式围护结构由围护结构体系和锚固体系两部分组成。围护结构体系同内 撑式围护结构，常采用钢筋混凝土桩排桩墙和地下连续墙型式。锚固体系可分为 锚桩式和锚杆式两种。随基坑深度的不同，锚杆式也可为单层锚杆、二层锚杆和 多层锚杆。锚桩式需要有足够的场地设置锚桩或锚固物。锚杆式需要地基能提供 锚杆较大的锚固力。故锚杆式较适用于砂土地基和粘土地基。对于软粘土地基， 由于地基不能提供较大的锚固力，所以很少使用。 6 、土钉式围护结构及适用范围 硕士论文高层建筑深基坑工程数值分析及塞塑堕塑垡些墼堡堕塑 土钉一般通过钻孔、插筋、注浆来设置，传统上称砂浆锚杆。也有采用打入 或射入方式设置土钉。边开挖基坑，边在土坡中设置土钉，在坡面上铺设钢筋网， 并通过喷射混凝土形成混凝土面板，形成土钉墙围护结构。土钉墙围护结构的机 理可理解为通过在基坑边坡中设置土钉，形成加筋土重力式挡墙，起到挡土作用。 土钉墙围护结构适用于地下水以上或人工降水后的粘性土，粉土、杂填土及非松 散性砂土、卵石土等，不适用于淤泥质土及未经降水处理、地下水位以下的土层 地基中基坑围护。土钉墙围护一般宜控制在5 1 5 m 深度。 7 、门架式围护结构及适用范围 目前在工程中常用钢筋混凝土灌注桩、压顶梁和联系梁形成空间门架式围护 结构体系，它的围护深度比悬臂式围护结构深。门架式围护结构适用于开挖深度 已超过悬臂式围护结构的合理围护深度，但深度也不是很大的基坑工程，其合理 围护深度可通过计算确定。 8 、拱式组合型围护结构及适用范围 拱式组合型围护结构及适用范围是由钢筋混凝土桩同深层搅拌桩水泥土拱 共同形成的围护结构。水泥土抗拉强度很小，抗压强度较大，形成水泥土拱可有 效利用材料性能。拱角采用钢筋混凝土桩，接受水泥土传来的应力。采用内撑式 围护型式，合理应用拱式组合型围护结构可取得较好的经济效益。 9 、喷锚网围护结构及适用范围 由于水泥土强度低，水泥土重力式挡墙围护结构围护深度小，为了克服这一 缺点，可在水泥土插入型钢，形成加筋水泥土挡墙围护结。在重力式围护结构中， 为了提高深层搅拌桩水泥土墙的抗拉强度，人们常在水泥土挡墙中插入毛竹或钢 筋。 1 0 、冻结法围护及适用范围 通过冻结基坑四周土体，利用冻结土抗剪强度的提高，止水性能好的特性， 保持基坑边坡稳定。冻结法围护对地基土类适用范围广，但应考虑其冻融过程对 周围的影响，电源不能中断，以及工程费用等问题。 2 2 2 止水降水体系 为了保证土方开挖和地下室施工处于“干”状态，常需要通过降低地下水位 或配合以设置止水帷幕使地下水位在基坑底面o 5 1 0 m 以下。降低地下水位也 有利于基坑围护结构的稳定性，防止流土、管涌、坑底隆起引起破坏。对于渗透 性很小的地基也可以既不降低地下水位也不设置止水帷幕，在基坑开挖过程中产 生少量积水可采用明沟排水处理。 目前在深基坑工程中应用较多的止水帷幕有三种形式：深层搅拌法水泥土止 堡主堡兰生星垄苎塑茔堕三堡塑堡坌堑墨塞芏丝塑垡垡垦生鲤塞一 水帷幕，高压喷射注浆法水泥土止水帷幕和素混凝土地下连续墙止水帷幕。深层 搅拌法水泥土止水帷幕视土层条件可采用一排、两排、或数排水泥土搅拌桩相互 叠合形成，适用于粘土、淤泥质土和粉土地基。高压喷射注浆法水泥土止水帷幕 一般有两种形式：单独形成止水帷幕，采用单排旋喷桩相互搭接形成，或采用摆 喷法形成；与摊桩共同形成止水帷幕。适用于粘土、淤泥质土，粉土、砂土及碎 石土等地基。有时也采用素混凝土地下连续墙止水帷幕，常采用冲水成槽，素混 凝土地下连续墙壁厚常为2 0 0 3 0 0 m m 。 降水措施常采用井点降水。井点降水可根据基坑范围、开挖深度、工程地质 条件、环境条件等合理选择井点类型。常用井点类型有单( 多) 层轻型井点、喷 射井点、深井井点和电渗法。为了使基开挖过程中基坑周围地下水位下降较小， 以避免地下水位下降对周围建筑物和地下管线的影响，有时需设置回灌井点。 2 3 支护结构的计算方法【3 1 2 3 1 围护结构的计算方法 最早提出计算方法的是t e r z a g h i 和p e c k 等人，他们早在4 0 年代就提出了预 估挖方稳定程度和支撑荷载大小的总应力法。这理论一直沿用至今，只不过有 了许多改进与修正。5 0 年代b j e l t i i t i 和e i d e 给出分析深基坑底板隆起的方法。 6 0 年代开始在奥斯陆和墨西哥城软粘土深基坑中使用仪器进行监测，此后的大 量实测资料提高了预测的准确性，并从7 0 年代起，产生了相应的指导开挖的法 规。我国7 0 年代以前的基坑都比较浅。北京7 0 年代初建成了深2 0 m 的地下铁 道区间和东站深基坑。8 0 年代宋相继在北京、上海、天津等地召开全国和地方 的深基坑会议，并出版有关论文集；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，开始制定了地方标准和国家行业标准并编制深基坑支护设计与施 工的有关法规。 经过几十年的研究发展，我国深基坑技术有了长足的进步，分析与计算方法 也f ；! 益丰富，有限元等现代分折技术已成功应用在基坑工程中。 目前国内外围护结构受力与变形的计算方法实质上是从横向受荷桩的计算 方法演变面来的，按其所考虑的条件，可将其计算理论大致分为五类。 ( 1 ) 较古典的钢板桩计算理论，土压力己知，不考虑墙体变形，不考虑横 撑变形，如：自由端法、等值梁法、l 2 分割法、弹性线法、太沙基法。 ( 2 ) 横撑轴力、墙体弯矩不变化的方法，土压力已知，考虑墙体变形，不 考虑横撑变形，如：山肩邦男弹塑性法，张有龄法，m 法。 顾地文高层建筑深基坑工程数值分析及巡构优佳望生堑塞 ( 3 ) 横撑轴力、墙体弯矩随之变化的方法，土压力已知，考虑墙体变形， 考虑横撑变形，如：日本建筑基础结构设计法规的弹塑性法、有限元法。 ( 4 ) 共同变形理论( 弹性) ，土压力随墙体变位而变化，考虑墙体变形，考 虑横撑变形，如：森重龙马法，有限元法( 包括土体介质) 。 ( 5 ) 非线性变形理论，考虑土体为非线性介质，考虑墙体变形，考虑横撑 变形，考虑施工分步开挖，如：考虑分步开挖的非线性有限元法。 下面就上述各类方法中较为典型的计算方法做一个分析。 1 、假想梁法( 又称等值梁法) 假定：挡墙在基底以下有一假想铰，假想铰把挡墙划分为两段假想梁，上部 为简支梁( 例单撑结构) ，下部为一次超静定结构，这样就可以求得挡墙的内力。 采用假想梁法可以求解多支撑( 锚杆) 挡墙的内力( 图2 3 1 ) ，其关键的问 题在于假想点位置的确定。假象点的位置可以参考有关基坑手册。【3 】 力量 图2 3 1 假想粱法计算简图图2 3 21 2 分割法 2 、1 2 分割法 假定每道支撑承受跨中到跨中那部分的水、士压力。则每道支撑的轴力就等 于所分担的水、土压力图面积( 图2 3 2 ) 。支撑轴力已知后，不难求得墙体的弯 矩。 3 、太沙基法 太沙基假定挡墙受力后，在每道横撑( 第一道横撑除外) 支点以及基底处形 成塑性铰。由此挡墙成为静定的连续粱，见图2 3 3 。 4 、山肩邦男法 山肩邦男法( 图2 3 4 ) 有如下几条假定： ( 1 ) 在粘土地层中，挡土结构为无限长弹性体； ( 2 ) 挡土结构背侧土压力在开挖面以上取为三角形，在开挖面以下取为矩 形( 已抵消开挖面一侧的三角形土压力) ； ( 3 ) 开挖面以下土的横向抵抗反力可分为两个区域即高度为l 达到被动土 压力的塑性区和反力与挡士结构变形形成直线关系的弹性区： ( 4 ) 横撑设置后即作为不动支点； 竺三! ；! 堡三! ! ； 堕星垄堕透董堕三堡墼堕坌堑墨兰芏堕塑垡些堡堕旦塑一 土压力 + 一i 一 0 咿 十l 垒 l 十| 一 三喜，+ 爿j 十肌一 量 n 爿虱一 艟兰三目 。 图2 3 3 太沙基法计算简图 图2 3 4 山肩邦男法精确解计算简图 ( 5 ) 下道支撑设置后，认为上道支撑的轴力保持不变且下道横撑点以上的 挡土结构仍保持原来的位置。 上述是山肩邦男法的精确解，由于计算方程中有未知数的5 次函数，因此运 算起来较复杂。 为了简化计算，山肩邦男提出了如下的近似解法( 图2 3 5 ) ： ( 1 ) 在粘性土中，挡土结构作为底段自由的有限长弹性体： ( 2 ) 同精确解： ( 3 ) 开挖面以下土的横向抵抗反力取为被动土压力，其中( 矢+ f ) 为被动土 压力减去静止土压力( r ，) 后的数值： ( 4 ) 、( 5 ) 同精确解； ( 6 ) 开挖面以下挡土结构m = 0 的那点假想为一个铰，而且忽略此铰以下 的挡土结构对此铰以上挡土结构的剪力传递。 近似解法只需应用两个静力平衡方程式：y y = o 得 n 女= i 1 矾2 + 概i 一n i 一乒。一寺毵 ( 2 3 1 ) i 由m 。= o 和式( 2 3 1 ) 得 弘一；( 枫。十 ( 纸。h u x - 荤n , h 也荤 近似解的计算步骤如下： ( 1 ) 在第一次开挖中，式( 2 3 1 ) 和式( 2 3 2 ) 的下标k = l 而且| v = 0 ，从( 2 3 2 ) 中求得5 一然后代入式( 2 3 1 ) 求解得； ( 2 ) 在第二次开挖中，式( 2 3 1 ) 和式( 2 3 2 ) 的下标k = 2 ，而且中，已知， 。即为n ：，从( 2 3 2 ) 中求得x ，然后代入式( 2 - 3 1 ) 求解得： 以次类推，求得各道支撑轴力后，求得挡土结构内力。 o l j 1 u 13) 一 2 ：雌枷 1 2 + 硕士论文高层建筑深基坑工程数值分析及支护结构优化设计研究 一一 妥一 + - n z 。 叁砌一， f 十一m 一 耸 捌l 十。一 莹 厂j q；= 2 气 台兰爿 也一 + o 图2 3 5 山肩邦男法近似解计算简图图2 3 6 弹性法计算简图 5 、弹性法 图2 3 6 为弹性法的计算图式。弹性法的基本点： ( 1 ) 考虑支撑的弹性变位，支撑的刚度k ：! 竺 6 f 其中：，支撑长度的一半( 用) ：e 支撑的弹性模量( k n m2 ) ： a 支撑的接面积( 川2 ) ；s 支撑间距。 ( 2 ) 主动侧的土压力已知( 开挖面以上为三角形分布，开挖面以下为矩形 分布) ； ( 3 ) 基底下被动侧土抗力，符合仃= 妙( 扣除主动侧三角形土压力后) ； ( 4 ) 挡土结构作为有限长弹性体，墙底可以是自由、铰结和固定。 6 、弹塑性法 弹塑性法的基本假定： ( 1 ) 同弹性法： ( 2 ) 主动侧土压力有两种图式( 见图2 3 7 ) ： ( 3 ) 基底以下分为两个区： 塑性区( 达到被动土压力) ；弹性区( 符合文克尔假定) ( 4 ) 同弹性法。 7 、塑性法 本法( 见图2 3 8 ) 的基本假定： ( 1 ) ( 2 ) 同弹性法： ( 3 ) 主动侧土压力在基坑开挖面以下为矩形： ( 4 ) 基底下仅考虑塑性区，假定塑性区最深点为铰接点，弯矩为零，弃取 以下的墙体。 堡：! 堡兰 堕星垄苎堡兰堕三矍墼篁坌堑丝塞茎苎塑垡垡垦笪堕堡一 图2 3 7 弹塑性法计算筒图 图2 3 8 塑性法计算简图 8 、叠加法 叠加法的特点是，随着开挖的进程，不断的施加释放应力，墙体的总应力、 总变位为各阶段值之和。计算图式见图2 ，3 ，9 。 t 丁丁 图2 3 9 叠加法计算简图 2 3 2 支撑体系的计算方法 目前在基坑支护工程中，特别是一些深基坑工程中，支撵的应用往往是必不 可少的。支撑体系与围护结构组成一个三维空间体系来承受外荷载，其作用是非 常重要的。 支撑体系按其材料的可以分为刚支撑和钢筋混凝土支撑两大类。 ( 1 ) 简化法：将围榇作为连续梁、支撑作为支座来计算： ( 2 ) 平面计算法：将每一道围檩、支撑、系杆作为一个整体的桁架来计算； ( 3 ) 三维计算法：将全部的围护结构、支撑体系作为一个整体来计算。 钢筋混凝土支撑体系按平面封闭框架结构设计，其外荷载由围护体系直接作 用在封闭框架周边与围护体系连接的围檩上，对于这个封闭框架，需计算它在最 不利荷载作用下，产生的最不利内力组合和最大水平位移。 钢支撑体系将钢支撑按单跨或多跨的压弯构件进行设计计算。 2 4 围护结构的稳定性分析入土深度的确定 全面对基坑进行稳定性分析，是基坑工程设计的重要环节之一。支护墙体的 1 6 硕士论文高层建筑深基坑工程数值分析及支护结构垡垡塑盐堑塑 入土深度需要保证结构本身的强度及稳定性，还需要保证基坑底部的土体不产生 隆起失稳和管涌。无论对于何种支护体系，减少入土深度总可以达到降低造价的 目的，尤其对于挡墙不能回收的墙体。但是入土深度过小又会造成基底土体的不 稳定，这就需要验算，以找出合理的墙体入土深度，既保证支护及基坑墙体的稳 定性，又达到经济合理的目的。 2 4 i 根据基坑抗隆起的稳定条件确定入土深度 在灵敏软土中板桩基坑开挖时，常会发现基底土隆起和板桩向坑内倾斜，这 主要是由于桩背后的土柱重量超过基底以下的地基承载力，此时地基土的塑性平 衡状态受到破