（地质工程专业论文）基于adina的深基坑开挖模拟及支护方案优化设计.pdf

捅要 基坑工程一直存在着经济与安全的问题，其根本原因是由它在整个基础工程 中所起的特殊作用决定的，目前有许多业内人士在做这方面的： 作，并提出了很 多有意义的模拟及优化设计方法。本文分析了基坑工程的发展与研究现状，提出 并解决了基坑有限元模拟中存在的一些问题，在此基础上，基于大型有限元计算 程序a d i n a 对无支护下基坑边坡和基坑支护结构体系得受力及变形进行了分析 研究，并对支护结构的优化设计给出有意义的建议。 本文结合工程实例，运用大型有限元计算软件a d i n a ，建立了基坑开挖过 程的三维模型，分析了基坑开挖过程中无支护开挖和支护丌挖两种工况下基坑侧 边长度方向和深度方向基坑壁变形分布规律；初步探讨了支护结构单元的协同作 用以及土与支护结构的相互作用问题。研究结果表明，基坑开挖与支护是一个与 基坑周围土体及支护结构性质密切相关的复杂的三维空问问题。基坑开挖与支护 过程中土体、支护结构的空间作用效应以及两者的空间协同作用对于基坑性状的 影响是显著的；同时，也验证了a d i n a 有限元分析软件是基坑工程分析的一个 强大工具，在岩土工程问题分析中具有广泛的应用前景。 基于a d i n a 有限元分析软件对工程实例建立二维模型，对锚杆的参数变化 对基坑稳定性的影响进行了分析，对基坑工程中支护放置位置给出了优化设计。 文中在其余参数不变的情况下，改变锚杆的长度、倾角、位置以及排距分别编制 二维有限元开挖程序，结果比较明显，长度以及排距直接影响基坑开挖的水平最 大位移，而倾角则存在一个最佳范围，锚杆位置也不宜过高或过低，这也为今后 的基坑设计和施工提供了一些比较有价值的参考数据。 关键词：基坑工程有限元开挖模拟桩锚支护土钉支护优化设计 a b s t r a c t w i mt h ei n c r e a s i n go fu r b a nc o n s 缸1 l c t i o n s ，t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no fs u p p o r t i n g s y s t e mo f d e e pf o u n d a t i o np j t sb e c o m e sc r i t i c a l l yi m p o r t a n t t h ek e yi s s u ei st h a td u e c o n s i d e r a t i o n ss h o u l db et a k e no nb o t he c o n o m ya n ds a f h yf o rs u c hk i n do f t e m p o r a l s t m c t u r e s m o r ea t t e n t i o n sh a v eb e e np a i di nt l ep a s tt od e v e l o pt h es i 印i f i c a n t o p t i m i z 撕o nm e t h o do fs i m u l a t i o na f l df o u n d a t i o nd e s i g n i nt l l i sp a p e r ，m ep r e s e n t s t a t l l so fd e v e i o p m e n ta 1 1 dr e s e a r c ho nt h ed e e pf o u n d a t i o ne x c a v a t i o ne n 百n e 甜n gi s a 1 1 a l y z c ds ”t e m i c a l l y a n ds o m ep r o b l 锄so nf e mu s e di n 血ed e 印f o l l l l d a t i o n e x c a v a t i o nc n 垂n e c r i n ga r ea l s oa i l a i y z e d s ob a s e do ns o l 、，i _ n gm e s ep r o b l e m s ，t 1 1 e s t a b i i i 妙o ft i l es l o p e ，t h ed e f o r m a t i 0 i l sa n dt h eb e n d i l l gm o m e n t so fm eb r a c i n g s t m 吐u r eo fm ed e e pf o u n d a t i o nc x c a v a t i o na r cs t l l d i e db yu s i n gt h ef e mm e l o do f a d i n a ，i ti ss u g g e s t e dt h a ts o m eo p 血1 i z a t i o nm e t h o d so f s i r n u l a t i o na n df o u n d a t i o n d e s j g nw e r ea d v i s e d b a s e do nr c s e a r c hr e s m t so ft 1 1 i sp r o j e c t ，3 一d 妇e n s i o n a lm o d do fe x c a v a t i n g d e 印f o u i l d a t i o np i ta r ci n 们d u c e d c o m b i n c dw i mf e ms o f t w a r ea d i n a ，t h e d e f o m a t i o nr e g l l l 撕t yo ff 0 1 l l l d a t i o np i tw a l l i nl e n g 山d i r c c t i o na n dd 印t hd i r e c t i o n i nc x c a v 撕o np m c e s sw i ms u p p o r ta n d1 i l o u t s u p p o r ta r e 蚰a l y z e d r e s e a r c h i n d i c a t e sm a tm ec x c a v a t i o na n ds u p p o r to ff o u n d a t i o np i ti sac o m p l e x 3 一d i m s e i i t i o n a ls p a t i a l i s s u e ，w h i c hi sd o s e l ya s s o c i a t e d 丽t 1 1t l l ep r o p 酬e so fs o i l a m l l n dt b ep i ta i l ds u p p o r ts 仃u c t l l r c s i nt 1 1 ee x c a v a t i o na 1 1 ds u p p o r tp r o c e s so f f o u n d a t i o np i t ，t 1 es p a t i a le f r e c to fs o i la n ds u p p o r ts 协l c t u r ea n ds o i l s m l c t u r e 血c r a c t i o no nf b l l n d a t i o np i ta r ce v i d e n t ；m e a n 、) l 恤1 e ，i ta l s oi n d i c a t e s 1 a tf e m s o f h v a r ea d l n am e m o di sap o w e r f mf o rf o u n d a t i o np i te n g i i l c c r i n 吕t l l i sm e t b o d s h o m db ew i d e l yu s e dm g e o t c c l l n i c a lc n 西n e 舐n gi nt h e 劬e b a s e do nr e s e a r c hr e s u l t so ft h i sp r o j e c l2 一d i m 曲s i o n a lm o d do fc x c a v a 血g d e 印f o 吼d “o np i ta r ei n 廿0 d u c e df o ro p t i m i z a t i o nd e s i 印a f t e rc h a l l g e dt h en a i l s l e n g t l l ，a i l 百e ，s i t l l a 廿o na n dd i s t a l l c e ，g a i ns o m eu s e 硒c o n c l l l s i o nf o ro p t i m i z a t i o n d e s i g no f f b u n d a t i o np i t k e y w o r d s ：f o u n d a t i o np i te n 百n e 甜n g ；a d i n a ；s i m u l a t i o no fe x c a v a t i o n ；b r a c i n g s t m c t u r e ；s o i ln a i lr e i n f o r c 锄e n t ；o p t i m i z a t i o nd e s i 印 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) ： 蟀 伊年月乃日 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) ： 薹 一 护6 年g 月门日 绪隆 1 绪论 1 1 问题的提出 随着城市现代化建设的不断发展，有限的城市地面空间已不能满足人们日益 增长的生活和工作需要，于是人们丌始向高空和地下寻求发展空间。目前，各类地 下工程诸如越江隧道、地铁车站和区间隧道、地下车库、地下商场、地下街道、地 下医院、地下仓库、地下民防工事及包括地下车道的高架、立交交通网已到处可见。 国外著名的地下工程有法国巴黎的中央商场，美国明尼苏达大学土木与采矿工程 系的办公大楼和实验室，日本东京八重洲的地下街等。这些工程的共同特点之一是 都需进行大规模地下开挖，其中主要手段之一是基坑工程的明挖施工。以上海市为 例，高层建筑基坑的最大平面尺寸已达2 7 4 m 1 8 7 m ，面积约5 1 0 0 m 2 ，深度最深达 3 2 m 。目前，基坑工程已逐渐发展为一们新型的学科基坑工程学。基坑工程既是一 个古老的传统课题，同时又是一个集岩土工程和结构工程等于一体的系统工程。其 间涉及到土层性质、挡土结构内力和变形的计算理论、基坑的开挖与稳定性变形机 理以及参数的反馈分析确定等诸多方面。 对于基坑开挖的工程特性分析，鉴于其复杂性，人们常常采用数值分析方法来 模拟基坑开挖，但许多分析是建立在二维平面应变的基础之上的，忽略了基坑作为 一个具有长、宽和高的三维尺寸的事实，而对于土的本构关系，一般采用线弹性模 型，没有考虑土的塑性特性。 由于基坑本身是一个空间问题，土的变形中包含着塑性变形部分，因此本文采 用了三维有限元分析方法，对基坑开挖进行模拟，考虑了基坑开挖过程中空间效应 和施工效应的影响，并采用弹塑性硬化模型模拟土的本构关系特性，对具体的工程 实例进行了分析。 本文选取的工程实例为位于北京三环安贞桥东南，安贞大厦东侧的金隅世纪城 超深超大基坑。设计o 0 0 标高值为4 5 5 0 m ，基础底板上标高一1 8 ，2 0 m ，底板厚为 2 5 0 m ，垫层厚o 1 0 m ，基础底板下标高为一2 0 9 0 m 。电梯井基础底板标高为一2 2 5 0 m ， 相当于绝对标高2 3 o o m 。支护方案为北坡、东坡、西坡桩锚联合支护，南坡为土钉 墙支护，基坑开挖深度为2 0 8 6 m ，有着比较高的研究价值，在国内超深超大基坑中 有着代表性意义。 由于本文选取的基坑实例东西坡支护结构相同，而南北坡支护结构不同，所以 i - 口海人学中请硕一卜学位论立 在建模过程中拟定己实际比例建立1 ，2 基坑模型，这也加大了建模难度，增加了立 体单元及节点，使得建模过程及后处理变得相应复杂。因此，优化建模过程及加快 后处理速度也成为论文写作过程中一个重要的研究对象。为今后的建模工作及计算 工作能够提供有效的方法及经验。 1 2 国内外研究现状 上世纪3 0 年代，国外已经有学者开始研究基坑问题，在以后的时间里，世界 各国的许多学者都投入了研究，并不断地在这一领域取得丰硕的成果。4 0 年代，对 开挖问题提出了预估挖方稳定程度和支撑荷载大小的总应力法，这一原理一直沿用 至今，只不过有了许多改进和完善。5 0 年代又有人给出分析深基坑地板隆起的方法。 6 0 年代在奥斯陆和墨西哥城粘土深基坑中使用了仪器进行监测。此后，大量实测资 料提高了预测的准确性，并从7 0 年代起制定了相应的指导开挖的法则。 近2 0 年来，我国各大中城市万幢高楼拔地而起。同时，这些已建和在建的高 楼超高大楼，其基坑深度已逐渐由6 m 、8 m 发展至1 0 m 、2 0 m 以上。伴随着这些工程 实施，深基坑工程的设计施工技术已取得了长足进步。城市中深基坑工程属临时性 工程，但其技术复杂性却远甚于永久性的基础结构或上部结构，在开挖旌工过程中 往往会引起支护结构内力和位移以及基坑内外土体变形发生种种意外。本课题在理 论与实际应用方面有着一定的意义，对以后在深基坑工程的设计、施工、监测一系 列技术中会起到一定的指导作用，对深基坑支护的优化设计有着深远的应用价值。 通过安全系数、灵敏度与参数关系分析，得到了一系列参数初值和各种迭代法实现 设计最优化所需要的设计导数，其结果对结构设计人员具有直接的参考价值，可以 从中发现哪些设计变量对目标函数的影响较大，哪些较小，从而可以在优化设计计 算过程中，根据这些信息进行人工干预，适当地减小设计变量的规模，使优化计算 更为有效和精确。 在阅读了大量外文文献的基础上，发现国外工程工作者在基坑的有限元计算方 面已经比较成熟，他们在实践中得出了大量实际、有效的计算方法及计算公式，我 们都可以引以借鉴。从国外研究中，我所获得的信息有以下一些内容。 h u a n g ，f u a n 分y u a n 和s h i ，g a o “a n g 在他们的文章中得出：在弹性地基中运 用变分原理已经有效地解决了壳单元在弹性地基中的压力问题。而且有效地验证了 在等厚土层中的各种： 程问题。1 。j m a c k e r l e 介绍了基于实验数据和现场测试数据 对塑性地基的参数识别方法，相反地基于三轴实验通过压力静电实验摘出特殊参 数。这种方法已经在垂直软土堤防的实际工程实例中得以验证。他指出有限元理论 已经可以有效地计算出边界参数0 1 。i t 址e w a l ( i 给出了具有分布式参数悬臂有效理 想频率设计方法，在他的文章中发展了一种有效的数字方法，在自然频率的约束下， 对具有分布参数的悬臂运用于弹性地基中，寻找最佳的屈服强度分配。这个具有分 布参数的弹性地基悬臂在有限元模型中给与建立，其中的分段线性功能很接近其屈 服强度分配。“。l a n d e r s e n ，s r k n i e l s e n 与ph 硒d ( e g a a r d 在他们的文献中详细介 绍了在迁移坐标中使具有无限梁基坑施加移动荷载的有限元模型，最初是用一个移 动的坐标系统来计算这个问题，这个坐标系统遵循使用伽利略坐标转换的荷载，随 后均匀放射的问题解析法被提出。当时没有一个数学解析法可以用来解决一些大型 复杂的基坑工程，因此提出了有限元的思路。有限元的边界条件使用于无限化的模 型边界便源于此思想。由于时问与空间变化之间的关系，在非线性的问题中视乎不 可能做出一些好的选择，然而基于有限元的思想却能得出很适当的结论“，。 a v m e n d o n c a 和j b p a i v a 介绍了在多孔毛细土壤地基施加垂直荷载，使用静态有 限元理论计算其稳定问题。在前人大量的文献中对于分析土板接触作用，大多的方 法是将其看成线性均质的平台，而在这两位学者的介绍中，所有的接触包括桩土与 土板接触都给与考虑，这些都是基于有限元理论的“1 。h e ，b o 与f l t e i x e j m 发展 了麦克斯韦平衡方程在最初和对偶空间中的几何有限元离散理论，他们认为有限元 理论最初用来对工程问题进行设计和分析，是基于简单的节点单元，这也造成了一 些问题，譬如假单元的出现。他们运用了另一种方法路线，将麦克斯韦方程施加于 不规则方格中给与普遍的离散化设置，根据电场强度和磁场强度建造了两个复合系 统，这样，一个双重的公式表达提出了一种新的有限元类型“1 。g u o ，a o m i n g 、 s 1 1 i l ，y i n g 与s h e ，y m 曲e 提出了非稳定潜水径流的自由边界问题在有限元中的应 用。他们指出：随着地下结构的日益发展，譬如坝基、高层建筑地基、地铁、隧道、 水井与油井的逐渐增多，在这些地下结构周围的水流渗出问题日益增多，因此作者 给出了变分公式化和他的有限元方法，建立2 维有限元边界模型，非稳定流的许多 问题得以解决”1 。c c s p y r a k o s 与c h a o j i n ，x u 提出了使用混合b e m 和f e m 计算 柔性条形地基在地震时土与结构之间的相互作用。强调了对地震时边界有限元单元 适用于处理这类土与结构之间的相互作用。b e m 解决了由于边界单元无穷性而造 成的种种问题，而f e m 更好地构造了柔性条形地基的模型。通过土体本身与地质 河海人学申请顺l 学位论立 分界面之间的相互兼容与平衡，b e m 与f e m 很好地耦合，从而得出处理这类士体 地基的方法”1 。d e m e s t b e r g a d o 、p h a m v l o n g 和b ，r s 曲i v a s a m u r t h y 在他们的文 章中基于有限元理论对柔性地基中的坝体稳定做出了研究。他们对各种情况下的堤 坝稳定做出了评估以及进行f e m 分析，他们认为堤坝高度可以降低下部土体的塑 性变形，在柔性土层中的坝体更容易溃塌，这些都是基于有限元理论而得出的“”。 p j e a n 和，m v i l l o t 在他们的文章中发展了一种新的有限元模型，运用于墙体 与地基的表面震动问题，在铁道震动附近的建筑物对震动时的稳定问题可以给予解 决“。k a n t o n y 和s j o s 印h 对非均匀介质中的分化带做出了交互分析，此分析运用 有限元理论进行建模，并在计算机分析过程中减少机器运算的误差“。s i i m u r a 运 用有限元理论进行分析管道沉降问题，通过放置感应器对地下管线变形的观察，得 出了计算管道受压的方法，对弹性地基中的管线进行有限元建模，将计算结果与实 测结果进行拟合，进行有限元分析，从而解决地下管线的一系列问题“”。w u c h i h i n g ，l i i lc h i l l h s i e n 和c l l i o uy a w - j e l l g 对地下工程在挖掘中无限渗流问题的 多区域边界元素分析给出了详细介绍，他们认为地基土层被看作多孔介质，他们决 定了不同区域的水压传导性。基于达西原理，他们采用了一种二维定态偏微分方程 来表示，而其具有瞬时自由表面条件。基于这个原理，在解决其潜在问题的同时， 他们发展了多区域边界元素分析法。土壤介质以及其他单一的区域可以用有限元软 件进行处理，而且只占据较小的内存“。r m d l a h ，g a 小证e t 和f m a s r o 埘几位学 者总结了堤岸的非线性分析在随机有限元中的应用。他们认为有限元理论的发展对 于地下工程的作用分析起着非常积极的作用。其中的难点大多出现在建筑材料在计 算机中的模拟，在许多实例中，这些参数往往被考虑成一个随机变量或随机区域， 因此随机有限元理论被作为对地下工程结构分析的一个评估分析。一个实例被用来 证明随机有限元理论对堤岸材料的分析评估，对其位移、应力、应变进行监测预报 n 町 1 2 1 土体本构模型的研究现状 自从1 9 6 3 年r o s c o e 提出著名的剑桥模型以来，提出的各种本构模型已多得 难以统计，但是，广泛地被应用于实际岩土工程计算的仍只有为数不多的几个。目 前常用于基坑开挖分析的本构模型有：线弹性模型、非线性弹性模型、弹塑性模型、 粘弹性模型及粘弹塑性模型。 b 坳s b y 等“”对砂土地层中的悬臂板桩进行了室内模型实验，据以研究了板桩和 绪论 土体在开挖过程中的受力变形特性，并研究了土与挡墙之间接触面光滑程度及砂土 性质等对挡墙侧移和坑周土体沉降的影响。 b o l f o n 等“”利用模型实验研究了基坑失稳前地下连续墙的性能、土与圈护结构 的相互作用以及土体位移、墙体位移和空隙水压力的分布规律。 陈永福、曹名葆和曾国熙分别对土体在卸荷和再加荷等过程中的性能进行了室 内土工实验研究。结果表明： ( 1 ) 软粘土的应力应变关系不但具有非线性特点，且受应力路径的影响： ( 2 ) 轴向加载时的抗剪强度大于轴向卸载时的抗剪强度，表明土有严重的各 向异性。 根据应力状态，可将基坑分为两个或四个应力路径区，各区分别用一种典型的 应力路径表示，土的应力应变关系可以按双曲线拟合，并且可按某些参数加以归一。 侯学渊、刘国彬根据对上海软粘土的几种卸荷应力路径实验结果，提出了初始卸荷 模量以及在卸荷状态下切线模量的计算公式。将这种非线性特性的卸荷模量用于分 层总和法，计算基坑开挖引起的隆起量，有较好的实用性，在几种工程实例中计算 与实测的结果较为接近。 孙钧、谢宁“”针对软粘土的流变问题进行了比较深入的理论分析和实验研究， 得到了较为丰富的成果，为软粘土流交问题的解决提供了一定的方法和建 义，也为 以后对此问题的进一步研究提供了基础和方向。 时蓓玲“”根据基坑位移监测资料，建立了土体的三元件粘弹性本构模型，并由 此对基坑围护结构的变形进行了分析和预测，所获结果与实测值较接近，其成果已 在工程中得到应用。 值得一提的是，岩土材料的稳定性和局部变形的分析、传统模型的修正、推广 和验证、应用神经网络建模、损伤模型、细观力学模型也受到了较多的关注。 1 2 2 基坑开挖变形与稳定性机理研究现状 基坑变形包括围护墙体变形、坑底隆起及坑周围地层移动。基坑开挖的过程是 基坑开挖面上卸荷的过程。由于卸荷而引起坑底土体产生以向上为主的位移，同时 也引起围护墙体在两侧压力差的作用下而产生水平向位移和因此而产生的墙外侧 土体的位移。可以认为，基坑开挖引起周围地层移动的主要原因是坑底的土体移动 和围护墙体的位移。 c l o u 曲与s c h m i d t ( 1 9 7 2 ) 根据板桩墙围护基坑的实测资料和有限元分析，研究 河海人学申请形 i j 学位论文 了地面最大沉降、墙体最大水平位移与基坑抗隆起安全系数之间的相互关系，并将 由基坑开挖释放荷载引起的墙体位移分为两类。第一类为墙体位移较小，在此情况 下，地面最大沉降出现在墙体背后一定距离处，此时墙一土之间的摩擦力没有完全 发挥。第二类为墙体位移较大，在此情况下，摩擦力完全发挥，最大沉降发生在墙 边。k a i s w o n 一”对地面沉降与基坑抗隆起安全系数之间的关系的研究也得出了 相似的结论。 侯学渊、刘国彬1 认为，当开挖深度不大时，坑底土体在卸荷后发生垂直的弹 性隆起，其特征是坑底中部隆起最高，而且坑底隆起在开挖停止后很快停止，这种 坑底隆起基本不会引起围护墙外侧土体向坑内移动。随着开挖深度增加，基坑内外 的土面高差不断增大，当开挖到一定深度，基坑内外土面高差所形成的加载和地面 各种超载的作用，就会使围护墙外侧土体产生向基坑内移动，使基坑底产生向上的 塑性隆起，其特点是两边大中问小，同时在基坑周围产生较大的塑性区，并引起地 面沉降。当塑性隆起发展到极限状态时，基坑外侧土体便向坑内产生破坏性的滑动， 使基坑失稳，基坑周围地层产生大量沉陷。 对于基坑变形量的计算，多年来出现了很多经验、半经验公式，其中最为著名 的是p e c k 。”( 1 9 6 3 ) 的经验曲线。它将基坑的稳定性与地面变形相结合较全面地反映 了土体的工程性质、场地条件、旅工工艺与质量对地面沉降的综合影响。同济大学 侯学渊教授在p e c k 和s c h m i d t 的基础上，借鉴三角形沉降公式的思路，依据墙体位移 和地面沉降两者的地层移动面积相关的原理，提出了确定地面沉降的地层损失法。 此法已在沿海软土地区逐步普及，加上适当的经验系数后，与量测结果较为一致。 1 2 3 挡土结构的内力分析和变形计算研究现状 挡土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而来 的，古典法、山肩邦南法及弹性法等一类计算方法的优点是力学模型简单，仅用静 力平衡方程就能求解其内力，但由于这类方法不能计及开挖时支撑轴力和挡墙内力 的变化，采用这些计算方法所得到的结果用于多道支撑的深基坑挡土结构分析时， 其内力和实际情况的误差较大，有的甚至达3 倍以上“，且不考虑支护结构的变形。 随着计算机的普及，有限单元法作为一种计算方法，具有灵活多样、限制少、易于 模拟等优点而在挡土结构分析中具有优势。在使用有限元对挡土结构分析时，可有 效地计入基坑开挖过程中的各种因素，例如作用在挡土结构上被动侧和主动侧的水 土压力的变化；支撑随开挖深度的增加：其架设数量的变化；支撑架设前的挡土结 构位移以及架设后支撑轴力也会随后次开挖过程而逐渐得到调整：支撑预加轴力对 挡土结构内力变化的影响；以及空间作用下挡土结构的空间效应问题等等。 目前挡土结构常用的有限元分析有两类，即现行规范推荐的“竖向平面弹性地 基梁法”和“连续介质有限元法”。前者又称之为“弹性地基杆系有限元法”。在 杆系有限元法分析中，把支撑、土体都作为弹性杆件，挡墙作为弹性梁单元。在开 挖的各个阶段，分别求得挡墙内力及水平位移和支撑杆的轴力，其中支撑杆处挡墙 的位移量大部分是在支撑杆安装之前先期发生的，因此与实际挡墙的变形极为接 近。 为了同时获得挡墙的内力、位移、支撑轴力、基坑周围土体及基底土体的位移， 连续介质有限元法也有不少的应用o “，计算中一般假定挡墙为弹性体，土体可假定 为线弹性体、非线性弹性体、弹塑性体、粘弹性体及粘弹塑性体等其它模型。挡墙 及土体一般采用八节点等参单元或二十节点曲六面体等参单元，支撑为一维弹性杆 单元。但由于计算参数难以准确确定及计算机容量和速度的限制，目前还没有得到 广泛的应用。 对于流变性软土中挡土结构内力和变形的计算已引起人们的重视。在我国沿海 城市的表土层，不少是软塑和流塑的粘性土，该种粘土具有明显的流变性。如在上 海地铁l 号线地铁车站地下连续墙支护的深基坑，开挖大部分是在淤泥质粘土及软 塑粘土中。在基坑开挖中，地下连续墙的变形在同一工况下会随着开挖后墙体暴露 时间的延长而增大，而地下连续墙的外荷载和内力也相应地发生变化，具有明显的 时空效应吲。因此，用上述弹性或弹塑性的计算方法，包括模拟开挖及支撑施工 过程中各工况的弹性及弹塑性计算方法，均不能取得与实际相符的计算结果。 高文华。6 1 以m 血d l i n 板理论为基础，将围护墙体作为一竖放在地基上的板，并考 虑地基的时效性、板土之间的接触摩擦以及分步开挖效应，建立了深基坑支护体系 受力与变形时空效应的有限元模型，获得了一种实用的支护体系受力与变形的三维 简化分析方法，可用来指导基坑设计、开挖和周围环境的维护。 在土工问题中最早提出反分析思想的是1 9 6 9 年太沙基的观察设计法，即动态设 计法。该方法提出用观测结果修改土性参数，以便进行最为精确的设计以修改原 设计。在国内，曾国熙等用正演法确定基坑开挖问题中的有关参数，文中采用单纯 形优化技术，并将土体本构模型取为非线性弹性。张鸿儒采用贝叶斯反分析法研究 基坑开挖问题，对土体采用g k 本构模型，得到了与现场观测值较为一致的结果。 海人学申请顺i ：学位论卫 杨林德等通过弹性地基梁法和优化反分析过程的有机结合，建立了可用于基坑围护 设计和安全性监测的分析理论和计算方法，包括依据现场位移量测信息确定水土压 力的分布及被动区地层抗力系数，以及运用由反分析计算确定的参数对基坑变形及 稳定性作出预报分析等。 值得注意的是，神经网络模型、遗传算法以及两者的结合在非线性位移反分析 和结构的优化问题中具有明显的优越性，可望成为一种有前景的方法。7 1 1 2 4 基坑方案优化设计 结构优化设计是相对于传统的结构设计而言。传统的结构优化设计是设计者根 据设计要求，按本人的实践经验，参考类似的工程设计，确定结构方案；然后进行 强度、稳定、刚度等各方面的计算。实际上这里的计算往往只是起一种校核及补充 细节的作用，仅仅证实了原方案的可行性。当然，设计者有条件时总是还要研究几 个可能的方案来进行比较，从而对结构布局、材料选择、结构尺寸等进行修改，以 便得到更为合理的方案。但是，往往由于时间的限制、计算工作量过大等因素使方 案比较这一环节受到很大的限制，有时甚至是不可能的。从结构优化设计的角度来 看，传统的结构设计的特点是所有参与计算的量必须以常量出现，用结构优化设计 的术语来所，这种设计是“可行的”而未必是“最优的”。当设计者经验不足或者 遇到的是新型结构时，这样的设计一般讲只能是“可行的”了。 结构优化设计是设计者根据设计要求，在全部可能的结构方案中，利用数学手 段，计算出若干个设计方案，按设计者预定的要求，从中选择出一个最好的方案。 因而优化设计所得的结果，不仅是“可行的”而且是“最优的”。“。“。这里所说 的“最优”是相对设计者预定的要求而言。 对于设计者评价设计“优”的标准，在优化设计中称为目标函数。结构设计的 量，以变量形式参与结构优化设计的称为设计变量。设计时应遵守的几何、强度及 刚度等条件称为约束条件”“。 结构优化设计中，选择设计变量，确定目标函数，列出约束条件，称为制定优 化设计的数学模型。有了优化设计的数学模型后，还要选择合适的优化方法，进行 结构优化设计，从而得到优化后的结构设计“”1 。 结构优化设计与传统的结构设计采用同一的基本理论，使用同样的计算方式， 遵守同样的设计规范、施工或构造规定，因而具有相同的安全度。从这些角度看， 他们是完全一样的。基坑工程是涉及诸如场地环境因素、施工技术因素、岩土性状 的力学因素在内的一项系统工程。因工程的特点决定了在基坑工程实施之前，难以 用较长的时间论证及进行物理模拟实验。“1 。况且设计理论尚不完善，往往是依靠经 验来设计，所以设计的方案很难达到最优，从而带来不必要的浪费。因此，完善支 护工程设计方法，进行基坑工程优化设计十分必要。利用优化设计可缩短设计周期， 提高设计质量，节约大量的投资。 1 3 论文主要内容及所做的工作 1 3 1 主要研究内容 在本论文中，本人、最想基于大型有限元分析软件a d i n a ，结合工程实例，动态 模拟基坑开挖过程，通过工程实例，对未支护和单纯土钉支护过程进行了有限元数 值模拟和变形分析，从而验证了土钉支护在工程实践中的应用及控制变形的显著成 效。根据工程实例分析基坑工程在施工及监测中遇到的种种问题，分析土压力、各 向位移的变化趋势，解决了基坑支护设计及监测的优化方案，对施工过程做出正确 判断，确定各项土体参数及安全系数，保证基坑在开挖过程中的稳定性，减少基坑 事故的发生。通过对基坑支护的优化殴计，计算出即安全又经济的支护设计方案， 为土钉支护设计提供重要的依据，对深基坑工程土钉支护漫计和施工具有一定指导 意义。其中结合工程实例进行基坑开挖的动态模拟以及模拟结果分析为论文核心部 分，关键技术部分是基于大型通用有限元软件a d i n a 进行建模，利用软件强大的后 处理功能模拟演示基坑开挖过程中土体位移变形情况，土压力变化情况，与实测数 据进行比较拟合，做出基坑设计是否合理的结论，并确定各项土体参数及安全系数， 对以后基坑工程有一定指导作用。 1 3 2 技术路线 ( 1 ) 根据桩锚联合支护深基坑的工程特性，确定基坑开挖有限元求解思路和 岩土体、钢筋混凝土的本构模型。 ( 2 ) 基于大型通用软件a d i n a ，结合工程实例，编制基坑开挖程序，实现基 坑工程开挖的动态模拟，模拟中可对深基坑开挖旆工的全过程( 包括开挖、架设支 撑或锚杆、施加支撑预加力) 中引起的基坑周围的地面沉降、支护结构的侧向位移 和内力、支撑体系的轴力进行计算，根据施工中的控制因素( 如支撑轴力、地面沉 降或支护结构侧向变形等) 从多种施工方案中选择最优的施工方案。实例表明，用 计算机模拟方法确定深基坑开挖的优化方案具有科学、迅速等优点。 洱人学申请顾一i 学位论文 ( 3 ) 通过对未支护和单纯土钉支护过程进行了有限元数值模拟和变形分析， 得出了土钉支护技术在控制边坡变形方面具有的显著优势，与实测结果相当吻合， 从而进一步验证了土钉支护在工程实践中的应用及控制变形的显著成效。 ( 4 ) 对超深超大基坑的设计方案提出优化设计，通过编译程序及模型的后处 理计算结果分析得出安全经济的基坑支护方案。 2 计算理论及非线忡分析万泣 2 计算理论及非线性分析方法 工程中的力学问题，从本质上讲都是非线性的，线性假设只是实际问题的一 种简化，在实际工程中虎克定律只在一定范围内适用，它总是有一个限度的。岩 土体和结构物的变形不仅随着荷载的大小而异，而且还与加载的应力路径有关， 一般情况下应力分布是不均匀的，有的地方应力大，很早就达到弹性极限产生塑 性变形，而在其他地方应力却还很低。在工程设计中如果按线性理论设计，则材 料的利用率就可能较低。事实上，在超过弹性极限后，大多数材料还是能够继续 承担应力的，只是相应得应变要大些，是材料内部的其它部分更多的参加到承担 外荷载中去，从而提高整个系统的承载能力。 2 1 弹塑性本构模型 弹性非线性模型是假定全部变形都是弹性的，用改变弹性常数的方法来反映 非线性：弹塑性模型则把总的变形分成弹性变形和塑性变形两部分，用虎克定律 计算弹性变形部分，用塑性理论来解塑性变形部分。对于塑性变形，要作三方面 的假定：破坏准则和屈服准则；硬化规律；流动法则。不同的弹塑性模型， 这三个假定的具体形式也不同。 2 1 1 常用材料破坏准则 ( 1 ) t h s c a 破坏准则 这一准则是假定最大剪应力达到某一数值时破坏，即 旦警：蔚 ( 2 一1 ) 如果主应力的大小不确定，可写成 降= 毋) ( 竿2 知 ( 竿2 灯) 宁= 缸) 浯。， ( 罕= 毋) ( 罕= 知 - 0 它在主应力空间内是以空间对角线( 即o i = 0 t = 西的线) 为中心轴的正六角柱面。 式( 2 2 ) 也可用应力不变量来表示，即 4 ，23 2 7 ，3 2 3 6 女r 2 以2 + 9 6 女r 4 ，2 6 4 女r 6 = o ( 2 3 ) 洲海人学申请坝i 。学位论文 式中，：为第二偏应力不变量，即 扣* 呜) 2 + ( 旷吒) 2 + h 1 ) 2 】 ( 2 _ 4 ) ，为第三偏应力不变量 = 寺( 2 叩盯：吗) ( 2 a ：1 1 x 2 c r 3 1 吗) ( 2 - 5 ) 这一准则包含了破坏与体积应力无关的假定，而岩土的强度明显地与体积应 力有关，为了反映体积应力对强度的影响，将常数r ，改为第一应力不变量。的某 种函数( ，i = 盯l + 盯2 + 盯，) ，称为广义t r e s c a 准则，它在主应力空间为一正六角 锥面，如图2 一l 所示。 图2 1 广义屈雷斯卡和米赛斯准则 ( 2 ) m i s e s 破坏准则 该准则是假定偏应力g 达到一定值时破坏，即 a = 击厄刁可i 再再可以 e ， 它在主应力空间为圆柱面。考虑体积应力的影响，将吒用，的函数代替，则成为 2 计算理论拉。1 | 线性分析方法 广义m i s e s 准则的一种形式。 式中，和n 是试验常数。 剑桥模型中破坏准则为 一p i i 七0 j l = k f g = 坳 邓肯等人将其推广到有凝聚力的情况，公式为 g = m 0 + n ) 上述两个模型也是广义m i s e s 准则。式中m 和n 为试验常数。 ( 3 ) m o c o u l o m b 破坏准则 对土体，m o h r c o u l o m b 强度理论受到广泛应用，其破坏准则为 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 堕：! 些s i n 妒+ c c o s 妒 ( 2 圳) 11 或 仃，= 盯，辔2 【4 5 6 + 詈j + 2 c 辔( 4 5 。l + 詈j 2 一1 1 ) 如果盯、盯：、盯；的大小不确定，则为6 个面，它们在主应力空间构成不等角的六 角锥面，如图2 2 ( a ) 所示。锥顶g 点在口。、盯：、盯，三个方向的坐标值都是一c c 留妒。 在粘聚力c 0 的情况下，锥面与吼d 面的交线为4 月e 、它与坐标轴0 _ 和d c 构 成正方形d a 疆。同样，锥面与其他两个坐标面的交线与坐标轴也构成正方形，它 们分别是0 h d 口和e c 。值得注意的是，d e f 和a 口c 不在同一个平面上。如果 用通过爿、口、c 的面( 显然它是一个口面) ，来切割六棱锥面，则交线为d 瑚f c 7 ， 它是一个等边不等角的六角形。对于主应力大小确定的情况，吼 c r 2 ， m o h r c o u l o m b 准则对所对应得破坏面仅仅是由酬d 所表示的平面。它与仃，轴平 行，在盯d 盯，面上的投影是式( 2 一1 1 ) 所确定的直线，如图2 2 ( b ) 所示的g 4 线。 用通过盯轴并平分厶盯，0 仃、的竖向平面来切割空间破坏面，在这个面的各种 几何关系见图2 2 ( c ) 。图中m 是万面与空间对角线的交点。从图中所示的几何 河海人学中清坝1 学位论文 关系可推得 故 删= 等c 辔( a s + 纠32 一等c 培( 4 5 + 詈 3一l 2 2 + 留( 4 s + 詈 留( 4 s + 詈 ( 2 一1 2 ) 可见肼 2 2 。时d n l c k e r _ p r a g e r 模型不能很好逼近m o n c o u l o n l b 模 型，此时应该采用后者模拟工程材料。 2 汁算理论及1 l ：线性分析方法 2 2 基坑开挖的非线性有限元基本原理 在深基坑开挖过程，随着开挖的进行，内部支撑结构不断增加，其施工过程是 一个动态过程，其位移、荷载等边界条件以及结构应力状态均在不断变化。”1 。为了 模拟不同的施工过程，必须建立排桩一支撑一土体的共同作用模型，将施工过程分 成若干有代表性的阶段，采用有限元数值模拟计算方法，实现动态施工过程的仿真 计算分析。”3 。 分级加载的问题，一般采用增量形式，与普通有限元方程一样，在每一级荷载 增量下，其有限元支配方程为 k 。【，= e ( 2 2 1 ) 式中k 、u 和f 分别为第j 级荷载增量下的整体劲度矩阵、结点位移增量列阵 及结点荷载增量列阵。任意单元内的应力增量可表示为 仃= d 叩b u 。= 鼢u 6 ( 2 2 2 ) 曰、j d 0 分别为单元的应变矩阵和弹塑性矩阵，s = d ，曰称为应力矩阵。 在深基坑开挖过程中，类似地采用增量形式的有限元，其有限元支配方程为： k 。+ 必。u 】= 蚯o = l ，m ) ( 2 2 3 ) 上式中m 为基坑开挖施工级数，巧一。为第i 级开挖工况的前一级开挖阶段结构 整体刚度矩阵，斌：为第i 级开挖工况下的结构整体刚度矩阵增量，用己反映结构 随施工动态的改变( 如开挖土体单元、内部支撑的施加等) 而对结构整体刚度的 产生的影响；e 为第f 级开挖工况下结点所承受的荷载列阵，包括土体开挖所产 生的开挖荷载，本阶段施工时降低基坑外地下水位造成坑内外水位差所带来的水 压荷载。u ：为第i 级开挖工况下结点所产生的位移增量列阵。 第f 级开挖工况下的位移全量为 f u i = u ( 2 2 4 ) - 1 第f 级开挖工况下的应力全量为 j 盯i = 盯o + 盯 ( 2 2 5 ) ，= l 式中c r n 为初始应力，可按自重应力场考虑。 ，t 海人学中消倾l 学位论义 2 3 有限元中开挖仿真的计算方法 2 3 1 开挖释放荷载的计算原理 开挖问题的模拟关键在于计算开挖释放荷载。”，在本质上蜕，即是将开挖面 上的应力完全解除，使其成为应力自由面。对有限元刚度法而言，由于其支配方 程的实质是离散各点的平衡方程，当挖去与点相连的一个单元时，f 点相当于受 到一个丌挖释放荷载只，只的计算不仅包含该开挖单元对f 点产生的结点力f 。；， 而且还应包含该单元对f 点产生的等效结点荷载j r 。，将p 反作用于f 点( 相当于挖 去该单元) 得到： 只= ，。一只。f ( 2 2 6 ) 如果挖去的是m 个单元，则可将上式改写为： p = 善f b 7 盯。d 矿一善 f 7 y + 7 芦棚 c z z ， 式中，盯。为开挖区域初始应力场，和五分别为引起初始应力场单元内部受 到的体力和己知应力面上的面力。 2 3 2 开挖释放荷载的具体算式 对于大多数岩土工程问题，初始应力场可按自重应力场考虑“1 ，于是( 2 2 7 ) 式可简化为j p ：兰b r 州矿一兰f r 矿 ( 2 _ 2 8 ) j =