（岩土工程专业论文）深基坑内支撑支护体系及其数值研究.pdf

西安建筑科技大学硕士论文 深基坑内支撑支护体系及其数值研究 专业；岩土工程 硕士生：张显飞 导师：冯志焱副教授 李爱国高级工程师 摘要 随着我国国民经济的快速发展，城市化进程不断加快，土地资源紧张的矛盾 也日益突出。在城市地下空间开发和高层建筑物的建设过程中，产生了大量深基 坑工程，其规模和深度不断增加。城市中的深基坑工程一般都处在密集的建筑群 中，施工场地狭窄，有些工程的基础紧邻已有建筑物或构筑物的基础，这些对深 基坑的设计与施工提出了更高的要求。虽然近年来许多学者和工程技术人员已经 在基坑工程设计的变形控制方面作了很多研究，但在基坑开挖过程中基坑支护结 构变形、周围地层位移、近邻建筑物变形及其相互关系规律方面仍然有很多要解 决的问题。 本文针对深圳某深基坑工程，运用岩土工程数值分析软件f l a c ，对深基坑 开挖的全过程进行了数值模拟分析。模拟研究了基坑支护桩直径、支护桩间距、 内支撑截面、支撑道数及开挖分层厚度的变化，对基坑支护桩水平位移与内力、 支撑轴力、地表沉降、临近地铁结构变形的影响，并探讨了其影响规律，得到了 一些对深基坑工程设计和施工有实际意义的结论。并针对基坑工程设计的变形和 内力指标，提出了基坑支护的优化设计方案和开挖方案。 关键词：深基坑；邻近地铁隧道；内支撑；变形；数值模拟；优化设计 西安建筑科技大学硕士论文 n u m e r i c a ls t u d yo nt h eb e h a v i o ro fm u l t i - p r o p p e dd e e p f o u n d a f i o ne x c a v a t i o n s p e c i a l t y ：g c o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：z h a n gx i a n f e i i n s t r u c t o r ：f e n gz h i y a nl ia i g u o a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y , t h ep r o c e s so fu r b a n i z a t i o ni sf a s t e ra n d f a s t e r , t h ep r o b l e mo ft h er a r eo fl a n ds o a r c ei ss t a n d i n go u td a yb yd a y a st h e e x p l o i t a t i o no f u n d e r g r o u n ds p a c ea n dt h eh i g h - r i s es t r u c t u r e si nu r b a n ，al a r g en u m b e r o fd e e pf o u n d a t i o ne x c a v a t i o n sh a v ea p p e a r e dl a t e l y t h e i rs c a l ea n dd e p t hi n c r e a s e c o n s t a n t l y u r b a nd e e pf o u n d a t i o ne x c a v a t i o n sa r eg e n e r a l l ys u r r o u n d e dw i md e n s e b u i l d i n g s s ot h e i rw o r k i n gs p a c ei sv e r yn a 订d w e s p e c i a l l yw h e nc l o s et ot h ea d j a c e n t b u i l d i n g s0 rs t r u c t u r e s ，w h i c hm a d et h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o nm o r ed i f f i c u l tb yu s i n g t h er o u t i n ed e s i g nt h e o r ya n dc o n s t r u c t i o n 妣h n 0 1 0 幻lm a n ys c h o l a r sa n de n g i n e e r s h a v ea l r e a d ym a d eg r e a te f f o r ti n t h e d i s p l a c e m e n t - c o n t r o l l i n gd e s i g no fd e e p f o u n d a t i o ne x c a v a t i o n sr e c e n ty e a r s ，h o w e v e r , p r o b l e m sr e m a i n st ob es o l v e di n c o r r e l a t i o na m o n gt h ed e f o r m a t i o no ft h er e t a i n i n g5 t r u c t n r e s ，s o i ld e f o r m a t i o na n dt h e d i s p l a c e m e n t so f a d j a c e n ts t r a c r i r e s i nt h i sp a p e r , t h ec o n s t r u c t i o n p r o c e s so ft h ed e e pf o u n d a t i o ne x c a v a t i o ni s s i m u l a t e da n da n a l y z e du s i n gt h es p e c i a lg e o t e c h n i c a ls o f t w a r ef l a c w i t hn u m e r i c a l s i m u l a t i o n , m a n yf a c t o r s ，i n c l u d i n gt h ed i a m e t e ra n dt h es p a c eo f t h es o l d i e rp i l e s , t h e c r o s s s e c t i o no ft h eb r a c i n gb e a m s ，t h en u m b e ro ft h e s u p p o r tl a y e r sa n dt h e e x c a v a t i n gd e p t hi ne a c hs t e p ，w h i c hm a ya f f e c tt h eb e h a v i o r so ft h er e t a i n i n g s t r a c t u r e sa n dd e f o r m a t i o no f t h es t r u c t u r e sa n ds u r r o u n d i n gs o i l s ，w e r es t u d i e d ，b yt h e s i m u l a t i o n , t h ed i s p l a c e m e n tl a w sb e t w e e nt h es o l d i e rp i l e sa n dt h es u b w a yt u n n e la r e g o t , a n da l s ot h er e l a t i o n s h i pb e t w e e i lt h em a x i m u md i s p l a c e m e n to ft h es o l d i e rp i l e a n dt h em a x i m u ms e t t l e m e n ta r o u n dt h ef o u n d a t i o n e v e n t u a l l y , t h ea u t h o rm a d ea s u g g e s t i o nt h a tu s et w ol a y e r so fs u p p o r t s , w h i c hw i l lm a k et h ec o n s t r u c t i o nm o r e e a s i l ya n de c o n o m i c a l l y k e y w o r d s ：d e e pf o u n d a t i o ne x c a v a t i o n ；a d j a c e n ts u b w a yt u n n e l ；b r a c e ds y s t e m ； d e f o r m a t i o n ；h u m e r i e a ls i m u l a t i o n ；o p t i o n a ld e s i g n n 声明 x9 7 | s 5 2 本人郑逅声明我所呈交的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鄯致澍盼地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成聚，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的间 志对本磅究所傲的所有贡献均已在论文中作了盟确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：弱琵矽 墨期：泗彳j ：砷 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的艇定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阚和借阕：学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：毒岳毫秒导师签名：魄乞旅舀期：刚工3 中 注：请将此页附在论文酋页。 西安建筑科技大学硕士论文 1 1 选题依据及意义 1 绪论 改革开放以来，随着城市建设的发展，为充分利用土地，我国的高层建筑如 雨后春笋，拔地而起，带动了地下空间的开发利用，目前各类用途的地下空间己 在世界各大城市中得到广泛的开发，诸如地下停车库、地铁隧道、地下商城、地 下仓库、地下民防工事以及多种地下民用和工业设施等【l 】。同时，地下工程建设 项目的数量和规模迅速增大，如高层建筑物深基坑、大型管道的深沟槽、越江隧 道、跨海铁路隧道及地铁工程中的车站深基坑等。这些地下空间的开发建设，产 生了大量深基坑工程，其规模和深度不断加大，如基坑占地面积最大的北京东方 广场基坑面积超过9 0 0 0 0 m 2 ，国内高层建筑地下室最多的为六层，其基坑深度为 2 6 2 m ，而首都国家大剧院的地下室为三层，基坑深度达3 2 5 m 1 2 1 。总之，基坑向 深度大、面积大、难度大的方向发展已成为必然趋势【孤。 同时，深基坑开挖又往往处于商业繁华区，房屋和生命线工程的密集区。深 基坑开挖不仅涉及到深基坑本身的安全，同时地下工程使用功能对基坑的具体要 求( 如地铁正常运行对其变形的要求) ，基坑周围已建建筑物、城市道路和地下管 线的安全及正常运转也是必须考虑的因素。侯学渊，刘国彬，黄院雄【i 】在“城市基 坑工程发展的几点看法”文章中指出：基坑工程周边的建筑物或地下管线或隧道的 抵抗变形及不均匀变形的能力是有一定限度的。如当基坑紧邻地铁隧道( 地铁隧 道要求绝对变形不能超过2 0 m m ，曲率必须小于1 1 5 0 0 0 ) 时，单纯保证基坑稳定 远不能满足如此严格的隧道变形要求。于是，严格控制基坑开挖引起的周边地面 沉降与横向位移就成了首要的任务【4 1 2 0 世纪9 0 年代以来，深基坑工程的设计理论和施工技术日益进步，不但涌 现了多种符合我国国情的实用的基坑支护方法，而且使得基坑工程的设计理论、 计算方法得到不断改进，施工工艺取得长足的进步。基坑工程的设计规范也有一 定的发展。但由于岩土工程的复杂性，应用现有基坑工程的设计理论( 强度控制 设计) 和常规施工技术难以达到保护基坑周围环境的要求。因此城市深基坑工程， 对基坑工程的设计理论和施工技术提出了严峻的挑战【。 信息化施工是近年来一些学者提出的动态设计信息化施工法，即利用施工过 程中监测信息来预知可能引起局部或整体破坏的先兆，并反馈于原设计，以弥补 由于环境及施工条件变化而引起的与原设计的不足，从而避免事故的发生，保证 旌工安全。当前，信息化施工也越来越受到重视，基坑监测与工程的设计、施工 西安建筑科技大学硕士论文 已同被列为深基坑工程质量保证的三大基本要素。 陈向东、杨茂忠p 】在“信息化施工及其应用”一文中指出了信息化施工对深基 坑开挖的重要性，并详细介绍了信息化施工在深基坑开挖施工管理中的应用。 因此，目前的深基坑设计思路也发生了变化，从以前的单纯考虑强度与稳定 性的强度控制设计转向了变形控制设计。同时，在建筑工程中，基坑工程设计是 一项复杂而困难的工作，基坑工程的费用往往在整个建筑工程中占有较大比例， 尤其是在那些为了保证周边环境而采用的对变形严格控制的基坑工程，基坑工程 的费用可想而知。所以，基坑支护和施工设计的是否合理对工程造价有重大影响， 合理的设计是能够在确保工程安全的前提下，达到费用最低的方案而为了有效 地进行这项工作就必须依靠现有的现场测试技术和先进的数值计算技术。 1 2 基坑工程研究现状 基坑工程是一个古老而又具有时代特征的岩土工程课题，放坡开挖和简易木 桩围护可以追溯到远古时代。人类土木工程频繁活动促进了基坑工程的发展，特 别是在二十世纪，随着高层、超高层建筑结构以及地下工程不断涌现，基坑工程 作为一个重要的分支挤身于岩土工程领域，同时随着工程问题越来越多，受到高 度重视。 最早提出基坑分析方法的是t e r z a g h i 和p e c k 等【司人，他们在2 0 世纪4 0 年代 提出了预估挖方稳定程度和支撑荷载大小的总应力法，这一理论一直沿用至今， 只不过有了许多改进与修正。5 0 年代，b j e r l - u i t i 和e i d e 6 给出了分析基坑坑底隆 起的方法。6 0 年代开始在奥斯陆和墨西哥城的软粘土深基坑工程中使用仪器进行 监测，对提高预测的准确性起到了促进作用，从7 0 年代起，产生了相应的指导开 挖的法规。基坑工程在我国进行广泛研究始于2 0 世纪8 0 年代初，当时高层建筑 发展和地下工程的兴起，促进了深基坑的发展，随之产生了深基坑支护设计与施 工问题。基坑开挖深度不断加大，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，众多新的施工工艺不断付诸实施，出现了许多技术 先进的成功工程实例。进入9 0 年代后，在总结经验的基础上，为了指导我国深基 坑支护设计与旌工，陆续编制了全国性和地方性的行业规范。 深基坑工程的研究涉及诸多方面，一般可分为基坑的稳定性问题、围护结构 和土体的变形问题以及环境问题对策等三个方面，也涉及岩土工程土压力理论， 同时在数值分析时不可避免地牵涉到开挖应力路径下的土体本构关系。 1 2 1 基坑变形现象 基坑开挖变形主要包括三个部分i _ 7 】：墙体变形、基坑底部隆起、支护结构后 2 西安建筑科技大学硕士论文 地表及建筑物的沉降。研究表明这三方面是相互关联的，这一结论也是很多计算 方法的出发点。三部分中以支护结构后地表沉降对环境的影响最大，也是研究的 重点。两种柔性支护基坑的基坑变形如图1 1 所示。 墙体侧向位移 墙体侧向位移 图1 1 悬臂及有内撑的两种基坑变形示意图 1 坑底土体隆起 坑底土体隆起是坑底土体原有应力状态因垂直卸荷而改变的结果。在开挖深 度不大时，坑底土体在卸荷后发生垂直向隆起，当围护墙底为清孔良好的原状土 或注浆加固土时，围护墙在土体作用下也被抬高。坑底隆起量为中间大，两侧小， 这种隆起基本不会导致两侧围护墙体的侧向变形。随着开挖深度不断加大，坑内 外土面高差不断加大，到达一定程度时，将导致基坑坑底产生塑性隆起，同时在 基坑周围产生较大的塑性区，并引起地表沉降。 2 围护墙变形和位移 基坑开挖时，荷载不平衡导致围护墙体产生水平向变形和位移，从而改变基 坑外围土体的原始应力状态而引起地层移动。基坑开挖时，围护墙内侧卸去原有 土压力，而基坑外侧受主动土压力，坑底墙体内侧受全部或部分被动土压力，不 平衡土压力使墙体产生变形和位移。围护墙的变形和位移又使墙体主动土压力区 和被动土压力区的土体发生位移，墙外侧主动土压力区的土体向坑内移动，使背 后土体水平应力减小，剪力增大，出现塑性区；而在开挖面以下的被动区土体向 坑内移动，使坑底土体水平向应力加大，导致坑底土体剪应力增大而发生水平向 挤压和向上隆起的位移。 墙体变形不仅使墙外侧土体移动引起地表沉降，而且使墙外侧塑性区扩大， 因而增加了墙外土体向坑内的移动和相应的坑内隆起，墙体的变形是引起周围地 层移动的重要原因。 3 支护结构后地表沉降 软土基坑开挖将引起支护结构后相当范围内地表及地层产生沉降，它是基坑 工程对环境的主要危害之一。研究地表沉降最重要的是有效地估算沉降的分布形 西安建筑科技大学硕士论文 式、沉降的范围和最大值等。有很多学者在这方面作了大量工作，得出了一些有 益的结论，但有待进一步深入研究。 1 2 2 基坑工程的分析研究方法 研究基坑工程的方式和方法多种多样，有工程经验、模型观测、理论分析以 及数值模拟等方法。因实施困难，模型观测法很少采用。 1 基坑变形的工程经验法 研究基坑工程的工程经验法主要有p e e k 曲线法、地层损失法、稳定安全系数 法和时空效应估算法等。 ( 1 ) p e c k 法【m 在估算地表沉降的所有方法中最有影响的是p e c k 提出的经验无因次曲线( 图 1 2 ) ，可以得到下沉的数量级及沉降分布曲线。 g 鞋 蜉 憾 疑 k 嘣 螺 糊 图1 2 预估地面下沉曲线 p e e k 认为基坑沉降大小主要受地区条件控制，并曾给出地表沉陷和基坑开挖 深度( 地表沉降，基坑最大开挖深度一离基坑距离，基坑最大开挖深度) 间的关系曲 线如图1 2 所示，该曲线未考虑支护形式等对基坑沉降的影响【9 o l 。长期的工程 实践对它作了一些修正和完善，具体如下。 地表沉降：艿= 1 0 k 盯x h( 1 1 ) 其中： k 。修正系数，壁式围护墙取蜀= o 3 ，柱列式支护结构取墨= o 7 ，板墙取 墨= 1 0 ； 曰基坑开挖深度( m ) ； 口一地层沉降量与基坑挖深之比，口以( ) 表示，可从图1 3 中查得。 4 西安建筑科技大学硕士论文 离培体距离开挖深度 0 1 ，02 03 04 0 主 v 毯 鹱 辎 点1 0 啊 逝 蜉 ： 久 歹弋 ， 4 曩 ， 弋 l 0 c i a地层 、普通地层 良jf 地层 图1 3 地表沉降量和开挖深度关系图 ( 2 ) 地层损失法 大量工程实践证明，坑底抗隆起稳定安全系数、墙体侧向变形和地表沉降三 者间有定量关系。该法利用地表沉降相应地层移动面积和墙体侧向变形相应地层 移动面积的相关关系，并根据经验假设地表沉降曲线形式，由己知的墙体侧向变 形求得地表沉降。相应的墙体侧向变形可由杆系有限单元法解得。 一般认为基坑工程为短期项目，可按不排水情况处理，地表沉降相应地层移 动面积大略相当于墙体侧向变形相应地层移动面积( 忽略了基坑底部隆起面积) ， 学术界在这点上有一定共识。因此地层损失法的关键是找到与实际相吻合的地表 沉降曲线形式，这也是目前研究地表沉降的主要方向之一 ( 3 ) 稳定安全系数法 m a r i a 和c l o u g h t l l 墟出了稳定安全系数法，它是一种基于数值分析方法和工 程经验的简化方法，用于估算围护墙的最大位移和墙后地面的最大沉降值。 工程实践证明，围护墙的最大水平位移与基底的抗隆起安全系数存在一定的 关系，墙后地表的最大沉降量又与墙体的最大水平位移有一定的关系，故墙后地 表最大沉降量与基底抗隆起安全系数存在函数关系。 基于此，采用有限元分析，在一定的条件下( 如假设一定的墙体刚度、支撑 刚度、基坑尺寸、土的模量等等) 即可得到墙体水平位移、墙后地面沉降与抗隆 起安全系数f s 的函数关系。定义了6 i | n 。为最大墙体水平位移，6 v 。为最大地面 沉降量，只要计算出f s 就可以很容易的获得6 h m 。、和6 v 。 但需要指出的是这里求得的最大墙体位移和最大地面沉降是针对于一定的基 坑形式和土质情况而言的，对于其它类型的基坑和地质条件，显然不适用，故需 要作一定的修正【1 2 1 ( 4 ) 时空效应估算法 刘建航等从国内软土地区，特别是上海地区近十年来在深基坑的施工实践和 试验研究的成果中认识到，在深基坑开挖及支撑过程中，分步开挖的空间几何尺 “ 西安建筑科技大学硕士论文 寸和支护结构开挖部分的无支撑暴露时间与基坑变形有一定的相关性，此即基坑 开挖中的时空效应。 考虑时间效应可采用粘弹性数值分析方法，考虑空间效应可用三维有限元法。 确定粘弹性本构模型的参数，可用三轴剪切蠕变试验或单剪蠕变试验结果拟合。 要在基坑开挖的初始段用反分析法调整土体流变参数，再用以推算下步开挖引起 的基坑周围土层位移，并据此酌定下步控制变形的施工参数。 另一简便的方法是将工程实测的支护结构位移量进行统计分析，取得在一定 地质条件和一定开挖支撑施工参数条件下，墙体位移与按弹性或弹塑性理论所计 算的位移的差值，按此方法统计出某地区各种施工参数对基坑变形影响的定量值， 供类似工程设计参考，这就是时空效应的经验估算法。 考虑时空效应的深基坑开挖施工方法，曾在许多工程中使用，并积累了许多 成功经验。 ( 5 ) 其它方法 顾晓鲁等”3 1 从基坑抗隆起安全系数要领出发，得出最大地面沉降s 。可用下 式表达： s 。= 砌二 ( 1 - 2 ) 式中6 一为支护结构最大变形；a 是与基坑抗隆起安全系数k 有关的系数，当k 1 5 时，一般粘性土：a = 0 3 0 5 ，软弱土层：0 【= 0 5 1 1 。 2 基坑支护体系的理论分析法 目前，用于分析深基坑多撑式围护结构内力及变形的理论主要有极限平衡法、 土抗力法、数值方法等。 ( 1 ) 极限平衡法【1 2 1 极限平衡法是目前工程设计人员最常用的方法，其要点是假定作用在挡土结 构前后墙上的土压力分别达到被动和主动土压力，采用经典土力学理论计算出士 压力。在此基础上再作某些力学上的简化，把超静定的结构力学问题简化为静定 问题求解。此类方法难以反映深基坑开挖过程中各种因素对支护体上土压力分布 的影响，多是某些特定条件下的近似，且此法无法计算出支护结构的水平位移， 没有反映施工过程中支护体受力的连续性，只是一种浅基坑或支撑刚度很大情况 下的近似，对于支撑层数较多的深基坑，特别是软土地区深基坑支护结构，其计 算结果与实际出入较大。 这一类方法主要有静力平衡法、等值梁法、弹性曲线法、t e , z a g l l i 法、二分 之一分割法、等弯矩法和等轴力法等，这里主要介绍静力平衡法和等值粱法 静力平衡法 6 西安建筑科技大学硕士论文 对于单支撑或多支撑挡土结构，当挡土结构的入土深度较浅或嵌固段土体较 弱时，可视为下端自由，采用静力平衡法计算挡土结构的内力。作用在挡土结构 上的土压力分布模式，迎土侧一般可取主动土压力，开挖侧坑底以下取被动土压 力。并假定支撑为不动支点，且下层支撑设置后，上层支撑的支撑力保持不变。 根据主动土压力、被动土压力和支撑轴力对最下一道支撑支点的力矩平衡条件， 求得挡土结构的入土深度。根据实际开挖工况逐层计算各道支撑力大小，并据此 计算最终的围护墙入土深度。 等值梁法 对于有支撑或有锚杆的挡土结构，当挡土结构的入土深度较深，其变形有一 反弯点，认为该反弯点的弯矩为零，于是可把挡土结构划分为两段假想梁，上部 为简支梁，下部为一次超静定结构，然后根据极限平衡条件求出挡土结构内力的 方法称为等值梁法。 采用等值梁法的基本假定为： 乱坑底以下围护墙的反弯点取在土压力为零的点，并将之视为等值梁的一个 铰支点； b 假定支撑为不动支点，且下层支撑设置后，上层支撑的支撑力保持不变。 极限平衡状态理论不能反映支挡结构的变形情况，也无法预先估计开挖对周 围建筑物的影响，因此无法满足以变形作为控制标准的设计要求，一般仅作为支 护体系内力计算的校核方法之一。 ( 2 ) 土抗力法【1 4 】 土抗力法又称“弹性抗力法”、“弹性地基梁法”、“弹性杆系数值分析方法”。 它针对常规设计方法中支护结构内侧被动土压力计算中的问题提出了改进。引用 横向抗力的概念，将外侧主动土压力作为水平荷载施加在墙体上，用弹性地基梁 法计算支护结构的变形和内力( 图1 4 ) 。内侧土对墙体的水平支撑用弹性抗力系 图1 4 弹性地基梁法分析图示l j 5 1 7 西安建筑科技大学硕士论文 数模拟。当前国内常用的方法有四种：常数法、k ”法、m 法和c ”法。其中“m ” 法在我国工程界应用最为普遍。弹性抗力法除了对被动土压力作了少许修改外， 对于常规方法中出现的其它问题并没有解决。另外，计算与实际情况符合与否取 决于基床系数的选取，具有很强的经验性。 ( 3 ) 数值方法 数值方法可以从空间、时间上比较全面的反映各种因素对支护结构及周围土 体的应力、位移的影响1 1 6 】，直接解得墙体侧向位移和地表沉降及深层位移，还可 以对分级开挖施工过程进行模拟。数值方法具有广阔的应用前景。目前基坑工程 中常用的数值方法有有限单元法和有限差分法。有限单元法包括弹性地基杆系有 限单元法和连续介质有限单元法两种。在弹性地基杆系有限单元法分析中，支撑 和土体通常都作为弹性杆件，挡墙作为弹性梁单元，在开挖的各个阶段，分别可 求得挡墙的内力和水平位移以及支撑杆的轴力。连续介质有限元法可同时获得挡 墙的内力、位移、支撑轴力、基坑周围土体及坑底土体的位移，因而被大量地应 用。 1 9 7 2 年，c l o u g h 第一次将有限单元法运用到基坑工程分析以来，数值分析方 法在挡土结构分析中得到了广泛应用。这主要是由于数值分析方法能够模拟土与 结构的复杂力学性质，考虑基坑土体与围护结构的相互作用，模拟基坑开挖的施 工顺序以及进行固结分析等，据此可以得出一些有益的、定性的结论，对全面了 解基坑开挖过程中土与结构的应力和位移分布，起到了很大作用。 c h a n g 和d u n c a n l l 7 】将数值分析方法用于边坡开挖的稳定性分析，通过现场实 测资料和数值分析结果的比较，认为边坡开挖的性状可以很好地用数值分析预测。 c l o u g h 和h a n s a n ”】利用数值分析方法分析了土层各向异性对土体、墙体位 移分布的影响，结果显示：若考虑土体各向异性的影响，则计算出的墙体位移和 地表沉降会显著地增加，破坏区域也会显著地增大指出土层各向异性对设计的 安全度，土体、墙体位移以及土压力分布的影响，在设计中必须予以充分考虑。 d m p o t t s 等1 1 9 1 ，针对传统的极限平衡理论进行挡墙设计时，不能够考虑支撑 类型的缺点，用数值分析方法分析了两种支撑形式( 顶端内支撑和锚杆) 的受力 和变形特征。研究表明，采用极限平衡理论设计挡墙，尽管给了一定的安全系数， 但并不能严格限制挡墙及土层变形在可按受的范围内。 y a n g 和l e e 等1 2 0 1 陈永福【2 ”、刘国彬圈等都用b i o t 固结理论对基坑的开挖过 程进行了数值模拟。 俞建霖、赵荣欣、龚晓南团j 在“软土地基基坑开挖地表沉降量的数值研究”一 文中用数值分析方法对软土地基基坑开挖过程中，影响周围地表最大沉降量的几 个因素进行了系统的分析，并分析了基坑被动加固区的深度和宽度变化对基坑变 形的影响。 8 西安建筑科技大学硕士论文 俞建霖、龚晓南州在“深基坑工程的空间性状分析”一文中用三维空间数值方 法研究了基坑开挖过程中围护结构变形、土压力的空间分布及基坑的几何尺寸效 应，并与按二维平面问题分析的结果进行了比较。 朱合华、杨金松、陈宝瞵】在“地下连续墙和支撑刚度对围护结构变形、内力 影响的敏感性分析”一文中结合具体工程的施工控制情况，通过增加、降低地下连 续墙刚度和内支撑刚度的大小，采用二维施工模拟有限元技术，探讨了上述刚度 变化对围护结构的变形和内力的影响，并比较两者的影响程度。 筒艳春【2 6 l 在其硕士学位论文中对软土基坑变形估算及其影响因素进行研究。 作者应用有限元分析了一系列软土基坑工程典型实例，根据计算结果和实测值提 出了软土基坑墙后地表沉降的概化分布曲线。按照地层损失法思路，推导了由支 护墙侧向变形值求解墙后地表沉降的适用公式。 李佳川、夏明耀 2 r l 在地下连续墙深基坑开挖与纵向地下管线保护”一文中采用 空间八节点非协调等参单元方法，研究了地下连续墙基坑开挖过程中土体沉降沿 基坑纵向的分布规律；并引进了沉降传递系数的概念，据此根据地表沉降估算地下 管线的变形。 李大勇、俞建霖、龚晓南【2 s 】在“深基坑工程中地下管线的保护问题分析，一一文中 给出了有关地下管线受临近深基坑开挖影响问题的定性和一般分析，并提出以下 问题需要进一步研究：地下管线位移机理的研究；数值方法的研究。数值分 析法可以模拟基坑的开挖过程，同样也可以模拟地下管线的位移过程。然而，目 前这方面的研究还较少见。 数值分析方法可以分析许多因素的共同作用，也可以处理非常复杂的边界条 件，适应性很强，应用前景广阔。因此本文采用f l a c 对深圳星河国际酒店深基 坑工程进行数值分析研究。 1 3 本文研究内容及研究思路 在建筑工程中，基坑工程的造价往往在整个建筑工程中占有较大比例，尤其 是在那些为了保证周边环境而采用对变形严格控制的基坑工程。所以，基坑支护 与施工设计的是否合理直接对工程造价有重大影响。基坑工程设计是一项复杂而 重要的工作，如何进行设计既能保证基坑及周围环境的安全，并尽量降低工程造 价，并使施工方便是设计工作的关键。因此，探讨支护结构及施工方案的优化设 计很有必要，而且有很大的现实意义。 一般的基坑计算方法难以反映深基坑开挖过程中各种因素对支护体上土压力 分布的影响，多是某些特定条件下的近似，且无法计算出支护结构的水平位移， 没有反映施工过程中支护体受力的连续性。数值分析法是一种可以从空问、时间 9 西安建筑科技大学硕士论文 上比较全面的反映各种因素对支护结构及周围土体的应力、位移的影响进行分析 的方法，它可以考虑更多的施工因素，因此数值分析法是一种有广泛应用前景的 研究方法。 论文以正在施工中的深圳星河国际酒店项目深基坑为分析对象，应用岩土工 程专业软件f l a c 对基坑施工和支护进行了精细仿真数值分析，研究了不同开挖 方式、不同支护条件下基坑施工引起的地表沉降规律和对即有地铁结构稳定性的 影响，为工程提供经济、安全、可行的开挖、支护方案。跟踪基坑施工进行现场 监测，验证数值分析方案的合理性和可行性。 1 、模拟不同支护方案条件引起的基坑支护结构及坑外地表沉降变化特征， 确定安全、经济、可行的基坑支护方案。 2 、研究基坑工程施工引起的地表沉降与支护结构变形之间的关系。 3 、模拟基坑不同开挖方式引起的地表沉降特征，分析地铁结构稳定性态的 变化规律，以此为基础提出经济、可行的基坑开挖方案。 4 、模拟不同的开挖方式引起的基坑变形及地表沉降特征，并结合工程实际 情况，提出经济合理的基坑开挖方案。 1 0 西安建筑科技大学硕士论文 2 数值模拟方法与模型选择 2 1数值分析及模拟工具选择 在对深基坑开挖引起的位移场的研究中，有三种方法：模型试验，原位试验、 数值分析方法。模型试验由于尺寸效应因素影响了试验效果，而且模型试验和原 位试验的成本相对较高，试验周期长，难度大，易受各种难预料因素的干扰。 相对而言，数值模拟分析方法有其灵活、实用、有效、成本低的特点，在受 条件限制的情况下，可以寻找规律性的成果。 数值分析就是将科学问题或工程应用的问题转化为数学模型，应用数学方法 模拟实际问题，以更快捷方便地探究问题的规律和本质。由于模型的复杂性，往 往需要借助于计算机作为模拟计算的工具。具体到基坑工程，目前的数值分析方 法大致分有限单元法和有限差分法两种。 目前国内进行基坑变形规律研究采用较多的是有限元法，但同时应该注意到， 有限元法中，土体本构关系多简化为线弹性模型或非线弹性模型，由于基坑土体 的力学行为多为弹塑性体特征，因而，其模拟结果与实际监测数据往往有一定偏 差。故本文采用另一种国内正逐渐兴起的基坑变形数值分析方法显式有限差分 法，即f l a c 作为数值分析工具。 2 2f l a c 软件简介 2 2 1 有限差分方法简介 有限差分方法是求解微分方程的最古老的方法之一为了表示场变量的变化 率，用差分来代替微分，用割线斜率来代替切线斜率，如公式( 2 1 ) 。单元可以 划分成任意形状，不受边界性状的限制。 丝：盟 ( 2 1 ) 与有限元相比，有限差分方法不需要形成刚度矩阵，在运算过程中不必形成 象有限元程序那样的整体刚度矩阵，因此程序运行所占的内存不大。在内存较小 的微机上亦可以进行较大规模的计算。 2 2 2f l a c 程序简介 f l a c 是连续介质快速拉格朗日差分分析方法( f a s tl a g r a n g i a na n a l y s i so f 西安建筑科技大学硕士论文 c o n t i n u a ) 的英文缩写。拉格朗日元法的名词渊源于流体力学。拉格朗日法是流 体力学中研究流体运动的两种方法之一。在流体力学中研究流体质点运动的方法 有两种，一种是定点观察的方法，称为欧拉法，另一种是随流观察的方法，称为 拉格朗日法。后者是研究每个流体质点随时问而变化的情况，即着眼于某一个流 体质点，研究它在任意一段时间内运动的轨迹、所具有的速度、压力等。将拉格 朗日法移植到固体力学中，将所研究的区域划分成网络，网格节点相当于流体的 质点，然后按时步用拉格朗日法来研究网格节点的运动，这种方法就称为拉格朗 日方法。该方法最适合于求解非线性大变形问题。 2 2 3f l a c 程序的主要特点 尽管f l a c 的计算公式源于有限差分方法，但其计算结果与有限元方法的计 算结果( 对于常应变四面体) 相同，而且它与现行的数值方法相比有着明显的优 点，其特点包括： “混合离散化”( m i x e dd i s c r e t i z a t i o n ) 技术的使用，更能精确和有效地模 拟计算材料的塑性破坏和塑性流动，在力学上比常规有限元的数值积分更为合理。 全部使用动力运动方程，即使在模拟静态问题时也如此。因此，它可以较 好地模拟系统的力学不平衡到平衡的全过程，实现动态的模拟过程。 求解中采用“显式”差分方法大大节约了计算时间，特别对求解任意的非线 性应力应变问题尤为重要。同时它不需要存储较大的刚度矩阵，因此，与一般的 差分分析方法相比既节约了计算机的内存空间又减少了运算时间，大大地提高了 解决问题的速度。 物体由单元所表示，可以通过调整网格的方法，以适应研究体真实的形状， 每个单元力学行为是对应力一应变法则和边界力、约束条件的响应。材料能产生屈 服和流动，而且网格也能变形( i nl a r g e s t r a i nm o d e ) ，并隧材料移动。 强大的后处理功能。能根据需要输出设定阶段的应力应变成果，提取各工 程部位的应力、应变的量值，同时还可以根据历史功能( h i s t o r y ) 获取所需变量 值的历时变化曲线。 2 2 4f l a c 程序的基本原理 f l a c 程序采用显式拉格朗e t 法及混合离散单元划分技术，能够精确地模拟 材料的塑性流动和破坏，对静态系统模型也可采用动态方程来进行求解。拉格朗 日元法用差分方法求解，因此首先要将求解的区域划分成网格单元，各单元与网 格点满足下列平衡方程： 挈+ 昭，：脚( 2 - 2 ) m ” 西安建筑科技大学硕士论文 式中：西一加速度，对于静力问题= o ； p 一密度： 岛重力加速度。 对于非静力问题，即当0 时，也可以应用同样的方法来解决，可以设想这 一平衡力系列引起网格点及单元的系列运动，从而导出相应的动力方程： m + c z i + k = 0( 2 3 ) 式中：、0 一分别为虚加速度和虚速度； c - - 虚阻尼； 七一弹簧刚度。 这样就把一个静力问题转化为一个虚拟动力问题来解决。f l a c 能自动确定 虚阻尼，以使式( 2 3 ) 所反映的动力响应逐渐随虚拟时间衰减，趋向稳定状态， 一旦式( 2 3 ) 达到稳定平衡状态，而且= o ，我们就能得到相当于式( 2 1 ) 的 真实静力解。为获得式( 2 1 ) 的真实解，在尽可能短的虚拟时间内，划分多个时 步，对网格中单元与网格点进行循环往复计算，直到不平衡力消失，位移和应力 分别趋于常数。f l a c 程序采用的是快速拉格朗日方法，它是基于显式差分法来 求解运动方程和动力方程。f l a c 程序对计算区域内的介质划分为若干个单元， 单元之间以节点相互连接。对某一个节点施加荷载之后，该节点的运动方程可以 写成时间步长出的有限差分形式。在某一个微小的时段内，作用于该节点的荷载 只对周围的若干节点( 例如相邻的节点) 有影响。根据单元节点的速度变化和时 段垃，程序可以求出单元之间的相对位移，进而可以求出单元应变；根据单元材 料的本构方程可以求出单元应力随着时段的增长，这一过程将扩展到整个计算 范围直到边界。f l a c 程序将计算单元之间的不平衡力，然后，将此不平衡力重 新加到各节点上，再进行下一步的迭代运算，直到不平衡力足够小或者各节点位 移趋于平衡为止鲫。 n a c 分析在求解中使用如下3 种计算方法： ( 1 ) 离散模型方法。连续介质被离散为着干四边形或六面体单元，作用力均 被集中在节点上。 ( 2 ) 有限差分方法。变量关于空间和时间的一阶导数均用有限差分来近似表达。 ( 3 ) 动态松弛方法。由质点运动方程求解，通过阻尼使系统运动方程衰减至 平衡状态 西安建筑科技大学硕士论文 2 2 5 运动方程 f l a c 以节点为计算对象，将力和质量均集中在节点上， 在时域内进行求解。节点运动方程可表示为如下形式： 型：趔 西m 。 然后通过运动方程 ( 2 - 4 ) 式中：k i ，节点在f 方向的速率分量为； z 7 ( f ) 一在f 时刻，节点的在f 方向的不平衡力分量，可由虚功原理导出； m 7 一，节点的集中质量，在分析静态问题时，采用虚拟质量以保证数值稳 定，而在分析动态问题时则采用实际的集中质量。 将式( 2 - 4 ) 左端用中心差分来近似，则可得到： k p 锌k p 钟学出 泣s ， 2 2 6 应变、应力及节点不平衡力 f l a c 由速率求某一时步的单元增量，如下式： 勺：要眈+ p ( 2 6 ) 有了应变增量，l i p 可由本构方程求出应力增量，各时步的应力增量叠加即可 得到总应力，在大变形情况下，还需根据时步单元的转角对本时步前的总应力进 行旋转修正。然后即可由虚功原理求出下一时步节点不平衡力，进入下一时步的 计算。 2 2 7 阻尼力 对于静态问题，f l a c 在式( 2 - 4 ) 的不平衡力中加入了非粘性阻尼，以使系 统的振动逐渐衰减直至达到平衡状态( 即不平衡力接近零) 。此时式( 2 - 4 ) 变为： 丝：墨! 鳢g ! 国 m。(2-7) 式中：阻尼力z 7 ( f ) = - a l e , o 淞劬以) ，其中口为阻尼系数，缺省值为0 8 。 西安建筑科技大学硕士论文 2 2 8f l a c 运算流程【2 8 1 2 3 本构模型 开始 建立模型： 1 模型尺寸和网格数量生成几何模型 2 定义初始化参数，如材料特性特性 3 确定边界情况和初始化情况 运行程序至平衡状态l 。一 面j 鬲；i i i 云 堕墨至堡重 。_ 。一 l 模型有意义 - - - - - - - - - - - - - - i ! - - - - - - - - - - - - - 一 执行变化，例如：i i 开挖r 一 2 改变边界条件i 垩塑至堑箜! 塑i 石矗未芦幽 塾窭垄墼苎量卜一 不需要l 根据变化 。需要 需要 数值分析方法可以分析许多因素的共同作用，也可以处理非常复杂的边界条 件，适应性很强，它的主要困难在于选用恰当的本构模型和计算参数。 2 1 3 1 基坑文护结构的本构模型 基坑工程中的支护结构包括：钢筋混凝土地下连续墙、钢筋混凝土桩、钢板 桩、拉杆、支撑等。其材料一般为钢材或钢筋混凝土结构，可当作均质弹性材料 处理，其本构关系符合虎克定律。 2 3 2 土体的本构模型 要建立土体的弹塑性本构模型，就要确定它的屈服准则、流动准则和加工硬 化规律。屈服准则就是说明材料内某点应力达到弹性极限后出现塑性变形的条件。 通常的屈服准则有t r e s c a 屈服准则、y o nm i s e s 准则、最大拉应力准则 ( r a n g e 准则) 、m o h r - c o u l o m b 准则、d r u c k * p r a g c r 准则等。1 h s c a 屈服准则 假定当一点的最大剪应力达到极限值则发生屈服，主要用于与静水压力无关的金 属材料。y o nm i m s 准则主要用于对静水压力不敏感的材料。最大拉应力准则 西安建筑科技大学硕士论文 ( r a n k i n e 准则) 主要用于确定脆性材料是否发生拉伸破坏，如混凝土的拉伸开 裂起因的判断。d r u c k e r - p r a g e r 准则，是v o n m i s e s 准则的简单修正，它考虑了静 水压力对屈服的影响p 0 1 。 鉴于此，土体本构模型也有上百种【3 1 删。然而常用于深基坑开挖分析的只有 几种，如m o h r - c o u l a m b 准则的线弹性模型和非线