（地质工程专业论文）深基坑支护的有限元分析.pdf

贵州大学硕士学位论文 摘要 有限元法作为三十年来随着电子计算机的广泛应用而发展起来的一种数值 解法，可以求解各种具有复杂的土质条件、加载历史和边界条件的问题。已成为 分析岩土工程问题的实用和有效的手段。 本文首先对深基坑基础理论进行了总结，为本文之后的模型分析和研究提供 了参考和依据在考虑土与支护结构相互作用的基础上，采用二维平面有限元建 立了深基坑有限元模型。模型采用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结构的相互作用，士体采用了八节点等参数平面四边形单 元，桩采用了梁单元，锚杆采用了杆单元。 本文利用平面有限元模型对深基坑的支护结构进行了模拟，研究了支护结构 的受力和变形规律。探讨了支护结构刚度( 支护结构的截面尺寸) 、支护结构插 入深度和锚杆预应力大小对支护结构的影响。 本文的研究对基坑的设计和优化具有很好的指导意义。 关键词：深基坑；平面有限元；变形；支护结构 责= i + i 大学硕士学位论文 a b s t r a o t f e m ，ak i n do fn u m e r i c a ls o l u t i o nm e t h o d , w h i c hh a sb e e nd e v e l o p e dw i t ht h e w i d eu s eo ft h ec o m p u t e ri nr e c e n t3 0y e a r s i to a nb eu s e dt od e a lw i t ha l ls o r t so f p r o b l e m so fc o m p l e xs o i lc o n d i t i o n , l o a d i n gh i s t o r ya n db o u n d a r yc o n d i t i o n i th a s b d 2 0 m eap r a a a a # c a la n de f f e c t i v em e a n si na n a l y z i n gg e o t e c l m i q ep r o b l e m s t h i sa r t i c l es u m m a r i c st h eb a s i ct h e o r yo ft h ed e e pe x c a v a t i o nf i r s t , t h e n p r o v i d e sr e f e r e n c e sa n ds c i e n t i f i cb a s i cf o rm o d e la n a l y s e sa n dr e s e a r c h e s o nt h e b a s i so fc o n s i d e r i n gs o i l s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n ，ap l a n ef e mm o d e lf o rs i m u l a t i n g e x c a v a t i o ni se s t a b l i s h e d t h em o d e la d o p t sd m c k e r - p r a g e ri d e a le l a s t i c - p l a s t i c s t r e s s s t r a i nm o d e lu s i n gc o n t a c tp a i rc l e m e n ts 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 ，s o f tb o d yu s ee i g h t n o d e si sp a r a m e t r i cq u a d r i l a t e r a le l e m e n t , p i l eu s eb e a m e l e m e n t , a n da n c h o rr o du s es p a c el i n ke l e m e n t a p l a n ef m di m i t a t e dt h es u p p o r ts t r u c t u r eo ft h ed e e pf o u n d a t i o np i t , s t u d i e d t h el a w so fs t r u c t u r a ll o a d sa n dd e f o r m a t i o n , t h ei n f l u e n c e so nt h eb e h a v i o r so f e x c a v a t i o na r ed i s c u s s e dd u et ot h es t i f f n e s so ft h er e t a i n i n gw a l l ，t h ep r e s t e s so ft h e p i l eo ut h es u p p o r ts t r u c t u r ei nt h i sp a p e r t h es t u d yh a sg u i d a b l er o l e si nd e s i g na n do p t i m i z a t i o nd e s i g no fr e t a i n i n g s t r u c t u r e k e y w o r d s ：d e e pf o u n d a t i o np i t ；p l a n ef i n i t ee l e m e n tm o d e l ；r e t a i n i n gs t r u c t u r e ； d e f o r m a t i o n 贵州大学硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 深基坑支护结构是近十多年在我国逐步涉及的技术难题。深基坑的护壁，不 仅要保证基坑内能正常作业且安全，便于基坑挖土，而且要防止基底及坑外土体 移动，避免基坑周围地面下沉，保证基坑附近建筑物、地下管线、电缆及道路的 正常运行。基坑支护的难题在具体工程实践中所见下同，支护方法也随之变化。 随着我国高层建筑不断增加，根据建筑物使用功能及构造要求，基础埋深也随之 不断增加。在城市深基坑工程中，由于周围建筑密集和地下设施的存在，简单放 坡施工越来越没有可能，基坑支护难度也越来越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【6 1 。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。 1 2 深基坑支护计算的现状及存在的闯题 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闯题。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、测试仪器以及施工机械、 施工工艺的进步而逐步完善的t ”。 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。 深基坑支护结构的作用荷载一土压力的计算是个十分复杂的课题。传统的库 伦朗肯土压力理论适用于先筑墙后填土的挡土墙结构，而深基坑开挖的过程一般 是先在地基内施工桩或墙，然后在内侧挖土；库伦朗肯理论适用于较长的挡土墙， 属平面问题，而深基坑一般为矩形平面，具有一定的空间影响。此前，大量的浅 挖工程和无需支护的实践，使人们已经习惯于一般常规的加载的土力学方法( 特 别是一次性的单调加载过程) 。土中应力与变形均无需作符合丌挖边界的调整， 贵州大学硕士学位论文 但现在特别是深基坑开挖与支护的应力、变形分析将把不可忽视的卸载问题( 还 有应力路径的内容) 及其引发的土体应力、强度、变形性质以及其变化提出需要 深入研究的课题 深基坑支护结构作用荷载、内力计算实际上是一个典型的土与结构共同作用 课题。作用于支护结构上的土压力应随着土与结构的变形条件、支护结构刚度、 支点力( 锚杆或内支撑) 大小、支护体系的空间影响变化而变化。由于土体的受 力性能随土体的含水量等改变。因此，土压力还随环境变化而变化诸多影响因 素使土压力的计算更为复杂。 除基坑开挖面以上士压力计算问题之外，基坑开挖面以下的作用荷载也始终 是一个较难确定的课题。亦即基坑支护结构嵌固部分的力学模型假定也是十分困 难的，这些问题也需应用结构与土体共同作用原理加以解决。 由于我国深基坑支护结构研究起步较晚，在结构与土体共同作用问题上的研 究甚少，目前，工程设计中大部分还是以库伦土压力理论为基础计算深基坑支护 结构上的作用荷载。从发展的角度看，应充分考虑这些特点以形成更为符合实际 的计算方法。 1 3 有限元法在岩土工程中的应用 近年来，随着电子计算机技术的发展，有限元法的理论和应用都得到迅速的 持续不断的发展，其应用领域已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题； 由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题。分析的对象从弹性材料 扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等：从固体力学扩展到流体力学、传热 学、电磁学问题等连续介质领域。在工程分析中的作用己从分析和校核扩展到优 化设计并和计算机辅助设计相结合。 1 9 7 0 年d u n c a n 和c h a n g 首次应用有限元数值方法对边坡开挖的性状进行了 分柝，通过与实测资料的对比，认为有限元法可以较好地预测边坡开挖，其中土 体本构模型采用双曲线非线性弹性模型闭。1 9 8 1 年m a n a 通过现场实测和有限 元联合分析，发现墙体变形和地表沉陷与基底隆起安全系数有直接关系，并建立 起与之相关的经验公式。m a n a 同时还提出了开挖荷载的计算方法即m a n a 法， 直至今沿用【3 9 i 。1 9 8 4 年p o s t s 用有限元法分析了内支撑和锚杆的受力和与变 责州大学硕士学位论文 形特性，研究表明用极限平衡理论设计挡土墙时，尽管给出了一定的安全系数， 但并不能将挡土墙及土层的变形严格控制在可接受的范围内 4 0 1 1 9 8 5 年h a t e 采用粘弹塑性本构模型，分析了锚拉式地下连续墙支护开挖问题，土体模型参数 与工程实际中得到的基本参数有关。1 9 8 7 年c h a r t 等用应变软化有限元方法分析 了有软弱土层的开挖问题，认为软弱土层的应变软化特性控制开挖的稳定性，数 值计算得到的渐进变形和剪切区域扩展与现场观测到的现象相一致。1 9 8 8 年曾 国熙等针对杭州地区饱和软粘土，在三轴试验的基础上提出了考虑应力路径影响 的非线性模量方程，将研究成果应用于基坑开挖的有限元分析中，研究了板桩墙 插入深度和刚度、支撑刚度等因素对基坑性状的影响。1 9 9 0 年b o r i j a 等针对修 正剑桥模型用于逐级开挖的问题，利用提出的应力点积分非线性有限元分析方 法，预测了有支撑开挖实际工程的变形特性，该方法在土体不破坏时，无条件地 收敛，且具有很高的计算精度。1 9 9 1 年f i n n o 等用水土耦合有限元方法对影响 有支撑开挖的多种因素进行了研究，包括本构模型、边界条件和板桩施工过程等。 1 9 9 5 年n 童等对超固结硬粘土开挖问题分析采用弹完全塑性模型和非线性b r i c k 模型对墙体变形、墙体弯矩、支撑轴力和地面沉降等进行了预测和比较，并考虑 了墙体施工过程，认为非线性b r i c k 模型预测的结果与现场观测值符合褥较好。 1 9 9 5 谢宁等提出并建立了非线性流变有限元解析的二次初应变法，并以搅拌桩 支护为例，按非线性流变模型进行有限元计算，与实测结果进行对比分析。1 9 9 8 范益群年用有限元方法分析稳定问题是近年来稳定分析研究的新趋势。它可以从 空间、时间上比较全面的反映各种因素对支护结构及周围土体的应力、位移的影 响。有限元方法与目前常用的极限平衡法相比，主要有以下优点：( 1 ) 可以考虑 土体的非线性本构关系，模拟基坑开挖的施工过程，从而得到较为准确的应力场 和位移场，作为稳定分析的基础。如果进行分步加载下的非线性分析，还可以了 解土坡的渐进破坏机理，跟踪土坡内塑性区的开展情况。( 2 ) 适用于任意复杂的 边界条件。比如复杂的几何形状，有结构物作用，有支护的基坑等，而用其他方 法很难解决。鉴于深基坑边坡稳定分析的特殊性以及极限平衡法的诸多缺点，故 在本论文对深基坑边坡稳定分析采用有限单元法。 目前，有限元方法应用于深基坑支护设计还没有得到推广。因此，有限元方 法将是研究基坑支护设计计算方法的热点。 贵州大学硕士学位论文 1 4 研究目标及意义 随着高层建筑的建造、大型市政设施的施工及大量地下空间的开发，必然会 有大量的深基坑工程的产生地下空间的利用促进了深基坑的发展，但随之而产 生了深基坑支护与施工问题，而基坑的深度至为关键，目前已经深达2 0 米，近 3 0 米深基坑支护的设计与施工已是当前高层建筑基础工程的热点与难点。目 前深基坑支护设计的理论还很不完善，模型试验、工程测试还有待进一步发展。 在这种情况下，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是 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。系统的最优化并不是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。已有不少学者提出了优化设计思想，主要是从 各种不同的方案之同比较来选择经济合理的基坑开挖支护方案的优化。本文对基 坑工程的支护进行有限元模拟，对不同工况下支护结构水平位移和受力进行分 析，以便得到经济有效的支护方案，为工程设计与施工提供参考 1 5 论文研究的主要内容与技术路线 根据目前基坑工程的研究现状和工程设计的需要，以a n s y s 非线性有限元 程序作为软件平台，考虑了土与结构的相互作用，采用二维平面有限元法，对深 基坑工程支护进行了模拟了分析，着重分析了深基坑开挖支护后支护结构水平位 移和受力情况，同时探讨了支护结构刚度、支护结构插入深度，以及锚杆预应力 大小对深基坑结构水平位移及受力的影响，这些规律的研究为得出较好的治理方 案具有一定的参考作用。 4 贵州大学硕士学位论文 根据上述研究思路，论文分五章论述，各章的内容为： 第一章绪论，主要概述了深基坑工程支护计算的现状及存在的问题，有限元 在岩土工程的应用，提出了论文研究的耳的和意义。第二章概述了基坑工程的基 础理论，包括土压力的计算、开挖、渗流等对土压力的影响基坑支护结构的变 形曲线以及影响支护结构变形的因素，基坑稳定性验算等理论。第三章介绍了有 限元的基础理论，包括有限元的基本方程，土的本构模型，屈服准则，以及与 支护结构的接触关系。第四章介绍了a n s y s 软件以及有限元的解题过程，对实 例工程支护中支护的变形与受力进行了有限元模拟分析。第五章为论文的研究结 论与展望。 贵州大学硕士学位论文 第2 章深基坑支护基础理论 深基坑工程按我国工程界目前的习惯，也常称为深基坑支护或围护工程。深 基坑工程的一切施工活动，最终都是为了进行土方开挖。从这个意义上讲，将其 称为“深工程开挖”更为合适l ”。 深基坑开挖研究工作常采用以下三种手段l 划； ( 1 ) 理论分析理论； ( 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 土压力计算理论与方法 土压力是作用在围护结构上的荷载，土压力的计算是围护结构设计计算的第 一步也是关键的一步。一般来说，作用于支护结构的荷载可分为三类： 1 永久荷载( 恒载荷) 在结构使用期间，其值不随时间变化，或其变化与 平均值相比可以忽略不计的荷载。例如：结构自重、土压力等。 2 可变荷载( 活荷载) 在结构使用期间，其值随时间变化且变化值与平均 值相比不可忽略的荷载。如楼面活载、汽车、吊车等。 3 偶然荷载在结构使用期间不一定出现，其值很大且持续时间较短的荷 载。如地震力、爆炸力及撞击力等。 ， 支护结构计算首要问题是土压力理论1 1 4 5 7 1 【9 】【l o 】f 1 3 l 【“”l ，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 ) 土压力理论。 2 1 1 库伦土压力理论 库伦压力理论假设挡土墙是刚性的，墙后填土是无粘性土；挡墙向前或向后 移动以产生主动土压力或被动土压力时的滑动楔体是沿着墙背和一个通过墙踵 的平面发生滑动；从滑动楔体处于极限平衡状态时的静力平衡条件出发，求解主 6 贵州大学硕士学位论文 只一妻2 墨 (2-i) ppi1饵|kp(2-2) 即=可co丽s2(妒-e) ( 2 - 3 ) 即= 葺酾) 2 1 2 朗肯土压力理论 朗肯理论从极限平衡概念出发，假设地面为一平面，且沿深度和侧向都有无 限延伸，土体中有一个垂直，墙系刚性、不动的、光滑的。因而不考虑墙背与土 之间的摩擦力。主动和被动应力状态发生在一对剪裂面为界限的楔体内，破裂楔 体外仍处于弹性平衡状态。并略去土中的水压力。由极限平衡条件推导出计算公 式如下： 7 贵州大学硕士学位论文 对于无粘性土： 主动土压力： 被动土压力： 对于粘性土： 主动土压力： 见：1 胛z t 上 p p1 1 i 1 饵2 七， p 丢珂2 屯一猫压+ 芋 ( 2 - 5 ) 被动土压力： 1 一 p ，- 寺2 k ，+ 2 出、瓦 ( 2 8 ) t ( 4 5 0 - 争；k p - t 9 2 ( 4 5 0 + 争； 七一主动土压力系数； 七，一被动土压力系数； 垂土的内摩擦角； y 土的重度； h 一计算土压力的深度。 朗肯土压力理论不论砂土或粘性土、均质土或层状土均可适用，也适用于有 地下水及渗流效应的情况。其假设地面为水平，墙面为垂直，符合深基坑工程情 况，但假设墙与土体之间不存在摩擦力，使计算的主动土压力偏大，被动土压力 偏听偏小，因此它的计算是偏于保守的。 。 2 1 3 粘性土压力的计算 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。为 了使库伦理论扩大使用于粘性土，或为了简化计算，直接用于砂性土的朗肯理论 式计算粘性土的土压力，在工程实践中较为广泛地采用等效内摩擦角法。 等效内摩擦角，就是将粘性土的内聚力折算成内摩擦角，经折算后的内摩 8 贵州大学硕士学位论文 擦角称之为等摩擦角或等值内内摩擦角。用表示 | | o 4 ) ( 2 - 1 7 )吼。者丽刈“ q 。吾0 2 0 3 n cm74)(2-18)(o16+nq q 。言。 恤剐一 ( 3 ) 条形荷载条形荷载是指有限宽度上的荷载。根据t e r z a g h i 的公式修 正后为：， 吼望p s i n 芦c o s 缸) ( 2 1 9 ) 露 式中： d 一粲形荷我中，h 与所求点律缘和垂盲方向的实角： 口一条形荷载两端与所求点连线的夹 角。如图2 2 所示。 ( 4 ) 车辆荷载引起的土压力 基坑施工时当汽车在结构顶上行走时，应计 算支护上的土压力。在公路桥涵设计通用规范 ( j t j 0 2 1 8 9 ) 中对车辆荷载引起的土压力计算 方法，做出了具体的规定。其计算原理是按照库 仑土压力理把填土破坏范围的车辆，用一个均布图2 - 2 条形荷载作用下的侧压力 荷载( 或换算成等代均布土层) 来代替，然后用库仑土压力公式计算。 1 0 贵州大学硕士学位论文 2 j 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。如图所示，如果不考虑地下水的渗流，那么c 点右侧的 水压力为圪- 凡( i - l + 日：) ，c 点左侧水压力匕凡日：。当地基土中有渗流 时，比如考虑如图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 图2 - 3 无渗流影响的特殊情况图2 - 4 有渗流影响的情况 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 - h f 其中i 为水头梯度。渗流效应有两个方面：一方 面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，水在士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，由于一般深基坑工程的水位差较大，因此考虑渗流效应是必要的。 贵州大学硕士学位论文 2 3 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，又随着支撑或锚秆的设置及每步开 挖施工参数的差晃面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 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士压力。日本森重龙马对作用在支护 结构上的士压力，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： 被动侧： 只- p o + 孟毛6 只 ( 2 2 0 ) 主动侧： 只p o 一上， 6 只 ( 2 2 1 ) 式中： 昂一静止土压力；k k 水平地基基床系数；6 一结构的变位； 只一主动土压力；只一被动土压力；口、芦分别表示被动侧和主动侧。 ( 2 ) 空间效应对土压力的影响 土压力的空间效应从本质来说是土压力与土体位移关系的一种表现。从表观 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 1 2 贵州大学硕士学位论文 在的差异。 ( 3 ) 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 。4 围护结构型式及适用范围 围护结构型式主要可以分为下述几类： ( 1 ) 放坡开挖及简易围护； ( 2 ) 悬臂式围护结构； ( 3 ) 重力式围护结构； ( 4 ) 内撑式围护结构； ( 5 ) 拉锚式围护结构； ( 6 ) 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 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 用革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。钢筋混凝士桩常采用钻孔灌注桩，人工挖孔灌注桩、沉 贵州大学硕士学位论文 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 o 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 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胃土钉，形成加筋士重力式挡墙，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、杂填及非松 1 4 贵州大学硕士学位论文 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结构一般宜控制在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。 一 ( 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 5 支护结构的变形与影响因素 土压力计算理论是根据支护结构有无位移，位移的方向以及位移达到土体的 极限平衡状态的条件下来判定的。实际上支护结构的位移不一定都满足这些条 件，因此土压力的计算是近似的。随着计算技术革新的发展以及深基坑工程环境 效应问题日益突出。因此，从支护结构的位移与变形计算土压力，并在设计中预 估结构的位移的计算方法，例如弹性地基梁的“m ”法和有限元法等已同益受到 重视。 贵州大学硕士学位论文 2 5 。1 支护的变形曲线形态 ( 1 ) 弓形变形曲线 这种变形曲线在深厚软土层中，当有支撑的支护结构插入坑底以下深度不大 时最为常见，整根曲线向坑内拱出，坑底以下列明显的弯点，有的虽有反弯点， 但反弯点以下的曲线很短。 ， ( 2 ) 变形曲线上段呈向弯曲，下段呈反向弯曲 带撑的深埋式支护的变形曲线大多呈这种形态。 ( 3 ) 前倾型变形曲线 无支撑的悬臂式支护，变形曲线呈前倾，墙顶位移最大，有时墙端会出现负 位移向坑外的情况。对于第一道锚撑设置不及时，也会出现前倾型变形曲线。 ( 4 ) 踢脚型的变形曲线 在深厚淤泥中，当支护插入深度不太大时，底部较大的正位移，因此使出现 所谓的踢脚型的变形曲线。 ( 5 ) 平推型变形曲线 ，挽睇峨耀埋式妇g 线簟_ 瞪 圈2 - 5 支护结构变形曲线 2 5 2 支护变形与位移的影响因素 ( 1 ) 支撑条件 无支撑的悬臂式及重力式围护墙，墙顶位移最大，呈前倾型，当基坑开挖深 度较大时，往往会有较大的位移；支撑层数数愈多，支护结构的变形与位移愈小； 锚杆拉撑往往与锚杆灌浆的施工质量有很大的关系；另一方面也与锚固土体的土 质有关。当锚固力不足或锚杆的拔出位移过大以及设置支撑不及时等均将增大支 1 6 、 1 q 贵州大学硕士学位论文 护的位移。 ( 2 ) 支护的刚度 地下连续墙一般刚度较大，其次是人工挖孔桩及直径较大的冲钻孔桩，钢板 桩与预制的钢筋混凝土桩，一般刚度较小，变形与挠度较大，支护桩的间距大小 也有影响。 “ ( 3 ) 支护墙在坑底以下的入土深度 深度越大，则位移与变形将越小 ( 4 ) 土层强度 c 、矿越大，则主动土压力越小，被动土压力越大，支护的位移越小，对于 支护前土如用深层搅拌法或高压喷射注浆法加固，也能显著减少支护的位移，同 理在支护后用同样方法加固，在起到止水帷幕作用的同时，也对增大围护墙的整 体刚度起到一定的作用。 ( 5 ) 地下水的影响， 墙后地下水位高时，土压力增大，将增大墙的位移，特别是当出现流砂与管 涌的渗流破坏时，将增大墙的位移。 。 2 6 支护结构的稳定性分析 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 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 6 1 基坑抗隆起的稳定验算 在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 态受到破坏，发生桩背后土的流动，坑顶下陷，基坑底回弹隆起。基坑底抗隆起 验算目的是为了保证基坑底的稳定性，保证支护结构不发生“根部破坏”。不同 贵州大学硕士学位论文 的破坏假定具有不同的抗隆起验算方法，本文主要推荐采用“计及墙体极限弯矩 的抗隆起法”及“同时考虑c 、驴的抗隆起法墙底极限承载力法”，前者以抗滑动 的力矩平衡条件保证基坑底的稳定性：后者则主要从地基承载力满足设计要求的 条件保证基坑底的稳定性 1 考虑墙体极限弯矩的抗隆起法 h e 图2 - 6 考虑墙体极限弯矩的抗隆法 此法认为开挖面以下的墙体能起到帮助抵抗基底土体隆起的作用，并假定 沿墙体底面滑动，认为墙体底面以下的滑动面为一圆弧，如2 - 6 图所示。产生滑 动的力为土体重量埘t 及地面超载q 。抵抗滑动力则为滑动面上的土体抗剪强度， 对于非理想粘性土来说，其内摩擦角妒一0 。因此在计算滑动面上的抗剪强度时 应采用f - 嘟妒+ c 的公式。 抗隆起安全系数公式为： 。 即参 ( 2 _ 2 2 ) ， 式中m ，为抗滑力矩；m ，为滑动力矩。 即蚴降+ 织) d + 孚+ 孚卜妒( 华+ 孚) + c 岫矗m m ，- 去( y 日+ 口) d 2 ( 2 2 3 ) 1 8 责州大学硕士学位论文 g ，- y h + q ；e - t 9 2 ( 4 5 。一务；s l b c 圆弧；s 2 - e c 圆弧； 二 其中： d 挡墙入土深度( m ) o h 基坑开挖深度( m ) o 呲面超载刚酽。 y 、0 、c 分别为土体重度，粘聚力和内摩擦角； 为基坑底面处墙体的极限抵抗弯矩，可采用该处的墙体设计弯矩。 计算时可采用试算法选定入土深度d 。即取数个d 值，验算抗隆起安全系数， 求得安全系数k ：为最小时的入土深度即为所求的入土深度。为了达到稳定要求， 必须满足k ( 1 5 2 5 ) 。 实践证明，上法较适用于中等强度和较软弱的粘性土层中的地下墙工程。但 由于假定滑动面通过墙底，故在d 过小时，这样的假定显然是不合理的，与实际 情况不符。因此当在d h o 3 0 4 及h s m 时，宜采用下面的方法。 ( 2 ) 同时考虑c 、0 的抗隆起法 在许多验算抗隆起安全系数的公式中，验算抗隆起安全系数时，仅仅给出了 纯粘性士( - 0 ) 或纯砂性土( c 一0 ) 的公 式，很少同时考虑c 、0 显然对于一般的 粘性士，在士体抗剪强度中应包含c 和0 的因素。因此参照p r a n d t l 和t e r z a g h i 的地基承载力公式，并将墙底面的平面作 为极限承载力的基准面，其滑动线形状如 2 7 图所示。 建议采用下式进行抗隆起安全系数的 验算，以求得入土深度： 卜 i l - - j 1 一 k 1 i lr , 8 1 111l11li11i111lif 淞罗 e y 2 j d _ n q = + c n c ( 2 2 4 ) 图2 7 考虑c 、一的抗隆起法 n 舛+ d ) + q 。 。 。 式中： 卜墙体入土深度( ) ： h 一基坑开挖深度( 1 1 1 ) ； tl，ll卜liii+lr上 贵州大学硕士学位论文 r 。坑外地表至围护墙底，各土层天然重度的加权平均值( 七伽3 ) ； r ：坑底以下至围护墙底，各土层天然重度的加权平均值( 正伽3 ) ； c 坑底土体的粘聚力( 崩v m 2 ) ； q 地面超载( 七伽2 ) ； 虬、虬分别p r a n d t l ，t e r z a g h i 的地基承载力系数； p r a n d t 的地基承载力系数： 以- t 9 2 ( 4 5 。+ 鼽哪及虬- 眠一驴船妒 。 t e r z a g h i 的地基承载力系数： 及n c - 心q 一雌l g 串 用本法验算抗隆起安全系数时，由于没有考虑挡墙背面上的抗剪强度抗隆起 的作用，故安全系数可以取的低一些，一般可取k - ( 1 1 0 1 2 0 ) 。实践证明， 本法基本上可适用于各类土质条件。 ( 3 ) 模拟试验研究经验公式 施工实践表明，即使基底地层处于弹性受力状态，基底亦有一定数量的向上 位移。事实上对于地基承载力取某安全度的状态，亦是存在一定量的位移值。也 就是说，地基在极限失稳前已产生了相当数量的位移，基坑底有一定量的向上位 移并不表示基坑已失稳。 同济大学通过模拟试验建立了基底向上位移6 与荷载q 以及地层的c 、妒、y 和地下墙的入土深度d 与开挖深度h 的关系式： 旦r _ 了三一 ( 2 2 5 ) h h o 啪 + 2 , 3 3 + 0 , , 0 0 1 3 4 7 - 一q 0 5 挥“妇) “】2 一 式中： 喊土深度( m ) ： p 】基底( 允许) 向上位移量( c m ) ； h 一( 日+ p y ) 一等代高度( m ) ， p 一超载( a v m 2 ) ： 贵州大学硕士学位论文 日开挖深度( m ) ； c 、妒、r 一土体的粘聚力( k p a ) 、内摩擦角( 。) 、重度( k n m | ) + - 由于试验仅模拟了基坑一侧的墙体和土层，所测得的位移值6 亦只是一侧影 响而产生，故经验公式较适用于宽基坑工程。而且试验只是针对某一厚度( 6 0 c m ) 的墙体，若厚度大于6 0 c m 的墙体，仍用此经验公式，所得的结果是偏于安全的。 曾庆义、杨晓阳认为基坑破坏的根本原因是土体应力强度的破坏。基坑开挖打破 了天然土体原始的应力平衡状态，使土体中的应力重新分布，形成二次应力场。 当土体中某点的应力水平超过其强度极限时，该处士体将发生塑性流动。在一定 的条件下，这个局部的塑性流动区将不断扩大，土体向压力较小的基坑内流动， 导致基坑底部的隆起和坑壁的坍塌。这是基坑隆起破坏的力学机制，也是隆起破 坏区别于坑壁土滑坡失稳的本质所在。他们根据基坑开挖情况求出土层中的二次 应力场，根据土体的强度准则确定土层中塑性流动区的深度，再根据这个深度确 定支护结构( 排桩、地下连续墙等) 所应达到的安全深度。并分析了抗隆起稳定与 基坑尺寸、内摩擦角、粘聚力、地下水的影响。得出以下结论： 基坑宽度越大，所需要的支护结构安全深度越大。相对深度口( 排桩在基 坑底面以下的嵌固深度与基坑宽度之比) 与基坑半宽且的关系曲线切线斜率比 较大，尤其当b - j 的条件，则管涌不会发生，即必需满足下列条件： 疋- 万r d - 警 ( 2 - 2 8 ) 式中： e 抗管涌的安全系数，一般取k 1 5 贵州大学硕士学位论文 第3 章有限单元法基本理论 3 1 概述 有限单元法从2 0 世纪5 0 年代至今，经过几十年的发展，不断开拓的应用领 域，其范围已经由杆件结构问题扩展到了弹性力学乃到塑性力学问题，由平面问 题扩展到空间问题，由静力学问题扩展到动力学问题，由固体力学问题扩展到流 体力学、热力学和电磁学等问韪。在岩土工程中，可以利用有限元法求解各种具 有复杂土质条件、加载历史和边界条件的问题。因此有限单元法已经成为分析岩 土工程问题的灵活，有效和适用的手段。 3 2 有限单元法的基本思路 在工程技术领域中，绝大多数问题尽管已得到其基本方程和边界条件，但仍 得不到解析解。于是引入简化假设，求得问题在简化状态下的近似解，由于问题 的复杂性，这种近似解往往导致误差过大甚至是错误的结论。另辟蹊径的有限元 法是保留问题有复杂性，利用数值计算方法得到问题的近似数值解。 有限元法的基