（岩土工程专业论文）跨越地铁超高层住宅桩筏基础设计研究.pdfVIP

浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈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。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，也不包含为获得滥姿盘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。 学位论文作者签名： 哆鸟取 签字魄珊午月瑚日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 堑姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝江盘鲎可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，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) 锄摊f 哳 签字日期如7 碑净月强日 奄 z 仪弋月 耖年壤乃尹 名 埘 獬 秽江 者 ： 作妒洙墙 、叉 期 沦 日 位 字 学 签 致谢 本文是在导师谢新宇教授的悉心指导下完成的，从论文选题到最后定稿，字里行间 无不凝聚着导师的诸多心血。两年多以来，导师开明豁达的处事态度、严谨踏实的治学 作风、求是创新的工作精神、开阔敏锐的思维观察力以及渊博的学识、丰富的实践经验 使我受益匪浅。导师的严格要求、谆谆教诲以及在学习生活中给予的关怀和帮助，导师 严于律己、宽于待人的品质学生终生难忘。在论文完稿之际，谨向谢老师表示最真挚的 感谢与敬意! 感谢朱向荣教授生前一直以来对作者的指导和关心。朱老师严谨求是的科学精神， 广博的专业知识以及谦虚、儒雅的学者风范，均让我感受至深。朱老师在丰富作者专业 知识之余，还经常让学生分享人生哲学，使我明白了许多做人的道理，这一切都是作者 今后生活的宝贵财富。 感谢刘开富副教授一直以来对作者的指导和关心! 感谢谢康和教授、王奎华教授、应宏伟副教授和胡安峰副教授的关心与帮助。感谢 吴健博士在有限元计算方面的指导；感谢杨晓迎教授、王金昌副教授、杨红坡博士、彭 从文博士、王文军博士、刘用海博士、博士生韩冬冬、常林越、李金柱、朱凯、李晶、 马伯宁、徐浩峰，硕士杨相如、施尚伟、罗昕、刘海涛、孙智、孙举、吴晓明、王龙、 刘斌、沈青松、王忠瑾、曹奕、冯伟强、吴有霞给予的帮助。 感谢汉嘉设计集团股份有限公司院长叶军和姜玮东教授级高工给予的帮助。 感谢室友胡建荣、何萌、单振东给予的帮助，和他们的友谊作者终身难忘。 感谢我的父母以及我的哥哥，他们对我的关怀是我这辈子最大的财富。无论什么时 候，我都能从他们的关怀中得到安慰和鼓励，去面对未来。我会用一生的努力来回报这 份恩情，诠释他们的期待。 感谢曾对作者和本文给予过支持和帮助的所有老师、同学、朋友和亲人! 最后，衷心感谢评阅我的硕士学位论文和出席论文答辩会的各位专家学者，感谢他 们百忙之中给予的指导! 吴勇华 2 0 1 0 年0 3 月于求是园 浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 随着建筑物日益向高、重、大方向发展，桩筏基础以其承重大、适应性强的优点， 被愈来愈多地采用。常规设计方法通常不能有效考虑上部结构刚度的作用，尤其上部为 刚度较大的剪力墙结构时，设计的筏板往往偏厚，配筋量过多，这将造成材料的大量浪 费。因此，开展上部结构与桩筏基础共同作用的研究课题具有重要意义。随着城市的发 展与扩张，地上的城市交通已经不再满足实际需求，地铁等交通设施得到了快速发展。 在地铁施工过程中，隧道开挖会引起周围土体位移，从而引起附近桩筏基础的附加内力 和变形。因此，研究隧道开挖对桩筏基础性状的影响对于工程设计的安全性、经济性具 有实际的指导意义。本文以华润新鸿基钱江新城住宅项目为工程背景，采用数值模拟 研究与工程应用相结合的方法，对下穿地铁隧道超高层住宅桩筏基础性状进行了研究。 首先，借助a b a q u s 有限元软件建立了剪力墙结构一桩筏基础一地基共同作用的 三维弹塑性有限元模型，分析了上部结构刚度、逐层施工、筏板厚度、基础刚度、地铁 隧道跨度及厚板z 向应力等因素对筏板性状的影响。在分析了六种跨越地铁隧道方式对 筏板沉降及内力影响的基础上，提出了合理的桩筏基础跨越地铁隧道的方式。地铁隧道 两侧的桩顶反力数值计算结果与实测值较为吻合。 其次，借助a b a q u s 软件建立了简化的地铁隧道开挖三维弹塑性有限元模型，分 析了地铁隧道分步开挖对桩筏基础内力与变形的影响，以及隧道埋深和土性参数对群桩 变形的影响；分析了地铁隧道盾构掘进施工力对邻近群桩的变形的影响。 再次，借助a b a q u s 有限元软件建立了隧道一地基动力相互作用分析模型，分析 了地铁列车运行引起的地表振动特性，并给出了地铁运行速度、隧道埋深等因素对地表 振动特性的影响规律；分析了地铁运行对桩基变形的影响。 最后，对跨越地铁的桩筏基础筏板厚度、筏板配筋等进行了优化设计。 关键词：桩筏基础；共同作用；跨越方式；地铁隧道开挖；地铁运行；三维有限元 一i i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep i l e dr a f tf o u n d a t i o ni su s e dm u c hm o r ew i d e l yf o ri t sg r e a ta d a p t a b i l i t ya d v a n t a g e c o n v e n t i o n a ld e s i g ni s g e n e r a l l yu n a b l et ot a k ei n t oa c c o u n tt h ee f f e c to fs u p e r s t r u c t u r e s t i f f n e s s ，s ot h er a f ti su s u a l l yd e s i g n e dt o ot h i c ka n dal o to fc o n s t u c t i o nm a t e r i a l sa r ew a s t e d t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r ya n di m p o r t a n tt o s t u d yt h o r o u g h l y o i li n t e r a c t i o nb e t w e e n 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t o p t i m i z e d k e y w o r d s ：p i l e dr a f tf o u n d a t o n ；i n t e r a c t i o n ；c r o s s i n gm e t h o d ；m e t r ot u n n e le x c a v a t i o n ；m e t r o o p e r a t i o n ；t h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n t i v 浙江大学硕士学位论文目录 目录 致谢i 摘要i i a b s t r a c t i i i 目录v 主要符号与说明v i i 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 研究现状1 1 2 1 上部结构一基础一地基共同作用问题1 1 2 2 隧道开挖对邻近桩基影响问题3 1 2 3 地铁运行对周围环境影响问题4 1 3 以往研究存在的主要问题5 1 4 课题主要研究内容与研究方法5 1 4 1 研究内容5 1 4 2 研究方法与工程背景6 第2 章有限元法基本理论7 2 1 引言一7 2 2 有限单元法的发展和现状7 2 3 材料本构模型8 2 3 1 混凝土本构模型8 2 3 2 土体本构模型8 2 4 单元库1 0 2 4 1 空间八节点单元1 0 2 4 2 矩形平板壳单元一12 2 4 3 接触单元1 4 2 4a b a q u s 程序简介1 5 2 5 本章小结1 7 第3 章上部结构与桩筏基础和地基共同作用下对桩筏基础性状的影响1 8 3 1 引言18 3 2 模型的建立18 3 2 1 基本假定1 8 3 2 2 计算简图18 3 2 3 计算参数2 0 3 2 4a b a q u s 分析方法2 0 3 3 计算结果与分析21 3 3 1 常规方法与共同作用方法结果比较2 1 3 3 2 上部结构逐层施工对桩筏基础的影响2 4 3 3 3 筏板板厚的影响2 6 3 3 。4 地基刚度的影响3 0 3 3 5 地铁隧道跨度的影响3 l 3 3 6 跨越地铁隧道方式对筏板变形和内力的影响3 3 3 3 7 厚板z 向应力对筏板设计的影响3 6 一v 一 浙江大学硕士学位论文 目录 3 3 8 桩顶反力数值计算结果与实测数据对比一3 8 3 4 本章小结3 9 第4 章地铁隧道开挖对邻近桩筏基础影响4 1 4 1 引言4 1 4 2 模型的建立4 l 4 2 1 基本假定4 1 4 2 2 计算简图一4 1 4 2 3 计算参数4 3 4 2 4a b a q u s 分析方法4 4 4 3 计算结果与分析4 5 4 3 。1 地铁隧道开挖对筏板内力的影响4 5 4 3 2 地铁隧道开挖对筏板沉降的影响4 7 4 3 3 地铁隧道开挖对群桩内力的影响4 8 4 3 4 地铁隧道开挖对群桩变形的影响4 9 4 3 5 地铁隧道埋深的影响5 0 4 3 6 土性参数的影响5 2 4 4 7 盾构掘进施工荷载对桩身水平变形的影响5 4 4 3 本章小结5 5 第5 章地铁运行对地表振动及建筑物基础的影响5 6 5 1 弓i 言5 6 5 2 模型的建立5 6 5 2 1 地铁列车振动的计算模型尺寸及边界条件5 6 5 2 2 地铁列车荷载的模拟5 8 5 2 3 材料参数及单元选择5 9 5 3 地铁运行引起环境振动的评价方法6 0 5 4 计算结果与分析6 1 5 4 1 地铁运行对地表振动的影响6 1 5 4 2 地铁运行对桩身变形的影响6 4 5 4 3 地铁隧道埋深对地表振动的影响6 5 5 5 本章小结6 6 第6 章跨越地铁隧道桩筏基础优化设计6 7 6 1 引言6 7 6 2 筏板的厚度6 7 6 3 筏板的配筋6 8 6 4 跨越地铁隧道的方式6 9 6 5 地铁隧道邻近桩的优化设计6 9 6 6 本章小结6 9 第7 章结论与建议7 1 7 1 本文主要结论7 1 7 2 进一步研究建议7 2 参考文献7 3 作者简介一7 8 一v i 浙江大学硕士学位论文 主要符号与说明 a 一有劾口速度，m s 2 一基准加速度，l l 心 【b 】单元应变矩阵 c 材料黏聚力，k p a d 单元弹性矩阵 e 一材料的弹性模量，m p a 毛土的变形模量，m p a e 一在万平面形状的参数 ，盾构掘进正面推力，k n f ( t ) 一地铁列车荷载，k n h 隧道埋深，m k 。单元刚度矩阵 k o 静止土压力系数 乞一铅垂向振级，d b m o 列车簧下质量，埏 尸一振动荷载，k n p 等效压应力，k p a q m i s e s 等效应力，k p a 主要符号与说明 v i i s 应力偏量，k p a r 一筏板厚度，m 时间，s y 地铁列车运行速度，k m h w ，圆频率 v 泊松比 0 一极偏角，。 y 子午面上高围压时的剪胀角，。 r 。( 臼，9 ) 偏应力系数 y 土的重度，k n m 3 f 剪切强度，k p a p 土的密度，k g m 3 瓯一垂直地应力，k p a 死一水平地应力，k p a 摩擦系数 缈一材料的内摩擦角，。 盯应力，k p a 占应变 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 桩筏基础以整体性好、竖向承载力高、基础沉降小、调节差异沉降能力强的优点， 随着建筑物日益向高、重、大方向发展，被愈来愈多地采用。而现行规范中尚无桩筏基 础的专门设计规范，对桩筏基础的常规设计方法通常不能有效考虑上部结构刚度的作用， 尤其上部为刚度较大 的剪力墙结构时，设计的筏板往往偏厚，配筋量过多，造成材料的 大量浪费。就钢筋混凝土结构和一般地质条件而言，采用桩筏基础的高层建筑，其基础 工程的费用约占建筑总造价的2 0 一3 0 。因此，进行上部结构与桩筏基础和地基共同 作用的研究，改善桩筏基础的设计方法，对于降低工程造价，具有非常重要的现实意义。 随着城市的发展与扩张，城市交通已经不在满足于地上，地铁等交通设施得到了快 速发展。目前，北京、天津、上海、广州、深圳、南京、杭州、哈尔滨、成都、沈阳、 武汉、重庆、西安、苏州、宁波、无锡、长沙、郑州、福州、昆明、大连、南昌等2 2 个城市轨道交通建设规划已经得到批复。其中，已建成地铁2 1 条，长约6 0 0k m ；在建 地铁2 0 条，长约7 0 0k m 。在地铁建设过程中，不可避免地要穿过既有建筑物的基础。 一方面，地铁隧道开挖会引起周围土体位移，从而引起附近基础的附加内力和变形，直 接关系到建筑物的使用性和安全性；另一方面，地铁列车运行时产生的振动通过隧道， 经岩土介质向周边地层表面和建筑物基础传播，诱发地铁周边环境和地面建筑物的振动， 势必会对邻近建筑物基础造成影响。因此，研究地铁隧道施工及地铁运行对邻近建筑物 基础的影响也显得愈来愈重要。 1 2 研究现状 1 2 1 上部结构一基础一地基共同作用问题 共同作用问题的研究始于二十世纪四十年代。自从m e y e t h o f ( 1 9 4 7 ) 提出基础与上部 结构共同作用的概念以来，共同作用课题受到国内外工程界的广泛重视。其后， c h a m e c l d ( 1 9 5 6 ) ，g r o s s h o f ( 1 9 5 7 ) 相继研究单独基础上多层多跨框架结构的共同作用。六 十年代，s o m e r ( 1 9 6 5 ) 提出考虑上部结构刚度计算基础沉降、接触应力和弯矩的方法。随 着计算机和有限元等数值分析方法的出现，共同作用研究摆脱了局限于基础梁、板简化 为弹性地基上梁板的计算，从而对整个结构体系的共同作用进行分析。p r z i m i e i l i e e b ( 1 9 6 8 ) 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 提出子结构法分析上部结构，为h a d d a d i n ( 1 9 7 1 ) 首次利用子结构法研究地基、基础与上 部结构共同作用打下基础。h a i n 和l e e ( 1 9 7 4 ) 用子结构法和有限元法分析了w i n k l e 地基 和半空间地基上的空间框架结构一筏板一土的共同作用。k i n g 和c h a n d e a s e k a r a n d ( 1 9 7 5 ) 则用有限元法分析了超固结粘土上的空间框架结构一筏板一地基共同作用的瞬时及长期 变化情况。b r o w n 和y u ( 1 9 8 6 ) 研究了施工逐层加载过程中结构体系的有效刚度。v i l a d k a r 等( 1 9 9 3 ) 研究了土的线性蠕变对空间结构不均匀沉降的影响。n a s r i 和m a g n a n ( 1 9 9 7 ) 用有 限元法分析了土的b i o t 固结对空间框架结构一筏板一地基相互作用的影响以及各参数的 变化对分析结果的影响。1 9 7 7 年，在印度召开了第一次“土与上部结构共同作用”国际 性会议，1 9 7 8 年第九届、1 9 8 1 年第十届国际土力学与基础工程会议等也对上述问题列有 专题讨论，1 9 8 7 年在巴黎召开“土与结构物共同作用的国际会议”。从此，共同作用成 为国际性研究课题。 在国内，从2 0 世纪6 0 年代初开始对“共同作用”也做过一些研究工作。7 0 年代我 国高层建筑逐渐兴起，促使高层建筑与地基基础共同作用研究加速发展。1 9 8 2 年、1 9 8 6 年、1 9 9 0 年我国第一、第二、第三届岩土力学解析与数值方法会议和1 9 8 3 年、1 9 8 7 年、 1 9 9 1 年我国第四、第五、第六届土力学及基础工程学术会议均设有共同作用专题组进行 研讨。特别是在1 9 9 3 年召开了第一届结构与介质相互作用学术会议，使共同作用课题不 仅在岩土工程中得到了发展，而且应用到其他学科中去。 方世敏( 1 9 8 0 ) 采用矩阵位移法的子结构原理，将高层建筑的上部结构刚度凝缩为基 础梁的刚度，同时引入有限压缩层的分层总和法模型，研究了平面框架下基础梁的受力 情况。张问清、赵宏锡等( 1 9 8 0 ) 在高层建筑与土的相互作用分析中，提出一种逐步扩大 子结构方法。宰金珉等( 1 9 8 3 ) 对空间剪力墙结构和具有双线性变形性质的层状横向各向 同性地基，分别采用双重扩大子结构有限元分析和弹性半空间分析，给出了高层空间剪 力墙结构与地基基础相互作用的分析方法和程序。k i n g 和姚祖恩( 1 9 8 3 ) 提出了用有限单 元法分析空间框架一筏基或独立基础一三维非均质土体系统相互作用基本原理，第一次 将有限单元法应用于空间框架一独立基础一三维非均质土体系统相互作用分析。杨敏 ( 1 9 8 9 ) 对上部结构与桩筏基础的共同作用进行了理论与试验研究，并重点分析了筏板厚 度的合理化问题。宰金珉、宰金璋( 1 9 9 3 ) 的高层建筑基础分析与设计收集了大量高 层设计资料，较系统完善地论述了高层建筑基础分析设计方法。陆培俊( 1 9 9 3 ) 研究了高 层建筑结构一桩一土共同作用的空间问题。董建国、赵宏锡( 1 9 9 7 ) 的高层建筑地基基 础一共同作用理论与实践，针对高层建筑地基基础的特点，比较系统地阐述了高层建 ， 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 筑一地基箱形筏基础与桩箱筏基础一地基共同作用的地基模型、分析方法与设计理论， 总结了高层建筑地基基础共同作用的工作机理与设计建议。陈云敏、陈仁朋等( 2 0 0 1 ) 提 出了一种考虑土一桩一筏相互作用的桩筏基础简化方法，将桩简化成弹簧作用在筏板下， 采用1 6 节点退化实体等参元对筏板进行有限元分析，获得筏板的沉降和内力。张武、刘 金砺( 2 0 0 2 ) 提出变刚度调平设计的概念，调平设计是以控制桩筏基础的差异沉降为原则， 进而降低筏板内力和上部结构次应力、减少板厚、配筋、改善建筑物的功能。周定松、 吕西林- 等( 2 0 0 3 ) 考虑上部结构、基础与地基三者共同作用，建立三维弹塑性模型，对简 体结构下桩筏基础受力做了非线性数值分析。葛忻声、龚晓南等( 2 0 0 3 ) 通过建立框架结 构、基础与地基的三维有限元模型，分析了地基的应力场和位移场。黄丹海、陈云敏( 2 0 0 4 ) 用三维有限单元法分析了上部结构和基础间的相互作用，通过一个简单的框架模型探讨 了上部结构刚度对基础内力的影响规律，论证了常规设计方法的不足。齐良锋、张保印 ( 2 0 0 4 ) 通过对陕西省邮政电信网管中心大楼工程的桩筏基础进行原位测试，分析了西北 黄土地区高层建筑桩筏基础的沉降特性、桩间土反力分布、桩顶反力分布及筏板内力分 布。袁凡凡、栾茂田等( 2 0 0 5 ) 采用无厚度接触面单元模拟筏板一桩一土之间的非线性接 触特性，对桩筏基础进行了三维弹塑性有限元分析，得到了筏板一桩一土接触表面上法 向应力和摩擦应力的分布以及桩周土塑性变形发展情况。栾茂田、崔春义等( 2 0 0 8 ) 考虑 流变与固结效应，通过有限元方法数值求解b l o t 耦合固结方程，对桩筏基础与地基共同 作用的时间效应问题进行了非线性数值分析。戴标兵、艾智勇等( 2 0 0 8 ) 通过对上海长风 商场大楼现场测试，论述了结构刚度对筏基应力的影响和对基础的贡献层数以及刚度贡 献的有限性。 1 2 2 隧道开挖对邻近桩基影响问题 隧道开挖掘进对邻近桩基的影响是一个相当复杂的动态三维过程。因为问题的复杂 性，目前国内外相关文献还比较少。m o r t o n 和k i n g ( 1 9 7 9 ) 通过室内试验来研究隧道对桩 基承载力和沉降的影响。p o u l o s 和d v a i s ( 1 9 8 0 ) 研究了地铁开挖时桩的反应( 含侧向，轴 向) ，基于一种简单的边界单元对桩的侧向反应利用计算机进行了分析，分析时桩被认为 是简单的弹性地基梁，土假定为各向同性的弹性材料。l e e 等( 1 9 9 4 ) 报道了隧道开挖对桩 变形的实测结果，并且用g e p a n 程序进行了模拟分析。c h e n 等( 1 9 9 9 ) 则采用l o g n a h t n a 和p o l o u s ( 1 9 9 5 ) 的隧道工程引起土体位移的解析解公式分析了隧道开挖引起的桩反应问 题。j a e o b s z 等( 2 0 0 2 ) 在密实干砂土中作了开挖隧道对临近单桩离心模型试验，提出了离 心模型和测试方法。p o u l o s ( 2 0 0 2 ) 研究了隧道开挖对于单桩和群桩的影响。m r o u e h 和 3 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 s h a h r o u r ( 2 0 0 2 ) 采用三维弹塑性有限元模型分析了城市隧道施工对邻近桩基的影响。 l e u n g 等( 2 0 0 3 ) 采用岩土离心机研究了深开挖对位于未加固砂土地区群桩基础的影响效 应。l e e 和j a c o b s z ( 2 0 0 6 ) 应用三维弹塑性有限元技术，探讨了隧道桩的相互作用及隧道 开挖对邻近桩基的影响。 在国内，李永盛和黄海鹰( 1 9 9 7 ) 提出了盾构隧道开挖掘进对相邻桩体力学影响的实 用计算方法。芮勇勤等( 2 0 0 3 ) 运用岩石破裂与失稳过程分析r f p a 2 d 系统及f l a c 2 d 程 序对广州地铁二号线隧道通过电化教育学院录音楼引起建筑物桩基的变形与力学特性进 行研究。李宁等( 2 0 0 6 ) 采用有限元数值模拟分析技术，研究了因隧道开挖施工而引起周 围土体及不同位置单桩的变形规律。罗文林- 等( 2 0 0 7 ) 在概述国内外研究成果的基础上， 探讨了采用有限差分数值模拟技术模拟建筑物桩基的方法及参数取值问题，分析了隧道 开挖施工引起周围土体及桩基的变形特点。李早和黄茂松( 2 0 0 7 ) 采用两阶段分析方法， 提出了隧道开挖对群桩竖向位移和内力影响的解析计算方法。刘枫等( 2 0 0 8 ) 结合工程实 例，采用a b a q u s 模拟隧道开挖对邻近桩基工作性能的影响。朱逢斌等( 2 0 0 8 ) 通过采用 m o l a r c o u l o m b 弹塑性屈服准则，建立三维有限元数值模型，研究了软土地区盾构隧道 开挖对邻近桩基的影响规律。韩煊等( 2 0 1 0 ) 以伦敦伊丽莎白大厦为例，研究了该建筑物 在地铁隧道施工过程中产生的扭曲变形。 1 2 3 地铁运行对周围环境影响问题 目前，对于地铁等交通工具运行时所引起的振动主要有三种研究方法：( 1 ) 理论分析 方面，即采用经典的半空间弹性波动理论对此问题加以分析。杨英豪和王杰贤( 1 9 9 5 ) 以 半空间表面上作用无限长或移动竖向扰力的力学模型，得到了交通车辆运行对周边土层 振动传播规律。a m i r 等( 2 0 0 0 ) 将高速列车运行引起的振动作用简化为以列车车速移动的 一系列集中荷载，将地基视为粘弹性半空间，考虑地基土的动力非线性特性，研究了地基 土在不同列车速度下的位移反应。( 2 ) 现场测试方面，茅玉泉( 1 9 8 7 ) 、k u r z e ( 1 9 9 6 ) 通过实 际测量交通工具运行时产生振动，获得振动传播和衰减规律。( 3 ) 数值模拟方面，h a l l ( 2 0 0 3 ) 以a b a q u s 软件为计算平台，用梁单元模拟钢轨，通过共同节点与轨枕连接；用8 节 点块体单元模拟路基；利用吸收s 波与p 波的阻尼单元模拟无限边界；以移动点荷载模 拟列车振动作用；材料视为线弹性体，并采用瑞利阻尼假定，据此建立了列车振动作用 下路基的三维计算模型。b r i e n 和r i z o s ( 2 0 0 5 ) 采用有限元与边界元耦合的方法，不考虑 道碴和底基层的影响，轨枕直接位于线弹性半空间地基上，地基土用边界单元模拟，钢 轨用梁单元模拟，研究了高速列车以不同速度运行时，硬土和软土路基的竖向和水平向 4 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 位移反应。洪俊青和刘伟庆( 2 0 0 6 ) 建立了土层系统一建筑物二维共同作用有限元模型， 采用n e w m a r k 隐式逐步积分法，从地铁列车荷载频谱特征和场地土层类型角度，分析了 由地铁运行所诱发的周边建筑物振动响应规律。陈国兴等( 2 0 0 8 ) 1 ) 2 软件a b a q u s 为计 算平台，给出了模拟地铁列车振动荷载的表达式；采用修正m a r t i n s e e d d a v i d e n k o v 动 粘弹塑性本构模型描述土的动力特性；分析了地铁列车引起的地表振动特性。 1 3 以往研究存在的主要问题 通过以上对已有文献的分析可以看出，共同作用研究、地铁隧道开挖对邻近桩基影 响及地铁运行对周围环境的影响研究已取得很大进展，但尚有一些问题没有得到合理解 决： ( 1 ) 对于上部结构一基础一地基共同作用问题的研究，跨越地铁隧道的桩筏基础与 上部共同作用的研究很少有报道，跨越地铁隧道方式对基础沉降及内力影响尚不明确。 ( 2 ) 对于隧道开挖对邻近桩基影响问题的研究，研究多集中在隧道开挖对邻近单桩 的影响，且没有考虑隧道盾构掘进时施工荷载对桩基的影响。 ( 3 ) 对于地铁运行对周围环境影响问题的研究，研究多集中在地铁运行对地表振动 的影响，地铁运行对邻近建筑物基础变形的影响较少。 1 4 课题主要研究内容与研究方法 1 4 1 研究内容 通过控制基础的单方( 单位建筑面积) 砼量和钢筋用量来控制技术经济指标。研究 内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 研究上部结构与桩筏基础和地基共同作用下对桩筏基础内力与变形的影响 利用a b a q u s 建立剪力墙一桩筏基础一地基共同作用的三维弹塑性有限元模型， 分析了上部结构刚度、上部结构逐层施工、筏板厚度、地基刚度、地铁隧道跨度、桩筏 基础跨越地铁隧道方式等因素对桩筏基础内力和变形的影响；对筏板采用薄板单元与厚 板单元分别计算，通过对比分析厚板z 向应力对筏板变形的影响。 ( 2 ) 研究地铁隧道开挖对桩筏基础内力与变形的影响 利用a b a q u s 建立隧道开挖三维弹塑性有限元模型，研究了地铁隧道开挖对桩筏 基础内力与变形的影响，并分析了筏板厚度、地铁隧道埋深，土性参数的影响；考虑地 铁隧道盾构施工过程中盾构机对土体前进方向与径向的力，分析盾构施工力对邻近群桩 弋 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 变形的影响。 ( 3 ) 研究地铁运行对地表振动及桩筏基础变形的影响 利用a b a q u s 建立隧道一地基动力相互作用分析模型，采用分贝评价指标，分析 了地铁列车运行引起的地表振动特性，并给出了地铁运行速度、地铁隧道埋深等因素对 地表振动特性的影响规律；分析了地铁运行对桩筏基础变形的影响。 ( 4 ) 跨越地铁隧道桩筏基础优化设计 根据前面的研究成果，对筏板的厚度及配筋进行优化设计，提出合理的桩筏基础跨 越地铁隧道方式。 1 4 2 研究方法与工程背景 以华润新鸿基钱江新城项目为工程背景，采用数值模拟研究与工程应用相结合的 方法。 华润新鸿基钱江新城项目坐落于杭州市钱江新城。由e 0 6 、e 0 7 、e 0 8 、e 0 9 地 块组成，拟建设酒店、商业、s o h o 公寓及高档住宅。其中高档住宅用地位于整个项目 地块的东侧。住宅用地东北面靠庆春东路延伸段，东南面临富春江路，西南面沿规划9 号路，西北面与酒店地块相衔接。住宅用地总面积为2 3 6 公顷，形状为由东南至西北的 方整矩形，拟建设住宅1 0 6 0 0 0m 2 。 住宅项目主要由东西向呈弧形布置三幢超高层住宅组成。1 楼、2 拌楼室外地坪到屋 顶楼面高为1 5 0 6m ，3 存楼室外地坪到屋顶楼面高为1 4 5 4m 。结构层数1 f i 楼、2 楼为四 十六层，3 撑楼四十五层。建筑平面长度1 群楼5 8 3 0m 、2 牟楼5 9 2m 、3 群楼5 9 2r n ，宽度 1 i 楼1 9 0m 、2 楼1 9 0m 、3 楼1 8 1m 。 超高层住宅按现浇钢筋混凝土全落地剪力墙结构布置，三幢住宅单体同落于一两层 地下室上面，因使用要求，地下室不设缝。形成地下两层大底盘，上部分三个塔楼的结 构体系。拟建杭州地铁2 拌线沿地块东北面庆春东路地下走，而拟建杭州地铁4 线穿过本 地块与2 线在庆春东路钱江路站对接。地铁部门要求1 、2 # 楼基础下8m 左右预留2 条净宽1 0m 左右地铁隧道。 浙江大学硕士学位论文第2 章有限元法基本理论 2 1 引言 第2 章有限元法基本理论 有限单元法( 或称有限元法) 是当今工程分析中获得最广泛应用的数值计算方法。 在基础工程问题中，由于岩土材料的非线性和边界条件的复杂性，解析研究难以开展， 这就只能求助于各种数值方法。有限元法由于其自身的优越性，在岩土问题中得到了广 泛的应用。本章将对有限单元法理论基础及有限元软件a b a q u s 作简单介绍。 2 2 有限单元法的发展和现状 从应用数学的角度考虑，有限单元法的基本思想可以追溯到c o u r a n t ( 1 9 4 3 ) 工作。 他首先尝试应用在一系列三角区域上定义的分片连续函数和最小位能原理相结合，来求 解s t v e n a n t 扭转问题。此后，不少应用数学家、物理学家和工程师分别从不同的角度对 有限元法的离散理论、方法及应用进行了研究。有限元法的实际应用是随着电子计算机 的出现而开始的。首先是t u r n e r 、c l o u g h 等( 1 9 5 6 ) 将刚架分析中的位移法推广到弹性力 学平面问题，并应用于飞机结构的分析。他们的研究工作开始了利用电子计算机求解复 杂弹性力学问题的新阶段。c l o u g h ( 1 9 6 0 ) 进一步求解了平面弹性问题，并第一次提出了 “有限单元法”的名称，使人们更加清楚地认识到有限单元法的特性和功效。 b e s s e l i n g ( 1 9 6 3 ) 将有限单元法和传统的里兹法比较后指出，有限单元法是里兹( r i t z ) 法的另一种形式，其势函数就是分片插值函数，在单元上解析，在整个域上仅满足连续 的条件。势函数的这一改进，使有限单元法比普通的里兹法更加灵活，适应性更强。 c l o u g h ( 1 9 6 7 ) 首先将有限单元法引入到土力学计算当中，分析堤坝的应力和变形。 e l i s i o n ( 1 9 7 1 ) 、d e s a i ( 1 9 7 4 ) 等陆续将有限单元法应用于桩体分析，用于分析桩的受力特性， 并与实测结果相应证，以指导桩的设计和施工。p o u l o s ( 1 9 8 9 ) 在r a n k i n e 讲座中对桩基的 理论与实践进行全面系统的总结时指出：在各种分析轴向荷载桩的方法之中，有限单元 法是最有力的分析方法，不仅能考虑土体的非现性，而且能模拟贯入、成桩后土体固结 效应、动力效应整个过程。随着计算机的迅速发展，有限单元法很快应用于各类科学研 究。 浙江大学硕士学位论文 第2 章有限元法基本理论 2 3 材料本构模型 在有限元分析中，不同材料本构模型的选取是非常重要的，它决定了计算分析的正 确性和可靠性。本文主要涉及到土体和混凝土两种材料的本构模型。 2 3 1 混凝土本构模型 对于混凝土材料的梁板、剪力墙、筏板、桩和隧道衬砌，由于其模量远大于土体模 量，采用线弹性模型。线性弹性模型满足广义虎克定律，其表达式为： 1 9 ) = 【d 】h ( 2 1 ) 式中，【d 】为弹性矩阵。对于三维问题，其表达式为： 【d 】= 而丽e 面 ( 2 2 ) 式中，e 为弹性模量，v 为泊松比，它们可以通过试验和借鉴以往经验选取。 2 3 2 土体本构模型 土体是一种复杂的天然散粒体，具有各向异性、非均质性和非连续性等性质，同时 在力学性能上表现出强烈的非线性、非弹性等性状。在土力学中，常用的土体弹塑性模 型有m o h r - c o u l o m b 、d r u c k e r p r a g e r 、剑桥模型和修正剑桥模型等，本文中土体采用 m o h r c o u l o m b 屈服准则。m o h r c o u l o m b 模型的弹性阶段必须是线性、各项同性的，其 屈服面方程为： f = r 。q p t a n 一c = 0( 2 3 ) 其中： 啪卿= 南s i n ( 9 + 詈) + h p + 詈) 伽 亿4 ， 式中，为m o h r - c o u l o m b 屈服面在p q 平面上的斜角，一般指材料的内摩擦角； p 为剪应力方位角；p 为等效压应力；q 为m i s e s 等效应力，如式2 5 一式2 7 所示。 。半 。 。 一2 。 。一2 。 。 l y y 一 0 o 0 y y 0 0 o l y y o 0 0 浙江大学硕士学位论文第2 章有限元法基本理论 c o s ，制 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) f o 、i 1 式中，为偏应力张量的第三不变量，= l 丢s ：s ：si 。；其中，s = 仃+ 为应力偏量。 么 传统m o l 小c o m o m b 模型的屈服面存在尖顶，这将导致塑性流动的方向不唯一，进 而导致数值计算的繁琐和收敛缓慢；为了避免这些问题，a b a q u s 有限元软件对传统的 m o h r - c o u l o m b 模型进行了修正，它选取连续光滑的流动势函数对该问题进行修正，该 势函数的形状在子午面上是双曲线，而在丌平面上是椭圆，如图2 1 和图2 2 所示。 舶i - 沪y 一 ， i 占c l 。 卜叫 图2 1m o h r - c o u | o m b 模型在子午面上的塑性流动势函数形状 口= 0 一 r a n l 、一 ，- 7 7 滏 p & w i l l a m ( 1 2 ( p 1 1 图2 2m o h r - c o u l o m b 模型在万平面上流动势函数形状 9 1 3 一) 叹 一洛 c s 觚一 k 3 阿怄 一 l i = g 浙江大学硕士学位论文 第2 章有限元法基本理论 双曲线型的流动势函数的方程为： g = ( 留l o t a n 缈) 2 + ( 尺。g ) 2 - p t a n y ( 2 8 ) 其中： r m w ( 印) ：k 悖矽 _ 坠鱼哩丝车芸寻 ( 2 9 ) 3 2 ( 1 一e 2 ) c o s 0 + ( 2 p 一1 ) 4 4 ( 1 一e 2 ) c o s 20 + 5 e 2 4 e 式中，矽为子午面平面上高围压时的剪胀角；c l 。为初始粘聚力；占和e 为定义流动 势函数在子午面和在丌平面形状的参数，占一般取为o 1 ，e 可由下式确定： ：_3-isinbe ( 2 1 0 ) = 一 i z 1 u l 3 + s i n 西 、 7 2 4 单元库 为了客观模拟不同结构的工作特性，有时需要采用不同的单元联合起来，对所建的 数值分析模型进行网格划分，下面对本文中所用到的主要几种单元类型加以介绍。 2 4 1 空间八节点单元 进行有限元分析需将所分析问题的求解域离散成有限个适当的单元。由于等参单元 精度好，目前得到了比较广泛的应用。在三维分析中常采用空间八节点单元( c 3 d 8 ) 对桩 体、土体进行离散，如图2 3 所示。单元节点的位移和坐标分别用u i 、v i 、w 和毛、咒、 z i ( f = 1 ，2 ，8 ) 来表示。 ( a ) 实际单元( b ) 基本单元 图2 3 空间八节点单元 空间八节点单元任意一点形函数f 由局部坐标可表示为： 浙江大学硕士学位论文 第2 章有限元法基本理论 = 吉( 1 + 够) ( 1 + 刁毪) ( 1 + 鸣) ，( h ，2 ，8 ) ( 2 1 1 ) 式中，缶、硗、色为节点i 坐标值。 单元内任意一点的坐标变换式和位移模式可取为： x = m 毛，y = 咒，z = 鸩五 “= m ，v = f v ，w = ，嵋 根据几何方程，单元中的应变为： = 吲。= 【b 垦反】。 式中， = t f 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 乞气 t 为单元位移矢量； 万) 。= 甜。 mu 2屹w 2 蚝v 8 t ；【b 为单元应变矩阵，其表达式为