（岩土工程专业论文）基坑土体土压力和变形计算几个问题的研究.pdf

l i i i i i iii i iii l l l lu l i i ii ii y 1717 7 0 4 s t u d y o ns e v e r a li s s u e so ft h ee a r t hp r e s s u r ea n d d e f o r m a t i o no fs o i lm a s si nf o u n d a t i o np i t m a j o r ： g e o l o g i c a le n g i n e e r i n g d i r e c t i o no fs t u d y ：t h e o r ya n dm e t h o d sf o rf o u n d a t i o np i t s u p p o i r td e s i g n ji g r a d u a t es t u d e n t ：t i a ng u a n g h u i s u p e r v i s o r ：p r o f l i u z h i k u i l i u c i v i le n g i n e e r i n gd e p a r t m e n t g u i l i nu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y s e p t e m b e r , 2 0 0 8 t oa p r i l ，2 010 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权书 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者( 签字) ：) 望丝塑 签字日期：趔釜：么：兰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解( 学校) 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的印刷本和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本 人授权( 学校) 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，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众 提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名、刁垅甥 签字日期：7 咖年6 月日 月z 日 摘要 随着我国社会的发展，高层建筑物越来越多，深基坑工程也越来越多。我国的基坑支护设 计是近3 0 年才迅速发展起来的，经历了一个“边实践、边总结、边提高”的过程，尽管积累 了许多成功的经验，但目前还是有许多的设计理论和方法，值得进一步的探讨摸索和改进。 基坑土压力是基坑支护设计最重要的影响因素之一。传统基坑支护设计中所采用的土压力 计算模式，由于它有许多假设条件，加上基坑开挖施工、及其它不确定因素的影响，常常使得 计算的土压力与实际值产生误差。此外，由于基坑土体成份、组成、结构的复杂性，以及基坑 开挖过程对基坑土体变形的影响等因素，使得基坑土体的变形也较难准确地预估。 针对基坑支护设计中的土压力和变形计算中的几个问题，结合工程算例，经过分析研究， 得到以下主要成果： 1 在分析基坑支护设计中的土体土压力和变形的计算发展现状基础上，指出了目前基坑工 程实践中存在的一些问题： 2 采用非饱和土力学理论计算基坑土压力时，基质吸力对基坑支护的影响较大：基质吸力 沿深度不变时，当基质吸力从0 增加到6 0 k p a ，张拉裂缝深度，增加了近3 倍；主动土压力值， 减少了约4 0 ；最大弯矩值，减少了6 0 。基质吸力沿深度一直到地下水位处成为零时，当基 质吸力从0 增加到6 0 k p a ，张拉裂缝深度，增加了近2 4 倍；主动土压力值，减少了约2 2 ： 最大弯矩值，减少了5 8 ： 3 以挡土墙后滑裂体为梯形楔体基础，利用空间理论对土压力进行研究分析，推导了墙后 为无粘性土和粘性土时的土压力计算公式。并且得出当墙后为无粘性土时，挡土墙的长、高比 趋向无穷大时，即b h 趋向无穷大时，此时滑裂体即为一三角形楔体，与库仑理论的滑裂体形 状相同； 4 通过算例，利用本文提出的空间土压力计算公式和朗肯理论分别进行计算，对比分析得 到，按空间问题求得的土压力值，更符合实际情况，且小于按平面问题计算所得的值，对工程 实践具有一定的参考价值： 5 采用弹塑性有限元法模拟基坑开挖过程，重点模拟和分析了基坑开挖对基坑土体变形的 影响过程：随着基坑开挖深度的增加，桩项水平位移越来越大，桩体水平位移大至呈三角形分 布； 6 以广州科贸园b 3 地块深基坑工程为例，基于a n s y s 平台采用有限元方法进行模拟分 析，随着开挖的结束，基坑水平位移逐渐稳定，桩顶水平位移计算最大值为4 2 6 m m ，实测值 为3 5 5 m m ，计算值与实测值的误差不超过2 0 。结果与实际情况比较吻合，可以用来作为深 基坑支护设计和施工的参考。 关键词：深基坑；基质吸力；土压力；有限元；基坑变形 i a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo u rs o c i e t y , t a l lb u i l d i n g si sm o r ea n dm o r ei no u rc o u n t r y , a n dd e e p f o u n d a t i o np i ti sa l s om o r ea n dm o r e f o u n d a t i o np i ts u p p o r t i n gd e s i g nh a sr a p i d l yd e v e l o p e di nt h e l a s t3 0y e a r si nc h i n a , e x p e r i e n c e dap r o c e s so f ”l e a r n i n gp r a c t i c e ，s u mu p ，e n h a n c e d ”d e s p i t em a n y s u c c e s s f u le x p e r i e n c e sh a v eb e e na c c u m u l a t e d ，b u tt h e r ea r em a n yd e s i g nt h e o r i e sa n dm e t h o d s s h o u l db ee x p l o r e df u r t h e ra n di m p r o v e e a r t hp r e s s u r ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o ri nf o u n d a t i o np i ts u p p o r t i n gd e s i g n t h e c a l c u l a t i o no fe a r t hp r e s s u r em o d e l w h i c hi su s e di nt r a d i t i o n a lf o u n d a t i o np i ts u p p o r t i n gd e s i g n ，h a s m a n ya s s u m p t i o n s ，t o g e t h e rw i t he x c a v a t i o nw o r k sa n do t h e ru n c e r t a i n t i e sf a c t o r s ，t h ee r r o rw i l lb e o f t e no c c u l l r e db e t w e e nt h ec a l c u l a t i o nv a l u e so fe a r t hp r e s s u r ea n dt h e a c t u a lv a l u e so fe a r t h p r e s s u r e b e c a u s et h ec o m p o n e n t ，c o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r eo fe x c a v a t i o ns o i li sc o m p l e x i t y , a n dt h e e x c a v a t i o np r o c e s sh a si n f l u e n c eo nd e f o r m a t i o no fe x c a v a t i o ns o i l ，i ti sd i f f i c u l tt oa c c u r a t e l yp r e d i c t t h ed e f o r m a t i o no ft h es o i lp i t i na c c o r d a n c ew i t he a r t hp r e s s u r ea n dc a l c u l a t i o no fd e f o r m a t i o nf o rf o u n d a t i o np i ts u p p o r t i n g d e s i g n ，w i t ht h ec a s eo ff o u n d a t i o np i te n g i n e e r i n g ，a n dt h r o u g hr e s e a r c ha n da n a l y s i s ，t h ef o l l o w i n g r e s u l t sh a sb e e np r o p o s e di nt h i st h e s i s ： 1 b a s e do nt h ea n a l y s e so ft h ec a l c u l a t i o nd e v e l o p m e n ts t a t u so fe a r t hp r e s s u r ea n dd e f o r m a t i o n i nf o u n d a t i o np i ts u p p o r t i n gd e s i g n ，s o m ep r o b l e m si nt h ec u r r e n tp r a c t i c eo ff o u n d a t i o np i th a sb e e n p o i n t e do u t 2 u n s a t u r a t e ds o i lm e c h a n i c sw a su s e dt oc a l c u l a t ee a r t hp r e s s u r e ，t h em a t r i xs u c t i o no fa l l u n s a t u r a t e ds o i lp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nf o u n d a t i o np i ts u p p o r t i n gd e s i g n ：t h em a t r i xs u c t i o na l o n g t h ed e p t hi sf i x e d ，w h e nt h em a t r i xs u c t i o nf r o m0t o6 0 k p a , t e n s i l ec r a c kd e p t ha l m o s ti n c r e a s e di n3 f o l d s ；v a l u e so fa c t i v ee a r t hp r e s s u r ea l m o s tr e d u c e db ya b o u t4 0 ：m a x i m u mb e n d i n gm o m e n t r e d u c e db ya b o u t6 0 ：m a t r i xs u c t i o na l o n gt h ed e p t ht og r o u n d w a t e rl e v e lr e d u c e dt oz e r o ，w h e nt h e n l a t r i xs u c t i o nf r o m0t o6 0 k p a , t e n s i l ec r a c kd e p t ha l m o s ti n c r e a s e di n2 4f o l d s ；v a l u e so fa c t i v e e a r t hp r e s s u r ea l m o s tr e d u c e db ya b o u t2 2 ：m a x i m u mb e n d i n gm o m e n tr e d u c e db ya b o u t5 8 3 w h e ns l i pc r a c kb o d yb e h i n dt h er e t a i n i n gw a l li st r a p e z o i d a la c u t ew e d g e ，b a s e ds p a c et h e o r y , t h ee a r t hp r e s s u r eh a sb e e ns t u d i e da n da n a l y s e d t h ec a l c u l a t i o nf o r m u l af o rn o n c o h e s i v es o i la n d s o i lc o h e s i v es o i lb e h i n dr e t a i n i n gw a l lh a sb e e nd e r i v e d t h ec o n c l u s i o ni sp o i n t e do u tt h a t l e n g t h h e i g h tr a t i o ( t h a t ，b h ) t e n dt oi n f i n i t y , s l i pc r a c kb o d yi sat r i a n g l e a c u t ew e d g ew i t ht h e s a m es h a p ea ss l i pc r a c kb o d yo fc o u l o m bt h e o r y 4 b a s e dc a l c u l a t i o ne x a m p l e s ，w i t ht h ee a r t hp r e s s u r ec a l c u l a t i o nf o r m u l a rp r o p o s e di nt h i s p a p e ra n dt h er a n k i n ee a r t hp r e s s u r et h e o r y s ，t h es o i lp r e s s u r ev a l u e sc a l c u l a t e db ys p a c et h e o r yi s i i l e s st h a nt h a tc a l c u l a t e db yp l a n et h e o r y ，a n di sm o r ea c t u a l t h i sr e s u l th a ss o m es i g n i f i c a n c eo nt h e e n g i n e e r i n gp r a c t i c e s 5 t h ee x c a v a t i o np r o c e s si ss i m u l a t e dw i t ht h em e t h o d so fe l a s t i c p l a s t i cf i n i t ee l e m e n t t h e i n f l u e n c eo ff o u n d a t i o np i te x c a v a t i o no np i td e f o r m a t i o nh a sb e e na n a l y s i s e da n ds i m u l a t e d t h e h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to fp i l et o pb e c o m el a r g e ra n dl a r g e rw h e nt h ee x c a v a t i o nd e p t hi si n c r e a s e d ， a n dt h eh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to fp i l ei ss h o w e dat r i a n g l ed i s t r i b u t i o n 6 w i t ht h ee n g i n e e r i n gc a s eo fd e e pe x c a v a t i o no fg u a n g z h o us c i e n c ep a r kb 3 ，b a s e do n a n s y s ，a n a l y s i s e da n ds i m u l a t e dw i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o d s t h eh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to f f o u n d a t i o np i tg r a d u a l l yt e n d st os t a b i l i z ea tt h ee n dt i m eo fe x c a v a t i o n ，a n dm a x i m u mh o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n to fp i l et o pi s4 2 6 m m ，m e a s u r e dv a l u ei s3 5 5 m m t h ee r r o ro fc a l c u l a t e dv a l u e sa n d m e a s u r e dv a l u e si sl e s st h a n2 0 t h er e s u l t ss h o wg o o da g r e e m e n tw i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o n ，a n di t c a nb eu s e da sad e e pf o u n d a t i o nd e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fr e f e r e n c e k e y w o r d s ：d e e pf o u n d a t i o np i t ；m a t r i xs u c t i o n ；e a r t hp r e s s u r e ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；d e f o r m a t i o n o ff o u n d a t i o np i t i i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i v 第1 章绪论1 1 1 引言l 1 2 基坑边坡土压力和变形研究进展3 第2 章 2 1 2 2 2 - 3 2 4 2 5 2 6 第3 章 3 1 3 2 3 3 1 2 1土压力理论研究3 1 2 2 土压力的空间研究4 1 2 3 土压力数值方法研究6 1 2 4 基坑边坡土体变形研究7 本文研究的意义及任务8 1 3 1 基坑土压力和变形计算中存在的问题。8 1 3 2 本文研究的意义9 1 3 3 本文的主要工作。9 基于非饱和土力学理论基坑土体土压力计算1o 引言。1o 非饱和土的基本特性1 1 非饱和土力学的发展过程。1 1 基质吸力对基坑工程的影响1 5 基质吸力对基坑土压力计算的影响l5 2 5 1 基质吸力取值方法15 2 5 2 延伸的r a n k i n e 土压力理论1 6 2 5 - 3 算例1 7 结论2 0 考虑空间效应的土压力计算2 l 概述2 1 土压力的空间计算2 2 墙后为无粘性土的土压力计算2 3 3 3 1 主动土压力计算2 3 3 3 2 土压力沿墙高的分布2 5 i v 3 3 3 土压力的合力作用点2 6 3 4 墙后为粘性土的土压力计算2 7 3 4 1 粘性土粘聚力等效法则2 7 3 4 2 主动土压力计算：2 8 3 4 3 土压力沿墙高的分布3 0 3 4 4 土压力合力的作用点3 2 3 5m a t l a b 计算程序3 4 3 6 算例一3 7 3 7 本章小结3 8 第4 章基坑开挖过程中土体变形数值模拟3 9 4 1 数值模拟方法概述3 9 4 2 有限元法简介4 0 4 - 3 有限元软件a n s y s 介绍4 0 4 3 1a n s y s 软件的主要技术特点4 0 4 3 2a n s y s 分析问题的基本流程。4 1 4 4 土体的本构模型4 1 4 5 桩土接触单元模型4 4 4 5 1 二维接触单元。4 4 4 5 2 桩土接触。4 6 4 6 基坑开挖过程的有限元模拟4 6 4 6 1 基坑开挖模拟的方法4 6 4 6 2a n s y s 单元生死技术4 7 4 7 本章小结4 8 第5 章基坑开挖中土体变形数值模拟计算实例分析4 9 5 1 工程概况。4 9 5 2 工程地质条件5 0 5 3 基坑支护方案5 l 5 4 基坑开挖监测5 2 5 5a n s y s 分析过程5 3 5 5 1 有限元分析的基本假定5 3 5 5 2 计算模型。5 5 5 5 3 基坑开挖过程的模拟5 6 v 5 6 1 分步开挖的变形分析5 6 5 6 2 模拟结果与工程实测数据的对比5 8 第6 章结论6 0 6 1 主要结论6 0 6 2 进一步研究的建议6 1 致谢6 2 参考文献6 3 个人简历6 8 申请学位期间的研究成果及发表的学术论文6 8 v i 桂林理工大学硕士学位论文 1 1引言 第1 章绪论 2 0 世纪以来，人类历史进入了前所未有的发展阶段。从1 9 5 0 年到今，世界人 口由2 5 亿增加到6 7 亿，人口的增长导致城市数量的增加和城市规模扩大。根据预 测，到2 0 1 0 年，中国城市总数将增加到1 0 0 0 个。社会经济的发展，城市数量和城 市人口的增多，使城市建筑用地面积地急剧减少。由于土地资源的日益紧张，为能 够充分地利用极其有限的土地资源，地上和地下空间成为人类发展的必要方向。 世界城市建筑史表明，如果要实现城市建设的可持续发展，必需走开发三维城 市的道路，这样才能保持城市的可持续发展。1 9 世纪是桥梁时代，2 0 世纪是摩天 大楼时代，2 1 世纪将是地下空间的世纪。目前国内外的各大城市中相继出现了各 类不同用途的地下空间，如高层的地下室、地铁及车站、地下商场、地下民防工事 及其它一些工业和军事设施等【l 】。改革开放以来，为充分利用土地，我国的高层建 筑如雨后春笋，拔地而起，特别是近几年来，我国的地下空间开发工程也有了长足 的进展。与此同时，国内外出现了很多著名的基坑工程，如江苏润扬长江大桥锚锭 基础基坑平面尺寸为6 9 m x 5 1 m ，平均开挖深度4 8 m ；号称“神州第一锚”的武汉 阳逻长江大桥南锚锭深基坑工程采用圆形地下连续墙支护，开挖面直径7 3 m ，墙深 超过6 1 m ，基坑深度达5 1 m ；日本东京地下街道、法国巴黎中央地下商场等。大规 模基坑工程的开挖与支护，为地下工程建筑提供必要和安全的环境条件。同时，建 筑基坑工程的重要性和复杂性也日益显示出来。 基坑开挖与围护是一项古老而有独具时代特点的岩土工程问题，其历史可追溯 到远古时代的放坡开挖与简易的木桩围护【2 】。人类的土木工程活动促进了基坑工程 的发展，特别是2 0 世纪，大量高层、超高层的出现，基坑工程出现的事故也越来 越多，因此对基坑的要求也不断的提高，促使工作人员以更慎重的态度对待基坑问 题，由此产生了许多新的理论和研究方法。2 0 世纪2 0 年代，k t e r z a g h i 的土压 力和工程地质学先后问世，成为以土压力为主要内容的基坑支护走向系统和 成熟，并促进学者对这一学科和技术的探讨和摸索。出现在了2 0 世纪3 0 年代的总 应力法，5 0 年代1 3 j e r r u m 及e i d e t 3 1 等人提出计算基坑坑底隆起量的方法，6 0 年代 对深基坑的土压力监测，随后限元方法也进入了基坑工程研究领域1 4 j ，7 0 年代出现 了指导基坑开挖的法规，使基坑支护技术进入了一个全新的阶段。 桂林理工大学硕士学位论文 2 0 世纪8 0 年代，随着城市发展速度的加快，我国也逐渐涉及到深基坑工程， 特别是9 0 年代以来，城市中出现了大量的高层、超高层建筑，很大程度上促进了 我国基坑支护工程技术的高速发展，在此期间，我国学者和工程技术人员在基坑工 程方面取得了长足的发展，且累积丰富的经验，开发了一系列具有良好地区适应性 的基坑工程设计软件，如“同济启明星”、“大连理工m c a b a s ”、“理正深基坑 支护设计软件( f s p w ) ”、等；我国也相继编制和出台了一些关于基坑工程方面的规 范和规程，如建筑基坑工程技术规范( y b 9 2 5 8 9 7 ) 、建筑基坑支护技术规程 ( j g j l 2 0 9 9 ) 、上海市颁布的地方标准基坑工程设计规程、深圳市标准深圳地 区建筑深基坑支护技术规范、武汉标准武汉地区深基坑工程技术指南等。这 些软件工具和基坑设计规范指南，对我国的基坑支护设计起到了积极地作用。 但是，基坑工程是一个复杂的系统工程，涵盖多个学科体系，如工程和水文地 质、土力学、结构、岩土、渗流等，有很强的技术综合性。近些年来，我国基坑工 程取得丰硕的成果，基坑的量和规模是其他国家无法相比的，但与此同时，基坑工 程事故的发生率也是首屈一指的，而且，对经济和人员造成了严重危害。唐业清教 授( 1 9 9 9 ) 对“基坑工程事故事例”中的1 6 0 余起基坑工程事故进行了分析【5 】，表1 1 ， 从表中我们可以看到，首先，由于设计不当造成基坑工程达7 4 项，占总数的4 6 ， 施工方面引发基坑事故也高达6 6 项，占被调查事故的4 1 5 。 表1 1 基坑工程事故原因统计表0 j 业清，1 9 9 9 ) 序号 事故发生的要原因 发生次数 占总数的比例( ) 1 建设单位管理问题 1 06 2基坑工程勘察问题 7 3 5 3 基坑工程设计问题 7 44 6 4 基坑工程施工问题6 64 1 5 5 基坑工程监理问题 53 设计计算的基坑土压力的准确程度，是基坑支护设计最重要的影响因素之一。 传统基坑支护设计中的土压力计算模式，目前国内的许多规范以及工程实践中，大 多倾向于朗肯土压力计算模式，因为它计算简单方便。但朗肯土压力从1 8 5 7 年出 现距今已有1 5 3 年的历史了，尽管它有许多优点，但它是在弹性半无限空间前提条 件下，并假设挡墙垂直、光滑等，依据极限平衡条件而推导出来的。与基坑工程的 实际情况有一定的差异：基坑是具有一定的空间尺寸边界；基坑分步开挖卸荷，并 非一次加载：支护结构的位移也不一定能满足朗肯理论所要求的位移等，这些都会 导致用朗肯理论来计算基坑土压力产生误差。目前，国内许多基坑工程土压力实测 2 桂林理工大学硕士学位论文 结果与计算结果相差较大( 有时相差一倍以上) ，这恐怕是一个主要原因。因此， 寻求符合基坑工程特点，又简便实用的土压力计算模式，是非常重要与迫切的。 此外，由于在漫长的地质历史过程中形成的基坑土体，是自然界种成份组成、 结构性质很复杂的材料，它具有显著的时空变异性。同时，它还具有很强的地域性 特征，不同地区往往形成独具特征的地方性、特殊性岩土体，例如我国目前区域性 分布的黄土、膨胀土( 岩) 、软土、红粘土等。因此，有时很难采用位移变形计算 解析公式来描述，并且也难以考虑基坑开挖过程对土体变形的影响。由此，采用合 理的数值模拟方法进行基坑土体变形的分析，无论从理论上，还是实践的需要上， 也是十分必要。 1 2 基坑边坡土压力和变形研究进展 深基坑边坡土体土压力为作用在支护结构与土体界面上的压力。土压力是作用 在基坑支护体系上的主要荷载，是土与支护结构相互作用的结果，也是支护设计中 最先需要明确的内容。传统的c o u l o m b 土压力公式产生于1 7 7 3 年，从产生到现在 已经有2 0 0 多年的时间。传统的设计理论仅仅涉及主动、被动和静止这三种态下的 土压力。经典的r a n k i n e 和c o u l o m b 土压力理论现在还较多的用基坑的支护设计中， 这是因为它使用简单，计算方便。然而，因为古典土压力理论是在完全弹性和平面 滑裂面假定等假设条件下求得的，这就使得实测土压力值与设计值之间有某些偏 差。土压力的大小和分布规律是同支护结构位移方向和大小、土的性质、支护结构 物的刚度等因素有关。 1 2 1 土压力理论研究 以极限平衡理论为基础的r a n k i n e 土压力理论和利用滑楔理论推导出的 c o u l u m b 土压力理论无疑是刚性挡墙设计中的重大变革，至今乃被广泛应用于基坑 和挡墙设计计算中。但是，很多学者和技术人员在长期的工程实践中认识到，经典 土压力理论值和实测值存在较多的差异，开始从多个不同角度对土压力进行研究。 f i n n ( 1 9 6 7 ) t 6 】和陈惠发( c h e r t ，w f ，1 9 7 0 ) 7 】等用极限分析法对古典的c o u l o m b 直线破坏机理问题行了研究； r i c h a r dl h ( 1 9 8 5 ) 1 8 1 通过研究刚性挡土墙土压力的拱效应，利用水平土条极限 平衡原理，得出粗糙挡墙附近的大主应力发生偏转，水平侧压力大于传统方法计算 值，在矮墙上的土压力为土体自重应力的0 4 2 倍，国外其他学者多研究刚性挡墙 3 桂林j e t - 大学硕士学位论文 的主、被状态下的土压力，遵循平面滑裂面假定【乳”】。 赵树德( 1 9 9 5 ) 【1 6 】考虑基坑的三维破坏形式，推导出考虑基坑空间效应的土压力 计算公式。 杨雪强、刘祖德( 1 9 9 8 ) u 7 j 考虑基坑空间效应，利用土的极限平衡理论和塑性上 限理论对墙后的土压力进行研究，得出了土压力计算公式。 李永刚、李俊伟等( 2 0 0 3 ) t 1 8 - 1 9 】利用水平层单元分析法，所得主动土压力分布呈 凹曲线形和直线形，曲线和合力作用点高度与墙土摩擦角、土内摩擦角和墙背倾角 有关，且主动土压力合力与库仑土压力全部相同。 徐日庆等( 2 0 0 5 ) t 2 0 j 针对平动模式下的刚性挡土墙，研究了考虑平动位移效应的 非极限状态土压力计算理论。 秦四清( 2 0 0 6 ) 【2 l j 应用突变理论，研究由应变硬化及软化介质组成的土体土压力 非线性理论，主动土压力的产生与两种不同介质的刚度比k 和材料的均匀性指标有 极大关联性。当填土面水平且只有应变软化介质时，经典库仑和朗肯土压力理论只 是非线性理论k = o 的特例。 够 章瑞文等( 2 0 0 8 ) 1 2 2 】考虑墙后土体分层填筑时沿墙高位移量的不同，调整墙面摩 擦角，建立了考虑水平土层间剪力、滑裂面水平倾角和墙面摩擦角变化的土层竖向 土压力的逐层渐近计算方法，及主动土压力合力和作用位置的计算公式。通过与模 型试验结果和库仑解比较表明：得到的主动土压力分布与试验结果基本一致；主动 土压力合力与库仑解接近；其作用位置较库仑解高，与试验结果相吻合。7 端( 2 0 0 8 ) t 2 3 】采用水平层分析法，求得了鼓形变位模式下柔性挡土墙的土压 力强度、土压力合力和合力作用点。柔性挡土墙在鼓型变位模式下，墙后水平土压 力分布呈现出r 字形非线性分布，其合力大小与库仑理论结果相同，合力作用点高 度明显高于库仑理论。 彭明祥( 2 0 0 8 ，2 0 0 9 ) t 2 4 - 2 5 】在极限平衡理论的基础上，把墙后填土视为理想弹塑 性材料，服从服从m o h r - c o u l o m b 屈服准则，明确提出墙后塑性土体产生极限土压 力，假设塑性区平面滑裂面，即滑移线为直线，建立了更完善的分析模型，求解了 考虑粘性土作用，通常情况下的挡土墙被动土压力、滑裂面反力以及其分布。 杨建l 琵( 2 0 0 9 ) 2 6 】主要叙述了一种基于非线性破坏准则下的主动土压力计算分 析方法。引入p o w e l a w 非线性破坏准则，并根据切线法引入了变量c t 、仇，建立 了一个统一的容许速度场，通过上限分析得出了主动土压力的计算表达式。 1 2 2 土压力的空间研究2 7 】 4 近2 0 能。 主动土压力一文中，首次提出了墙面绝对光滑有限长度挡土墙直无粘性土的压力 计算的近似方法，但是这一方法是极其粗略的。 1 9 7 6 年，在索柯洛夫( 皿a c o k o a o b ) 发表的有限长度挡土墙主动土压力计算 一文中指出在有限长度挡土墙产生微小水平位移时，墙后填土中所形成的滑裂体形 状与库仑所假定的三角形楔体是完全不同的，他提出了滑裂体形状是一个梯形椎 体，并据此提出了土压力的计算方法。 1 9 7 7 年( r k k j i e 螽h ) 根据波布里柯夫的假定，提出滑裂土体是一个半圆柱形截 柱体，并据此提出了土压力的计算方法。 1 9 7 8 年卡斯台德( j k a r s t e d t ) 根据派斯柯斯基柯瓦廖斯基( p i a s k o w s k i k o w a l e w s k i ) 的建议，假定滑裂体是一个抛物线截柱体。 1 9 8 6 年捷拉茨( j g e r l a c h ) 通过试验获得挡土墙后面滑裂体的形状如图1 1 所示， 其中a 图和b 图均为滑裂体顶部形状。图a 是挡土墙产生向前倾斜的变形时滑裂体 的顶部形状；图b 是挡土墙产生背离填土方向的水平位移时滑裂体的顶部形状；图 c 是挡土墙的长高比较小时墙体产生向前倾斜的变形的情况，滑裂体的形状：图d 是挡土墙的长高比较大时墙体产生背离填土的水平位移的情况下，滑裂体形状。 5 m 髓 桂林理工大学硕士学位论文 ( c )( d ) 图1 1 挡土墙后面滑裂体形状示意图 1 9 8 1 年到1 9 8 6 年，在顾慰慈的主持下，武全社、张亦昭、陈卫平曾对挡土墙 背面填土中的滑裂体形状，进行了系统的试验研究，取得了不同墙长时滑裂体的形 状及其变化规律，从而为空间土压力的计算打下了基础。 1 2 3 土压力数值方法研究 近3 0 年来，随着有限元等数值方法在土力学中的迅速发展，数值模拟方法在 土压力问题的研究中也发挥了重要作用。 应宏伟等( 1 9 9 8 ) t 2 8 】对基坑开挖过程中土压力的变化规律进行研究，指出：随开 挖深度的增加，挡土结构后的土压力逐渐减小，但在支撑范围内出现较明显的土拱 作用；最终开挖面附近被动区土压力逐渐减小，开挖面下较深处则逐渐增大。 俞建霖等( 1 9 9 9 ) t 2 9 】在考虑基坑的三维效应的基础上建立了有限元模型，通过 研究分析得到位移和土压力在空间的分布规律，并且随着长、宽比趋向无穷大时， 被动土压力接近安平面问题分析的结果。 邢肖p 鹏( 2 0 0 2 ) t 3 0 l 利用逐级增加单元的有限元方法，模拟重力式挡墙的施工过 程，发现挡墙主动土压力分布为凸曲线，合力作用点距墙底0 3 6 - 0 4 0 倍墙高；位 移大小和模式对土压力分布和总土压力有很大影响，上移式最大，平移式最小。 张文慧( 2 0 0 4 ) 1 3 1 】采用有限元对工程实例进行模拟分析，得到等应力比固结侧 向卸载三轴试验得出的土体变形参数的计算结果与实测资料是比较吻合的，为了更 准确的分析基坑开挖过程中土体的变形，需要对土体原位固结时的应力状态和加载 时的应力路径进行准确的模拟。 杨超等( 2 0 0 5 ) 【3 2 】利用数值模拟软件f l a c 3 d ，采用m o h r - c o u l o m b 模型，研究 硬粘土基坑开挖土压力变化规律，研究了硬粘土墓坑在无支护开挖过程中主动区、 6 桂林理工大学硕士学位论文 被动区土压力以及坑脚处集中应力的变化规律。 郑刚等( 2 0 0 7 ) f 3 3 j 采用m o h r - c o u l o m b 模型数值模拟基坑开挖引起的土体位移对 临近建筑物桩基的影响。 应宏伟等( 2 0 0 7 ) 1 3 4 】对撑双排桩支护结构的基坑进行有限数值分析，与实测结果 的对比，发现土压力沿深度呈“鼓形”曲线。 综上所述可知，当前对基坑土压力理论的研究，越来越受到有关专家学者和工 程技术人员的重视。但总体说来，由于基坑土体的成因类型、土压力计算模型、基 坑开挖过程的考虑等因素，目前还很难做到与实际情况完全吻合，土压力计算的方 法理论还有值得进一步完善和改进的地方。 1 2 4 基坑边坡土体变形研究 基坑边坡土体变形主要体现在两个方面，即围护结构的变形、地表沉降和基底 隆起。 1 围护结构的变形 围护结构的变形主要指结构的水平位移，由结构两侧土压力差引起的。 b r a n d ( 1 9 9 1 ) 1 35 1 总结出了影响围护结构变形的1 1 条因素，在这此因素当中基坑开挖 的时间和空间效应起主要因素。很多国内的学者也对这一课题的细节问题进行了研 究，张再兴【3 6 】认为准确的基坑开挖顺序对变形有很大的影响；陈若彦3 7 1 讲述了支 护结构为基坑的顺利开挖提供了那些非常有利的条件，然而开挖速度奠定了支护结 构变形控制的基础；黄正述38 】等认为对变形控制有利的是围护结构采用地下连续 墙。 2 地表沉降和基底隆起 随着我国基坑工程在9 0 年代的兴起，很多学者人员在这一方面