（岩土工程专业论文）基于matlab的深基坑优化设计理论与应用研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 深基坑工程是一项风险工程、其风险表现为基坑支护是临时性结构，一 旦地下室施工完成就作废。因此基坑工程的风险体现在支护方案的合理性与 投资的经济性。如何在两者闯选择出最好的方案，这就是深基坑支护优化设 计的目的。支护结构的作用是为了保证基坑开挖期间纂坑的稳定和周 边建筑物及周边环境设施的安全，支护结构的选择和设计过于保守就 会造成不必要的浪费，因此在基坑工程设计中采用优化设计是十分重 要的。 目前我国深基坑支护结构种类很多，如何根据实际需要选择一种合适的 支护结构并合理地确定支护结构的参数仍然是一个难题。本文分析了几种有代 表性的支护结构并对其中的部分参数进行了讨论；研究了深基坑支护结构的几 种破坏形式；阐述了目前常用的几种优化设计方法，并讨论了将多目标优化算 法进行深基坑参数设计优化的优越性；对深基坑支护结构建立了数学模型，并 最终使用多目标优化算法对深基坑支护结构进行了优化研究。 本文研究了深基坑设计的单日标优化算法和多目标优化算法，主要内容 主要为： 1 对深基坑设计中，支挡结构的土压力进行了分析，探讨了在深基坑开 挖过程中土压力的计算； 2 分析了几种有代表性的支护结构并对其中的部分参数进行了讨论；研 究了深基坑支护结构的几种破坏形式； 3 分析了几种有代表性的深基坑支护结构，包括排桩支护结构，土钉支 护结构和内支撑支护结构；分析了当前常用的几种优化理论和方法。在桩撑支 护结构中，支撑位置的确定对支护结构的影响是很大的，因此支撑位置的优化 将导致其他参数发生变化，同样地，嵌固深度、桩径等参数也具有相互关联地 影晌。 本文使用m a t l a b 语言对单目标和多目标优化算法进行程序设计，利用建 立的深基坑支护结构优化设计数学模型，对深基坑工程实例进行优化设计，得 到了单目标和多目标优化算法的优化结果。从优化结果可以看出，多目标优化 算法比单目标优化结果更合理，更接近实际设计情况。 关键词：深基坑工程优化设计支护结构多目标优化m a t l a b 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e e pe x c a v a t i o n i sav e n t u r ep r q e c i ，i t sr i s k r e p r e s e n t t h a te x c a v a t i o n s u p p o r t i n gs t r u c t u r ei sap r o v i s i o n a le s t a b l i s h m e n t ，o n c et h eb a s e m e n tc o m p l e t e di t w i l lb l a n ko u t s ot h er i s ko fe x c a v a t i o ns t r u c t u r er e p r e s e n t st h a tr a t i o n a l i t yo f s u p p o r t i n gs c h e m ea n de c o n o m yo fi n v e s t m e n t h o wt oc h o o s eab e s ts c h e m eo ft h e t w of a c t o r s ，i t st h ei n t e n t i o no fd c 印e x c a v a t i o no p t i m i z a t i o nd e s i g n i t sf u n c t i o ni s t op r o t e c tt h es t a b i f i t yo fd e e pe x c a v a t i o na n dt h es a f e t yo ft h es t r u c t u r e sa n d e s t a b l i s h m e n t sa r o u n dt h ed e e pe x c a v a t i o n i tw i l lb ew a s t e f u li ft h ec h o i c ea n d d e s i g no ft h es u p p o r t i n gs t r u c t u r ei st o os a f e ，s oo p t i m a ld e s i g ni sv e r yi m p o r t a n t w h e nw ed e s i g nt h es u p p o r t i n gs t r u c t u r eo fd e e pe x c a v a t i o n o p t i m a ld e s i g ni st h e o n l yw a y t od e v e l o pt h ed e e pe x c a v a t i o nr e t a i n i n gs y s t e m c u r r e n t l y ，t h et y p e so fs u p p o s i n gs t r u c t u r e sa r es om a n yt h a ti tw i l ls t i l lb ea d i f f i c u l tp r o b l e mo fh o wt oc h o o s eo n ea p p r o p r i a t es u p p o r t i n gs t r u c t u r ea n dg a i nt h e a c c u r a t ep a r a m e t e r s t h i sp a p e ra n a l y z e ss e v e r a lc r o s s - s e c t i o n a ls u p p o r t i n gs t r u c t u r e s ， a n dd i s c u s s i n gs o m eo ft h ep a r a m e t e r s t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e ss e v e r a ld e s t r u c t i v e f o r m so fs u p p o r t i n gs t r u c t u r e s ，a n de x p a t i a t e ss o m ew a y so fo p t i m a ld e s i g nw h i c hw e u s ef r e q u e n t l yn o w ，a n ds h o w st h ea d v a n t a g e so fm u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n t h i s a r t i c l ea l s os e t su pam a t h e m a t i cm o d e lo fd e e pe x c a v a t i o nr e t a i n i n gs y s t e m ，a n du s e s m u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nt od e s i g nas u p p o s i n gs t r u c t u r e t h i s p a p e ri n v e s t i g a t e ss i n g l e - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n a n dm u l t i - o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o nt od e s i g ns u p p o r ts t r u c t u r e ，t h em a i nc o n t e n t sh a v ef o l l o wt h r e ep o i n t s ： 1 i ta n a l y z e st h es o i lp r e s s u r eo fs u p p o r t i n gs t r u c t u r e si nad e e pe x c a v a t i o n d e s i g na n dd i s c u s s e st h em e t h o d so f s o i lp r e s s u r ea c c o u n ti nt h ec o u r s eo fe x c a v a t i n g ad e e pe x c a v a t i o n 2 i ta n a l y z e ss e v e r a lc r o s s s e c t i o n a ls u p p o r t i n gs t r u c t u r e s ，a n dd i s c u s s e ss o m e o ft h ep a r a m e t e r s ；a n di n v e s t i g a t e ss e v e r a ld e s t r u c t i v ef o r m so fs u p p o r t i n gs t r u c t u r e s 3 i ta n a l y z e ss e v e r a lc r o s s s e c t i o n a ls u p p o r t i n gs t r u c t u r e si nd e e pe x c a v a t i o n ， i n c l u d i n gl i n e p e g ss u p p o r t i n gs t r u c t u r e s ，e a r t h - s o i ls u p p o r t i n gs t r u c t u r e sa n di n s i d e s u p p o r t i n gs t r u c t u r e s i ta n a l y z e ss e v e r a lo p t i m a lt h e o r ya n dm e t h o d si nc o m m o nu s e 1 i 蓝墨堡三盔堂堡主堂垡望奎 i n p e g ss u p p o r t i n gs t r u c t u r e s ，m a k i n g c e r t a i nt h es u p p o r t i n gp o s i t i o nh a sg r e a t i n f l u e n c eo fs u p p o r t i n gs t r u c t u r e s ，s ot h eo p t i m u mo fs u p p o r t i n gp o s i t i o nw i l lr e s u l t a l lo t h e rp a r a m e t e r s c h a n g e i nt h es a m ew a y ，t h ep a r a m e t e r so fe m b e dd e p t h ，p e g s d i a m e t e ra n ds oo na r ei n f l u e n te a c ho t h e r t h i sp a p e ru s e sm a t l a bl a n g u a g et od e s i g np r o g r a m m e ro fs i n g l e o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o na n dm u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n , t h i sp a p e ra l s os e t su pam a t h e m a t i c m o d e lt oo p t i m i z et h ed e s i g no fa c t u a ld e e pe x c a v a t i o n ，a n dg e t so u tt h eo p t i m a l r e s u l t so fs i n g l e o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o na n dm u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n f r o mt h e r e s u l t sw ec a ns e et h a t m u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n i sm o r er e a s o n a b l et h a n s i n g l e o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n ，a n d m o r ea p p r o a c h i n ga c t u a ld e s i g n - k e yw o r d s ：d e e pe x c a v a t i o n ，o p t i m a ld e s i g n ，s u p p o r t i n gs t r u c t u r e ， m u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n ，m a t l a b i i i 武汉理工大学硕士学位论文 i i 引言哪【2 】瞄l 第1 章绪论 基坑开挖是基础和地下工程的一个古老的传统课题，同时又是一个综合性 的岩土工程难题，既涉及土力学中典型的强度与稳定问题，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。在深基坑工程中，设计是核心，监测 是手段，旌工是保证。一个支护设计方案是否合理，决定着基坑工程的成败。 怎样判断设计方案是否合理，有两条标准：一是保证基坑及周围环境的安全： 二是工程造价最低。 深基坑工程是一项风险工程、其风险表现为基坑支护是临时性结构，一旦 地下室施工完成就作废。因此基坑工程的风险体现在支护方案的合理性与投资 的经济性。如何在两者间选择出最好的方案，这就是深基坑支护优化设计的目 的。 基坑开挖反映了土、桩、撑( 锚) 之间相互作用的过程。是开挖卸士在时间与 空间上调整和分配而达到平衡的过程。深基坑支护设计与施工属于地下结构力 学范畴，工程设计者必须掌握岩土力学、材料力学、结构力学、基础工程学、 工程地质与水文地质学以及施工方面的知识。 深基坑支护设计时除应分析场地岩土结构及其物理力学性质外，还需了解 环境荷载和相邻建筑物、地下管线的特性及其承受变形的能力，仔细考虑施工 工况( 时间和空间效应) ，计算地下室施工全过程的各种应力，估算支护结构本身 可能产生的变形，从而因地制宜地优选合理可靠的支护结构体系，并对结构构 件的强度和网4 度进行分析和计算。 一个深基坑支护设计是否成功，应从多方面衡量“安全稳妥、技术先进、经 济合理、旌工方便、工期保证、业主满意”是深基坑支护设计要努力实现的总目 标。但鉴于古典土力学理论的不够完善，以及场地各种因素的交叉影响，导致 了目前深基坑支护设计与施工的全程是“三分理论、三分经验、二分施工管理、 二分监测检测”；也就是说工程设计人员必须是在理论计算分析的基础上，通 武汉理工大学硕士学位论文 过工程类比，吸收同行和专家的经验，进行支护方案和结构优化；在实施过程 中，通过科学管理和严格施工工况及质量的前提下。以各种监测推测结果的反 分析和实际开挖揭露的岩土特征，充分考虑时空效应，实行动态信息化全过程 优化设计，最后才能获得满意的效果。 深基坑的支护工程，采用何种支护方案，除了与基坑深度直接有关外，主 要的是根据土质的好坏采用不同的支护方案。基坑支护工程包含挡土、支护、 防水、降水、挖土等许多紧密联系的环节，如果其中某一环节失效，将会导致 整个工程的失败。根据基坑工程事故的统计分析，事故发生率较高，基坑工程 事故竟占基坑总数的2 5 以上! 而这些工程事故主要表现为支护结构产生较大 位移、支护结构破坏、基坑塌方及大面积滑坡、基坑周围道路开裂和塌陷，与 基坑相邻的地下设施交位以至于破坏，与相邻的建筑物开裂甚至倒塌等。给国 家经济和人民生命财产造成不同程度的损失。所以在城市地区进行深基坑开挖 支护，是当今土木工程最为复杂的技术领域之一，它不仅要保证基坑旌工过程 中的土体稳定，而且要严格限制周边的地层位移以确保四周环境的安全。 本课题研究的目的就是通过对深基坑支护不同方法和不同方案的比较研 究，建立合适的本构关系和数学模型，选择合适的参数，利用非线性有约束优 化、多目标规划等方法对深基坑支护进行优化设计，并结合具体工程进行实践 研究。 1 2 国内外研究现状嘲_ 【l l 】，嗍 深基坑的稳定和变形破坏理论最早产生于挡土墙和挖土的稳定分析。 t e r z a g h i 和p e c k 等人早在2 0 世纪4 0 年代就提出了预估挖方稳定程序和支撑 荷载大小的总应力法，这一理论原理一直沿用至今，但已有了许多改进和修正。 b j e r r u m 和e i d e 在2 0 世纪5 0 年代给出了分析深基坑底板隆起的方法。2 0 世 纪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，弗在2 0 世纪7 0 年代起，产生了相应的 指导开挖的法规。从2 0 世纪8 0 年代初开始我国逐步进入深基坑设计与施工领 域，在深圳地区的第一个深基坑支护工程率先应用了信息施工法，大大节省了 工程造价。进入2 0 世纪9 0 年代以后，为了总结我国深基坑支护设计与施工经 验，开始着手编制深基坑支护设计与施工的有关法规，现已编制了多部国家行 武汉理【大学硕士学位论文 业标准及地方的相关法规。 我国深基坑工程的主要特点随着城市建设中高层、超高层建筑的大量涌 现，深基坑工程越来越多。同时，密集的建筑物、大深度的基坑周围复杂的地下 设施，使得放坡开挖这一传统技术不再能满足现代城镇建设的需要，因此，深基 坑开挖与支护引起了各方面的广泛重视。尤其是2 0 世纪9 0 年代以来，基坑开 挖与支护问题已经和正在成为我国建筑工程界的热点问题之一，基坑工程数 量、规模、分布急剧增加。经过十几年的发展，目前我国深基坑工程具有以下 特点“1 ： 建筑趋向高层化，基坑向大深度方向发展； 基坑开挖面积大，长度与宽度有的达数百米，给支撑系统带来较大的 难度： 在软弱的土层中，基坑开挖会产生较大的位移和沉降，对周围建筑物、 市政设施和地下管线产生严重威胁； 深基坑施工工期长、场地狭窄，降雨、重物堆放等对基坑稳定性不利； 在相邻场地的施工中，打桩、降水、挖土及基础浇注混凝土等工序会 相互制约与影响，增加协调工作的难度； 支护型式的多样性。迄今为止，支护型式已经发展到数十种。主要有： 钢板桩支护，地下连续墙，柱列式灌注桩排桩支护，内支撑和锚杆， 土钉墙支护，深基坑工程的逆作法施工。 深基坑技术的发展趋势：深基坑支护结构方案优选深基坑支护结构的设 计与施工不同于上部结构。除地基土类别的不同外，地下水位的高低、土的物 理力学性质指标及周边环境等，都直接与支护结构的选型有关。支护结构型式 选择合理，就能做到安全可靠、施工顺利、缩短工期，带来可观的经济与社会效 益，可见支护结构形式的优化选择是深基坑支护技术发展的必然趋势。此外， 为达到方案的最优化，有时根据地层土质的变化、基坑周围环境，也可采用更为 灵活的组合支护方案。 施工工艺上的发展趋势： 土钉墙方案的大量实施，使得喷射混凝土技术得以充分运用和发展。为 减少喷射混凝土的囤弹量以及保护环境的需要湿式喷射混凝土将逐步取代干 式喷射混凝土。 基坑向着深、大、周围环境复杂的方向发展，使得深基坑开挖与支护的 武汉理工大学硕士学位论文 难度愈来愈大。受地下空间的限制，内支撑或新型锚杆( 如可拆式锚秆、抗拔力 较大的全程应力复合型锚杆) 将逐渐得以推广运用。 为减少基坑工程带来的环境效应( 如因降水引起的地面沉降) ，或出于 保护地下水资源的需要，有时基坑采用帷幕形式进行支护，除地下连续墙外，一 般采用旋喷桩或深层搅拌桩等工法构筑止水帷幕。目前，有将水利工程中防渗 墙的工法引入到基坑工程中的趋势。 基坑降水时，为减少因降水引起的地面附加沉降或对临近建( 构) 筑物 造成的影响，可采用井点回灌技术。 在软土地区，为避免基坑底部隆起造成支护结构水平位移加大和临近 建( 构) 筑物下沉，可采用深层搅拌桩或注浆技术对基坑底部土体进行加固，即 提高支护结构被动区土体强度的方法。 深基坑支护当前存在的问题： 支护结构设计计算与实际受力不符 目前，深基坑支护结构的设计计算仍基于极限平衡理论，但支护结构的实 际受力并不那么简单。工程实践证明，有的支护结构的按极限平衡理论计算的 安全系数，从理论上讲是绝对安全的，但却发生破坏：有的支护结构却恰恰相反， 即安全系数虽然比较小，甚至达不到规范的要求，但在实际工程中获得成功。极 限平衡理论是深基坑支护结构的一种静态设计，而实际上开挖的土体是一种动 态平衡状态，也是一个松弛过程，随着时间的延长，土体强度逐渐下降，并产生 一定的变形。这说明在设计中必须给予充分的考虑，但在目前的设计计算中却 常被忽视。 设计中土体的物理力学参数选择不当 深基坑支护结构所承担的土压力大小直接影响其安全度，但要精确地计 算土压力目前还十分困难，至今仍在采用库仑公式或朗肯公式。关于土体物理 力学参数的选择是一个十分复杂的问题，尤其在深基坑开挖后，参数是可变值， 很难准确计算出支护结构的实际受力。在支护结构设计中，如果对地基土体的 物理力学参数取值不准，将对设计的结果产生很大的影响。施工工艺和支护结 构形式不同，对土体的物理力学参数的选择是支护结构设计中的关键。 基坑开挖存在的空间效应考虑不周 基坑周边向基坑内发生的水平位移是中间大两边小。深基坑边坡失稳常 常以长边的居中位置发生。这说明深基坑开挖是一个空间问题。传统的深基坑 4 武汉理工大学硕士学位论文 支护结构的设计是按平面应变闯题处理的。对一些细长条基坑来讲，这种平面 应变假设比较符合实际，而对近似方形或长方形深基坑则差别比较大。所以， 在未能进行空间问题处理前而需按平面应变假设设计时，支护结构的构造要适 当调整，以适应开挖空间效应的要求。 土体的取样具有不完全性 在支护结构设计前，必须对地基土层进行取样分析试验，以取得土体比较 合理的物理力学指标，为支护结构的设计提供依据。一般在深基坑开挖区域内， 按照国家规范的要求进行钻探取样。为减少勘探的工作量和降低工程造价。不 可能钻孔过密。因此，所取得的土样具有一定的随机性。但是，地质构造是极其 复杂、多变的，取得的土样不可能全面反映地基土层的真实性。因此，支护结构 的设计也就不一定完全符合实际。 1 3 本文研究的主要内容 本文研究了深基坑设计的单目标优化算法和多目标优化算法，主要内容 主要为： 1 对深基坑设计中，支挡结构的士压力进行了分析，探讨了在深基坑开 挖过程中土压力的计算： 2 分析了几种有代表性的支护结构并对其中的部分参数进行了讨论：研 究了深基坑支护结构的几种破坏形式； 3 分析了几种有代表性的深基坑支护结构，包括排桩支护结构，土钉支 护结构和内支撑支护结构，讨论了其中部分设计参数的意义，分析了当前常用 的几种优化理论和方法。在桩撑支护结构中，支撑位置的确定对支护结构的影 响是很大的，因此支撑位置的优化将导致其他参数发生变化，同样地，嵌固深 度、桩径等参数也具有相互关联地影响。 4 本文使用m a t l a b 语言对单目标和多目标优化算法进行程序设计，利用 建立的深基坑支护结构优化设计数学模型，对深基坑工程实例进行优化设计， 得到了单目标和多目标优化算法的优化结果。从优化结果可以看出，多目标优 化算法比单目标优化结果更合理，更接近实际设计情况。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章深基坑土压力计算理论 在基坑工程的设计与施工中，为了维护基坑开挖边坡的稳定，常要设置临 时性或半永久性支护体系。土压力是作用于支护结构上的主要荷载，特别在大 型基坑的开挖中能较正确地估计土压力，对于确保工程的准确设计与顺利施工 具有十分重要的意义。土压力是土与挡土结构之间相互作用的结果，它与结构 的变位有着密切的关系。传统的计算公式只是单纯考虑几种极限的状态，即所 谓主动、被动与静止状态。对于无支撑或锚杆的基坑支护( 如板桩、地下连续 墙等) 其土压力通常可以按朗肯或库仑主动土压力进行计算，被动区的土压力 也可以近似以朗肯或库仑被动土压力迸行计算；但对于有支撑、锚杆的情况， 由于支护结构的变形受到支撑、锚杆等的影响，其土压力实际上不可能完全进 入到主动或被动状态，而是处于静止土压力与主动土压力和被动土压力之间。 对于这类土压力的计算，以往研究较少，苏联学者c h h t ko 曾提出在静止土 压力与主动土压力之间按线性变化，根据位移来确定土压力的设想。但是位移 的计算涉及弹塑性、非线性的分析，这些计算均较繁琐，在实际中应用不多， 使用较多的还是使用c o u l o m b 和r a n k i n e 理论来计算侧向土压力。实践也证明 这两个理论至今仍不失为有效的实用计算方法。 2 1 土压力计算理论 2 1 1c o u l o m b 土压力理论翻瑚叨1 3 5 】 1 7 7 6 年法国的库仑( c o u o m b ) 根据墙后土体处于极限平衡状态并形成一 滑动楔体时，用处于极限平衡状态时力系的平衡条件，提出了库仑土压力理 论，其基本假定是： ( 1 ) 墙后土体为均质各向同性的散体，即无粘性土； ( 2 ) 挡土墙很长，属于平面应变问题； ( 3 ) 楔体与土体之间的滑动面为一平面。 1 c o u l o m b 主动土压力 武汉理工大学硕士学位论文 即= = i 篙蠢 一， 咄如口) 1 + j 磊孺岛 验资料时一般取为3 掣2 弦，也可参考下表取： 表2 - 1 土与墙背的摩擦角 挡土情况摩擦角6 墙背平滑、排水不良( 0 o 3 3 ) 6 墙背粗糙、排水良好( 0 3 3 0 5 ) d 墙背很粗糙、排水良好( 0 5 o 6 7 ) 6 墙背与填土间不可能滑动 ( 0 6 7 1 0 ) 6 b 稠 a 氐上 ( a )( b )( c ) ( a ) 土楔上的作用力 ( b ) 力三角形 ( c ) 主动十压力分布圈 圈2 1 库仑理论主动土压力的计算简图 武汉理工大学硕士学位论文 ? ? i 厂 弋黑e | t _ 下芍 h n “ n hl p kr 1 l 叫、泌 l虹! b ( a ) ( a ) 土槐q b c 上的作用力 邕f z ji ( b )( c ) ( b ) 力三角形 ( c ) 被动土压力分布图 图2 2 库仑理论被动土压力的计算简图 2 c o u l o m b 被动土压力 根据图2 - 2 所示的力的平衡关系，被动土压力e ，为 即= 茸赫一) 式中b ，称为库仑被动土压力系数，其它符号意义同前。 在城市建设中往往由于空间的限制，基坑基本上为直立的，即a - 口一0 ， 此时、k p 将简化，分别为： 吒# c o s 伊 1 午i 丽蒜专菰1 2 珂 1 2 罩 中其 武汉理工大学硕士学位论文 的计算误差也在工程计算所允许的范围之内，但是，当6 和妒较大时，计算误 差会很大，以至于在工程中不能使用，这时就要考虑使用下- - d , 节介绍的朗 肯土压力理论。 2 1 2r a n k i n e 土压力理论翻f 4 l 跚f 3 s 】 朗肯土压力理论是英国科学家朗肯( r a n k i n e ) 于1 8 5 7 年提出的，至今已 有近二百年的历史，它是由半空间的应力状态出发，根据土的极限平衡理论 推导出的。其基本假设是： ( 1 ) 后土体竖直、光滑，即口一卢一0 ； ( 2 ) 墙后土体表面水平且为无限半平面。 i 朗肯主动土压力 朗肯理论适用于粘性填土情况。计算公式如下： 。， z k a 一2 c ( 2 5 ) 昙彬2 k a 一百+ 莩( 2 - - 6 ) 屹一纽一 詈) 其中为主动土压力强度；j 毛为主动土压力系数，；7 为墙后填士的容重； c 和妒分别为土的内聚力和内摩擦角：z 为计算点距填土表面的深度。也为总 主动土压力，其主动土压力分布见图2 - 3 所示。 由式( 2 5 ) 知，土的主动土匿力存在零点，在零点以上出现负值，即拉 应力，但实际上墙体和土在很小的拉力作用下就会脱开，出现深度为z o 的裂 缝。因此，认为在z o 以上土压力值为零，在z o 以下土压力强度按三角形a b c 分布。z o 盼值可根据= o 求得。 武汉理工大学硕士学位论文 ( a ) ( a ) 主动土压力 3 ( b )( c ) ( b ) 无粘性土( c ) 粘性土 图2 3 朗肯主动土压力的计算简强 2 朗肯被动土压力 朗肯被动土压力的分布如图2 - 4 所示， ( a ) ( a ) 被动土压力 ( b )( c ) ( b ) 无粘性土( c ) 粘性土 图2 4 朗肯被动土压力的计算简图 被动土压力强厦及总被动土雎力为： 盯p 。y z k p + 知k 9 ( 2 _ 7 ) e ，4 j 1 阿2 k ，+ 枷再 ( 搠) 昂一2 降詈) 其中d _ 为被动土压力强度，为被动土压力系数，e p 为总被动土压力，为 土重力所产生的压力和内聚力产生的土压力叠加而成。 朗肯土压力理论考虑土的内聚力，但是不考虑挡土墙与土之问的摩擦力 对土压力的影响，计算出的主动土压力系数有些偏大，而计算出被动土压力 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 系数差别却不容忽视，特别是当6 和妒都比较大时，朗肯的被动土压力系数比 严格的理论解小2 。3 倍。因此工程上一般是根据实际情况库仑理论和朗肯理 论混合使用，在计算土压力时采用朗肯理论，在计算土压力系数时采用库仑 理论。 2 2 特殊条件下的土压力计算 士压力受到基坑周围地表荷载的影响，随荷载的分布情况、静载还是动 载而变：在护坡桩桩长范围内土一般是分层的、各向异性的，各层对土压力的 贡献都不同；土压力还受到地下水的影响，因地下水的含量、水位及士与水 的存在方式而变化。这使得土压力分布非常复杂，定量计算也只能是近似的。 2 2 1 地下水对土压力的影晌嘲 地下水对土压力有很大影响，在计算土压力时，必须考虑地下水。通常 在粘性土层中采用水土压力合算计算原则计算；在砂性土层中采用水土压力 分算原则计算。所谓水土压力合算，即对于地下水位以下的土，用饱和重度 代替有效土压力计算式中的重度，以求得包括水压力在内的土压力；所谓水 土压力分算，即采用浮重度计算土压力，按静水压力计算水压力，然后两部 分相加。两者有一个共同的缺点，即均未考虑水的渗流作用。 1 水土压力合算 实测资料证明，对于粘土和粉土采用这种算法是比较合理的。计算如图 2 5 所示： 地下水以上部分： 一y z k a ( 2 - - 9 ) 地下水以下部分： u a - 慨+ s a t ( z h l 慨( 2 - - 1 0 ) 式中y s a ，j o 土的饱和重度，砭为地水位下土的主动土压力系数。 2 水土压力分算 上面已经提到在砂性土层中一般采用水土压力分算，作用在支护结构上的 侧压力计算可采用下面公式，如图2 - 6 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 地下水位以上部分： 一y z k a 地下水位以下部分： ( 2 1 1 ) 一i o r h l + r ( z h 1 ) + y 。( z h 1 ) ( 2 - - 1 2 ) 式中h 1 为地面距地下水位处距离，z 为计算点距地面距离，y 为土的容重，y 为土的浮容重，y 。为水的重度。计算k 。值时应采用土的有效抗剪强度指标 c 、y ，这时才能与土的有效自重应力y 、z 相匹配。 田2 5 水土台蕈法 2 2 2 地表荷载对土压力的影响1 2 1 0 3 d , h 1 + ，t j ；f 一即】t o ，w ( 日一韪) 融2 6 水土分算法 在城市中，基坑地表四周一般有建筑物，即静止荷载：在基坑开挖过程中， 挖土机在基坑四周行走，即活动荷载，临马路、火车站则更加明显，这些荷 载每时每刻都在影响着基坑的稳定，机动车辆的行驶造成的影响更是致命的， 它会减小土问摩擦力，促使土体液化，增大主动土压力而减小被动土压力， 从而使基坑失稳。在进行基坑支护设计时，必须考虑到这些因素。但是，地 表荷载所产生的侧压力，不但与建筑物基础的埋深及地表荷载离基坑的距离 有关，还与地表荷载的类型有关，具体的计算方法参见建筑基坑支护技术规 程( j g j1 2 0 _ _ 9 9 ) 。一般情况是根据建筑物的重要性、位置特征取一个固定 值来加以概括。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 基坑开挖支护中的土压力1 5 】f 1 国f 1 9 j 设计支护结构必须搞清作用于结构上的外荷载侧向土压力。作用于支护 结构的士压力与支撑、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。 2 3 1 土压力随结构变位的影响 土压力由于支护结构的变位，处在静止士压力和主、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：口一e o + 翰6 e 口 主动1 则：官口e o 一磁 6 五： 式中：e o 为静止土压力；水平地基基床系数；6 为结构的变位；也 和e 。分别为主动、被动士压力：口和分别表示被动侧和主动侧。 2 3 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。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 武汉理工大学硕士学位论文 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 = ，其中i 为水头梯度。 渗流效应有两个方面：一方面是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。 2 3 , 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；- - 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。 2 3 。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。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章深基坑支护体系设计与分析 3 1 基坑支护体系1 6 1 1 3 4 1 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。在基坑开挖中设置支护结构是为了挡土或同时 为了防渗，以达到保证基坑坑壁的稳定、便于顺利施工并保护周围已有建筑物 和公用设施安全的目的。 3 1 1 围护结构型式及适用范围翻1 1 4 i l l s 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 ) 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 武汉理工大学硕士学位论文 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，由予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4 ” 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 武汉理工大学硕士学位论文 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。 3 1