（岩土工程专业论文）对深基坑支护结构及周围土体性状的三维有限元分析.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 本文对深基坑工程的一般现状、存在问题及未来发展趋势作了概述，又从国 内外两个方面综述了岩土工程数值分析的研究现状及发展情况。应用a n s y s 对桩 锚支护体系受力性状进行三维弹塑性有限元模拟分析，可以对支护结构进行优化 设计，减少工程中试验监测的工作量，从而达到节省人力、物力、财力和时间的 目的。 本文首先介绍了桩锚支护的监测内容和方法，对青岛市沿海地区的典型桩锚 支护结构深基坑工程进行监测试验，用设计中常用的经典土压力理论法、弹性法 方法对其进行计算。重点将三维有限元模拟深基坑桩锚支护体系分析的理论基础 作了详述，并在此基础上采用d r u c k e r - - p r a g e r 理想弹塑性本构关系模型，利用 a n s y s 软件对此工程实例进行了三维弹塑性有限元模拟分析。通过对几种计算分 析结果以及实测结果的比较，得出了基坑开挖过程中支护结构侧向位移、主动区 土压力分布规律的结论。 本文针对日益兴起的深基坑工程信息化施工方法进行研究，绘制了信息化施 工的基本流程图，并对基坑工程优化设计中的几个主要问题进行了分析。 结合青岛市科技开发基金项目“青岛地区深基坑工程挖方性状的研究 课题 研究中所遇到的问题，对三维有限元模拟基坑桩锚支护体系提出理论计算思路。 关键词深基坑开挖；三维有限元；弹塑性本构模型；桩锚支护；侧向位移；土压 力；信息化施工 青岛理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t d e s c r i b i n gt 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 g sp r e s e n tc o n d i t i o n ，t h i sp a p e r i l l u s t r a t e st h ep r e s e n tc o n d i t i o na n dt h ef u t u r ed e v e l o p m e n to ft h ed e e pf o u n d a t i o np i t e n g m g e e n n g t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h et e s t i n go f p i l ea n da n c h o rs u p p o r ts t r u c t u r e 缸瓯a n dt h e n s h o w ss o m et e s t i n gr e s u l t so fa na c t u a le n g i n e e r i n gi nq i n g d a of o rf o u n d a t i o np i t e x c a v a t i o n s e c o n d l y , t h ep r o j e c ti sc a l c u l a t e db yt h ec o m m o nm e t h o d s ，f o re x a m p l e ， t h ec l a s s i c a lm e a n sa n dt h ee l a s t i c a lm e a n s i l l u s t r a t i n gt h eb a s i ct h e o r yf o rs i m u l a t i n g t h ef o u n d a t i o np i te x c a v a t i o nw i t ht h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o du s e di n t h i sp a p e r , t h i s p a p e rd e v e l o p sat h r e e - - d i m e n s i o n a le l a s t i c - p l a s t i c f i n i t ee l e m e n tp r o g r a mu s i n gt h e d r u c k e r - p r a g e ri d e a le l a s t i c p l a s t i cm o d e l a na c t u a le n g i n e e r i n gf o rf o u n d a t i o np i t e x c a v a t i o ni sc a l c u l a t e dw i t ht h i sp r o g r a ma n dt h eu s u a lm e t h o d t h r o u g ht h ea n a l y s i s b e t w e e nt h e s ec a l c u l a t i n gd a t aa n dt h et e s t i n gd a t a , af e wo f s u g g e s t i v ec o n c l u s i o n sh a v e b e e nd r a w na b o u tt h er e t a i n i n ga n dp r o t e c t i n gs t r u c t u r e sh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n ta n d t h ee a r t hp r e s s u r e sd i s t r i b u t i o nd u r i n ge x c a v a t i o n a tt h es a m et i m e ，t h ep r o g r a m s p r a c t i c a l i t yh a sb e e nt e s t e d t h i sp a p e ra l s oc o n c l u d e st h ei n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o nm e t h o dt h a ti sb e c o m i n g m o r ea n dm o r ei m p o r t a n t ap r o c e d u r ef i g u r ea b o u tt h em e t h o di sg i v e n , a n daf e wo f m a i np r o b l e m si nt h eo p t i m i z i n gd e s i g nh a v e b e e na n a l y s e d b e s i d e s ，o na c c o u n to fp r o b l e m sd u r i n gt h es t u d yo fq i n g d a ot e c h n o l o g i c a lf u n d i t e m ，af e wo fs u g g e s t i o n sa r ep r o p o s e df o rt h et h e o r yo fs i m u l a t i n gf o u n d a t i o np i t e x c a v a t i o nw i t l l 廿l ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d k e yw o r df o u n d a t i o np i te x c a v a t i o n ；t h r e e - d i m e n s i o n a le l a s t i c - p l a s t i cf i n i t ee l e m e n t m e t h o d ；t h ep i l ea n da n c h o rs u p p o r ts t r u c t u r e ；h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t ；e a r t hp r e s s u r e ； t h ei n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o nm e t h o d i i 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 土木工程的发展，特别是在2 0 世纪，随着大量高层建筑以及地下工程的不断 涌现，深基坑工程数量迅速增多，相应的隔水、降水、开挖、监测和保护周边建 筑物及地下设施的安全等项目变得更加重要。工程上对基坑的要求越来越高，同 时出现的问题也越来越多，轻者会使整个基坑四周土体内倾、变形，严重时会导 致整个基坑倒塌破坏，不仅影响工期耗费大量抢救资金，甚至会发生人员伤亡， 并使与基坑相邻的周边建筑物或地下设施开裂、倾斜甚至倒塌。中国许多高层建 筑都建在沿海城市交通发达的建筑密集区，施工环境十分严峻，稍有不慎就会造 成严重的工程事故，况且深基坑工程又是施工开挖与结构工程、岩土工程、环境 工程等诸多因素交叉，是一项涉及范围广泛且具有时空效应的综合性工程，既涉 及土力学中典型强度、稳定及变形问题同时还涉及土与基础的共同作用问题，它 涉及的问题大致可以分为两类【1 】：一是基坑本身的稳定性，应力、位移及支挡结构 的强度等：二是基坑周围土体移动对建筑物、地下管线所造成的影响。对上述问 题的研究方法主要有三类：工程经验总结，现场及室内试验结果，数值模拟计算。 前人通过研究分析，对基坑开挖问题已取得了相当丰富的成果，但是在基坑工程 中，目前还是边实践边摸索，缺乏成熟技术规范的指导，不少从业者也是边干边 学，仍然是靠半理论半实践的办法解决问题。 由于以上诸多因素的影响，这些年，深基坑工程事故时有发生，一般的事故 率约占基坑工程数量的2 0 ，有的城市甚至占到3 0 ，基坑工程事故的频频发生， 造成了严重的损失和后果，如经济的、社会的、政治的、直接的、间接的、财产 的、人员的等，已经制约中国建设事业，成为引起各方面严重关切的重要问题。 运用有限单元法计算出深基坑各点的应力应变关系，从而确定各点的受力情 况，再有的放矢地确立支护方案，从而达到最优支护，即先对基坑受力变形进行 预测，再进而采取相应的措施，是一种切实可行的方法。 1 2 国内外研究现状 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 2 1 研究的背景 自2 0 世纪3 0 年代以来，基坑工程发展迅速，那时，t e r z a g h i 和p e e k 等人已 经开始研究基坑工程中的岩土工程问题。早在2 0 世纪4 0 年代，t e r z a g h i 和p e c k 等人就提出了预估挖方稳定程度和锚杆荷载大小的总应力法，这一理论原理一直 沿用至今，但已有了许多改进和修正。r 3 j e r r h m 和e i d e 在5 0 年代给出了分析深基 坑底板隆起的方法，6 0 年代在奥斯陆和墨西哥城软粘土深基坑中开始使用仪器进 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 导开挖的法规。在以后的时间里，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。我国7 0 年代以前的基坑都比较浅，上海的高层建筑的 地下室大多埋深在4 米左右；北京在7 0 年代初建成了深2 0 米的地下铁道区间车 站。基坑工程在我国进行广泛的研究是始于8 0 年代初，那时我国的基本建设如火 如荼，高层建筑不断涌现，相应的基础埋深不断增加，基坑开挖深度也就不断发 展。特别是到了9 0 年代，大多数城市都进入了大规模的旧城改造阶段，在繁华的 城区内进行深基坑开挖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，即不仅要保证基坑稳定，还要满足变形控制的要求， 以确保基坑周围原有建筑物、构筑物、地下管线及道路的安全，从而进一步促进 了深基坑开挖技术的发展，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实例。现代计算机和数值计算技 术的发展，为复杂的基坑问题的研究、计算与验证提供了先进的手段，并且推动 了信息化施工方法的形成，促进了理论的进一步发展。从以上数点，可以看出基 坑工程在近期的发展获得了十分辉煌的成果。诚然，也留下了不少问题犹待继续 研究解决。特别是，由于地质条件的特殊复杂性和基坑工程类型的极其多样性， 以致对于岩土特性的认识仍远不能满足工程实践的要求；同时，基坑工程的设计 和施工仍在很大的不确定条件下进行；基坑工程发生事故的概率仍然很高，因此 这一时期可以称为基坑工程的创建奠基和初具框架的时期。 当前，以电子计算机技术、信息技术为代表的一系列高新技术的兴起，己引 发了人类历史上前所未有的一场科技革命，它的规模、深度和影响都远远超过了 以往的工业革命和第二次工业革命；它对社会生产力和世界经济的发展必将产生 极大的推动作用，并将极大地改变世界的面貌。就我国而言，在新的世纪里将会 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 出现史无前例的工程建设高潮，大量的复杂的基坑工程问题都将急需研究攻克， 基坑问题的重要性必将更为突出，基坑工程必将出现新的突破，因此可以预料， 基坑工程将在2 1 世纪得到更为迅速的发展。 从以上的粗略介绍可以看到，不论在国内还是国外，基坑工程都具有数千万 年的悠久历史，而基坑工程的迅猛发展以及大规模的工程实践，无论在国内还是 国外，又都是2 0 世纪的后半叶，亦即第二次世界大战以后五十余年的事。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，可以 看出，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。早期的开挖常采用放 坡的形式，后来随着开挖深度的增加，放坡面空间受到限制，产生了支护开挖。 迄今为止，支护形式已发展至十多种。 早在1 9 9 2 年联合国环境与发展大会通过了2 l 世纪议程，提出将可持续发 展的模式，作为未来长期的共同发展战略。在建设可持续发展城市的过程中，城 市地下空间的开发利用有着非常重要的作用，它既是调节城市土地利用结构、扩 充城市空间容量的重要手段，也是建立现代化城市综合交通体系、防灾、减灾、 救灾综合空间体系的重要途径，同时也是城市基础设施现代化建设的重要方法。 可以说，没有城市地下空间的开发利用，就没有城市的可持续发展。地下空间的 开发和利用已成为当前城市建设中的一项重要课题。与此相适应，深基坑工程的 重要性也日益显示出来。 1 2 2 岩土体有关领域的数值方法简介 深基坑开挖一直是岩土工程界的一个难题，由于不同的地质条件的影响，不 能对其进行通用性的研究，需要因地制宜地采取最优方案。近几十年来，国内外 学者进行了大量基坑开挖性状的研究工作，并已取得了相当丰富的成果。由于影 响开挖的问题十分复杂，现场及室内试验研究费用大，试验复杂，且加载条件、 边界条件模拟比较困难，因而成果不多；与现场及室内试验研究相对，数值模拟 方法费用较小，具有很大的灵活性并能模拟复杂的情况，因此，数值模拟方法( 主 要是有限单元法) 在基坑开挖的分析中得到广泛的应用。 在岩土体有关领域的数值方法应用中，主要有下列方法【7 】：有限差分法 ( f d m ) 、有限单元法( f e m ) 、边界单元法( b e m ) 、有限分析法( 蝴) 、半解 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 析元法( h a e m ) 、离散单元法( d e m ) 等。下面分别加以介绍： 有限差分法( f d m ) 是从物理现象引出相应的微分方程，再经离散化得到差 分方程，即以系数的差分公式解微分方程。未知系数的连续变化是它的前提。 有限单元法( f e m ) 以能量原理作为物理基础，把问题转化为位移变分问题 ( 即求泛函的极值问题) ，再经离散化得到计算格式求解，并假定单元与单元之间 不连续变化。从数学的角度看，f d m 近似程度较高一些，但在实用上，有限单元 法比有限差分法简易、灵活，当边界几何条件不规则和介质特征变化很大时更是 如此。但在计算方法及程序编制上，f e m 一般比f d m 难一些。3 0 年来，由于确 定了有限单元法的数学依据，特别是引进了伽辽金法( 即加权剩余法或叫加权残 量法) 。不仅使有限单元法在数值解上与有限差分法占有同样的地位，而且由于有 限单元法能比较容易地处理各种复杂的几何性状和统一处理各种类型的边界条 件，因此它得到越来越广泛的应用，正在逐渐取代有限差分法。 边界单元法( b e m ) 也称边界积分法，它同有限单元法一样，用试函数进行 离散，所不同的是选择为试函数的准则。边界单元法要求所选择的试函数既要满 足控制方程，也要满足边界条件：而有限单元法却不要求满足控制方程，只要满 足边界条件就行。于是，有限单元法要求在整个区域内确定，而边界单元法则只 在域内的边界上划分单元来求解，再求内值。 从整体上说，边界单元法在理论上、应用上远不及有限单元法，关键在于它 的数学矛盾复杂，求解矩阵又是非对称的满矩阵，目前尚无有效而通用的简化存 储法和求解法。对结构较复杂、尖角、凹凸点太多的问题，就可能带来数学上的 难题而使结果失真，甚至矩阵奇异而无法求解。这是一般认为边界单元法概念的 提出虽比有限单元法早，却没有有限单元法发展快、应用广泛的主要原因。 有限分析法( f a m ) 是陈景仁在1 9 7 7 年提出的，其基本思路是将控制方程的 局部分析解组成整体数值解，这样得出的有限分析解可以比较好地保持原有问题 的物理属性，它能消除在隐式差分格式和有限单元法中的伪数值扩散，由有限分 析法得到的有限分析解是可微的，经过微分运算而得到的倒数也是比较准确的， 甚至对带有小参数的高阶导数项的微分方程，有限分析法的解也是一直稳定和收 敛的，有限分析法把求解区域划分为有限多个小的子域( 相当于单元) ，在每个子 域内求控制方程的局部分析解，由于有限分析法要求每一个子域内找出控制方程 的分析解，因此它不适用于具有复杂控制方程的问题。 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 半解析元法( m 垣m ) 的主要原理是利用低维解析函数族( 即利用已有低维 问题解析成果) 使多维问题数值计算降维，从而达到简化的目的。半解析法主要 有半解析有限元法和半解析无限单元法两类。目前，半解析法主要用于结构、介 质( 岩土体、液态、气态) 问题，尤其是在结构与介质共同作用等方面取得了明 显的效果。 离散单元法是7 0 年代初发展起来的，它主要用于分析颗粒或块体组成的不连 续介质的运动及变形，这种方法充分考虑到岩体的非连续性，以节理等不连续面 所切割成的块体为研究对象，各个块体遵守牛顿运动定律，再结合不同的本构关 系，用动力松弛法进行迭代求解。 比较这几种数值方法，有限差分法已很少使用；边界单元法由于它对试函数 严格要求，使这种方法在处理非均质、非线性问题方面不如有限单元法灵活、有 效；离散单元法由于具有分析块体不连续变形的优点，对工程地质问题来说特别 适用：半解析法、有限分析法的应用还不多；而有限单元法有其独特的优点而被 广泛应用。综上所述，本文采用有限单元法，故对其它方法不再赘述，只对有限 单元法做出简单回顾。 1 2 3 有限单元法的特点以及国内外发展现状 有限单元法最初是在5 0 年代初作为处理固体力学问题的方法提出的。有限 元法在深基坑挡土结构分析计算中具有明显优点【8 】： ( 1 ) 可以考虑挡土结构上被动侧和主动侧的水土压力变化； ( 2 ) 锚杆及锚杆的架设、移除以及它们对挡土结构位移及内力的影响和锚杆 轴力随后次开挖过程而得到的调整； ( 3 ) 空间作用下的空间效应问题等等。这样可为有效、安全、经济地优化挡 土结构型式和开挖过程的合理化开辟新的途径。 由于有限单元法适合分析复杂几何性状的类型介质问题，便于引入各种要求 的边界条件，能成功的反映各种复杂的材料性质及其不均匀性，因此，有限元法 在岩土工程中有广泛的应用前景。国外在这一方面起步较早。纵观已有的研究， 有限元在土力学的发展大致有三个方向： 1 有限元计算中土体本构关系模型的发展、改进； 2 有限元计算方法本身的改进； 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 3 计算程序面向工程界，向通用化、规范化发展。 正是由于深基坑开挖的复杂性和有限元分析的广泛通用性及其灵活性等特 点，许多学者都采用有限元方法分析基坑开挖问题。这一方面的程序主要分为两 大类【8 】： 一是不考虑土单元的杆系有限元，即把支护结构作为梁，利用土压力，从而 计算挠度和内力； 二是弹性、弹塑性、粘弹塑性有限元，可用二维或三维，取一定的计算区域， 用增量法进行计算，先将国内外情况作一回顾1 9 ： d u n c a n 和c h a n g ( 1 9 7 0 年) 用有限单元法对一水泵厂施工现场的基坑开挖进 行了分析，采用了d u n c a n - - c h a n g 模型来描述土的应力应变关系，基坑开挖深达 2 0 0 f e e t 时，发现在垂直向回弹了2 4 f e e t 。 c l o u g h 和d u n c a n 最早采用接触面单元来描述土与墙之间的接触特性，并对一 挡土墙进行了有限元分析。接触面单元的法向刚度取得极大，切向刚度按二次曲 线变化。 b u r l a n d 和s i m p s o n ( 1 9 7 9 年) 计算分析了砂土及含砾石硬粘土层中的多级开 挖的基本特性。一般认为：在基坑周围土体的总位移中约有一半是基坑支护的施 工引起的【1 0 1 。s i m p s o n ( 1 9 7 9 年) 提出了一个用于非线性有限元分析程序的伦敦粘 土的应力应变关系的计算模型，将伦敦粘土性状分三个应变区：弹性区，过渡区， 塑性区。塑性状态由流动法则和状态边界面( 即破坏面) 控制，模型的刚度随平 均有效主应力增加。 l v m e d e i r o s ( 1 9 8 2 年) 对一开挖至破坏的试验基坑及周围土体进行了有 限元分析，与实际应力路径相关的本构参数由相应的室内试验确定，结果表明： 线性、双线性模型不能很好的模拟实际的应力历史，而非线性的应力应变关 系能较好地反映实际，基本能满足工程计算的要求【l l 】。 。- p o t t s 和f o u r i e ( 1 9 8 4 年) 运用有限元法及研究典型结构和初始应力对由单一 锚杆挡墙性状的影响【1 2 】。利用理想弹塑性本构关系模拟土的性状，并假设锚杆点 作用在挡土墙的顶端。一般认为：土体的位移值取决于开挖和墙体的尺寸、土和 墙体的性质、锚杆点的位置、墙体的构造方式、土中的初始应力等。 杨顺杰对宝钢热轧厂地下连续墙进行了平面有限元分析，获得了开挖过程的 位移场和应力场，研究了开挖引起的土体和墙体的性状变化。 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 曾国熙( 1 9 8 8 年) 等用饱和软土进行了假设的四种不同应力路径的等向固结 不排水剪试验，提出了归一化初始模量【1 3 】；与应力路径参数形成良好的线性关系， 根据试验结果建立了相应的模量方程，并将其应用于饱和软土地基基坑开挖问题 的非线性有限元分析中。 f h l e e ( 1 9 8 9 年) 在b r i t t e 等人编制的c r i s p 有限元程序的基础上，结 合改进的c a m - - c l a y 模型，对一设有锚杆的基坑开挖作有限元分析，计算结果表 明1 1 4 j ：计算值与实测值基本一致：桩的最大水平位移，锚杆轴力的计算值偏小， 而桩底位移及桩角上涌量的计算值偏大。 候学渊( 1 9 8 9 年) 等通过以非线性的b i o t 固结理论为基础的有限元和无限元 的耦和计算，对引起深基坑周围地表沉降的几种主要因素进行分析与模拟，探索 了基坑周围土体位移的规律，并借鉴前人的研究成果及p e c k 估算隧道上方的土体 沉降的理论途径，提出一种估算深基坑侧边地基土沉降的方法【1 5 】。 c h e n g 和t s u i ( 1 9 9 0 年) 分析了基坑开挖锚杆次序对墙体变化的影响。 黄平( 1 9 9 5 年) 分析了基坑开挖搅拌桩挡墙的支护机理，并采用非线性弹性 模型进行了三维有限元分析。 综上所述，研究基坑开挖对相邻结构或设施的影响尚处于开始阶段，与国外 相比，我国更缺乏大量而系统的实测与研究资料，至于开挖过程中基坑周围土体 的应力路径变化，应力路径对计算参数的影响及其在实际过程计算中的应用更少。 1 3 研究问题的提出 青岛市区三面环海一侧接陆，大部分地段岩土层稳定性较好、基坑支护尚未 引起各方重视。近几年深基坑工程较多，且越挖越深，而市内道路密布、新旧管 网错综复杂，坑底开挖往往还需爆破，给支护工程提出了更高的要求。 市区高层建筑多分布在市南区、市北区、四方区及高科园局部地区。深基坑 开挖涉及的岩土层大致分为三类： 1 类：砂性土为主 该类多分布在市南区、高科园的近海岸处。砂性土为主，有时夹淤泥质土或 少量粘性土，土层深一般在1 0 1 5 m 以内；更深处为残积卵( 砾) 石层、花岗岩。 2 类：淤泥质土或粘性土为主 多分布在四方区、李沧区的近海岸处及市内局部低凹地段。淤泥质土或粘性 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 土为主，有时夹粉土、粉砂，土层埋深一般在1 5 m 内，然后是残积层和花岗岩。 3 类：强( 中) 风化花岗岩为主 市内几区分布较广，强风化岩埋深一般不超过l o m ，最浅部多为填土、粘性 土等，其强度和稳定性差别较大。粗粒结构遇水软化、挖掘机可直接开挖；细粒 结构一般是块状构造、裂隙发育，有时又夹有煌斑岩脉，稳定性较差。 该类岩土层基坑l o m 内放小坡基本可以无支护开挖，而一旦爆破则要引起重 视。 近几年青岛地区成功地使用了一些支护结构型式，但也发生了不少支护工程 事故，介绍如下： 1 以砂性土为主的基坑：该类基坑因水位较浅，支护一般考虑封水。支护型 式一般有以下几种：( 1 ) 基坑旋喷围幕封水兼挡土支护；( 2 ) 单排粉喷围幕封 水，放坡开挖；( 3 ) 螺旋钻孔压浆桩挡土，压浆封水加多层锚杆： ( 4 ) 灌注桩 挡土，粉喷( 旋喷) 封水加锚杆支护等等。但该类基坑常遇围幕漏水，因而经常出 现锚杆难成孔等难题。如东方日不落大厦基坑曾因旋喷桩搭接不好，基坑壁漏水 涌砂，造成坑外多处塌陷。澳海大厦基坑因塌孔难题最后只能采用螺旋锚新技术 施工锚杆。 2 以淤泥质土或粘性土为主的基坑：该类土质的基坑支护型式多采用以下几 种：( 1 ) 悬壁桩支护；( 2 ) 旋喷桩挡土兼防水围幕：( 3 ) 混凝土桩加锚杆支护 等等。 3 以强( 中) 风化花岗岩为主的基坑：该类土质的基坑支护型式多采用以下几 种：( 1 ) 土钉墙支护；( 2 ) 钢管桩加锚杆支护，因要入岩钢管直径选用较小， 一般为1 0 8 或1 4 6 m m ；( 3 ) 锚杆拉肋梁支护； ( 4 ) 预应力锚板支护等等。 纵观上述支护型式，可以发现由于深基坑本身是一个具有长、宽和深尺寸的 三维空间结构，因而其支护系统的设计是一个复杂的三维空间受力问题【2 】。基坑的 长和宽尺寸越小，坑深越大，则其三维空间效应越显著。所谓空间效应是指一个 基坑空间状态受力；开挖面必然受到另两面的影响。因此，在开挖平面四角的一 定范围内受力状态是不同的【3 , 4 1 。大量的工程实践表明，深基坑坑壁中央范围的土 压力和位移值均不同于两坑壁一定范围的土压力和位移值，就是因为在深基坑两 端壁处存在显著的空间效应，对其邻近区域的土压力和位移的发展产生了影响。 因此，在深基坑设计时采用何种方法才能考虑到深基坑的空间效应，并同时 8 青岛理工大学工学硕士学位论文 考虑支护结构体系与周围土体的相互影响，是目前设计、研究工作中迫切需要解 决的问题。 1 4 研究的目的与意义 对于复杂的地下结构，土与结构共同作用、施工过程影响、结构及土体的空 间受力特性、土体的非线性行为等都对结构的变形和受力有着显著的影响【5 】。而部 分结构参数的不确定，使得结构最终变形情况和受力情况都变得更加复杂【6 】。因此， 进行模拟施工过程的土与结构共同作用的非线性空间有限元分析，并对关键参数 加以讨论和敏感度分析，是十分必要的。 研究的主要意义有：其一是能够对支护结构进行优化设计；其二是可以应用 有限元程序分析支护结构在基坑的各个部位的受力和变形性状，减少工程中试验 监测的工作量，从而达到节省人力、物力、财力和时间的目的。例如：基坑支护 结构与土体共同作用的问题、基坑形状空间性较强的问题、桩与地下连续墙的不 同施工区段之间的传力问题等等，都属空间问题，因此进行三维有限元分析计算 就极为必要。在基坑设计中，进行合理的空间计算后，就可以进一步了解支护结 构体系总体的受力与变形情况、锚杆的位置是否合理以及内力是否满足强度和稳 定性的要求、如何对支护结构的设计与施工方案进行优化等等。鉴于此，对支护 结构进行模拟施工过程并考虑土与结构共同作用的非线性三维有限元分析就显得 非常重要了。 1 5 本文基本研究内容及研究方法 目前，国内在深基坑开挖有限元分析中所作的工作主要集中在土体本构关系 研究、与b i o t 固结理论的耦合、土体流变特性以及具体针对某一工程或某一特定 施工方法的有限元分析方面。在对计算精度和深度有重大影响的有限元前后处理 部分所作的工作较少；网格划分过于简单和均匀，不利于提高计算精度；同时， 给出的计算结果往往仅局限在支护桩体，基坑底部等处，没有从整个分析区域、 从场的观点对计算区域进行分析。 鉴于目前的状况，本文在前人已有成果的基础上，作了以下几方面的工作： 1 本文侧重于研究基坑中周围土体的位移场以及应力场，运用数值模拟的方 法，对基坑开挖采用开挖地层动态分析法，从而得出基坑周围土体各点的受力变 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 形状况，开挖对基坑周围建筑物、构筑物以及地下管线的影响。 2 基坑开挖具有较强的空间效应，用a n s y s 这一大型三维有限单元法计算 软件对基坑开挖的三维性状进行较系统的分析，研究了基坑开挖过程中周围地表 沉降、基坑底隆起、分布开挖效应、主要影响因素及空间效应等。 3 对基坑开挖采用d r u c k e r - - p r a g e r 理想弹塑性本构模型进行计算，土体及支 护桩体采用2 0 节点三维实体单元，钢筋混凝土锚杆或锚杆视为空间梁单元，都假 设为线弹性材料。 4 利用上述有限元程序，对采用桩锚支护结构型式的深基坑工程进行三维分 析，以实际工程的实测资料为基础，模拟工程的实际施工过程，并将结果与实测 结果以及理论方法计算所得结果进行比较，用以确定模型参数的可靠性以及有限 元分析的实用性。 实施方案和准备采取的措施为： 深基坑工程中土体的开挖和支护施工的过程是一种动态过程，这种动态过程 的模拟在a n s y s 里是用单元的“生死”功能来实现的【1 6 1 。所谓单元的“杀死”， 并不是将其从模型中删除，而是将该单元的刚度和质量都乘以一个很小的因子， 该单元的载荷、质量等设为0 ，相当于该单元不再能发挥作用；单元的“激活 并 不是将单元加到模型中去，而是在计算过程中，在适当的载荷步中将杀死的单元 的刚度、质量、载荷等恢复其原来的数值，这时候的单元既没有初始应变，也没 有初始应力。然而，以实常数形式定义的初应变则不受单元生死选项的影响。这 是与工程中的实际情况相符的。 具体实现步骤： 1 建立整个场地土体及支护结构模型； 2 “杀死”所有支护结构单元，并施加重力荷载，模拟土体在自重作用下自 由沉降； 3 “激活”支护结构单元，并在其两侧施加水压力，模拟支护结构施工完成 后的情况； 4 逐层“杀死各层的土体单元并“激活”相应的锚杆或锚杆单元，模拟开 挖和锚杆施工，调整支护结构两侧的水压力，模拟降水过程。 5 重复步骤4 直至开挖至坑底。 1 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 第2 章桩锚支护结构计算理论及分析方法 2 1 多支点排桩支护的理论计算方法 当基坑比较深时，为了减少支护桩的弯矩可以设置多层锚杆。锚杆层数及位 置要根据土质、坑深、桩的直径( 厚度) 、锚杆结构的材料强度，以及施工要求等因 素拟定。 目前对多层锚杆支护结构的计算方法很多，般有等值梁法( 连续梁法) ；荷载 的1 2 分担法；“m 法；逐层开挖锚杆力不变法；有限元法等【2 】o 2 1 1 连续粱法 前已阐明等值梁法的计算原理，当多层锚杆时其计算原理相同，一般可当作 刚性支承的连续梁计算( 即支座无位移) ，并应对每一施工阶段建立静力计算体系。 如图3 1 所示的基坑支护系统，应按以下各施工阶段的情况分别进行计算。 l i l l l l l w 1 a 蜃卜一 苣 暑 是 仨c 卜 ”w 呵 c 1d ) 图2 - 1 各旅工阶段的计算简图 1 ) 在设置锚杆a 以前的开挖阶段( 图2 1 a ) ，可将挡墙作为一端嵌固在土中的悬 臂桩。 2 ) 在设置锚杆b 以前的开挖阶段( 图2 1 b ) ，挡墙是两个支点的静定梁，两个支 点分别是a 及土中净土压力为零的一点。 3 ) 在设置锚杆c 以前的开挖阶段( 图2 1 c ) ，挡墙是具有三个支点的连续梁，三 个支点分别为a 、b 及土中净土压力零点。 4 ) 在浇筑底板以前的开挖阶段( 图2 1 d ) ，挡墙是具有四个支点的三跨连续梁。 以上各工况阶段，挡墙在土内的下端支点，已如上述取净土压力零点，即地 青岛理工大学工学硕士学位论文 面以下的主动土压力与被动土压力平衡之点。但是对第2 阶段以后的情况，也有 其他一些假定，常见的有： 1 ) 最下一层锚杆以下主动土压力弯矩和被动土压力弯矩平衡之点，亦即零弯矩 占 ，、， 2 ) 开挖工作面以下，其深度相当于开挖高度2 0 左右的一点； 3 ) 上端固定的半无限长弹性支承梁的第一个不动点； 4 ) 对于最终开挖阶段，其连续梁在土内的理论支点取在基坑底面以下0 6t ( r 为基坑底面以下墙的入土深度) 。 2 1 2 荷载的1 2 分担法 当作用在设有锚杆的挡墙墙后主动土压力按太沙基和泼克假定的包络图采用 时，锚杆的内力及其在墙中弯矩的计算，可照以下经验方法进行( 如图2 2 所示) 。 一 孓 八 o 1 二 尹肼囝 足2 - 一 一 o 点3 卜 r 3 1 - _ j ： 、j i j 誊i 坌 l o 矗4 j _ 一 n i： 1 k il 朋_ 孵 一芑0 h 忍啊一 i a )b ) 图2 - 2 荷载的1 2 分担法 1 ) 简单地认为每道锚杆所受的力是相应于相邻两个半跨的土压力荷载值，如 图2 2 中所表示的； 2 ) 土压力强度为g ，对于按连续梁计算，最大支座弯矩( - - 跨以上) 为 m ：旦竺( 2 1 ) 1 0 最大跨中弯矩为 1 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 m ：贮( 2 2 ) 2 0 这种方法由于荷载图式多采用实测锚杆力反算的经验包络图，所以仍具有一 定的实用性，特别对于估算锚杆轴力有一定的参考价值。 2 1 3 “m 法 对于设有多道锚杆的挡墙，基床系数法m 法同样可以适用。此时可以用结构力学的力法 ( 或位移法) 来求解锚杆内力，挡墙在基坑底面以 上的悬臂部分也可以用一般结构力学方法计算 其内力，至于挡墙在基坑底面以下的入土部分 计算，在求得锚杆力后，可与通常m 法一样分 析其内力。 以设有三道锚杆的挡墙为例( 见图2 3 ) ， 当采用力法求解时，先去掉三个锚杆，置以三 个反力r 。、r 、r 。为基本未知量，从而使该 日 日 日x 冬 燃6 一 y 图2 3 多锚杆挡墙计算示意图 三次超静定结构成为静定的基本体系。根据a 、b 、c 三个支点的水平变位为零的条 件可以建立三个方程式 r 0 6 。+ r b 6 口b + r c 6 4 cj r n p = 0 r 0 6b d 七r b 6 b b + r c 6 b c + ab p = 0 r 0 6 。+ r b 6 c b + r c 6 。+ a p = 0 式中 r 。、r 、r 。相应的三个支点反力； 屯在r 。= 1 作用下，基本体系沿r 。方向变位； 死在r 。= 1 作用下，基本体系沿r 。方向变位； 疋在r 。= 1 作用下，基本体系沿r 。方向变位； ( 2 3 ) 厶、瓯。在r 。= 1 作用下，基本体系沿r 。方向的变位和r 。= 1 作用下，基本体系沿r 。方向的变位； 瓯。、如在r 。= 1 作用下，基本体系沿心方向的变位和r 。= 1 作 1 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 求得： 用下，基本体系沿r 。方向的变位； 印、印、印基本体系在土压力作用下，沿r 。、吃、r c 方向的变位。 在任意侧向荷载作用下，挡墙基坑底以上悬臂部分的水平位移可以如下方法 i 一 匹 l j ， =芝 ， 嗍慨7 r d y y ) 憎- y 7 ) x o弋i ? 一 y 卜 ? ， ， i y y ( y ) 图2 - 4 在任葸衙载作用f 墙体变位的计算 在上图2 - 4 中，n 点的水平变位可利用迭加原理，由三部分组成： 1 ) 挡墙作为弹性地基杆件，在基坑底面处d 点受力日。( g 。的合力) 及弯矩 m 。( g 。对o 点的弯矩) 后，o 点的水平变位。 xq=h06hh+m6m(2-4) 2 ) 挡墙作为弹性地基杆件，在基坑底面处d 点受力日。及弯矩m 。后，产生转 角丸，因转角丸而在点处产生的水平变位 九( ，一y ) = ( h o 万删+ m o 痧删) u - y ) ( 2 5 ) 其中，按题意， o = 一( 风+ m 。) 取绝对值。 6 t n q o 3 ) 挡墙悬臂部分作为悬臂梁，在任意荷载g y 作用下，在点产生的水平变位 n 点在任意荷载g y 作用下的总水平变位为 1 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 万= x o + 九( ，一y ) + 万 在集中力作用下，挡墙的水平变位，可以如下求得： j l 口 p 一 ， b 飞f f l 0q o r h一 【j ，秒，) ( 2 6 ) 图2 5 挡墙在集中荷载作用下 在上图2 5 中，设集中力p 作用于彳点，则h o = p ，m 。= p b 。此时，在任 意点的水平变位亦由以下三部分组成： 变位 挡墙作为弹性地基杆系在基坑底面处0 点受力户及弯矩p 6 后，0 点的水平 x q = p 6 h h 七p b 6 h m ( 2 7 ) 挡墙作为弹性地基杆体，在基坑底面处0 点受力p 及弯矩肋后产生的转角 丸在点引起的水平变位 牵扣= p b 6 m h + p 舻6 其中，按题意，丸= 一( p + 尸6 ) 取绝对值。 ( 2 8 ) 挡墙悬臂部分作为悬臂梁，在集中力p 作用下，在点产生的水平变位， 可以根据材料力学求得： 当点位于a o 段时， 万石= 等c 3 3 孚) ( 2 9 ) 当n 点位于a o 段时， = 篆 2 - 3 孚+ 孚 像 1 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 由此得到点的水平变位为式( 2 7 ) 、式( 2 - 8 ) 、式( 2 - 9 ) 之和，或式( 2 7 ) 、 式( 2 8 ) 、式( 2 1 0 ) 之和。 当n 点位于a 点时，y7 = a ，则从式( 2 - 9 ) 或式( 2 1 0 ) 可得。 靠= 等 协 因此，从式( 2 7 ) 、式( 2 9 ) 、式( 2 1 1 ) 可得 = 尸+ 2 p 6 + p b 2 + 等 ( 2 - 1 2 ) 在梯形荷载( 相当于水、土压力) 作用下， 挡墙的水平变位亦司相似地求得： 在右图2 - 6 中，梯形荷载的合力 日。= o = 去( g ，+ 9 2 ) ，合力离基坑面力臂 b ：鱼兰咎，m 。：q 6 3 ( q l + q 2 ) ” 。 挡墙作为弹性地基杆件，在基坑底面处o 点受力q 及弯矩q 6 后，o 点的水平变位 lb ， 口j l w 上 1 - - ， p 厅 o 】，咿0 x q = q 6 h h + o b 6 喇 图2 - 6 挡墙在梯形荷载作用下 ( 2 1 3 ) 挡墙作为弹性地基杆件，在基坑底面处d 点受力q 及弯矩q 6 后，产生的转 角丸在点引起的水平变位 九( ，一y ) = ( o + q 6 ) ( z - y ) ( 2 1 4 ) 同样，九按题意取绝对值。 挡墙悬臂部分作为悬臂梁，在梯形土压力荷载作用下，在点产生的水平 变位，从材料力学可知为： = 去茜 5 9 。 3 4 咩，+ c 孚) 4 + g 。 4 5 c 孚) + 咩，5 ) c 2 耶， 从式( 2 1 3 ) 、式( 2 1 4 ) 、式( 2 1 5 ) 可以求得点总的水平变位为 1 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 a 坳= q 。万删+ 【q b + o q y 7 ) 】万删+ q b ( 1 一y ) s m m + 志 5 9 1 3 叫争酬怕 4 叫孚) + ( 钏 j 6 式中q = 圭( ”9 2 ) ，； 6 ：垒! 兰垡! z ： 3 ( q l + q 2 ) g o29 2 一g lo 在式( 2 7 ) 式( 2 - 1 6 ) 中，设尸= 1 ，即可分别求出正则方程式中的系数屯、 瓯。、屯、皖。、屯、瓯。各值，将有关系数代入式( 2 3 ) ，即可联立求解未知力r 。、 也、r 。 2 1 4 考虑开挖过程的计算方法 前面介绍的多层锚杆支护结构的计算方法，多以一般的板桩理论为基础，不 考虑开挖过程，锚杆似乎在开挖前就已存在，也就是不考虑锚杆反力和结构变形 随开挖过程的变化。实际上，多层锚杆支护结构的内力和变形是随开挖过程而变 化的【17 1 。 下面介绍多层锚杆挡墙考虑开挖过程的计算方法，即考虑分步开挖的施工过 程对锚杆反力、桩身内力和位移的影响，以挠曲线法求解的计算方法。 桩在侧向土压力、锚杆反力及开挖面以下土的弹性抗力共同作用下产生位移， 其位移与侧土压力发展的过程如图2 7 所示。 | _ i ； 一f 理 一 是绷 嬲呻一 一 一 m_ 一 州_ 一p j - 一 州_ _ 州 - - - 图2 7 支护桩位移与侧土压力发展过程 图中4 。、岛。、民分别为第一、第二、第三道锚杆安置前桩身在相应位