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河海大学硕士学位论文多支撑支护深基坑开挖的数值模拟 摘要 当基坑深度较大时，为了减少桩墙的受力和控制基坑变形，常采用多支撑支 护方式。支撑设置以后应必须迅速施加一定轴力，这不但能保证支撑项紧墙体， 减小墙体横向变位量，而且改善了墙体受力条件。本文利用连续介质有限元方法 适应性强、可大量重复计算的特点，运用自编的多支撑深基坑支护有限元计算程 序，重点分析比较了预应力支撑的施加对基坑变形、桩墙内力、支撑轴力以及桩 侧土压力的影响，主要内容如下： ( 1 ) 通过比较g o o d m a n 接触面、d e s a i 薄单元和无接触面模型的计算结果， 指出g o o d m a n 接触面的不足，提出了修正的g o o d m a n 接触面模型。 ( 2 ) 计算并分析了多支撑的施加对基坑变形及桩墙受力的影响，发现支撑预 应力的施加对桩墙应力和支撑轴力有显著影响，指出当施加支撑预应力时，应增 加桩墙和支撑的抗拉、抗压刚度，而预应力的施加对地表沉降和坑底隆起基本没 有影响。 ( 3 ) 分析桩墙的侧向位移曲线，得出位移曲线与桩墙所受弯矩的关系；改变 支撑预应力的大小，对计算结果进行比较分析，得到了支撑间的相互影响以及支 撑预应力的变化对桩墙弯矩影响的规律。 ( 4 ) 总结了基坑开挖支护结构土压力分布的规律，列出桩侧土体的应力水平 和主应力方向，分析计算土压力偏离朗肯土压力的原因，给出主动土压力的拟合 公式和被动土压力的分布规律。 关键词：深基坑悬臂支护多支撑支护接触面支撑轴力土压力 a b s t r a c t a b s t r a c t f o r t h ed e e pe x c a v a t i o n ，i no r d e rt or e d u c et h ep r e s s u r eo nt h ep i l e a n dc o n t r o lt h ed e f o r m a t i o no ft h ee x c a v a t i o n ，u s u a l l y ，m u l t 卜b r a c e d r e t a i n i n gi su s e d t h es t r u tf o r c em u s tb ea c t e do nt h es t r u t sa s s o o n a si tb es e t ，f o rt h i sc a nn o to n l ye n s u r et h a t t h es t r u tisc l o s ee n o u g h t ot h ep i l ea n dr e d u c et h ep i l e sl a t e r a ld i s p l a c e m e n t ，b u ta l s oi m p r o v e t h ec o n d i t i o nf o rb e a r i n gt h ef o r c e m a k i n gu s eo ft h ea d v a n t a g e so ff e m ， s u c ha ss t r o n ga d a p t a b i l i t ya n dr e p e a t a b l eq u a l i t y ，u s i n gaf e mp r o g r a m c o m p i l e db ym y s e l f ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h a tp r e s t r e s s e ds t r u t sh o wt o a f f e c te x c a v a t i o nd i s t o r t i o n ，p i l ef o r c e ，s t r u tf o r c ea n d t h el a t e r a l e a r t hp r e s s u r e t h em a i nc o n t e n t sc a nb es u m m a r i z e da sf o ll o w s ： 1 t h r o u g hc o m p a r i n gt h em o d e lo fg o o d m a ni n t e r f a c ee l e m e n t ，d e s a i t h i n l a y e re l e m e n t a n de l e m e n tw i t h o u t i n t e r f a c e ，p o i n t so u tt h e d e f i c i e n c yo fg o o d m a ni n t e r f a c ee l e m e n t ，a n dp r o p o s e sam o d i f i e dg o o d m a n i n t e r f a c ee l e m e n t 2 c a l c u l a t e sa n da n a l y s e st h ee f f e c to fm u l t i b r a c e do ne x c a v a t i o n d e f o r m a t i o na n dp i l ef o r c e ，f i n dt h a tt h ep r e s t r e s s e df o r c eo fs t r u t s b r i n g sd r a m a t i cc h a n g eo fp i l ef o r c ea n ds t r u tf o r c e ，p o i n t so u tt h a tt h e h i g h e rd e m a n do fs t i f f n e s so fp i l ea n ds t r u ti sn e e d e d w h e nu s i n g p r e s t r e s s e df o r c e b u tt h ep r e s t r e s s e df o r c eh a s1 i t t l ee f f e c to ng r o u n d s u r f a c es e t t1e m e n ta n du p lif t sa tt h ep i tb o t t o m 3 a n a l y s e st h ec u r v eo fp i l e sl a t e r a ld i s p l a c e m e n t ，g a i n e dt h e r e l a t i o nb e t w e e nl a t e r a ld i s p l a c e m e n ta n dm o m e n to fp i l e c o m p a r e sa n d a n a l y s e st h ed i f f e r e n tc a l c u l a t i n gr e s u l tw h i c hg o tb yc h a n g i n gt h e p r e - s t r e s s e df o r c e ，s u m su pt h ei n t e r a c t i o na m o n gt h es t r u t sa n d t h e e f f e c to np i l em o m e n tw h i c hc a u s e db yc h a n g i n go fs t r u tp r e s t r e s s e d f o r c e 4 s u m m a r i z e st h ec o m m o nl a wa b o u tt h ed i s t r i b u t i n go ft h el a t e r a le a r t h s t r e s sa c t i n go nr e m a i n i n gw a l l ，l i s t ss t r e s sl e v e la n dp r i n c i p a ls t r e s s o r i e n t a t i o no fs o i la r o u n dp i l e ，a n a l y s e st h er e a s o no fd e v i a t i o nb e t w e e n r a n k i n et h e o r yo fe a r t hp r e s s u r ea n dc a l c u l a t e dd a t a ，g e t st h ef i t t i n g f o r m u l ao fa c t i v ee a r t hp r e s s u r ea n d t h el a wa b o u tt h ed i s t r i b u t i n go f p a s s i v ee a r t hp r e s s u r e k e y w o r d s ：d e e pe x c a v a t i o n c a n t i l e v e rr e t a i n i n gm u l t i b r a c e d r e t a i n i n g i n t e r f a c es t r u tf o r c el a t e r a le a r t hp r e s s u r e i i 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) 互鼢显2 0 0 6 年3 月1 7 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 五砘拖 2 0 0 6 年3 月1 7 日 河海大学硕p 上学位论文 多支撑支护深基坑开挖的数值模拟 第一章：绪论 卜1 基坑工程发展现状 我国基坑工程的实践与研究近2 0 年来，尤其是近l o 年来得到了迅猛发展， 大量的工程实践极大丰富和提高了我国在基坑工程领域内的技术水平。但是，基 坑工程是实用性、经验性极强的学科，是随着工程实践不断提高的学科。近2 0 年来的工程实践积累了大量成功的经验，也有失败的教训，更有一系列有待进一 步解决的问题。 随着我国城市建设的不断发展，对开发和利用城市空间包括地下空间的要求 越来越迫切。高层建筑的发展在数量上越来越多，越来越高。迄今为止，我国已 经建成的高层建筑面积累计超过1 3 亿平方米，高度超过1 0 0 米的超高层建筑已 超过2 0 0 幢，高度超过2 0 0 米的超高层建筑己达2 0 余幢【8 】【“。 伴随高层建筑的发展，多层地下室逐渐涌现，目前国内最深的高层建筑地下 室基坑为6 层，深度达2 6 2 米【l5 1 。其他类型地下空间的开发和利用也逐渐受到 人们重视。地下铁道、地下车站、地下停车场、地下商场以及地下民防工事，多 种地下民用和公用设施等越来越多。城市地下工程的发展，导致深基坑向大深度、 大面积方向发展成为必然趋势。 由于基坑开挖深度过大，地下水位相对高，地基土质软弱等不良地质条件， 加上深基坑开挖技术不成熟，施工队伍素质低等一系列原因，导致了我国深基坑 工程失事频繁，由此造成的损失高达数十亿元，同时产生了恶劣的社会影响。 深基坑失事主要涉及两方面的问题：一是深基坑支护体系本身失稳：二是深 基坑开挖引起周围环境条件的显著变化，使周围建筑设施产生开裂，甚至破坏。 这两方面在深基坑工程失事中常常是相互联系的，深基坑支护结构的破坏、边坡 的失稳常常会引起基坑周围建筑物的破坏，因为原有建筑物和地下管线复杂，所 以在拥挤的旧城区改造中深基坑问题尤为突出。支护结构的任何破坏，都会严重 影响周围建筑物的安全，过大的变形也可能引起周围建筑设施的破坏。从某种意 义上说，保护周围建筑物、管线的安全比维护深基坑的稳定更重要。如1 9 9 4 年 1 1 月1 1 日汉口煤气大泄漏就是因为威格大厦深基坑失事引起的，威格大厦基坑 与路边的煤气主管道距离仅6 m 多。在基坑开挖中，基坑降水措施不当，导致涌 砂，引起地面下沉，马路、房屋开裂，并导致煤气主管道被折断引起煤气大泄漏， 第一章绪论 造成严重的后果。因此保护深基坑周边环境意义重大。 在深基坑工程中，设计是核心，检测是手段，施工是保证。一个支护设计方 案是否合理，决定了基坑工程的成败。判断设计方案是否合理有两条标准：第一 是能保证基坑及周围环境的安全；第二是工程造价最低。这两条标准表面看起来 是相互矛盾的，实际并不冲突。举例说，对一个基坑工程，不同的设计人员完全 可以拿出不同的设计方案，但这些方案中，有的工程安全性得不到保证，应予否 定：有的工程安全性可以得到保证，但造价太高，小是最优方案。这时应进行方 案比较、论证，从中掸| 阪最佳方案或重新设计。如北京芳城园i 区地下停车库基 坑深1 3 5 m ，当时有5 家单位投标，其中有4 家做的是桩+ 锚杆或双排桩方案， 造价约6 0 0 万元：而一家做的是十钉墙方案，经专家论证方案可靠，造价仅3 0 0 万元，造价较其他方案减少一半，该家不仅在投标中获胜，而且缩短了工期，保 证了施工的按期完成。由此可见，进行方案论证、方案优选设计是设计中根重要 的环节，应引起设计人员的高度重视。 基坑工程主要研究岩土体的强度和变形、支护结构的强度和刚度以及土与结 构的萸同作用等问题。其中支护结构的变彤及稳定性对工程的安全影响最直接， 事故发牛率也最高。近年来国内出现较大事故的深基坑1 程丈倒进行分析表明， 直接囡土压力计算不当使支护结构产：生较大变形的占1 5 4 ，锚杆及内支撑失效 占i o 7 、降水不当占l o 7 ，整体稳定、坑底隆起仅占6 1 ，环境破坏占9 2 ， 其它原因发综合因素影响占4 79 嗍。而支护结构设计的关键是支护结构受力及 引起的变形。一般情况下，支护结构主要受土压力影响，而土压力是在各种工况 下受时间冈素及场地自然环境制约的。挡土结构和支撑体系在土压力的作用下 变形，而这种变形又影响到士压力的大小和分布，土压力大小和支护结构变形是 相互制约和相互关联的【9 j 。因此，实际工程中各级丌挖引起的土压力变化和支护 结构位移之间的关系一直是工程设计人员关心的重要问题。此外深基坑开挖对周 围环境条件的影响也是基坑工程中很重要的一个问题。这两个方面是本论文关心 和探讨的主要内容。 卜2 基坑的分类与常用的支护方法 基坑工程有很多种分类方法，按土方开挖方式可咀将基坑分作放坡开挖基坑 和支护开挖基坑两大类。目前，在城市建设中由于受周边环境条件所限，以支护 开挖为主要形式。支护开挖包括围护结构、支撑( 或锚固) 系统、土体开挖、土 体加强、地下水控制、工程检测、环境保护等几个主要组成部分。支护体系的基 体加强、地下水控制、工程检测、环境保护等几个主要组成部分。支护体系的基 河海大学硕士学位论文多支撑支护深基坑开挖的数值棱拟 表l l ：綦坑支护方法按照原理和使用藏阑分类 序号支护方法 原理和作用使用范围 施工简单、投资经济。由钢板桩、锚拉杆( 或内支撑、 基坑深度达7 m 以上的软土地 l 铡扳桩支护锚碇结构、腰梁等) 组成。由于钢板桩本身柔性较大，层，基坑不宜采用钢板桩支护， 如支撑或锚拙系统设置不当，其变形会很大。除非设置多道支撑或锚拉杆。 羽特铡的挖槽枫械，在泥浆护壁瓣博况下牙挖一定深度对嚣种地质条件及复杂的施工 的沟糖，然后雕被钢筋笼，浇拄混凝土。形式多样，环境适应能力较强。施工不放 2 地下连续墙 般集挡士、承蘑、截水和防渗于一体，并兼作地下室外 坡，不用支模，国内使用深度迭 墙。其不足之处是爱用专用设各旌工，单体工程造价离。3 6 m ，壁厚1 m 。 是指队列式间隔布簧钢筋混凝土挖孔、钻( 冲) 孔灌注 悬臂式支护适用于开挖深度不 桩，作为主要的挡土结构，其结构形式可分为悬臂支护 3排桩支护超过l o m 的粘土层，以及不超过 或单支撑( 锚杆) 、多支撑( 锚抒) 结捣，布桩形= l i = 可 轴的淤淀质土屡。 以分单捧或取捧布置。 水泥作为霹化荆，袋辟j 机械搅拌，将圈纯剂和软强制适用于淤泥、淤泥质土、轱士、 深层搅拌支 拌和使固化剂和轼土之间产生一系列物理化学反应简粉质粘土、粉土等土层，基坑歼 4 护运步硬化，形成具有整体性、水稳定性和一定强度的水挖深度不宜大于6 m 。对有机质 泥土桩墙，作为支护结构。土、泥炭质土，宣通过试验确定。 通常采用钻孔放入变形钢筋并沿孔全长注浆的方法作 戏。它壤靠与嚣之蛔熬牯结力或摩擦力，在体发傲适地下水位班上或经人工降水 土钎墙支护变形时被动承受我力作用。它由密集的土钉群、被加鞠后的a 工壤土、粘性土和弱胶结 的土体、喷射混凝土封盛形成支护体系。由于随挖随支，砂土，开挖深度为5 l o m 。 能有效保持土体强度，减小土体扰动。 锚杆与士钉墒支护相似，将锚杆锚入稳定土体中，外端不宜用于有机质土，液限大于 锚杆或喷锚 6与支护结构连结熠以维护基坑稳定的受拉杆件，并施加5 0 的牯土层及相对密度小于 支护 预应力。支护体喷射混凝土称喷锚支护。 0 3 的砂土。 拱嚣分趣台拱和棼闭合接。拱圈形式包括萄撰、椭藏拱旌工场地要适台撤羽布置，构造 拱圈支护结和二次瞳线擞。这种撰鼷挡土能承受水平方向的土鹾应符合圆环受力的特点，拱脚的 7 构力，因拱的内力以受压为主，弯矩很小，能充分发挥混稳定性应予足够重视，并有可靠 凝土的抗压强艘筒的特性，施工方便，节省工期。 的保证措旖。 按施工程序不同分惫遒作法、半逆作法或部分逆作法， 适于较深基坑，对周边变形有严 8逆做法它以地下各层的粱板作支撑，自上丽下施工，使挡土结 格要求的基坑。 构交形较小，节省临肆支护结构。 第一章绪论 坑工程按照其支护原理和作用，以及适用范围可以做表1 - i 的分类。 就诸多的新支护方法衙言，大体可以归结为熏力式支护体系和桩( 墙) 式支 护体系两大类。 重力式支护体系一般魑指不需要借助支撑或者锚杆的外力，而靠墙体自身熏 力及摩擦力保持稳定的自立式墙体结构。在基坑工程中，一般支护体系厚度相对 较大，支护体系的墙体在开挖蘧阻下往往需要有一定理入深度，主要借助墙体鑫 煎、墙底霞与追基之闯的摩擦力、墙体在开挖面以下受到的体被动抗力等来平 衡域后的土体及水的压力，来保持墙后土体的稳定。由于墙体自身在施工过程中 变形非常小，计算过程中常常认为此类墙体为刚性体系。 桩( 墙) 式支护体系一般由围护桩( 墙) 结构、内支撑( 或锚杆) 结构以及 防水帷幕等部分组成。根据桩墙的支锚方式又可以分为内支撑体系和土层锚杆体 系掰类。报据围护墙体材料不同，桩( 墙) 式支护体系又可以分为柱列式钻孔灌 注桩、钢麓混凝地下连续壤、钢扳桩和钢筋混凝扳狡等形式。乳类支护体系 的墙体厚度相对较小，一般借助墙体在开挖面下的插入深度以及设置在开挖丽以 上的内支撑体系( 或锚杆) 共同平衡墙后的土、水压力，来保持基坑整体稳定。 糖坑工程中一般作为柔性体系进行分析，柔性体系的支护结构与刚性体系不同的 是：嵌入到土体中的柔性挡墙与提供额外的支撑作用的内支撑( 或锚杆) 系统， 在墙后土体的压力下，产生相对大的挠曲变形，进丽引起土难力重额分布。对于 土痰好及开挖深度不大豹基坑，经过验算后可以采取无内支撑、无锚括的悬臂式 支护体系；箍多数情况的软基坑及超过一定开挖深度的基坑，都需要设置一道 或多道内支撑( 或锚杆) ，才能保持基坑支护结构的强度和基坑的整体稳定。 无支撑和设置多道内支撑的桩( 墙) 式柔性支护结构是本文研究的对象。 1 - 3 基坑的变形和失稳 鏊坑开挖是一个复杂的缝廉工程闷题，它既涉及至基坑自身强度与稳定性， 又包含了遗质环境和社会影晌问题。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顺利施工，还要保证相邻建筑物和地下管线等设施的安 全。由于设计和旋工方面的缺陷，支护结构会超变形和失稳，从而引起基坑外部 一定范围内的土体向坑内位移和周围地面沉降，造成对相邻建筑物和地下管线等 设旌的破坏，这种破坏往往逸远超过事故本身对工程的影响。 潍海丈学硬上学位论文 多支撑支护深基坑开挖的数值摸撒 1 3 1 基坑的变形 在基坑开挖过程中，由于改变了原位土体的应力场及地下水等环境因素的变 化，必然会引起支护结构的变形甚至破坏、基坑周围地袭沉降和基坑隆起等问题。 当基坑开挖较浅时，支挡结构的变形主要为向慕坑方向的水平变位，地表随 之交彤；随着开挖深度的增加，土体自重应力豹释放纛增加，支护结构上的援 力交亿，遣表变形的范围增大，交位量也增大；同时，支护结构墙体有所上升或 下沉，使插入坑底深度发生燮化。支挡结构水平变位的大小，主要取决于基坑的 宽度、开挖深度、地层的性质、支挡结构的刚度和入土深度。减少基坑的暴露时 间、及时设置支撑、支撑预成力的施加等，将对减少支糖结构的变位起重要作用。 在深基坑开挖进程中，赝产生的地面沉降主要来鑫两个方面：一是地下水疏 予产生的差异性地面沉降，另一穗是由于支护结构的铡窥变形弓l 超的地瑟沉降， 盟往往是严重的。 每个基坑开挖后，坑内都会有不同程度的隆起变形现象发生，主要原因有五 个方面：由于土体挖除，自重应力释放，致使基底向上回弹；基底土体回弹 后，土体松弛与蠕变的影响，使基底隆起：基坑开挖后，支挡结构向基坑内变 位，在基底面以下部分的支捎结掏向基坑方向变位孵，推挤其前露的土体，造成 基底豹隆起；糖控基坟积水，霾粘性土吸承使土钵积增大蔼隆起；在开挖 软粘土基坑时，如果支挡结构背后的潜在滑动面内土体的重量( 以及包括坑外超 载) 超过基坑底部地基的承载力，就会发生流土现象，引起坑顶下陷、坑底隆起， 引起基坑失稳。 1 3 2 基坑的失稳 基坑失稳主要有翔下嚣个方磋：一是因支护结构豹强度或刚度不足箍引起蒸 坑失稳；二是因支护结构地基土的强度不足而造成纂坑失稳。 ( 1 ) 拉锚破坏或支撑腰弯 由于设计时对地层、环境条件考虑不周，或施工过程中地层、环境条件发生 了变化，或设计计算有误，或施工质量存在问题，引起锚卡于拉杆断裂或拉出、腰 粱破坏、内部支撑断面过小弼压屈等，造成支护结构失效丽失稳。 ( 2 ) 支挡结构的变形过大或弯曲破坏 第一章绪论 由于支挡结构的断面过小，即刚度不够，或基坑超挖，引起支挡结构变形过 大，甚至断裂，造成地面沉降过大，造成对邻近建筑物和地下管线等地下设施的 损害。 ( 3 ) 支挡结构底部走动 由于支挡结构的地基土强度不足，或支挡结构嵌入深度不够，或基坑超挖和 水的冲刷，引起基底水平两侧的荷载不平衡，发生“踢脚”现象，当“踢脚”产 生过量隆起时，则造成基坑失稳。 ( 4 ) 土体的整体滑动 这种失稳状态一般是由于锚杆的长度不够，或锚杆锚固段处于软弱地层中， 或支挡结构的地基土强度不足，引起土体整体滑动失稳。 ( 5 ) 支挡结构倾覆 这种失稳状态多发生在采用重力式挡土墙支护结构的基坑中。其主要是由于 挡土墙的截面、重量不够大，或地基土强度不足，在墙后土体推力的作用下，发 生整体倾覆失稳。 ( 6 ) 支挡结构滑移 这种失稳状态也多发生在采用重力式挡土墙支护结构的基坑中。其主要是由 于挡土墙的抗滑力不够，或地基土强度不足，抵挡不住墙后土体的推力，挡土墙 发生整体滑动。 1 - 4 基坑工程中的土压力问题 1 4 1 土压力理论计算的发展 经典土压力理论c o u l o m b 土压力理论( 1 7 7 6 ) 和r a n k i n e 土压力理论( 1 8 5 7 ) 因 其计算简单和力学概念明确，自建立以来一直为工程设计所采用。上述两种理论 都基于以下假定：( 1 ) 挡土结构视为刚性体；( 2 ) 土体是理想刚塑性体；( 3 ) 服从 m o r c o u l o m b 准则。依照经典土压力理论，得到的是极限平衡状态下的土压力值， 土压力为直线分布。然而经典土压力理论存在着两个明显的弱点：一是要求土体 变形达到极限状态的临界条件；二是经典土压力理论没有考虑挡墙的变位方式对 土压力的影响。国内外大量学者通过试验研究和理论分析对经典土压力理论进行 6 河海夫学硕士学位论文 多盅撑支护深基垅舞挖的数值模拟 不断修改和完善，形成更加符合实际的土压力计算方法【l0 】。 t e r z a g h i ( 1 9 3 2 ) j 通过大规模的模型试验获得了极限平衡状态和挡土结构 变形之间的关系，并指出只有当土体水平位移达到一定能、土体产生剪切破坏时， c o u l o m b 和r a n k i n e 土压力才是正确的，并进一步证实( 1 9 6 2 ) ：当挡土结构绕墙 懿转动时，主动土压力为三囊形分布；当挡土结构平移、绕墙顶转动和绕墙中部 转动时，主动土莲力为j 线慑分森。 b a n g ( 1 9 8 5 ) 认为土体从静止状态到极限主动应力状态是一个渐变的过程，提 出了“中问主动状态”。 s u k l j e ( 1 9 6 9 ) 、v i d m a r ( 1 9 6 3 ) 研究分析了粘性土的蠕变作用于侧压力的影响 问题，并说明在某些粘土中挡土墙长期缓慢地向外移动，而如果这种变形被阻止， 饲骶力将逐渐增大接近静止士压力。 谭跃虎、钱七虎【l 戤对燕京潮贸大厦基坑支护桩馓了鞍全谣豹测试工作，测试 结果表明：实测的主动土壤力小于朗肯理论值：当变形小于5 h 时，被动土压 力仍能得到充分的发挥，与传统的土压力理论相矛盾。 何颐华【1 9 】等通过模型试验和实际工程测试，发现粘性土上护坡桩水平位移与 土体变形不协调，桩土之i 间产生从地面向下延伸的裂缝，桩上部土压力小于主动 土压力，从而使土压力休用点下移，作用点下移会使梭的内力减小。 c l o u g h 和d u n c a n ( 1 9 7 1 ) 2 2 1 用非线性有限元法对沙经壤土刚性挡土墙平移和 绕墙趾转动两种变位方式进行分析，砂土变形采用d u n c a n - c h a n g 双蓝线模型， 接触面变形也采用双曲线模型，引入一维g o o d m a n 单元。计算结果表明：土压力 值随着墙体的位移而变化，最小主动土压力值和最大被动土压力值与经典土压力 理论值相吻合，达到完全主勘和完全被动状态的位移和试验结果一致。 n a k a i ( 1 9 8 5 ) 采用弹黧性的接触单元来模拟挡壤与土俸阅的摩擦特挂，土 体采瑶松冈元弹塑性穰型，丽隧考虑墙西摩擦、墙钵交俊方式及体应力应交特 性，对刚性挡土墙上的主动和被动土压力问题进行弹塑性有限元分析，分析结果 表明：作用于刚性挡土墙上土压力分布规律与挡墙的变位方式有关。作用于挡墙 上的总土压力值和土压力合力作用点与墙面的摩擦特性、墙体的变位方式、墙体 的位移有关，土压力大小和墙体位移间呈非线性关系。 徐酲庆等指出：m o h r c o u l o m b 准粼只适用于较小豹斑力范围，对高应力水平 第一章绪论 和低应力水平存在一定盼偏离，并提出了非线性m o h r c o u l o m b 强度指标，应用 予侧向土压力计算。 魏汝龙1 5 峙旨出，基坑开挖属于卸载情况，强度理论腋充分考虑应力历史的影 响，并提出了一种综合性的强度指标，针对其中有关卸裁强度曲线讨论了卸载时 墙翦土压力豹计算问题。 陈书申针对齑瑶建筑深藻坟支护结掏工作特点和软攮罄的其体条转，势指 l 出考虑变位、强度、开挖深度诸因素影响的压力计算方法。 孙淑贤针对基坑开挖引越的地基土应力状态和地4 f 水状态的改变给土压力 计算所带来的影响，提出了应采用测压减少和荷载试验方法确定的强度指标来计 算主、被动土压力，并提如了考虑地下水渗流影响的土聪力计算方法。 袁静对杭州软粘士在l ( 。圈结条件下进行了卸载的剪切试验，研究卸载条件下 不闰应力路径对应力应变关系及其参数豹影响，试验缭粜表明，压缩和拉j 枣曲线 爨有定的相似性，为双曲线形式。但压缩强度明照大于拉伸强度。 1 4 2 基坑支护结构土压力分布规律的研究方法 研究基坑支护结构土压力分布规律一般有三种方法： ( 1 ) 理论推导分橱方法 瑾论捺导分析方法，印奁一定的假设条件下，对诗算模型进行必要的简化， 利用数学、力学理论，推导出土压力分布的模式。其优点在于重视数学、力学报 导的严密性，得到的计算方法一般比较简洁。缺点在于推导过程中必须作出较多 的假设和简化，一般有适用范围、适用情况的限制，影响了其通用性。 ( 2 ) 现场实测和模型试验方法【3 8 】 瑗场实溺和模型试验方法是指透过对实际工程中大量的实测压力资料豹 归纳分析或通避室内模型试验模拟现场情琵，从中褥出其有规律性的土莲力分鑫 模式。工程现场的实测资料怒各种复杂因素综合影响的直观反映，具有较强的说 服力，是设计中进行土压力修正和进行反衍分析的主鬟依据。但是，一方面，由 于施工现场影响数据可靠性的因素很多，如仪器的埋设、操作人员操作熟练程度 以及施工方的配合程度等各个环节都可能影响数据的可靠性；另一方面，实测瓷 料及映的毕竟只能是针对菜贱其体的工程，很多方面都具有其特殊性，影响实测 资糕豹主要因素与次要因素混杂褶闻，无法稠确豹覆歌各因素对实测结果豹影响 河海大学硕士学位论文多支撑支护深基坑开挖的数值模拟 程度，不利于对比分板磷究。 ( 3 1 数值模拟法 1 7 1 1 3 4 】 数值模拟方法，主要是指利用连续介质有限单元法，针对各种不同情况的基 坑工程，进行位移和压力的分析和研究，从中得出各种类型工程各种工况f 的 土体单元应力及变形特性。有限元法的突出优点就是非常适合处理非线性、非均 质和复杂边界问题，而土体应力应变分析刚好存在这些复杂的问题。自从1 9 6 6 年c l o u g h 和w o o d w a r d 首先使用有限元法分析土坝问题以来，有限元法衣岩土 工程的应用得到了迅速豹发展，弗取得了很妊豹效莱。c l o u g h 和d u n c a n 鑫1 9 7 t 年对土聪力进行有限元方法的研究和分析后，便使得有限元法在土压力分析中逐 渐开始得到应用，逐渐体现出其优越性。 露羧元法在基坟工程中应用，可以从整体上分柝支护续擒和周疆土体豹应 力与位移性状，可以对旄工逐级开挖、支撑的装拆进行动态模拟，同时可以考虑 地下水弓 起的渗流、土体固结以及窀问效应的影响。有限单元法适应性强，应用 范围广泛，它不仅能成功处理如应力分折中材料昀非均质、备向异性、非线性应 力应变关系咝及复杂边界条件等难题，丽且随着其理论基础和方法的逐步改进 完善，逐能成功求解如土的固结和变形耦合作用、土的粘弹裂性模型等许多复杂 问题。在理论上，有限元模拟基坑工程可以精确地预测围护结构的变形、基底隆 莛、壤聪逡谣沉降及周围遍层位移等变形情况，阍对还可隰得至i 相关的应力信息， 因而可以利用它进行数值试验，来寻求作用于基坑支护结构上土压力的规律性。 但是，有限元数值模拟的方法也同样存在着诸多的问题，如计算模型的参数较多、 计算过程复杂、工缛鬟较大等缺点，妊直接嗣予实际工疆设诗尚存在一定困难。 但与传统土压力理论相比较，有限元数值模拟慕坑开挖仍具有其独特的优越性。 尤其，对于各种复杂情况下基坑工程开挖的定性分析，这是其他理论方法所无法 替代的。 1 - 5 基坑支护的计算 基境开挖是基鹚工程翮地下工程中一个吉老豹岩土工程难题，它鼹涉及力 学中典型的强度和稳定问题，又包含了变形问题同时还涉及到土体与结构的共同 作用问题。支护机构的压力分布也是一个相当复杂的问题【4 9 】，它与土质的性质 和支护方式及速度等强素相关。这些因素不哥能在计算中都能鑫己准确逑加以考 虑，因而基坑支护设计理论应着重于概念设计和动态设计。 支护结构计算的方法很多，目前常用的有静力平衡法、等值梁法、二分之一 q 第一章绪论 法、弹性曲线法、山邦肩南法等。这些方法都足以传统豹静力平衡方法为纂础， 进行结构的动态分析，但不能准确计算支护结构的变形，不能考虑支护结构与土 的共同作厢。随着计算技术的发展，数值分析法在基坑支护设计中迅速的发展， 特别以弹性抗力为基础的杆系有限元法，不仅能考虑支护结构与土体相互作用， 又能准确的计算结构的内力与变形。但是弹性地基粱有限元法在计算支护结构的 内力及变形时，不考虑施工过程的避续性，也不考虑各工况之间的关系，认为各 工况之闻相互独立计算，忽略了前工况结构在开攘后支护结构豹变形。其实，采 取分层开挖、分道支撑，后续的各道支撑( 如第二道、第三道等) 是在桩墙及瓣道 支撑已经受力并已产生了位移后才设置的，这会影响到桩墙变形与支撑内力的分 布尚】f 4 蚋。本文所采用的平面痘变有限元分板方法，在原b c f 程序豹基础上编制 的适用于多支撑深基坑开挖的有限冗程序，弥补了这一不足，汗挖和支撑分级施 加，施工过程连续有序且考虑到支撑变形引起的支撑轴力变化对支护结构及土体 的影晌。 本文的平面应变有限元模拟计算有如下优点： ( 1 ) 采用平面应变有限元分析法进行深基坑支护结构设计，可以充分考虑桩 土闻豹协调作用，模拟壤土接触界灏豹应力傍况，弥补以蓖游缓分开考虑的不 足，能够充分反映规律和宏观特征。 ( 2 ) 采用平面应变有限元分析法对深基坑的开挖过程进行模拟，可以得出不 同开挖阶段基坑周围撼表豹变形猿掇，桩体弯矩变化情猿、可以不叛调整桩距、 桩径，以满足其不同开挖阶段弯矩、应力变化的协调性。 ( 3 ) 采用平面应变有限元计算基坑周围的地袭变形，经与实测的地表变形相 毙较可以爱算出土层戆综合强度参数，迸一步捺导施工。我夕 ，根据计算掰德豹 地表变形结果，为基坑工程的信息化动态旌工依据，最大限度地降低基坑周围的 地表变形，提高基坑周围建筑物及城市生命线工程的安全度。 1 6 。1 工作思路 0 卜6 本文的工作思路和工作内容 综上可以得出，熬于传统土雁力基础上的土压力计算方法在各种修正和假 河海大学硕士学位论文 多支捧支护深基境开桤豹数值攘拟 设的前提下，原理和计算方法鄂简单明了，但却都不可避免地存在着无法解决的 缺陷，即无法更加真实模拟实际工程中土体及支护结构的开挖性状，针对诸多的 错综复杂的基坑工程问题，已经不能够满足设计要求；土压力现场实测及大型模 烈试验又受到施工现场和试验场地等多因素制约，而鼠得出的结果个性特征强普 遍意义不大，很难推广；丽有限元数值模拟的方法其土体计算模型更加接近实际 工况、计算方法更加可靠，但由予考虑影响因素过多，选取的各种土性参数和续 构参数较多，计算复杂、工律爨大，把就释方法壹接应瘸子大量的常规设计计算 并不很现实。但是，如果能够针对地区内典型场地地层，对常用的支护结构进行 肖敝元数值模拟试验，可以分析得出土压力分布形式和变化规律、支护结构和土 体的位移，以及它们之间的关系。把这样的分析结论廒用到基坑工程的常规设计 中，可以达到优化设计方案及改善计算结果的目的，同时对基坑工程现场的技术 入员也有指导作用。因此，脊限元数值分析在基坑工稷中有其独特豹优点和重要 的意义。 本文主要针对基坑工程特点，在现有土压力计算理论和基坑设计方法的基础 上，采用有限元数值模拟方法，设计悬臂支护结构、无预应力多支撑支护和预应 力多支撑支护三个基坑模型方案。分别对桩体侧向变位、基坑内部土体隆起、桩 后土体沉降、支撑轴力变化、桩墙所受弯矩、主被动侧压力变化等方面进行分柝。 1 6 。2i 推内容 1 、分析有限元方法模拟基坑拜挖的主要影响因素，根据基坑工程的特点， 在原有b c f 程序的基础上编制了多支撑基坑开挖卸载的有限元程序。 2 、分别用无接触面、改进的d e s a i 薄单元和g o o d m a n 接触面对基坑变形进 行比较和分析，指出g o o d m a n 接触面的不足之处，并在原有的g o o d m a n 接触面 基础上提出了修改建议。 3 、针对不露豹计算方案，魄较分辑支撑韶支撑辘力砖桩钵铡自变短、基坑 内部土体隆起、桩后土俸沉降的影响。 4 、支撑预加轴力不同时，比较桩墙所受弯矩、槭墙变形曲线拐点位置和支 撑所受的应力，归纳各支撑预应力的大小对桩墙变形曲线、所受弯矩及各支撑在 各级开挖过程中所受轴力的影响。 5 、比较单道支撑预应力的变化对其它支撑轴力的影响 6 、针对朗蠢土压力理沦静不足，提高薪静适震于慕城工程豹主动和被动铡 土压力计算公式。 第二掌霄限元在基坑工程中的应用概述 第二章有限元方法在基坑工程中的应用概述 有限元法自6 0 年代开始应用于土工计算分析。由于它能较容易的处理分析 域的复杂形状及边界条件，考虑材料的物理非线性性状，并能够模拟施工过程， 灏箍露限元已成为目前土王计算中最为常用的数值分拆方法，得到了广泛地应用 和快速遮发展。 强漪在基坑工程中常用的有限元法主要有：弹性地綦稃系有限元法和连续奔 质有限元法。 2 - 1 弹性杆系有限元法概述 2 。1 1 枵系有限元方法简介 弹性杆系有限元法也称为“竖向平面弹性地基梁法”，它是建立在土的线弹 性本构关系上的一种方法。藏计算原理是假设基坑地面以上挡土结构为梁单元， 罄底以下部分为弹性地基梁单元，支撑或锚杆为弹性支撑单元，荷载为主动侧的 土压力和水压力。由于能较好她反映基坑开挖和回筑过程中的各种因素，例如随 开挖深度的增加支撑架设数爨的变佬，支撑架设前的捎主结构的位移以及架设霸 支撵轴力也会隧后续开挖过程谣逐渐得到调整，预翻霉交力对挡土结梅瘫力变佬等 的影响，因丽在多支撑挡士结构设计中有较多的使用，怒种计算简便的挡土结 构有限元计算方法。 一、分析过程 杆系有限元分析过程如图2 - 1 所示 4 求解方程组解 得结点位移 5 由几何方程 求单元应变 圈2 - 1 杆系有限元法分析过程 二、主动侧土压力模式 6 由本构方程求 单元应力 蜒海大学颈学位论文 多支撵支护深基凌于 挖的数值模拟 杆系有限元法中的主要外加荷载为地面超载和主动侧压力。地面超载一般按 均部荷载考虑，呈矩形分布；主动侧土压力作为已知荷载，可按朗肯土压力理论 或库仑理论求得，基底以上呈三角形分布，而对于基底以下土压力分布模式则又 有四种不同的假设“。即“土压力零点分布”模式、“零分布”模式、“梯形分布” 模式葶b “矩形分布”模式，分割如蛰2 2 ( a ) 、( b ) 、( c ) 、( d ) 所示。其中“零分 布”模式假定的萄载分布偏小，不够安全；最常用虽较为安全的是“矩形分布” 模式，它假设坑底以下墙后土压力分布为矩形，其值取坑底处主动土压力值。 图2 - 2 基底以下土压力分布模式示意图 ( a ) 土压力零点分布，( b ) 零分布，( c ) 梯形分布，( d ) 矩形分布 三、被动侧土压力模式 弹性枉系有限元中，把坑瘾以下被动区傣当作弹憔支承，用水平向弹簧 来模叛。其概念是卣于挡臻位移控刮要求，基境内倒不可能达到完全浆被动极 限平衡状态，实际上往往处于弹性抗力阶段。因此，假设被动区土体处于弹性阶 段，地层反力符合温克尔假定。 水平地基反力与墙体位移的关系可用下面的通式袋示： p = e 万6 = 氍4 矿 ( 2 1 ) 式中p 水平囱地基反力强凄； 世。地基反力系数； z 开挖以下深度； 万墙体水平位移； a ，b ，m 与土体性质有关的参数。 指数b 不为l 时，为菲线性弹往遗基反力分布，计算复杂，瘦溺较少。一般 。杂 。耋 r f 毒 、 簋一吲 第二章番限e 在基坑工程中驰瘟瘸糍遮 的，指数b 取1 ，即水平地潦反力与墙体位移呈线性关系。目前地基反力系数与 开挖面以下深度之间关系主要有所谓的m 法、“c ”法、k 法和常数法，如 图2 - 3 所示。 自 垦 kn ：k v4 1z ，b j r ， 图2 - 3 水平向地基反力系数的分布图式 当指数a = o 时，k 为定值，即所谓的常数法；当播数a = 0 + 5 时，列称为c 法； 当指数a = l 露，表示缝基爱力系数与深度成正比，这秘分柝方法称为1 1 1 法。鑫予 上述三种方法中，m 法更接近子经典土压力分布的定性结果，且对m 的取值也肖 一定的经验数据，因此，在三种水平向地基反力系数的假定中，| 【i 法更适用于纂 坑支护结构设计1 3 “。 四、计算简式 采雳朽系有艰元法计算挡土结构，一般采用图2 4 嬲两嵇计算图式。图2 - 4 ( a ) 是采用杆系有限元分柝挡结构豹遂雳计算图式。地鬣以上( 基底以上) 部分抬 土结构采用梁单元，锚撑为弹性支承单元，衙载为主动侧的土压力和水压力。 图2 4 ( b ) 挡土结构全部按弹性地基梁单元计算。该计算模式便于对土压力从 两侧受静止土压力的状态歼始，在主动土压力和被动土压力范围内反复调整计 算。但基底以上的挡土结构作为弹性地基梁时，在主动侧土压力作用下土体产生 = | 宣应力，与实际猜况不一致：针对这种情况，文献 2 l 】中缀设基境内雏鹾婀体 均襁作土弹簧，荠虽土弹簧褫可受压也可受拉，计冀阁式如隧2 - 4 ( c ) 所示。警 墙体向基坑侧位移时，墙后土弹簧受拉，土压力增繁为负，总墙后土压力减少； 墙漪土弹簧受压，土压力增摄为正，总墙前土压力增大。当挡墙某点向坑外移动 时，则情况相反。这样处理克服了原有弹性地基梁法中土弹簧只能受压不能受拉 的缺陷，可考虑土压力与挡墙变形完全耦合及应力历史对墙前土压力的影晌。 河海大学硕士学位论文多支撑支护深基坑开挖的数值模拟 qq 纛蔫l 工臻夏巧骚 j ；h r i l 一剖l 一 堰爝 q ( n ) ( | 。) ，一厂、 一 、l 一 翻2 4 辑系有限元计算箍图 2 1 2 杆系有限元方法的特点 优点 杆系有限元优点在于力学模型简单实用，计算时所霈参数较少，可以模拟开 挖工况及考虑黠翔效应的影响，翻之在实际工程中懑积累了穰多经验，因此，其 有较强实弼性和可操作蚀。 ( 二) 缺点 ( 1 ) 土压力与水压力是支护体系所受主要荷载，其计算的合理性非常重要。 弹性杆系有限元中多以经典土压力理论进行计算，这样做把极限状态与工作状态 栩混淆了，有可能与实测结果相差较大1