（工程力学专业论文）黄土地区深、大基坑的时空效应研究.pdf

黄土地区深、大基坑的时空效应研究 学n - ：工程力学 研究生签字：害珲 艚狮签字：嗥 摘要 随着城市建设的发展，丌发三维城市空间便成为了必然，目前各类用途的地下空间已 经在世界的各大城市得到了开发和利用，高层建筑的多层地下室、地下铁道及地下车站、 地下停车站、地下停车库等多种地下设施，大型工业建筑及厂房也对其地下结构提出了新 的要求。这些建筑都会面临深、大基坑工程问题。目f j 的深基坑工程仍处于边实践边摸索 阶段，尚缺乏成熟技术规范的指导，主要是用半理论半经验的方法解决问题，导致深基坑 事故时有发生。通过大量的黄土基坑实践，人们已经认识到：在深基坑施工过程中，每个 开挖步骤的开挖空间几何尺寸、围护墙无支撑暴露面积和时间等施工参数对基坑变形具有 明显的相关性。而这恰恰就是基坑的时间、空间效应问题。对它的研究有利于深基坑整体 稳定和坑周地层位移控制问题。本文针对此情况，在理论研究的基础上，选取某基坑作为 分析对象，通过模拟基坑的丌挖及支护，了解基坑时空效应在黄土地区的影响。 全文得出以下主要成果： 1 、系统分析了深基坑工程时空效应的影响因素和规律。 2 、论述了p l a x i s 有限元程序中所选用的莫尔一库仑屈服条件函数的使用范围，以 及所涉及的杨氏模量、泊松比、内摩擦角等五个基本参数的使用条件和取值原则。 3 、利用p l a x i s 有限元程序对某基坑工程分步开挖进行了模拟计算，验证了本文所 研究内容的存在性和实用性。 关键词：深基坑；分步开挖；时空效应；数值模拟 t h er e s e a r c ho ft h ee f f e c to ft i m ea n ds p a c ea b o u t d e e pa n d l a r g ef o u n d a t i o np i ti nl o e s sr e g i o n d i s c i p l i n e ：e n g i n e e r i n gm e c h a n i c s s t u d e n ts i g n a t u r e ： s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ： 3 ” h 2 枞 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fu r b a nc o n s t r u c t i o n ，t h ed e v e l o p i n go ft h et h r e e - d i m e n s i o n a l u r b a ns p a c eh a sb e c o m ean e c e s s a r ya n dt h ec u r r e n tu s eo fa l lt y p e so fu n d e r g r o u n ds p a c ei nt h e w o r l dh a sb e e nd e v e l o p e da n du t i l i z e di nt h em a j o rc i t i e s i th a sb e e np u tf o r w a r di t sn e w s t r u c t u r a ld e m a n do fh i g h r i s eb u i l d i n gi nm u l t i s t o r e yt h eb a s e m e n t ，s u b w a ys t a t i o n s ， u n d e r g r o u n dp a r k i n gs t a t i o n ，o t h e ru n d e r g r o u n df a c i l i t i e sa n dl a r g ei n d u s t r i a lp l a n t s t h e s e c o n s t r u c t i o nw i l lb ef a c e dw i t ht h ep r o b l e mo fd e e pa n dl a r g ef o u n d a t i o np i t 7 sp r o b l e m a t p r e s e n t ，t h ed e e pf o u n d a t i o np i te n g i n e e r i n gi ss t i l li nt h ee x p l o r a t o r ys t a g e ，a n dt h e r ei sa l s on o m a t u r et e c h n i c a lg u i d a n c e i tm a i n l ys o l u t e st ot h ep r o b l e mt h r o u g hi n c o m p l e t e dt h e o r ya n d e x p e r i e n c e ，l e a d i n gt od e e pf o u n d a t i o np i ta c c i d e n t so c c u r i n gf r o mt i m et ot i m e t h r o u g ht h e p r a c t i c eo fl o e s sf o u n d a t i o np i t ，i th a sb e e nr e c o g n i z e dt h a td u r i n gt h ed e e pf o u n d a t i o np i t c o n s t r u c t i o np r o c e s s ，e v e r ys t e po ft h ee x c a v a t i o nd i g g i n gg e o m e t r yo fs p a c e ，e x p o s u r et i m e a n da r e ao ft h ep a r a p e tw a l l sw i t h o u tt h es u p p o r t ，a n do t h e rp a r a m e t e r so nd e f o r m a t i o nh a v e o b v i o u sr e l e v a n c e t h i si sp r e c i s e l yt h ep r o b l e mo ft i m ea n ds p a c ee f f e c t s i ti sc o n d u c i v et ot h e s t u d yt h es t a b i l i t yo fd e e pf o u n d a t i o np i ta n dt h ec o n t r o lo fs t r a t i g r a p h i cd i s p l a c e m e n t c o n c l u s i o nh a v i n gb e e ng o ti nt h i st h e s i sa r eb e l o w ： 1 ，h a v eb e e na n a l y z e df a c t o r sa n dp a t t e r n so ft h ee f f e c to ft i m ea n ds p a c ei nt h ed e e p f o u n d a t i o np i te n g i n e e r i n g 2 ，t h a tt h eu s e dr a n g eo ft h es e l e c t e dm o h r - c o u l o m by i e l df u n c t i o ni nt h ep l a x i st h e f i n i t ee l e m e n tp r o g r a m ，a sw e l la si n v o l v e di nt h ep o i s s o n sr a t i o ，i n t e r n a lf r i c t i o na n g l eo ft h e f i v eb a s i cp a r a m e t e r s ，s u c ha st h eu s e dc o n d i t i o n sa n dt h ev a l u e dp r i n c i p l eh a sb e e nd i s c u s s e d 3 , t h ee x i s t e n c ea n du t i l i t yo fs t u d y i n gi th a sb e e nv e r i f i e di nt h et h e s i s ，t h ep l a x i sf i n i t e e l e m e n tp r o g r a mf o rt h ef o u n d a t i o np i te x c a v a t i o nc a r r i e do u ts t e p b y s t e ps i m u l a t i o n k e yw o r d s ：d e e pf o u n d a t i o np i t ；s t e p - b y s t e pe x c a v a t i o n ；e f f e c to ft i m ea n ds p a c e ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 主要符号表 粘聚力 内摩擦角 杨氏模量 剪胀角 泊松比 土样的容重 基坑开挖周围土体的变形 支护结构的横向变形 湿陷系数 自重湿陷系数 空间效应影响系数 c 缈e y y 厂b r 菇k 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成 果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。大学有权保留送交的 学位论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 学位论文储答名：告军 艚刻磁各气啄 嗍：。p n 6 7 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明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，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含本人已申请学位或他人 已申请学位或其他用途使用过的成果。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了致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位敝作者答名：砖军 指黝师獬：叮，吞 日期： p 7 岁i1 、 1 绪论 1 1 基坑工程的发展现状 1 绪论 1 1 1 发展现状 基坑工程是一个古老而又具有时代特点的岩土工程课题。放坡开挖和简易木桩围护可 以追溯到远古时代。事实上，人类土木工程的频繁活动促进了基坑工程的发展。特别是在 2 0 世纪，随着大量高层、超高层建筑以及地下工程的不断涌现，对基坑工程的要求越来 越高，随之出现的问题也越来越多，迫使工程技术人员必须从新的角度去审视基坑工程这 一古老课题，导致许多新的经验、理论或研究方法【i 】。 在2 0 世纪3 0 年代，t e r z a g h i 等人已开始研究基坑工程中的岩土工程问题。在以后的 时间罩，世界各国的许多学者都投入研究，并不断地在这一领域取得丰硕的成果。基坑工 程在我国进行广泛的研究是始于8 0 年代初，那时我国的改革开放方兴未艾，基本建设如 火如茶，高层建筑不断涌现，相应地基础埋深不断增加，基坑开挖深度也就不断发展，特 别是到了9 0 年代，我国城市化进入了一个新的发展时期，我围的城市数量、规模以及城 市人口都有了巨大的增长，同时作为城市化的产物之一的高层建筑不仅在数量上越来越 多，而且在高度上越来越高。相应的，基坑开挖的深度也越来越大，深基坑向着大深度、 大面积方向发展已成为必然趋势。这就给这一古老课题提出了新的内容和挑战，那就是如 何控制深基坑开挖的环境效应问题，从而进一步促进了深基坑开挖技术的研究与发展，产 生了许多先进的设计、计算方法，众多新的施工工艺也不断付诸实施，出现了许多技术先 进的成功工程实例。然而不容回避的事实是，由于基坑工程的复杂性以及设计、施工的不 当，基坑工程发生事故的概率仍然很高。 任何一个工程方面的课题的发展都是理论与实践密切结合并不断相互促进的成果。 基坑工程的发展往往是一种新的支护型式的出现带动新的分析方法的产生，并遵循实践、 认识、再实践、再认识的规律，而走向成熟。早期的丌挖通常采用放坡的形式，后来随着 丌挖深度的增加，放坡面空i 日j 受到限制，产生了支护丌挖。迄今为止，支护型式已经发展 至数十种。支护结构最早用木桩，现在常用钢筋混凝土桩、地下连续墙、钢板桩以及通过 加固改良基坑周围土体的方法形成水泥土挡墙、土钉墙等。钢筋混凝土桩设置方法有钻孔 灌注桩、人工挖孔桩、沉管灌注桩和预制桩等。 深基坑工程是岩土工程、结构工程、施工技术相交叉的学科，是多种复杂因素交互 影响的系统工程。它涉及到土与支护结构的强度、变形、稳定性及相互作用问题，又由于 深基坑的复杂受力特征，土木工程性质的复杂性和不确定性，以及人们在进行土力学计算 模型的假定与实际情况的差距等等，使得深基坑支护工程的研究愈来愈受到人们的重视。 两安t 业人学硕+ 学位论文 对这个问题的研究绝不是孤立的，它是随着土力学理论、数值分析计算、测试手段及施工 技术的进步而逐步深入的。目前，在深基坑开挖的工程实践中还存在许多问题需要解决： 在理论上还有待于进一步提高；模型实验、工程测试还有待于进一步发展；施工工艺还有待 于进一步改进i 引。 1 1 2 深基坑支护工程的特点 基坑是建筑工程的一部分，其发展与建筑业的发展密切相关，而深基坑是充分利用 土地资源的方式之一。由于我国地少人多，人均占有土地还不及全世界人均占有土地的 1 1 0 ，为节约土地，向空间要住房，向旧房要面积，许多高层建筑拔地而起。据不完全统 计，1 9 8 卜1 9 8 9 年l o 年间，我国新建高层建筑1 0 0 0 余幢，1 9 9 0 年一1 9 9 9 年1 0 年间， 全国新建的高层建筑超过9 0 0 0 幢。适当发展多层和高层，向空中和地下发展是解决我国 土地资源紧张的一条重要出路。 随着城镇建设中高层及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，使得放坡开挖基坑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9 0 年代以来，基坑丌挖与支护问题已经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，同时所暴露的问题也很多。总体来看，目前我国基坑开挖与 支护状况具有以下特点： 1 基坑越挖越深 为了使用方便，或因为土地资源短缺，或为了符合建管规定及人防需要，建筑投资 者不得不向地下空间发展。过去，即使在大城市建l 一2 层地下室，也不普遍，中等城市 更为少见。现在，在大城市、沿海城市，尤其是特区，地下3 叫层已很寻常，5 6 层也 有。因此。基坑深度多大于1 0 m 。 2 工程地质条件越来越差 城市建设不像水电站、核电站等重要设施那样，可以在广阔地域中选择优越的建设 场地，只能根据城市规划需要，随遇而安。因此，地质条件往往较差。这一点在某些沿海 经济开发区较为突出。有些开发区位于填海、填湖、淤河、泥塘或沼泽地，工程地质条件 十分复杂。 3 基坑围护方法多 诸如人工挖孔桩、预制桩、深层搅拌桩、地下连续墙、钢支撑、木支撑、砂袋堆撑、 拉锚、抗滑桩、注浆、喷锚网支护法，各种桩、板、墙、管、撑同锚杆联合支护法，以及 土钉墙法等等，应有尽有，各显神通。 4 基坑工程事故多 此问题目前在建筑界显得异常突出，以致很难举出哪个地区、哪个大城市或特区已建基坑 工程近年来不出毛病的例子。地质条件较好的地区( 如北京) 出毛病，地质条件差的地区 ( 如上海、海口、惠州等) 更出毛病；坑浅的出毛病；坑深的更出毛病。有的地区基坑工 2 1 绪论 程成功率大体仅为1 1 3 ，另有2 1 3 是出了工程事故的，或多少有毛病的。其结果是，给国 家造成巨大经济损失，影响居民安定生活，造成市政交通堵塞，危及四邻安全，投诉四起， 新闻跟踪，打不完的官司，扯不完的皮，做不完的检查，开不完的事故分析会，使有关勘 察、设计、施工、监理工程技术人员及质检、建管部门压力增大。 1 1 3 深基坑支护结构的形式及特点【3 】 常用的基坑支护方法大致有桩、板、墙、管等几种形式，考虑其受力特点、工作原 理及其在基坑支护工程中的作用和特点，大致有以下几种形式： 1 放坡开挖 放坡丌挖是选择合理的边坡，以保证开挖过程中边坡的稳定性，包括坡面自身的稳 定和边坡的整体稳定。这种开挖形式适用于地基土质较好，开挖深度较浅、施工现场有足 够场地的工程，其开挖支护费用一般较低。实际施工过程中，为了增加基坑边坡稳定和减 少挖土方量，还常在坡脚采取草包、块石堆砌小挡墙或加适量短桩等挡土措施。 2 悬臂桩围护结构 这种支护形式在基坑丌挖时完全依靠桩插入坑底足够的深度和结构本身的抗弯能力 来维持整体稳定和结构的安全。常采用的有钢筋混凝土排桩墙、钢板桩、钢筋混凝土板桩、 地下连续墙等形式。这种支护形式常用于工程地质条件好、丌挖深度较浅和对位移要求不 严格的基坑支护。 3 水泥土重力式围护结构 目前在工程中应用较多的是深层搅拌或高压喷射注浆法水泥土桩支护结构，它是由 数排水泥土桩排列在一起相互搭接而成，具有较大重度，与其包围的天然土体形成重力式 挡墙支挡周围土体，并保持基坑边坡稳定。适用于软粘土地区、开挖深度约在6 0 m 以内 的基坑工程。其特点是结构简单、施工方便，能够就地取材。可用于挡土、挡水或同时用 于承载，是具有多用途的支护体。但在应用中要严格控制其使用范围及深度，并注意按重 力式挡墙验算其倾覆稳定性和滑移稳定性。缺点是通常变形较大。 4 内支撑支护体系 当开挖较深、土质软弱或基坑邻近建筑物密集时，在这种情况下常采用内支撑支护 结构体系。内支撑支护结构体系由支护结构和内支撑体系两部分组成。支护结构体系常用 钢筋混凝土排桩、刚架桩和地下连续墙。内支撑体系可采用水平支撑和斜支撑。内支撑常 采用钢筋混凝土梁、柱和钢管( 型钢) 支撑两种。钢筋混凝土梁柱支撑体系的特点是刚度 大、变形小、节点构造简单、整体性强；而钢支撑的优点是支撑杆件可以重复使用，且施 加预应力方便。内支撑支护结构可适用于各种地质条件和平面较复杂、较深的基坑。 5 桩锚支护结构 桩锚支护结构由支护结构体系和锚固体系两部分组成。支护结构体系同内撑式支护 结构。锚同体系可分为锚杆式和地面拉锚式两种。锚杆式一般适用于砂土或粘土地基。锚 杆技术在近几年有了很大发展，有砂砾石锚杆技术和土层可拆除锚杆技术。由于在软土地 3 西安。：业人学硕十学位论文 基中难以提供足够的锚固力，使用时应慎重。 6 土钉墙 土钉墙由被加固土体、锚固于土体中的土钉和面板组成。土钉一般通过钻孔、插筋 和注浆来设置，有时也采用打入式或射入方式设置土钉。施工时，边开挖基坑边在土坡中 设置土钉，然后在坡面上铺设钢筋网，通过喷射混凝土形成混凝土面板，从而形成了土钉 墙支护结构。其特点是土钉与土体构成复合体，有效地提高土体整体刚度和抗拉、抗剪强 度，改变了边坡变形和破坏形状，显著提高了土体整体稳定性，从而保持开挖面的稳定。 土钉墙支护结构适用于地下水位以上或人工降水后的粘性土、粉土、杂填土及非松散沙士、 卵石土等；不适用于淤泥质土及未经降水处理的地下水位以下的土层中基坑支护，周围管 线密集的基坑也应慎用。 7 拱形支护结构1 4 j 拱形支护结构充分利用水泥土抗压强度高的材料特性，具有受力合理，施工方便， 节省工期，造价低等突出优点。对大多数基坑来况，四周起拱的可能性不大，采用非闭合 拱圈也可得到充分利用拱形结构支护的优点。其支护结构组合的形式有拱桩结合、拱墙结 合、拱桩拉锚组合等。也可将基坑平面布置成连拱水泥搅拌墙，拱脚采用钢筋混凝土桩， 承受水泥土拱传递的土压力，合理的利用拱形组合支护结构可取得良好的经济效益。 8 组合式支护结构 为了增加挡土及挡水结构的刚度，减少变形，可采用刚架支护桩、双排支护桩并加 端角支撑，钢筋棍凝土挡土桩与水泥土止水桩结合的组合桩等。其特点在于利用水泥土搅 拌桩作为止水帷幕，而钢筋混凝土灌注桩承受水平侧向压力。 9 锚定板挡土结构 锚定板挡土墙是由墙面系、钢拉杆、锚定板和填土共同组成的一种新型的支挡结构 形式。该结构具有造价低、施工方便、对各类地基的适应性强等优点，具有较好的经济效 益和社会效益。在工程使用上分为锚定板桥台和锚定板挡土墙。 1 2 基坑支护结构设计的基本理论和方法 基坑支护结构的设计计算理论和方法随着深基坑工程的发展、土力学理论、数值计算 方法研究的深入、计算机性能的迅速提高使其得到很大的发剧5 | 。 基坑支护结构设计计算包括外力( 土压力及地基超载) 和支护结构内力( 弯矩和剪力) 、 支撑体系的设计计算、基坑整体稳定性和局部稳定性、地基承载力、支护结构顶部位移、 结构和地而的变形以及软弱土层的局部加固、对相邻建筑的影响等诸多方面的计算l6 | 。近 年来，随着岩士力学理论的发展和各国专家学者的努力，提出了许多计算理论和方法，其 基本方法大致可分为以下三类：即极限平衡法、弹性抗力法、有限元法。 1 2 1 极限平衡法 极限甲衡法足过去长期使用的方法，冈其方法存在的i 、u j 题，过去在使用中常常乘以某 4 1 绪论 个经验系数。这类计算方法的计算模型简单，仅用静力平衡方程就能解其内力，因此过去 工程界应用的最多，目前仍在使用。其要点是选择一定的入土深度，以满足整体稳定、抗 隆起和抗渗要求的前提下，用经典力学理论计算主动土压力和被动土压力。实践证明，用 此法计算所得的跨中弯矩比实际大得多。因此计算过程中，根据经验对土压力作某些调整。 该方法主要存在以下几个方面的问题： 1 不能计算出支护结构的变形。这使它的应用受到极大的限制。 2 对于深基坑，特别是软土中的深基坑支护结构设计难以考虑更为复杂的条件和难以 分析支护结构的整体性状。 3 不能反映施工过程中支护结构受力的连续性及各种复杂的因素，如：支护结构与周 围环境的相互影响，墙体变形对侧压力的影响，支锚结构设置过程中墙体结构内力和位移 的变化，内侧坑底土加固或坑内外降水对支护结构内力和位移的影响。 4 只能进行平面问题的分析，不能考虑基坑的空间效应。 尽管极限平衡方法存在上述的缺点，但由于该法在国内外已沿用多年，工程经验比较 丰富，目f j i 仍有采用。 1 2 2 弹性抗力法 弹性抗力法又称土抗力法。主要用于柔性挡土支护结构的设计计算。针对常规设计法 中挡土墙内侧被动土压力的问题加以改进，其概念是由于挡土墙位移有控制要求，墙体内 侧不可能达到完全的被动状态，仍看作处于弹性抗力阶段。将桩墙看作弹性梁，内支撑作 为弹性支点，被动侧土简化为土弹簧，按文克尔假定计算土抗力，墙体的水平向支撑用抗 力系数来模拟。弹性抗力法的理论主要包括以下几个方面： 1 平面应变假定：忽略支护结构的空间作用，将支护结构与土整个受力体系视为无限 长的实体，在二维平面内作变形和内力分析。 2 土压力分布模型：存在着多种假定形式，尤以坑底以上部分作用主动土压力比较普 遍。大量的工程实践汪明：基坑顶面以上采用主动土压力，基坑底面以下作为超载，为矩 形分布土压力，这样的计算结果比较符合实际，因此被广泛应用。 3 土弹簧假定：将支护结构嵌固部分的土抗力抽象为连续分布的弹簧，弹簧的反力系 数按文克尔弹性地基假定。 4 数值分析：基于上面的假定，弹性抗力法通常将支护结构划分为杆系有限元，再 利用弹性地基梁的分析方法，进行编程和内力及位移的计算。 这种方法可以看作是对极限平衡方法的改进，但也存在以下几种不足： 1 理论计算与工程实际是否相符取决于地基水平抗力系数的选取，而土抗力系数多采 用经验法，目前尚无实用的直接测定方法。 2 不能计算结构周围土体的变形。 3 土是非线性材料，用土弹簧来反映被动区土体的作用不完全符合实际。 弹性抗力法能较好的反映基坑丌挖中的各种复杂的因素，已采用了有限元的基本思想。所 s 两安。i ：业大学硕十学位论文 以，该方法在许多规范、规程中被作为推荐方法采用。 1 2 3 有限单元法 随着计算机技术的普及和提高，有限元法在支护结构分析中得到了广泛的应用，提供 了一种理论上更为合理的设计计算方法。它将土体和支护结构分别划分为有限单元进行计 算，其优点是可以考虑土体与支护结构的相互作用，可以从整体上分析支护结构及周围土 体的应力和位移，而且还可求得基坑的隆起量、地表的沉降量和土中的塑性区范围及发展 过程，还可以与土流变学相结合求得各参数的时间效应。最重要的一点，它适用于动态模 拟计算。通过动态计算模型，按照施工过程对支护结构进行逐次分析，预测支护结构在施 工过程中的性状。例如：位移、沉降、土压力、孔隙水压力、结构内力等，并在施工过程 中采集相应的信息，经过处理后与预测结果比较，从而作出决策，修改原设计中不符合实 际的部分。 有限元法是一种有效的数值分析方法，在岩土工程学科中有着很大的发展前景。它可 以解决非线性问题，易于处理非均质材料，各向异性材料，能适应各种复杂的边界条件， 还可考虑基坑丌挖设计中的空间效应和时间效应。 计算机技术的进一步提高，模拟分析的可视化技术与三维动画仿真图形图象显示相结 合，使能生动、直观而又逼真地展现各施工过程的三维动态场景，并用于指导基于计算机 支持的工程设计和施工组织管理系统【引。根据不同的施工阶段，将有限元计算的结果，包 括基坑丌挖的应力场、位移场，支护结构的内力、变形等直观地表示出来，以便于设计施 工人员分析在基坑开挖过程中的各种有利和不利因素，从而做出正确的决策。 有限元法解决了常规计算方法中存在的许多问题，但也存在某些不足之处： 1 土的本构模型的选取和本构模型参数的确定是较为困难的工作。对不同的土质其本 构关系参数的选取难度较大，而这些参数又直接影响计算结果。 2 有限元法分析岩土力学问题目前大都按平面问题计算，对于基坑丌挖工程来讲，空 间效应比较明显，计算结果容易产生误差。如果按空间问题来计算，则需要较大的内存空 间和机时。 3 有限元法安全系数的定义应与常规设计的安全系数相匹配。如果不解决这一问题， 有限元法只能停留在辅助手段的水平上而不能成为一种实用的工程设计方法。 许多专家学者在深基坑支护结构的设计计算中，提出了各种各样的算法，但是与支护 结构形式多样化的发展相比，理论研究还远远不能满足工程的需要。深基坑丌挖与支护是 与许多因素相关的综合技术，有许多理论与实际问题都有待于进一步解决和完善。 1 3 基坑开挖对土体变形和土压力的影响 基坑门：挖的过程是坑底土体的卸载过程。基坑丌挖之后，局部水平面边界变为由坑壁 和坑底组成的下凹状曲面边界【引，显然应力与应变状态发牛很大变化。从理论上分析，基 坑，1 ：挖导致支护结构在不平衡十压力作用下向坑内位移【9 | 。这时，支护结构对前侧土体产 6 l 绪论 生挤压，并形成桩土之间的相对位移而产生摩擦力。其结果是导致桩前侧土压力向被动土 压力过渡，桩后侧土压力减小，并趋于主动土压力。开挖面以下土体的桩侧土压力并非如 古典土压力那样分布，而是与变形有关。土体对支护结构作用力的大小与土体本身位移量 互为消长，二者之间的不平衡力可以通过一定限度内的变形协调达到新的平衡。 1 3 1 基坑开挖的卸载效应 基坑开挖过程是基坑开挖面及挡墙面水平方向的卸荷过程1 1 0 j 。在基坑开挖过程中， 当上层土体挖去以后，开挖面以下土体内的应力和侧压力都将相应减少。但随着卸土而释 放应力，计算出来的坑底向上隆起量过大，与实际工程不符。根据r 本和上海市过去对土 压力实际量测的结果都表明，在上层土体开挖卸载后，开挖面下方的土体内仍保留着相当 部分未能完全卸除的残余应力。如果是在砂土中，这种残余应力更大。而且上层土体开挖 的卸载作用对下层土体中的应力的影响也只是在一定深度范围内存在。在此深度以下，土 中应力值的变化将会很小。对不同土质的土体，这种残余应力的变化也不尽相同。土体丌 挖后，仍存在一定残余应力，对土体丌挖产生的位移、坑内外塑性区的大小和分布都有很 大的影响 在深基坑开挖过程中，由于卸载使周围地基土受到应力释放及施工扰动影响要产生 变形。土体的变形主要有基底回弹隆起、地面沉陷以及土体的侧向位移。影响变形的因素 很多，主要有基坑的尺寸、土质情况、地下水位变化情况、支护结构的刚度大小、横向支 撑的好坏、支护结构的插入深度、设置方法和顺序、基坑敞开的时间长短、施工方法、施 工质量等。但下述两点是最为明显的： 1 基坑开挖宽度增大，支护结构下部的侧向位移越大，周围地基土的沉陷范围加大， 沉陷值增大。 2 开挖深度越大，支护结构的侧向位移与周围地基土的竖向沉陷都非线性地增加。对 侧移起主要作用的是坑内地基土。所以当坑底以下为软弱地基土且开挖深度较大时，有可 能会导致周围地基土沉陷过大以致使基坑失事。 1 3 2 基坑开挖时水土压力的影响 基坑丌挖与支护工程是否能成功，采取有效措施处理好地下水足一个关键。在深基坑 开挖过程中，随时都要考虑水压力的存在。水压力对支护结构、深基坑整体稳定性有很大 的影响。随着基坑的挖深至地下水位以下时，由于围护结构前后存在水头差，必然使土体 中的自由水产生流动。自由水在流动过程中受到土颗粒的阻挡而发生水头损失，水头损失 又必然导致围护结构两侧水压力差的增大i j 。由于土层的不同分布，其渗透系数也发生 变化。从而导致围护结构两侧的土压力发生变化。地下水在基坑丌挖支护工程中有着重要 的作用，已经实际二 程得到验证。但如何考虑水土相互作用仍然是一个难题，许多专家学 者的认识还不统一，在这个问题e 还需要做大量的过细的研究工作。水压力的i 、u j 题如能很 好的解决，则深基坑的稳定就有了保障，否则就会导致灾难性的结果i j 2 i 。 7 两安。i ：业大学硕十学位论文 1 4 本文研究的内容及意义 基坑开挖过程是基坑开挖面上卸载的过程。在基坑围护墙体形成后，随着基坑内土体 的挖除，基坑围护结构在背侧土压力作用下将产生向基坑方向的水平位移，同时基坑周围 地表将发生回弹和隆起。对于坑底土体的变化情况：一部分因土体卸荷发生弹性隆起，这 部分不会造成坑外土体的变形：一部分是坑内外的土压力差造成坑外土体的地层移动引起 坑底隆起。坑外地层的变形情况：由于围护墙体的变位引起坑外土体的移动而发生的变形 和坑内土体的不断隆起引起的变形。 本论文将针对基坑开挖时，随着土体丌挖的不断进行，坑内外土体的应力状态，围护墙体 的受力状态与土体性状有关的参数等不断发生改变，致使地表沉降、坑内土体发生隆起变 形、围墙发生变形进行了研究。主要采用原型观测、数值模拟、理论分析的方法。通过对 已建的工程进行实时调研，结合有关数据进行理论分析，进而优化工程。 因此，科学地制定考虑基坑的时效性的开挖和支撑的施工设计方案，能可靠、合理地利用 土体本身在开挖过程中控制位移以及保护环境的目的。从而改变目前基坑中为控制坑周地 层位移而不合理地采用昂贵的地基加固做法。这是安全经济地解决基坑施工过程中稳定和 变形问题的一条很有发展前途的新的技术途径。 2 深基坑门呈时空效应分析 2 深基坑工程时空效应分析 2 1 深基坑工程时间效应分析 粘性是指土的变形与时间有关的性质。而土的粘弹塑性理论属于流变学范畴。目前粘 弹塑性的本构关系| 1 3 】主要有粘弹性、弹一粘塑性、粘弹一粘塑性本构关系等，其中以粘 弹塑性假设较为简单、接近实际，如k e l v i n v o i g t 模型、b u r g e r s 模型、p o y n t i n g t h o m s o n 模型、标准的m a x w e l l 谱模型等，下面对考虑流变的模型( 修正d p 模型、d p 帽盖 模型) ，k e l v i n v o i g t 模型、时变参数拟合公式法进行介绍。 2 1 1 修正d - p 模型 因d p 模型忽略了偏应力不变量以的影响，从而影响分析精度，a b a q u s 1 4 , 1 5 l 中 用下列2 种方法对d p 模型进行修正如下。 1 线性d p 模型 线性d p 模型的屈服面为一直线，如图2 1 。其万平面上屈服面如图2 2 。 图2 1 线性d - p 模型p - t 面上的屈服面图2 2 线性模型万平面上的屈服面 ( 1 ) 屈服准则 仁1 2 1 + 1 七哉) 3 亿2 ， 9 两安t 业人学硕十学位论文 式中p 为平均正应力，p = 一妻p 。+ 盯：+ o - 3 ) ；q 为广义剪应力，q = 3 厶；为线性屈服面的 j 斜率，即p - t 面上的摩擦角；d 为p - t 面上的内聚力；k 为材料参数，决定中主应力的比例系 数，0 7 7 8 k l ，当k = i 时，t = q ，不考虑偏应力张量的第三不变量的影响；r 为偏应力张 量的第三不变量，r = s 。s ：岛，s l 、岛、岛为偏主应力。 ( 2 ) 塑性流动 g = t p t a n ( 2 3 ) 式中为p - t 面上的膨胀角。 当= 时为相适应的流动法则，原始的d p 模型即为沙= ，k = l ；一般 t 0 时，为可膨胀材料。 2 双曲线驴一p 模型 ( 1 ) 屈服准则 如图2 3 ，双曲线模型的屈服准则为 f = 如2 + 9 2 一pt a n 5 一d7 = 0 ( 2 4 ) 其中， t o = 刮o + 只f o t a n ( 2 5 ) 式中p ，为材料的初始静水压强；d 为硬化参数；刮。为d 的初始值。 ( 2 ) 塑性流动 令g 为流动势函数，双曲线流动势面与图2 2 相近，可定义如下 g = ( 方i o t a n 妙) 2 + 9 2 一p t a n ( 2 6 ) 式中为离心率参数；万i 。为初始屈服应力。 一 k 拉 一一，乜n 声肛 i - - - - r - - - - - - - _ - - 。一 p 图2 3p - q 平面上的双曲线屈服面图2 4 等效蠕变应力及等效蠕变面 3 线性d p 模型的蠕变 ( 1 ) 等效蠕变面及等效蠕变应力 采用等效蠕变应力于万“来定义蠕变的“程度”，如图2 4 所示。当以轴向压缩戍力吒 l o 口 2 深基坑t 程时空效应分析 定义时，万2 苦 ；当以轴向拉伸应力o t 定义时，万“=( g p t a n 3 ) ( + 三唧) ；当以p - t 面上的内聚力定义时，万“= q - p t a n f l 。 ( 2 ) 蠕变流动 对线性屈服面而言，其蠕变流动同双曲线屈服面类似，可定义如下 g “= x ( e y o t a n g ) 2 + 9 2 一p t a n ( 2 7 ) 式中为定义离心率的参数；孑i 。为初始屈服应力；g “为蠕应变率。 ( 3 ) 定义蠕变定律 一般蠕变定律有三种形式：时问硬化、应变硬化、s i n g h m i t c h e l l 硬化，具体如下。 1 ) 时间硬化 时间硬化的幂率模型如下 季c r ：a ( 万c ry l f m ( 2 8 ) 式中手”为等效蠕应变率；万“为等效蠕变应力；t 为整个时f h j ；a ，n ，m 为材料的流变特 性参数。 2 ) 应变硬化 孝：1 4 悟c ，p ( 优+ 弦叩产 式中a 和n 必须为正数，且一1 m 0 。 ( 2 9 ) 3 ) s i n g h m i t c h e l l 硬化 扎) ( ，钐丫 ( 2 1 0 ) 式中a 、口、t 、m 为材料的蠕变特性参数。 4 d p 模型与m c 模型参数之间的关系 对平面应变问题，d p 模型与m 模型参数之问的关系如下。 ( 1 ) 关联流动时，沙= t 唯雨x - 3 s i n 矽 d压c o s 彩 丽面 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 所一小 量| p一一3 二 一 两安。i ：业人学硕十学位论文 ( 2 ) 无体积膨胀时，= 0 t a n f l = 压s i n e 鱼：压c 。s 矽 醴2 孓1 d 1 一二t a n 召 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 式中仃? 为初始屈服应力。 5 修正d p 模型的特点 ( 1 ) 修正d p 模型可用于模拟各向同性硬化软化； ( 2 ) 可以考虑蠕变； ( 3 ) 可以考虑中主应力的影响。 2 1 2k eivin v oig t 模型 k e l v i n - - v o i g t 模型【1 3 】又称广义k e l v i n 模型，是一种线性粘弹性体模型，由一个弹簧 与一个凯尔文模型串联而成，如图3 5 ，其应力应变关系如下。 最 总应变 其中 图2 5k e i v i n v o i g t 模型 s 2 l + 2 q 2 瓦 铲瓦1 7 一号乏 s ，= 一上， 2 e xe x 2 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 式中q 为瞬时弹性应变；s ：为凯尔文应变；日为土骨架的瞬时剪切模量；e k 为k e l v i n 模型的剪切模量；r 为k e l v i n 模型的粘滞系数。 其流变的本构关系为 2 深基坑厂程时空效应分析 旦毒+ s ：翌堡+ 鱼垦仃( 2 1 9 ) e xe h e ke h e k 该模型不能反映第1 i 、i i l 阶段蠕变，也没有永久残余应变，因而制约了其应用。 2 1 3 时变参数拟合公式法 据马石城1 1 6 j 研究，如考虑土体应力应变关系的高度非线性，也可以抛开具体的模型， 直接用公式来对土体参数进行拟合。该法引入时变参数的概念，将经典坩模型中的凝 聚力和内摩擦角2 个参数在计算过程中随时间而改变参数，从而考虑土体流变特性。 若将模型( 或时模型) 中c 和矽变为时间的函数，可得到一个含时变参数的 流变模型。它可由实验得出，可拟合得到c 和矽的表达式如下。 c ( t ) = 气+ ( c o 一气) e x p ( - f l ( y + o o t 1 。) ( 2 2 0 ) 矽( f ) = 丸+ ( 唬- # 。) e x p i 一【( 7 + 口) f 】卜口) ( 2 2 1 ) 式中c o 、唬分别为瞬时粘聚分量和摩擦角；c o o 、九分别为长期粘聚分量和摩擦角；口、 y 为参数，且0 0 ，可以通过试验拟合曲线确定。 该法采用万能拟合公式，对实验数据进行拟合，可以考虑土的流变特性，是一种具有通用 性的实用计算方法。据此可由a n s y s 提供的弹塑性模型及计算过程中改变材料特性的功能 来处理岩土材料的流变问题，可以使用a n s y s 提供的多种单元类型及计算方法，是一种处 理岩土材料流变问题的实用方法。 2 2 深基坑工程空间效应分析 2 2 1 空间效应概述 深基坑工程中，随着土体的开挖及支护结构的施工，深度变化时，由于支护结构的变 形而产生土压力调整；在平面上，同一深度处的土压力随平面位置不同而存在差异，即深 基坑开挖过程中存在着明显的空间效应。 由于基坑丌挖会引起基坑周罔地层和坑内土体的移动，表明基坑开挖是一个与周围土 体密切相关的空间问题。基坑土体的空间作用，早在三四十年代已被重视，t e r z a g h i 等就 注意到小的开挖段产生的回弹量比大的开挖段要小的事实。研究表明，小的基坑开挖段， 其坑底土体回弹较小，影响范围也较小；大基坑开挖段其坑底土体回弹量较大而且影响范 围也较大，主要是因为小的开挖段的土体空间作用强于大的丌挖段的土体空间作用。可见， 土体的空间作用对于基坑周闱地层位移与坑底土体回弹的影u 向是显著的。 2 2 2 深基坑工程空间效应规律 ( 1 ) 基坑土体的空i 丑j 作用主要取决于基坑的形状、深度、大小等。基坑尺寸越小， 其三维空间效应越显著，限制坑底隆起和围护结构位移作用的能力越强。 ( 2 ) 深基坑坑壁中央范围的土压力和位移值均大于两坑壁一定范围的土压力和位移 两安i ：业人学硕十学位论文 值，这是因为在深基坑两端壁处存在显著的空i 日j 效应，抑制了其邻近区域的土压力和位移 的发展。目前，深基坑支护问题常忽略其空间效应带来的影响，而把其视为一个2 维的平 面问题，较多地借助传统的朗肯或库伦土压力理论进行支护系统的设计，因而偏于安全。 ( 3 ) 坑底隆起量随开挖宽度的增大而增大，但到一定宽度后，隆起量基本上不再变 化，呈环形分布，而且二者之间基本近似双曲线关系收敛变化。 ( 4 ) 深基坑丌挖不断进行的过程，不但是基坑尺寸和土压力都不断变化的过程，而 且二者相互作用、相互影响。开挖施工改变基坑尺寸、深度，深度的变化影响位移及其分 布，水平位移的变化最终引起土压力的变化。 2 3 深基坑工程时空效应分析 2 3 1 考虑时空效应的主动土压力计算 1 主动土压力的时空效应 随着基坑的不断开挖，基坑的几何空间要素逐步发生改变，而土体材料又具有蠕变特 性，即土体的应力应变关系受时间因素的影响。土的固结，基坑降水及土的长期强度的衰 减、膨胀等均与时问有关，加上降水环境的复杂化，更使时空效应复杂化。由此可知，基 坑的空间尺寸、土体特性、环境要素三者均与时间相关，因此时空效应是客观存在的，计 算土压力时应该考虑基坑施工过程中的时间和空间因素。 2 主动土压力的计算方法 ( 1 ) 考虑开挖深度的主动土压力 围护结构的侧向变形及分布与深基坑的丌挖深度、围护结构的刚度、支撑系统刚度、 土质、地质状况、地面超载等因素有关。当土体产生侧向位移时，其挤压或偏离会造成静 止土压力的应力松驰或增长，直到土体达到主动或被动状态。张燕凯1 1 7 】用一个反映开挖 深度的函数作为表