（地质工程专业论文）安徽圣大国际商贸中心深基坑变形模拟分析.pdf

安徽圣大国际商贸中心深基坑变形模拟分析 摘要 本文选取安徽圣大国际商贸中心深基坑灌注桩支护和土钉墙支护的某一段 为研究对象，采用三维拉格朗日差分分析软件分别建立了灌注桩支护( 视为连 续墙) 和土钉墙支护的分步开挖模型，在考虑施工顺序、地下水等条件下分别 对其进行分步开挖变形模拟。通过对灌注桩支护部分的分步开挖模拟中得到， 随着预应力锚杆的旌加，基坑侧向变形和沉降得到显著控制。通过对土钉墙支 护部分的分步开挖模拟，得到土钉墙支护随着开挖深度的增加对基坑侧向变形 的控制能力而减小，对地表沉降量的变化无明显影晌；在基坑坡脚处产生较大 位移，在基坑设计及施工过程中应对坡脚处应予重视，以保证基坑的安全；从 测斜管模拟情况看，土钉墙支护基坑侧向位移的最大值出现在沿深度方向的中 间位鬣，两头位移量较小，这说明通常认为的土钉支护最大位移发生在坡顶是 有局限性的。通过对比分析，模拟结果在考虑一定误差的情况下与实测结果是 基本吻合的，说明模拟过程是符合客观实际的。 关键词：深基坑侧向位移地表沉降变形模拟 d e f o r m a t i o ns i m u l a t i o na n a l y s i so f a n - h u is h e n gd ai n t e r n a t i o n a l t r a d ec e n t e r sd e e pf o u n d a t i o np i t a b s t r a e t o n es e c t i o no fa n - h u is h e n gd ai n t e r n a t i o n a lt r a d ec e n t e r sd e e pf o u n d a t i o n p i tc a s t i n p l a c ec o n c r e t ep i l er e t a i n i n gs y s t e ma n ds o i ln a i lr e t a i n i n gs y s t e mh a v e b e e ni n v e s t i g a t e d s t e p - b y s t e pe x c a v a t i o nm o d e l so fc a s t - i n - p l a c ec o n c r e t ep i l e r e t a i n i n gs y s t e m ( c o n s i d e r e da sc o n t i n u o u sw a l l ) a n ds o i ln a i lr e t a i n i n gs y s t e ma r e s e p a r a t e l ye s t a b l i s h e db ym e a n so fl a g r a n g i a na n a l y s i s o fc o n t i n u u mi n3 d i m e n s i o n s ，s t e p - b y s t e pe x c a v a t i o nd e f o r m a t i o na r es e p a r a t e l ys i m u l a t e di ne o n s i d e ro fc o n s t r u c t i o ns e q u e n c ea n du n d e r g r o u n dw a t e re t c f o u n d a t i o np i tl a t e r a l d e f o r m a t i o na n ds e t t l e m e n ta r eo b v i o u s l yc o n t r o l l e dw i t hi n c r e a s eo fp r e s t r e s s a n c h o rb a s e do nc a s t - i n - p l a c ec o n c r e t ep i l er e t a i n i n gs y s t e ms t e p - b y - s t e p e x c a v a t i o ns i m u l a t i o n s o i ln a i lr e t a i n i n gs y s t e m sc o n t r o la b i l i t yt of o u n d a t i o np i t l a t e r a ld e f o r m a t i o nd e c r e a s e dw i t hi n c r e a s eo fe x c a v a t i o nd e p t h ，a n dg r o u n d s u r f a c es e t t l e m e n tn o to b v i o u s l ye f f e c t e da r eo b t a i n e dt h r o u g hs o i ln a i lr e t a i n i n g s y s t e ms t e p b y - s t e pe x c a v a t i o ns i m u l a t i o n s l o p et o e s h o u l db ea t t a c h e di m p o r t a h o et oi nf o u n d a t i o np i td e s i g na n dc o n s t r u c t i o nf o rs a f e t yo na c c o u n to fl a r g e r d i s p l a c e m e n te n g e n d e r e da tf o u n d a t i o np i tt o e t h em a xs o i ln a i lr e t a i n i n gs y s t e m f o u n d a t i o np i tl a t e r a ld e f o r m a t i o ne m e r g e da tt h ec e n t e rl o c a t i o nv e r t i c a l l y ， m i n - d i s p l a c e m e n te m e r g e da tt o pa n db o t t o ma r eo b t a i n e dt h r o u g hd e f l e c t i o n i n c l i n o m e t e rs i m u l a t i o n ，t h u st h et h e o r yo fm a x d i s p l a c e m e n te m e r g e da tt o pi s l i m i t e d a n a l o g yr e s u l t st h a tt a k ea c c o u n ti ns o m ee r r o rb a s i c a l l yc o i n c i d ew i t h r e a l i t ym e a s u r er e s u l t s ，t h a ts i m u l a t i o na c c o r d e dw i t hr e a l i t yi s i l l u s t r a t e d k e yw o r d s ：d e e pf o u n d a t i o np i t l a t e r a ld e f o r m a t i o n g r o u n ds u r f a c e s e t t l e m e n td e f o r m a t i o ns i m u l a t i o n 插图清单 图2 1 墙体水平变形 图2 2 基底的隆起变形 图2 3 地表的沉降曲线形式 图2 4 粘性土中基坑围护墙及地表变形的基本情况 图3 1 三维拉格朗日差分分析软件在物理环境中基本流程图 图4 1 安徽圣大国际商贸中心平面位置图 图5 1 灌注桩支护部分( 粗线) 平面示意图 图5 21 1 剖面示意图 图5 3 模型及模拟监测点( 与实测点对应) 坐标示意图 图5 4 块体模型b r i c k 图5 5 概化土层及灌注桩示意图 图5 6 开挖结束基坑侧向变形云图 图5 71 9 号监测点四步开挖过程基坑侧向位移变化曲线 图5 81 8 号监测点模拟与实测变形对比曲线 图5 91 9 号监测点模拟与实测变形对比曲线 图5 1 03 0 号监测点模拟与实测变形对比曲线 图5 1 19 5 号监测点模拟与实测沉降对比曲线 图5 1 29 6 号监测点模拟与实测沉降对比曲线 图5 1 39 7 号监测点模拟与实测沉降对比曲线 图6 1 土钉墙支护部分( 粗线) 平面示意图 图6 21 一l 、2 2 剖面示意图 图6 33 3 剖面示意图 图6 4 模型及模拟监测点( 与实测点对应) 及测斜管坐标示意图 图6 5 楔形模型w e d g e 图6 6 模型概化土层及止水桩示意图 图6 7 开挖结束基坑侧向变形云图 图6 82 号监测点模拟与实测变形对比曲线 图6 91 6 号监测点模拟与实测变形对比曲线 图6 1 03 0 号监测点模拟与实测变形对比曲线 图6 1 12 6 9 号监测点模拟与实测沉降对比曲线 图6 1 22 7 0 号髓测点模拟与实测沉降对比曲线 图6 132 7 1 号监测点模拟与实测沉降对比曲线 图6 1 4 开挖结束测斜管模拟与实测侧向变形对比曲线一“一m肌抛粥仍m凹”如如如孔弭弭”吼钒甜舵舵铊拈 | = 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 。一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一棚一一一一一 ， !|!|；|一| |；|；|一|；|； 表格清单 建模情况范围1 2 土层主要物理力学性质指标统计表1 8 概化土层及灌注桩支护参数表2 4 监测点侧向变形量( 累计) 统计表2 6 监测点沉降量( 累计) 统计表2 8 概化土层及止水桩参数表3 5 土钉性能参数表3 6 模拟区监测点侧向变形量( 累计) 统计表3 8 模拟区监测点沉降量( 累计) 统计表3 8 1 l l 2 3 l 2 3 4 3 4 5 5 5 6 6 6 6 表表表表表表表表表 独创性声明 本人声明所里交的学位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志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得盒鳇王些态堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志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谢意。 学位论文作者签字删签字日期： 。占年f 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥筵兰些太堂有关保留、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复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阗。本人授权盒筵王些左 ! l 可以将学位论文的全部或部分论文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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：动煳掳导师签名：三也杆 签字日期：口舌年j 月阳 签字日期：二b 年，月1 2 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 本人在三年的硕士研究生课程学习和本次学位论文的撰写过程中，自始至 终得到了我的导师王道轩副教授的悉心指导，无论是课程学习，还是论文选题、 收集资料、论文成稿，都倾注了王老师的心血，在此衷心感谢王老师在学业指 导及各方面所给予我的关心和支持! 从言传身教中学到的老师严谨的治学作风、 诲人不倦的教育情怀和对事业的忠诚，必将使我终身受益，并激励我勇往直前。 安徽岩土工程有限责任公司的符华章总工提供了研究课题需要的一些宝贵 资料，并对论文的思想提出了许多宝贵的意见，在此表示由衷的感谢! 同时，真诚感谢资环学院的全体老师，他们的教诲为本文的研究提供了理 论基础，并创造了许多必要条件和学习机会! 感谢0 3 级地质工程专业研究生同学在论文撰写过程中给予的帮助! 作者：班凤其 2 0 0 6 年5 月 第一章绪论 1 1 前言 随着城市建设的发展，土地资源变得稀缺与宝贵，高层建筑和市政工程大 量涌现，使基坑开挖的场地十分狭小、紧凑，有时基坑边缘距周边设施仅2 r n 左右；工程规模也随着地下空间的开发和利用，基坑越来越深，基坑平面尺寸 也越来越大。因此，对基坑变形的控制不但对于基坑本身的稳定有着十分重要 的意义，而且将直接对周边环境的安全起到关键作用。 课题选自安徽圣大国际商贸中心深基坑。基坑位于市区，周边分布有住宅 楼，道路等工程，地质环境较为复杂。因而基坑变形控制就显得尤为重要。对 其变形进行模拟研究有若重要的理论和实践意义。 1 2 国内外深基坑变形计算的研究现状 在基坑开挖性状的理论研究中，6 0 年代末引进了数值分析技术，由于能够 模拟土与结构的复杂力学性质，国内外许多专家、学者利用这一方法特别是有 限元方法做了大量工作，得出一些有益的、定性的结论，对全面理解基坑开挖 过程中土与结构的位移和应力分布，起到了很大作用。 p e e k i l ( 1 9 6 9 ) 总结了板桩和水泥土桩墙的地面沉降、墙体侧向位移和支 撑轴力的工程实测值，对软粘土的基坑开挖而言，地表沉降范围为3 4 倍开挖 深度，最大值位于墙体附近，大于o 0 2 h 。m a n a 和c l o u g h 2 j ( 1 9 8 1 ) 指出，利 用有限元分析，可以得出支撑刚度和墙体底部约束对墙体最大侧向位移的影响， 并且进一步通过分析计算结果和实测结果的关系，提出了估算墙体位移的简化 计算方法。d m p o t t s p l 等( 1 9 8 4 ) 针对传统的极限平衡理论进行挡墙设计时，不 能够考虑支护类型的缺点，而采用有限元法分析了两种支撑形式的受力和变形 特征。研究表明：采用极限平衡理论设计挡墙，尽管给出了一定的安全系数， 但并不能严格限制挡墙及土层位移在可接受的范围内。w o n g 和b r o m s 4 l ( 1 9 8 9 ) 研究了粘性土中柔性支护结构的墙体侧向变形，用有限元法( 2 d ) 分析了 有支撑或锚杆的板桩变形的影响因素，如：土体的不排水抗剪强度，基坑开挖 宽度和深度，板桩墙的刚度，桩墙入土深度，开挖面以下硬土层的厚度等影响 因素。陈永福( 1 9 8 3 ) 【5 l 、刘国彬( 1 9 9 6 1 等都曾先后用根据b i o t 固结理论对基坑 的开挖过程引入用有限元方法进行了数值模拟。f i n n o p 】( 1 9 9 1 ) 通过研究，阐 明了板桩的安装过程和其他施工因素在有限元计算地面沉降时的重要性。 h a s h a s h 和w h i t t l e t 8 1 ( 1 9 9 6 ) 采用二维非线性有限元法分析了一系列算例，主要 研究随着基坑开挖深度的增加，墙体侧向位移、地层沉降和墙体最大弯矩的变 化，并研究了墙体入土深度，支撑条件和土体应力历史对软粘土中基坑支护结 构变形的影响，为设计人员估算基坑地面沉降提供了很好的参考依据。q u c y 9 1 ( 1 9 9 6 ) 对某一基坑工程进行二维和三维有限元分析，计算结果表明；支护结 构变形表现出明显的空间效应，三维计算可以较好地预测各个断面上的变形， 在形状不规则的基坑拐角处，挡墙二维计算的最大位移是三维计算结果的近一 倍。俞建霖( 1 9 9 8 ) t 1 0 1 取土体为线弹性模型，采用空间有限元法与无限元相结合 的方法，对基坑工程进行了整体空间分析。a d d e n b r o k e 和d a b e e f l u ( 2 0 0 0 ) 采用 平面非线性有限元法，分析了3 0 多个硬粘土中的深基坑开挖算例，基坑分析中 假定土体不排水。在多支撑挡土墙设计中提出位移柔度系数的概念，用位移柔 度系数( = e h 5 ) 控制深基坑设计。 此外，文献【1 2 】 一【1 9 】同样运用有限元方法对基坑的各方面做了研究。 综合以上国内外基坑变形理论和方法的发展过程，主要经历了从较早的土 压力理论、板桩分析理论，到二维、三维有限元分析，到反分析方法，再到系 统论和控制论等新兴理论发展的过程。迄今为止，上述各种方法在实际工程中 均有应用。由于数值分析方法本身所具有的特殊优势，对于大型复杂的地下工 程，则以数值方法为主，但由于岩土介质的特殊性和复杂性，有些计算结果与 实际情况有很大出入的。 1 3 目前深基坑工程研究的主要方向 ( 1 ) 目前对非重力式支护结构的挡墙，常用的有限元分析有两类，即“竖 向平面弹性地基梁法”和“连续介质有限元法”。前者又称为“弹性地基杆系有限 元法”，即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，部分研究者应用连续介质有限元法进行不少的尝试。 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模型。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。 ( 2 ) 在建筑物密集地区设计支护结构时，多以变形控制为主，即体现保护 周围环境为前提。但目前地面变形计算方法的精度不高，有时甚至与实际情况 有较大的误差，有待于迸一步提高。 ( 3 ) 流变性软土地区的土具有蠕变特性，挡墙会随时间的延长而逐渐增大 变形，即所谓“时间效应”。因而，流变性软土中挡土结构内力和变形的计算己 引起人们的重视。同济大学地下建筑与工程系针对上海软塑灰色粘土、流塑淤 泥质粉质粘土及软塑粉质粘土进行了一系列蠕变实验研究后，提出了流变本构 模型及其参数的确定方法，导出了考虑土体流变性能的地下连续墙内力和变形 分析的计算方法粘弹性有限元计算法，后又进一步对土体三维非线性流变属性 及其在深大基坑开挖工程中的应用进行了研究。但由于土体的分层及各向非均 质性，特别是不同开挖施工程序和多次的不同卸荷方式和暴露时间所引起土体 2 流变参数的复杂性，目前虽然在某一项工程通过大量实验结果，取得了较为符 合实际的计算结果，但还难以在广泛应用的理论计算中准确地选取流变参数以 取得与实际相符的结果。尽管如此，现有的研究成果可以说明，对流变性地层 中的基坑问题的分析，应考虑地基的时效性。 ( 4 ) 对于结构性支撑体系，当基坑较大，支撑布置复杂时，湿度应力和收 缩应力不可忽视。目前在计算支撑体系时，多不进行这方面的理论计算，今后 值得重视。此外，如地区沉降值的控制，各种挖土方式对支护结构内力的影响， 承压水的处理等，对支护结构的设计与麓工皆有实际意义。 ( 5 ) 随着深基坑技术的发展，人们对基坑工程性状认识不断深入，依据现 场监测进行反分析数值技术得到了迅速发展，在基坑问题的分析中，合理地选用 土体的本构模型及较为精确的模型参数，具有重要的意义。通常，土体模型的 参数是由室内实验确定的，然而由于土样在取土、运输过程中的扰动、现场和 实验室两者边界条件的差异以及地基土分布的非均质性等，由室内实验测定的 参数常常与实际值存在较大的差异，使得由此而进行的理论计算与实测值偏差 较大，因此，基坑开挖反馈设计分析法应运而生了。它是指在实际基坑工程的 旌工过程中实施严密的跟踪监测，并依据监测数据进行信息反馈，随时调整施 工参数，因而具有重要的实际意义。所以，基坑变形的监测及其预报的研究已 经成为当前基坑支护的重要研究课题。 此外，灰色系统( g m ) 建模预测法【2 0 2 1 】和时序( a r ) 建模预测法【2 扪、神经网 络模型2 3 琊】、遗传算法【2 6 2 8 1 以及两者的结合在非线性位移反分析和结构的优 化问题【”弓o j 中具有明显的优越性，可望成为一种有前景的方法。 1 4 课题研究意义及主要研究成果 1 4 1 课题的研究意义 ( 1 ) 理论意义 由于目前深基坑有限元设计及数值模拟大多数都是从工程实际的角度出 发，将实际问题简化为二维问题来处理。而对于深基坑来说，支护结构与水土 之间的作用是非常复杂的，是一个的典型的三维问题。显然，将其作为二维问 题处理具有一定的局限性。 在研究深基坑开挖变形的过程中，采用三维拉格朗日差分分析方法，将支 护结构与一定范围内的土体( 长、宽、高) 作为个整体，并考虑基坑降水及 其实际开挖施工的顺序，能够更好地模拟和反映支护结构体空间受力特征和变 形、周围土体的位移、沉降及其相关关系。三维拉格朗日差分分析方法能很好 地解决以下几个方面的问题： 支护结构体周围的岩土体具有非均质性，各向异性，非线性的特征，而 且各种类型的支护结构体在基坑开挖过程中也表现出非常复杂的非线性特征。 支护结构体在深基坑开挖过程中是一个空间受力体系，土体的变形也是 三维的o 支护结构体与水的相互作用还受到施工顺序的影响，因此，在数值模 拟中，除了要考虑材料本身的非线性外，还必须考虑增量开挖引起的途径依赖 性和非线性。 ( 2 ) 实践意义 对安徽圣大国际商贸中心深基坑变形进行分析与研究，为基坑安全和支护 提供理论参考，为今后同类工程实践中类似的基坑的变形控制及预测提供经验。 1 4 2 本课题主要取得成果 通过对选取的灌注桩支护和土钉墙支护部分进行分步开挖变形模拟，得出 了基坑开挖过程中基坑侧向位移和地表沉降的具体变化过程以及由于开挖和支 护引起的基坑变形的新特性；完成了对两种不同支护结构的基坑变形( 基坑侧 向变形和地表沉降) 的三维模拟预测研究；通过与现场变形实测数据的对比分 析，在考虑一定误差情况下，模拟结果与实测变形数据基本吻合，说明模拟过 程是符合客观实际的，实现了基坑开挖的三维模拟预测，对基坑的支护设计与 开挖过程有重要指导意义。 4 第二章深基坑变形概述 2 1 基坑变形现象l j 2 1 1 墙体的变形 ( 1 ) 墙体水平变形 当基坑开挖较浅，还未设支撑时，不论对刚性墙体( 如水泥土搅拌桩墙， 旋喷桩桩墙等) 还是柔性墙体( 如钢板桩，地下连续墙等) ，均表现为墙顶位移 最大，向基坑方向水平位移，成三角形分布( 图2 1 一a ) ，随着基坑开挖深度的 增加，刚性墙体继续表现为向基坑内的三角形水平位移或平行刚体位移，而一 般柔性墙如果设支撑，则表现为墙顶位移不变或逐渐向基坑外移动，墙体腹部 向基坑内突出( 图2 1 一b ) 。 图2 1 墙体水平变形 ( 2 ) 墙体竖向变形 在实际工程中，墙体竖向变位量测往往被忽视，事实上由于基坑开挖土体 自重应力的释放，致使墙体有所上升。有工程报道，某围墙上升达1 0 c m 之多。 墙体的上升移动给基坑的稳定、地表沉降以及墙体自身的稳定性均带来极大的 危害。特别是对于饱和的极为软弱的地层中的基坑工程，更是如此。当围护墙 底下因清孔不净有沉渣时，围护墙在开挖中会下沉，地面也下沉。 2 1 2 基坑底部的隆起 在开挖深度不大时，坑底为弹性隆起，其特征为坑底中部隆起最高( 图2 2 一a ) ，当开挖达到一定深度且基坑较宽时，出现塑性隆起，隆起量逐渐由中部 最大转变为两边大，中间小的形式( 图2 2 - b ) ，但对于较窄的基坑或长条形 基坑隆起量仍是中间大，两边小。 2 1 3 地表沉降 根据工程实践经验，地表沉降的两种典型的曲线如图2 3 所示。图2 3 一f l , 主要发生在地层较软弱而且墙体的入土深度又不大时，墙底处显示较大的水平 位移，墙体旁边出现较大的地表沉降。 一一7 r ，、 ，77 、1 j 、， 、， 1葬孳矗起f j 一 i 7 、i 广7 1 lt uu 图2 2 基底的隆起变形 图2 。3 一b 主要发生在有较大的入土深度或墙底入土在刚性较大的地层内， 墙体的变位类同于梁的变位，此时地表沉降的最大值不在墙旁，而是位于离墙 一定距离的位置上。 、一一幽望，一， 露砑l ，7 # _ _ 目 图2 3 地表的沉降曲线形式 地表沉降的范围取决于地层的性质、基坑开挖深度日、墙体入土深度、下 卧软弱土层深度、基坑开挖深度以及开挖支撑施工方法等，沉降范围一般为 1 日4 h 。 2 2 基坑变形机理 6 绺心 蓁 谶 一 f 2 2 1 基坑周围地层移动的机理p i j 基坑开挖的过程是基坑开挖面上卸载的过程，由于卸荷而引起坑底土体产 生以向上为主的位移，同时也引起围护墙在两侧压力差的作用下而产生水平方 向位移和因此而产生的墙体外侧土体的位移。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隆起和围护墙的位移。 ( 1 ) 坑底土体隆起 基坑隆起是垂向卸荷而改变坑底土体原始应力状态的反应。在开挖深度不 大时，坑底土体在卸荷后发生垂向的弹性隆起。当围护墙底下为清孔良好的原 状土或注浆加固土体时，围护墙随土体回弹而抬高。坑底弹性隆起的特征是坑 底中部隆起最高，而且坑底隆起在开挖停止后很快停止。这种坑底隆起基本上 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，使基坑坑底产生向上的 塑性隆起，同时在基坑周围产生较大的塑性区，并引起地面沉降。 ( 2 ) 围护墙位移 围护墙墙体变形是从水平方向来改变基坑外围土体的原始应力状态，而 引起地层移动。基坑开始开挖后，围护墙便开始受力变形。在基坑内侧卸去原 有的土压力时，在墙外侧则受到主动土压力，而在坑底的墙内侧则受到全部或 部分的被动土压力。由于总是开挖在前，支撑在后，所以围护墙在开挖过程中， 安装每道支撑以前总是己发生一定的先期变形。挖到设计坑底标高时，墙体最 大位移发生在坑底面下1 2 m 处。围护墙的位移使墙体主动压力区和被动压力 区的土体发生位移。墙外侧主动压力区的土体向坑内水平位移，使背后土体水 平应力减少，以致剪力增大，出现塑性区；而在基坑开挖面以下的墙内侧被动 压力区的土体向坑内水平位移，使坑底土体加大水平向应力，以致坑底土体增 大剪应力而发生水平向挤压和向上隆起的位移，在坑底处形成局部塑性区。围 护墙水平位移与围护墙外侧地面沉降的比值，以及沉降大小与沉降范围的关系， 则可大体示于图2 4 。从图2 4 中可以看出：墙体位移量小时，墙侧地面最大沉 降量约为墙体位移的7 0 或更小，由于墙体位移小，墙外侧与土体间摩擦力可 以制约土体下沉，故靠近围护墙处沉降量很小，沉降范围小于2 倍开挖深度； 而当墙体位移量大时，地面最大沉降量就与墙体位移相等，此时墙外侧与土体 间摩擦力已丧失对于墙后土体下沉的制约能力，所以最大沉降量发生在紧靠围 护墙处，沉降范围大于4 倍开挖深度。 墙体变形不仅使墙外侧发生地层损失而引起地面沉降，而且会使墙外侧塑 性区扩大，从而增加了墙外土体向基坑内的位移和相应的坑内隆起。因此，同 样的地质和埋深条件下，深基坑周围地层变形范围及幅度，因墙体的变形不同 而有很大差别，墙体变形往往是引起周围地层移动的重要原因。 7 s v 。 ，厂_ _ _ = 下二：_ = 一l ， 一 ；j k 。_ 1 4 。 l 一一一一 屯。 占l 2s r b 图2 4 粘性土中基坑围护墙及地表变形的基本状况 a 墙体位移小b 墙体位移大 巧0 一墙体蹬人位移s 一地面最大沉降 2 2 2 影响周围地层移动的相关因素【3 1 】 在基坑地质条件、长度、宽度、深度均相同的条件下，许多因素会使周围 地层移动产生很大差别，因此可以采用相应的措施来减小周围地层的移动。影 响周围地层移动的主要相关因素有： ( 1 ) 支护结构系统的特征 墙体的刚度、支撑水平与垂直向的间距； 墙体厚度及插入深度： 支撑预应力的大小及施加的及时程度； 安装支撑的施工方法和质量。 ( 2 ) 基坑开挖的分段、土坡坡度及开挖程序： ( 3 ) 基坑内土体性能的改善； ( 4 ) 开挖施工周期和基坑暴露时间； ( 5 ) 水的影响； ( 6 ) 地面超载和振动荷载； ( 7 ) 围护墙接缝的漏水及水土流失、涌砂。 第三章三维拉格朗日差分分析概述 3 1 概述 三维拉格朗日差分分析软件是面向土木工程、交通、水利、石油及采矿工 程和环境工程的通用软件系统，在国际土木工程( 尤其岩土工程) 学术界、工 业界具有广泛影响和良好的声誉。三维拉格朗日差分分析软件可实现对岩石、 土和支护结构等建立高级三维模型，进行复杂的岩土工程数值分析和设计等。 3 2 三维拉格朗日差分分析原理【3 2 。3 4 】 3 2 1 三维拉格朗日差分分析软件在求解过程中使用的基本方法 三维拉格朗日差分分析软件在求解过程中用了以下三种方法： 离散模型法。连续介质被离散为若干互相连接的四节点单元，作用力均 被集中在节点上。 有限差分法。变量关于空间和时间的一阶导数均采用有限差分来近似。 动态松弛法。应用质点运动方程求解，通过阻尼使系统衰减至平衡状态。 3 2 2 空间导数的有限差分近似 三维拉格朗日差分分析软件采用了混合离散法，区域被划分为常应变六面 体单元的集合体，程序内部又将每个六面体分为以六面体的角点为角点的常应 变四面体的集合体，变量均在四面体上计算，六面体单元的应力、应变取值为 其内四面体的体积加权平均。 任意一个四面体，设其节点编号为l 4 ，面r l 表示与节点n 相对的面，其内 任意一点的速率分量为v i ，则可由高斯公式得： j 巧j d y 2j 蟛吩嘏 ( 3 一1 ) n 舯：= 芳 q 一四面体的表面所围成的空间闭区域： 一四面体的外表面： 玎，一外表面的单元法向向量分量，f ，= 1 3 对于常应变单元， k 为线性分布， n j 在每个面上为常量，由式( 3 1 ) 可得： v , j = - 上3 v t - , 巧。r l j ( i ) s 。 ( 3 2 ) 式中：上标，表示节点的，变量，上标( ，) 表示面的，变量。 3 2 3 运动方程 三维拉格朗日差分分析软件以节点为计算对象，将力和质量均集中在节点 上，然后通过运动方程在时域内进行求解。节点运动方程可表示为如下形式： 巫：一f c t ) ( 3 3 ) d t m 式中：f f ( r ) 一r 时步时节点，在i 方向的不平衡力分量，可由虚功原理导出。 每个四面体对其节点产生的不平衡力的计算公式如下： p j = ；气删。+ 丢地 ( 3 - 4 ) 式中：a 。一四面体上对称的应力张量； p 一材料密度； 以一单位质量体积力； v 一四面体的体积。 任意一个节点的节点不平衡力为包含该节点的每个四面体对其产生的不平 衡力之和。m 为节点，的集中质量，在分析动态问题时，采用实际的集中质量； 而在分析静态问题时，则采用虚拟质量以保证其数值稳定，对于每个四面体， 其节点的虚拟质量为： m t = 嘉一肼t ) s ( o 弘- 1 ，3 ( 3 吲 式中：q = k + 4 3 g ，k 为体积模量，g 为剪切模量。式( 3 5 ) 成立的前 提是计算时步“= 1 。 将式( 3 3 ) 左端用中心差分来近似，则： 嗷r + 争= 一。一争+ 字“ ( ，吲 3 2 4 应变与应力 三维拉格朗日差分分析软件可以由速率求得某一时步单元的应变增量，其 公式如下： a 旬= 去( k 。，+ 巧o “ ( 3 7 ) 式中：导数巧，和巧，可由式( 3 2 ) 近似。 假设材料的本构关系可以用函数日来表示， 6 = h ( 勺，“) + l o 则应力增量可表示为： ( 3 8 ) 式中：a 西一在大变形情况下根据时步单元的转角对本时步前的应力进行 的旋转修正： 瞄= ( 一) “ ( 3 9 ) 1 其中： = 寺( k ，一巧，) 由各时步的应力增量进一步叠加即可得总应力，然后就可由虚功原理求出 下一时步的节点不平衡力，进入下一时步的计算。 3 2 5 阻尼力 对于静态问题，三维拉格朗日差分分析软件在式( 3 3 ) 的不平衡力中加 入非粘性阻尼，以使系统的振动衰减至平衡状态( 即不平衡力接近零) 。此时式 ( 3 3 ) 变为： 型：型盟盟( 3 - - 1 0 ) d t m 阻尼力z ) 为： ( f ) = 一口i e ( t ) l s i g n ( v 。) ( 3 1 1 ) 式中：口一阻尼系数，其默认值为o 8 ；而 + 1( y o ) s i g n ( y ) = 一1 ( y 0 ) ( 3 1 2 ) 10 ( y = o ) 3 3 三维拉格朗日差分分析软件优越的程序算法【3 5 3 6 1 3 3 1 “混合离散法”的应用 拉格朗日法适用于连续介质的非线性大变形分析，而离散元法适用于不连 续介质问题的分析。三维拉格朗日差分分析软件采用了它们相结合的“混合离散 法”，实现了优化互补。它在力学上比常规有限元法中通常采用的“离散集成法” 更为合理。它可以像有限元那样求解多种介质材料模式与边界条件的非规则区 域的连续问题，并且其计算结果与有限元法的计算结果( 对于常应变四面体) 相同， 还可以对连续介质进行非线性大变形分析。 3 3 2 动态方程的应用 无论是动态问题还是静态问题，三维拉格朗日差分分析软件均由运动方程 用显式法进行求解。对显式法来说非线性本构关系和线性本构关系并无算法上 的区别。在求解线性问题时，三维拉格朗日差分分析软件比有限元程序运行得 要慢，但当模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生破坏和塑性流动的 力学行为，特别是分析渐进破坏或失稳以及模拟大变形问题时，三维拉格朗日 差分分析软件最有效。这是一般有限元方法所不能解决的。 3 4 三维拉格朗日差分分析软件求解问题的一般方法【3 6 】 岩土工程的建模过程需要进行特别的考虑，采用与构件材料设计不同的设 计思路。在岩石和土体进行开挖和结构分析设计研究时，得到现场岩土体的全 部数据是不可能的。 由于分析中要输入的原始数据有限，岩土力学数值分析模拟基本上是用来 研究影响系统力学行为的主要机理。在理解系统的主要力学行为以后，可以针 对设计过程先进行简化计算。这种方法是针对缺乏数据的岩土工程的。如果有 足够的数据，并且完全知道材料力学行为，也可以直接应用三维拉格朗日差分 分析软件进行设计。只要提供给合适的数据，三维拉格朗日差分分析软件得出 的结果是相当精确的。建模时应考虑建模对象的情况采用不同的建模方法，表 2 1 给出常见的情况。 三维拉格朗日差分分析软件既可以用于完全预测模式( 表3 1 右所示) ，也 可以作为数值实验方法验证假设( 表3 1 左所示) 。决定三维拉格朗日差分分析 软件使用模式的是问题的实际情况而不是程序本身。如果提供足够多的准确的 数据，三维拉格朗日差分分析软件可以给出相当好的预测结果。 表3 1建模情况范围 三维拉格朗日差分分析软件解决问题的步骤如下所述： 第一，定数值分析的目标 数值分析的目标决定了建模的详细程度。例如，当分析的目标是想确定两 种对立的机理中哪一种更适用于系统时，只需要建立一个粗糙的模型就可以得 出结果。若为了详细的模拟某个过程，所建模型就要是复杂的。但当某个因素 对所建立的模型影响很小或与分析的目标步不相关时，就可以不予考虑。所以， 建模时要从全局的观点整体考虑，以求建立合理的模型。 第二，建立描述实际问题的概念模型 定性分析实际问题的所在条件的行为时，建立实际问题的概念模型对期望 1 2 行为的初始评估是很重要的。在准备概化图时应先考虑到以下几个方面的问题： 预测系统是否稳定? 主要的力学响应时线性的还是非线性的? 在问题范围内， 相对物体的尺寸来说可能发生的运动时大位移，还是小位移? 目标行为是连续 的，还是本质上可以把材料看作是连续的? 是否受地下水影响? 系统的物理边 界是有限的，还是可以理解为无限的? 系统中的物理结构是否具有几何对称 性? 这些考虑表明该数值模型总的特征，例如模型的几何设计、材料的类型、 边界条件、初始平衡状态，同时根据物理系统的几何条件还能确定是采用三维 模型还是采用二维模型。 第三，建立并运行简单的理想化模型 对物理系统进行理想化以数值分析时，应在建立详细的模型前，首先建立 并运行简单的实验模型，这是十分有效的。简单的模型应建立在方案最早可能 的阶段建立，并产生数据和对方案有进一步的了解。这个结果还进一步洞悉系 统的概念图。在简单模型运行之后第二步可能需要重复来做。简单模型能揭示 缺点和不足，而在重大努力被付诸实施前对这些缺点和不足可能采取补救措施。 例如，选择的本构模型是否能充分反映出期望的力学行为? 边界情况是否对模 型有影响? 简单模型的结果可以对采集的数据进行鉴别，确定哪些参数对分析 的影响最大。 第四，汇集求解问题的详细数据 模型分析需要的数据类型： 详细的几何特征( 地下洞室的轮廓、地形的表面形状、大坝断面轮廓、岩 土加固结构) ： 地质构造( 如断层、结构面、节理) 的位置； 本构行为( 弹、塑性质，破坏准则) ； 初始条件( 原始应力、孔隙应力、饱和度) ； 外部荷载( 开挖荷载、受压孔洞) 。 特别地，因为特殊的情况下有很多不确定的因素( 特别是应力状态、变形 和强度性质) ，所以应调查研究并选择合适的参数范围。简单模型运算的结果( 在 第三步中) 在决定这个参数范围时，是非常有帮助的，同时它还可以收集实验 室设计和现场实验所需要的数据。 第五，准备运行不同的具体模型 很多情况下，一个数值分析常需要进行一系列的计算机模拟，以研究不同 的机理。当准备系列计算模型运行时，应当考虑以下几个方面： ( i ) 需要多长时间去执行每个计算模型。如果模型的运行时间过长，就很 难获得达到计算所需要的有用的足够的资料，应当考虑用多台计算机来执行参 数变化，这样可以缩短总计算时间。 ( 2 ) 模型应该在每种中间状态对过程进行保存( s a v e 命令) ，这样当每个 参数变化时所有的运行不必重复。例如，如果分析包括多次加载和卸载状态， 用户能回到其中的任何状态，并当改变一个变量能从上一个状态继续分析，并 考虑存档所需的磁盘空间容量。 ( 3 ) 模型中设置足够数量的监控点来记录参数的改变( 如位移、速率和应 力等) ，以便清晰的解释模型的结果，并与物理数据进行比较，计算过程中监控 是很有用的。另外，应该时常监控模型中的最大不平衡力，用来检查分析其中 每个阶段的平衡或破坏状态。 第六，进行模型的运算 在进行一系列完整的运行前，首先最好将一两个模型运行并分成几个独立 的部分，这些运行应该在每个阶段进行检查，确保能得到预期的响应，一旦能 保证模型正确的运行，将几个数据文件连接在一起并按计算顺序进行完整的运 行。在运行中任何时候应该随时中断计算并观察结果，然后根据情况继续计算 或修正模型。 第七，分析运行结果 问题解决的最后一步是提出概念清晰的分析结果。完成结果最好以图的形 式得出，直接呈现在电脑屏幕上，或输出图纸。绘成的图，应该以一定的格式 输出，这种格式应该可以直接和现场监测及观测做比较。绘制的图，应该能从 分析中清楚地确认区域的特征。如：计算域的应力集中，模型中某些区域的稳 定移动和不稳定变形。另外，模型中各种不同的数值应该很容易地解释更多细 节。 3 5 三维拉格朗日差分分析软件在物理环境中的一般过程【3 6 为了建立一个模型并用三维拉格朗日差分分析软件进行模拟，有三个基本 方面必须明确： ( 1 ) 有限差分网格； ( 2 ) 本构行为和材料性质； ( 3 ) 边界和初始条件。 网格是用来定义问题的形状；本构行为和相关的材料性质是显示模型对扰 动( 如开挖) 所做出的力学响应；边界和初始条件就是定义初始状态( 即在发 生变化或者扰动之前，问题所处的状态) 。 在上述定义后，就可以计算出模型的初始状态。然后进行开挖或改变其他 模拟条件，再进行计算模型的响应结果。三维拉格朗日差分分析软件采用显式 有限差分程序，用直接的时间步方法解决代数问题，经过一系列的计算步骤解 出答案。 三维拉格朗日差分分析软件在物理环境中发生的基本流程如图3 1 所示。 1 4 甲 撇猁试培 是 图3 1 三维拉格朗日差分分析软件在物理环境中基本流程图 1 5 第四章圣大商贸中心深基坑工程地质条件及支护设计标准 4