（市政工程专业论文）天津地铁华苑车站深基坑若干问题分析与研究.pdf

天津地铁华苑车站深基坑若干问题分析与研究 摘要 随着我国地铁建设的蓬勃发展，地铁车站深基坑开挖的安全问题及其对 周边环境的影响越来越引起人们的高度重视。本文以天津地铁华苑车站深基坑 为研究背景，借助有限元软件。采用扩展的修正剑桥模型为土体的本构关系， 并且考虑土体与支护之间的相互协调作用，对深基坑变形影响因素进行详细分 析，得到软土地基中地铁车站深基坑开挖围护结构内力和变形的普遍性规律： 对土压力的时空效应进行分析，得出主动区土压力随时间变化规律：将实测土 压力与理论计算土压力比较分析，以期得到对于软土地区土压力计算采用哪种 计算方法接近实际土压力，为今后类似工程提供一定的参考。最后对整个地铁 车站开挖进行三维仿真模拟，从而更准确地保证了基坑工程和周围环境的安 全。 关键词：地铁车站；基坑开挖；修正剑桥模型；本构关系；围护结构；时空效 应 as t u d yo fs e v e r a lq u s t i o ni nd e e pf o u n d a t i o nd i t c h e x c a v a t i o nf o rh u a - y u a ns t a t i o no ft i a n j i ns u b w a y a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s ei nr u n n i n gm e 自l i n e s e f f e c t s0 1 1s u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t sa n d s a f e t yo fs u b w a ys t a t i o nd e e pe x c a v a t i o na r ep a i dm o r ea t t e n t i o n t h ea r t i c l et a k e se x t e n d e d m o d i f i e dc m n - c l a ym o d e ls 8s o i lc o n s t i t u t i v et e l a t i o n s h i p 。c o n s i d e r i n g i n t e r a c t i o nb e t w e e ns o i la n d r e t a i n i n gs u u c t u r et oa n a l y s ed e e p l yf a c t o r si n f l m m o i n gd e f l e c t i o ni nt h ep r o c e s so f t h ed e e pf o t m d a t i o n d i t c he x c a v a t i o nf o rh u a - y u a ns t a t i o no ft i a n j i ns u b w a yw i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o d , o b t a i n i n gt h e g e n e r a lr u l e so ft h ei n t e r a lf o r c ea n dd e f o r m a t i o no fr e t a i n i n gs 缸u c n mo fs u b w a ys t a t i o ne x c a v a t i o ni n s o f tc l a y a n dr e s e a r c h e st i m e - s p a c ee f f e c tf o rm e a s u r e n l 6 m ti n - s i t es o i lp r e s s u r e , t h ec h a r a c t e r i s t i c so f s o i lp r e s s u r ei nt h ea c t i v ez o n ew i t hr c s p 砌t ot u n ea r eo b t a i n e d ；b yc o m p a r i s o na n da n a l y s i so ft h e m e a s u r e m e n ti n - s i t ea n dt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o ns o i lp r e s s u r ei no r d et ok n o ww h i c hw a yi ss u i t a b l et o c a l c u l a t i o nf o rs o i lp r e s s u ri ns o f tc l a ya r e a w h i c hw i np r o v i d et h er e f e r e n c e sf o rs i m i l a r e n g i n e e r i n g f i n a l l ys t u d y i n gt h r e e - d i m e n s i o n a lv i s u a ls i m u l a t i o no ft h es u b w a ys t a t i o ne x c a v a t i o nb y 8 0 f l , a n de n g t e $ t h es a r yo f f o u n d a t i o ne n g i n e e r i n ga n dt h ea r o u n dc i r c u m s t a n c e s k e y w o r d s ：s u b w a y s t a t i o n ；e x c a v a t i o n ；m o d i f i e d c a m c l a y m o d e l ； c o n s t i t u t i v e r e l a t i o n s h i p ；r e t a i n i n gs t r u c y u r e ；t i m e - s p a c ee f f e c t 插图清单 图2 1 应力与应变关系图11 图2 2 剑桥模型状态边界面。1 7 图2 3v i c lc s l 线及回弹曲线在e - h a p 面上的投影1 8 图2 4 剑桥模型的“弹性墙”。1 8 图2 5 扩展后修正剑桥模型的屈服面。2 2 图2 6 兀平面上的破坏面2 2 图3 1 车站基坑标准段支护剖面及土层分布图2 3 图3 2 日华里居住小区。2 6 图3 3 在建中的麦迪逊广场和鑫茂科技园。2 6 图3 4 标准段施加钢支撑。2 6 图3 5 土方开挖过程2 6 图3 6 底板钢筋的绑扎。2 6 图3 7 钻孔咬合桩示意图。2 7 图3 8a 桩惯性矩计算图，2 7 图3 9 有限元分析的网格划分及边界条件示意图一2 8 图4 - 1 基坑变形示意图3 2 图4 2 温差变化与所产生轴力关系图3 6 图4 3 对第1 工况咬合桩变形影响。3 9 图4 4 对第2 工况咬合桩变形影响3 9 图4 5 对第3 工况咬合桩变形影响。3 9 图4 6 对第4 工况咬合桩变形影响4 0 图4 7 对第5 工况咬合桩变形影响。4 0 图4 8 对第l 工况地表沉降量影响4 0 图4 9 对第2 工况地表沉降量影响。4 0 图4 1 0 对第3 工况地表沉降量影响。4 l 图4 1 1 对第4 工况地表沉降量影响。4 l 图4 1 2 对第5 工况地表沉降量影响4 1 图4 1 3 对第2 工况咬合桩变形影响a 3 图4 1 4 对第3 工况咬合桩变形影响。4 3 图4 1 5 对第4 工况咬合桩变形影响4 3 图4 1 6 对第5 工况咬合桩变形影响4 4 图4 1 7 对第2 工况地表沉降量影响。4 4 图4 1 8 对第3 工况地表沉降量影响。4 4 图4 1 9 对第4 工况地表沉降量影响。4 4 图4 2 0 对第5 工况地表沉降量影响。4 4 图4 2 1 第2 道支撑预加力大小与各工况支护变形量关系图4 5 图4 2 2 第2 道支撑预加力大小与各工况地表沉降量关系图。4 5 图4 2 3 对第3 工况咬合桩变形影响。4 7 图4 2 4 对第4 工况咬合桩变形影响。4 7 图4 2 5 对第5 工况咬合桩变形影响。4 7 图4 - 2 6 第3 道支撑预加轴力对第3 工况地表沉降量影响4 7 图4 2 7 第3 道支撑预加轴力对第4 工况地表沉降量影响。4 7 图4 2 8 第3 道支撑预加轴力对第5 工况地表沉降量影响。4 8 图4 2 9 第4 道支撑对第4 工况咬合桩变形影响。4 8 图4 3 0 第4 道支撑对第5 工况咬合桩变形影响。4 8 图4 3 1 第4 道支撑对第4 工况地表沉降量影响4 8 图4 - - 3 2 第4 道支撑对第5 工况地表沉降量影响。5 0 图4 3 3 被动区土体加固宽度与支护变形关系。5 0 图4 3 4 被动区土体加固宽度与地表沉降量关系一5 l 图4 3 5 被动区土体加固深度与支护变形关系5 l 图4 3 6 被动区土体加固深度与地表沉降量关系。5 2 图4 - 3 7 没有位移的初始应力场。5 3 图4 - 3 8 不同的荷载宽度对咬合桩变形影响5 3 图4 - 3 9 不同的荷载宽度对地表沉降量影响。5 4 图4 4 0 不同的荷载深度对咬合桩变形影响。5 4 图4 _ 4 l 不同的荷载深度对地表沉降量影响。5 5 图4 - - 4 2 距离不同对咬合桩变形影响5 5 图4 ，4 3 距离不同对地表沉降量影响。5 8 图5 1 测斜点布置示意图。5 8 图5 2 土压力盒测点布置示意图5 8 图5 3 标准段土压力盒位置示意图5 9 图5 4 主动土压力随时间( - r 况) 的变化6 l 图5 5 不同深度时土压力与挡土墙位移散点分布6 l 图5 6 不同深度时土压力与挡士墙位移关系曲线6 3 图5 7 不同工况下实测主动土压力、有限元计算及理论计算比较。6 5 图5 8 测点水平位移量与变形曲率半径的几何关系6 6 图5 9 三维有限元模型网格划分。6 6 图5 1 0 地铁车站开挖过程( 阶梯型) 6 7 图5 1 l 咬合桩变形情况( s t e p l ) 。6 7 图5 1 2 咬合桩变形情况( s t e p 2 ) 。6 7 图5 1 3 咬合桩变形情况( s t e p 3 ) 。6 7 图5 1 4 咬合桩变形情况( s t e p 4 ) 。6 7 图5 1 5 咬合桩变形情况( s t e p 5 ) 。6 7 图5 1 6 咬合桩变形情况( s t e p 6 ) 6 7 图5 - 1 7 咬合桩变形情况( s t e p 7 ) 6 7 图5 1 8 咬合桩变形情况( s t e p 8 ) 。6 7 图5 - 1 9 实测咬合桩变形与三维有限元计算结果比较。6 8 表格清单 表3 1 土层分布与描述。2 3 表3 2 地下管线调查表2 5 表3 3 土层物理力学性质参数表。2 9 表3 4 支撑及施加的预加应力情况2 9 表4 1 温差变化与所产生轴力关系一3 7 表4 2 四种情况各道支撑预加轴力值3 8 表4 3 第一道轴力在第l 、2 、3 、4 情况下支护结构变形曲线包络面积4 l 表4 4 第一道轴力在第1 、2 、3 、4 情况下地表沉降曲线包络面积4 2 表4 5 四种情况各道支撑预加轴力值一4 2 表4 6 第二道轴力在第1 、2 、3 、4 情况下结构变形曲线包络面积比较4 5 表4 7 第二道轴力在第l 、2 、3 、4 情况下地表沉降曲线包络面积比较4 5 表4 8 五种情况各道支撑预加轴力值4 6 表4 9 第三道轴力在第l 、2 、3 、4 情况下结构变形曲线包络面积比较4 9 表4 - 1 0 第三道轴力在第l 、2 、3 、4 情况下地表沉降曲线包络面积比较4 9 表4 1 l 第四道轴力在第l 、2 、3 、4 情况下结构变形曲线包络面积比较4 9 表4 - 1 2 第四道轴力在第l 、2 、3 、4 情况下地表沉降曲线包络面积比较4 9 表4 - 1 3 不同加固宽度与最大支护变形及地表沉降量关系5 0 表4 1 4 荷载宽度对支护变形及地表沉降量包络面积比较5 3 表4 1 5 到咬合桩距离不同对支护变形及地表沉降量包络面积比较5 5 表5 1 各工况土压力合力一6 3 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。 据我所知，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 金艇王些太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 黜姗繇泓伟一期：少嘲 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、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，允许论文被查阅和借阅本人授权金 b e 些态堂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，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) 学位论文作者签名 洳伊 一期：9 7 年歹月，知 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名 签字日期：矽年厂月日 电话；“ 8s ) ( - 7 ) 邮编： 致谢 本论文从选题到撰写都是在我的导师胡成副教授和聂宗泉高工的悉心指 导下完成的在此致以深深的谢意。 胡老师扎实的专业知识、清晰的结构概念、丰富的工程经验、豁达的为人 风格和处处为学生着想的为人准则将是我终身的学习榜样。在我攻读硕士的三 年期间，胡老师在学习和生活上给予了无微不至的指导和帮助，并让我参加了 许多工程的实践，这将对我将来的工作带来极为有利的影响。 在这里要特别感谢中铁四局我的副导师聂宗泉高工，在我整个研究生学习 过程中，他一直给予我无微不至的关怀和毫无保留的指导，提出了许多宝贵的 意见和建议，他那渊博的学术知识、严谨的科研态度、塌实的做人风格和诲人 不倦的治学精神都在潜移默化的感染着我，使我受益非浅，不仅是我工作、学 习上的榜样，也是我今后人生道路上的楷模。 感谢中铁四局的朱经理在施工期间提供的大量数据和在现场测试期间提 供的帮助 与室友殷琳、程怀江共同度过的两年多研究生生活非常难忘；感谢我的朋 友和同学们。他们经常和我讨论问题，给我提供了很多商题的思路。 最后感谢远在家乡的父母对我的关怀和培养。二十多年来，他们敦给我做 人的道理和处世的原则，他们的牵挂和鼓励催我奋进。 刘红伟 2 0 0 7 年0 3 月于合工大 第一章绪论 1 1 引言 二十一世纪将是地下空间大发展的年代，随着我国经济建设的突飞猛进以 及城市化程度的不断提高，城市基础设施建设远远落后于城市化进程的矛盾日 益突出。环境污染、资源紧张、交通拥堵等已经成为制约城市发展的重要因素。 开发地下空间建设立体化城市已成必然趋势。在我国北京、上海、广州等一些 经济发达城市，地下空间的开发利用已经取得了显著成就，积累了丰富的经验。 如中心城区地铁主干线、地下交通隧道、下沉式地下广场、高层建筑地下停车 场等，都充分利用了地下空间，既缓解了地面城市压力，又使城市变得更加立 体和丰富；同时，这些地下空间的建设使得深基坑工程规模和深度不断加大， 如金茂大厦地下三层，深1 5m ；上海的高层建筑基坑最大平面尺寸已达2 7 4 m 1 8 7 m ，最深达3 2 m ；目前，北京、上海、广州、青岛、南京、天津、哈尔滨、 长春、苏州等均有地铁在兴建，并有大量的地铁车站相配套；地铁车站基坑平 面尺寸最大也达6 0 0 m 2 2 m ，最深达2 7 m 。 我国大量的基坑工程集中在东部沿海经济较发达的地区。这些地区多为冲 击平原地区，其地基大部分是软土地基，它的特点是地下水位高、地基土体强 度很低。该地区的基坑工程容易产生支护结构位移过大甚至失稳等严重问题， 或因墙后土体过大沉降而导致邻近建筑物产生倾斜、裂缝甚至倒塌，邻近地下 煤气管线、自来水管破裂、道路下陷等严重事故，其损失往往比工程自身的损 失要大得多。如2 0 0 3 年7 月1 日明珠线二期工程发生险情，险情发生后4 小 时左右，8 4 7 号地面建筑裙房倒塌防汛墙断沉，随着沉降槽向西南方向发展，中 山南路分隔带东面已成槽坡面；土产大楼裙房影响严重：2 0 0 4 年4 月2 日上午 八时广州地铁三号线沥窖站地下咬合桩围护结构突然出现下沉式的大面积坍 塌，大量施工机械随着塌方被埋入土中；周边至少3 0 栋居民楼受到不同程度 的破坏，其中7 栋居民楼严重受损，南侧地基被架空，1 栋居民楼倒塌；同时 周围居民区出现大面积停水停电和交通中断等情况，相关经济损失和恶劣影响 十分严重且难以挽回。然而更多基坑没有破坏，但因变形过大造成邻近市政道 路下陷、开裂的更是比比皆是，有的甚至造成邻近建筑物严重破坏、无法使用 而被迫拆除。 基坑工程是一个实践性很强的工程问题，它与结构工程、岩土工程、环境 工程与施工开挖技术等多学科交叉，涉及面十分广泛( 且又有时空效应) 的综 合性工程，且往往在交通繁忙，建筑密集地区，施工环境严峻。因此深基坑事 故原因多种多样，北方交通大学唐业清教授把造成事故的主要原因归结为5 个方 面：建设单位的管理问题、基坑工程的勘查问题、基坑工程的设计问题、基坑 工程的施工问题和基坑工程的监理问题。由于基坑工程设计理论的不完善，在 很多方面实践先行、理论滞后的现状是造成基坑工程事故多发的主要原因之一。 理论的滞后直接导致设计与计算理论中存在的不足难以避免：例如人们对深基 坑的土压力产生兴趣，主要是因为，首先这一问题有着广泛的工程应用背景； 其次人们认识到设计中土压力运用建立在刚性挡土墙实践之上的古典土压力理 论来计算，可能不足以保证深基坑的强度及稳定性要求；再次深基坑工程往往 处于房屋和生命线工程的密集地区，其周围环境要求极高，如果深基坑设计中， 不能正确计算土压力，无疑难以精确预测其变形。 总之，随着科学技术的不断发展和对深基坑开挖要求不断提高，利用计算 机对开挖过程进行有限元分析成为必要。 1 2 软土地区基坑工程的特点 软土一般是在静水或缓慢的流水环境中沉积，含有机质，天然含水量大于 液限，天然孔隙比较大的饱和粘性土软土具有以下明显的特征： 1 天然孔隙比大，一般在l 2 间变化； 2 压缩系数大，通常在0 0 0 5 0 0 2 c m 2 n 间； 3 抗剪强度低，粘聚力小，且与排水条件有关； 4 渗透系数低，一般小于1 0 一c m s ，这是软土加荷后孔隙水压力上升的 主要原因； 5 流变特性显著，粘土一般都具有流变性，而软土的流变特性比其他粘 土更显著。流变性指土在荷载下长期处于变形过程中的现象，具体包括四个方 面： ( 1 ) 蠕变特性：在恒定荷载下变形随时间发展的特性； ( 2 ) 流动特性：也称粘滞特性，即土的变形速率是应力的函数； ( 3 ) 应力松弛特性：在变形恒定的情况下。应力随时间减小的特性； ( 4 ) 长期强度特性：在长期荷载的作用下，土的强度随受荷时间的增长 而变化的特性。 6 变形大。因为天然孔隙比大，压缩系数大以及软土的流变特性，所以 在软土地区开挖基坑尤其是深基坑时，开挖引起的墙后土体沉降将是难以预期 的沉降，当周围建筑物上部结构刚度或基础刚度不足或荷载分布不均时，就会 导致无法接受的不均匀沉降： 7 变形发展快，稳定历时长。 由于软土的特殊性，使得软土地区基坑工程具有自身独特的特点： 1 因为软土的抗剪强度很差，基坑边坡的自立能力低，使支护体系承受 的荷载较大，需要强大的支护结构； 2 由于软土的变形大，使得软土基坑的开挖变形也很大，工程实践中常 有一些软土基坑的支护结构水平位移达到十凡甚至几十厘米，会使开挖引起的 环境破坏后果更加严重，重大的工程环境事故一般发生在软土地区； 3 针对软土的特点，软土基坑工程中引进了一些新的工程措施：如对基坑 2 的被动区和主动区应用地基加固方法进行处理，对邻近建筑物和公共地下管线 采取灌浆、托换等技术进行预先保护等。 1 3 围护结构的特点 基坑支护工程具有许多特征：如许多基坑为临时工程；工程造价高；岩土 性质变化大，地质埋藏条件和水文地质条件复杂且离散性很大；在软土及高水 位等复杂条件下开挖基坑容易产生土体滑移、基坑失稳、桩位变位、坑底隆起、 支挡结构严重漏水、流土以致破损等病害；一旦出现事故处理将十分困难等。 而在现代大城市中，高层建筑深基坑或者地铁车站深基坑具有深、大的特点， 邻近一般多有建筑物、道路和管线，施工场地拥挤，在环境安全上有很高要求， 在基坑支护形式上，目前人们往往采用以下两种形式：地下连续墙或者柱列式 灌注排桩支护；钻孔咬合桩 1 3 1 地下连续墙的特点 地下连续墙在欧美国家称为“混凝土地下墙”或“泥浆墙”，在日本称之 为“地下连续壁”或“连续地中壁”，它是在泥浆护壁的条件下分槽段构筑的 钢筋混凝土墙体。地下咬合桩最早于1 9 5 0 年开始应用于米兰和巴黎市的地下 建筑工程，我国在2 0 世纪6 0 年代初开始应用于水坝的防渗墙。后来国内将地 下连续墙应用于城市深基坑围护结构，最早应用的是广州( 1 9 8 0 年白天鹅宾馆， 1 9 8 2 年花园酒家) ，在各地现已用得比较普遍，较著名的工程实例有：北京王 府井宾馆和京广中心，坑深均为1 6 m ，墙厚0 6 m ，墙深分别为2 0 m 和2 3 5 m ： 上海电信大楼，坑深1 2 6 m ，墙厚o 6 m ，墙深1 7 5 m ；新上海国际大厦，坑深 1 3 4 1 5 m ，墙厚0 8 m ，墙深2 6 m ；浦东金茂大厦，坑深1 5 m ，墙厚l m ，墙深 3 6 m ：天津鸿吉商贸中心大厦，坑深1 5 5 m ，墙厚0 8 m ，墙深3 0 m 。地下连续墙 的施工深度国内已有超过8 0 m ，厚度达1 4 m 的”1 。 由于地下连续墙具有整体刚度大和防渗性能好等优点，适用于地下水位以 下的软粘土和砂土等多种地层条件和复杂的施工环境，尤其是基坑底面以下有 深层软土需将墙体插入很深的情况；并且随着技术的发展和施工机械的改进， 地下连续墙发展到既是基坑施工时的挡土围护结构，又可作为拟建主体结构的 侧墙。如支撑得当，且配合正确的施工方法和措施，地下连续墙可较好地控制 软土地层的变形。因此，在国内外的地下工程中得到了广泛的应用，上海、天 津、北京地区的高层建筑与地铁车站等大型基坑的挡土结构多数采用了地下连 续墙。 1 3 2 钻孔咬合桩的特点 咬合桩围护结构是指桩身密排且相邻桩桩身相割形成的具有防渗作用的 连续挡土支护结构，既可全部采用钢筋混凝土桩，也可采用素混凝土桩与钢筋 混凝土桩相间布置。根据施工工艺的不同，目前常用的咬合桩主要有钻孔咬合 桩和人工钻孔咬合桩两种形式。 3 与常用的桩+ 桩间止水结构的围护结构形式相比，咬合桩施工工艺单一， 便于施工组织和管理，基坑土方开挖时围护结构变形协调性大为增强，抗渗效 果好。采用套管钻机( 又称摩桩机) 法施工钻孔咬合桩具体优点如下： ( 1 ) 成孔精度可以得到有效控制。由于套管压入地层是靠主机液压油缸进 行完成的，每次压入深约为2 5 c m 套管每节长度4 5 m 。可以边压入边纠偏， 进行全过程的垂直精度控制。成孔精度检测在管外用小铅锤就可以进行亦 控制也直观； ( 2 ) 采用套管钻进护壁，可有效防止孔壁塌方，孔内流沙，涌泥，并可进 行嵌岩，确保施工时对周边地基的扰动减少到最低程度； ( 3 ) 用冲抓在管内取土，无泥浆，咬合面成型好，能达到防水设计效果， 也有利于文明施工； ( 4 ) 由于采用管内灌混凝土，使得桩身鼓包现象大大减少，从而杜绝了混 凝土浪费； ( 5 ) 由于咬合桩咬合面止水效果较好，所以在坑外的止水帷幕可以省略。 因此近年该围护结构咬合桩施工技术在许多工程中得到应用，并凭借其优 势逐渐为广大工程技术人员所接受，具有极大的推广应用价值。而本文的背景 工程所采用的围护结构就是钻孔咬合桩。 1 4 基坑支护结构设计计算的现状及存在的问题 基坑支护设计计算方法基本可以分为三类。第一类是常规设计方法；第二 类是弹性抗力法；第三类是有限元方法。 常规设计方法是目前设计中通用的方法，包括静力平衡法、b l u m 法、弹性 线法、等值梁法、连续梁法、支撑荷载的1 2 分担法、山肩邦男法等等，其要 点是在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 典土力学理论计算主动土压力和被动土压力( 或者对计算的土压力作某些修 正) ，然后对重力式刚性挡土墙验算其抗倾覆、抗滑移稳定性，安全系数则沿 用设计规范中对普通挡土墙的规定：或者计算柔性挡墙( 悬臂式或有支锚结构) 的内力，对墙身和支锚结构进行设计。这些方法对于普通挡土墙或开挖深度不 深的钢板桩相对比较成熟的。但也存在以下一些缺陷： 1 假定支撑点墙体无位移或者设置支撑后支撑点墙体无位移。事实上， 在深基坑开挖过程中，顶部横撑由于墙体朝向迎土侧变形甚至可能失效，而其 它的支撑也会向背土面继续变形； 2 难以反映深基坑开挖过程中各种复杂因素，如施加预应力、墙体刚度 变化、土体刚度变化、加固等对墙上土压力分布和墙体内力变形的影响； 3 对于深基坑，特别是软土中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。例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 4 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，压项圈梁 的作用等； 4 无法预测支撑轴力和支护结构在基坑开挖过程的变化。 而这些问题在闹市区开挖时往往是关注的重点和难点，有时也是基坑支护结构 设计成败的关键。 弹性抗力法( 又称弹簧地基法或基床系数法) 针对常规设计方法中内侧被 动土压力计算中的问题提出了改进。其概念是由于支护位移有控制要求，内侧 不可能达到完全的被动状态，实际上仍处于弹性抗力阶段。因此，引用承受水 平荷载桩的横向抗力的概念，将外侧主动土压力作为施加在墙体上的水平荷 载，用弹性地基梁的方法计算支护的变形和内力。土对墙体的水平向支撑用弹 性抗力系数来模拟，支锚结构也用弹簧模拟。这种方法可以看作是常规设计方 法的改进，可以求解支护结构在各种工况下的位移和内力，土体弹簧刚度值的 取法也已积累了一定的工程经验，是建筑基坑工程技术规范的推荐方法，在国 内也得到了广泛的应用。但是它仍然没有解决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、主动区坑底土加固或坑内、外降水对支护结构 内力和位移的影响等问题；并且计算与实际符合与否取决于土体弹簧刚度值的 选取，如目前灌注桩基础设计与施工规范及建筑基坑支护技术规程给出了m 值 的经验公式值，这些值具有一定的可靠性，但每类地基土的上、下限相差很大， 选用时的任意性也很大，而这必将影响计算结果的准确性。 有限元方法提供了一种更为合理的设计与计算方法，它可以从整体上分析 支护结构及周围土体的应力和变形状况，而且可适用于动态模拟计算，为事前 设计与方案比较同时也为信息反馈施工管理提供实时处理的手段。从原理上 说，常规设计方法和弹性抗力法存在的问题在有限元方法中都可以不同程度地 得到解决。除了数值分析方法本身的问题以外，用有限元方法的关键是要正确 选用计算模型和设计参数：由于土的物理性状的复杂性和随机性导致可供选择 的土体本构关系多样，造成了目前有限元方法得到广泛关注与应用，但由于土 体设计参数取值上面经验的积累明显不如弹性抗力法，在设计上得到应用的程 度也就不如弹性抗力法广泛。另一个关键问题是安全系数的定义及如何与常规 设计的安全系数相匹配。如果这两个问题得不到解决，有限元方法仍然只能停 留在辅助设计手段的水平上而不能成为一种可供实用的工程设计方法。 1 5 国内外研究现状 有限单元法( f e m ) 最初是在上世纪5 0 年代作为处理固体力学的方法提出 的，它以能量原理作为基础，把问题转化为位移变分问题( 即求泛函的极值问 题) ，经离散化得到计算格式求解。特别是引进了g a l e r k i nm e t h o d ( 伽辽金法， 即加权残量法或叫加权余量法) ，不仅使有限单元法在数值解上同有限差分法 占有同样的地位，而且由于它能比较容易地分析复杂几何性状的连续介质问 5 题，便于引入各种要求的边界条件，能够成功地反映各种复杂的材料性质及其 不均匀性，有限单元法在岩土工程中有着广泛的应用前景。国外在这一方面起 步较早，而纵观已有的研究，有限元在土力学的发展大致有三个方向：有限元 计算中土体本构关系模型的发展、改进；有限元计算方法本身的改进；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方法的广泛通用性及其灵活性等 特点( 如有限元可以模拟复杂的施工过程和边界条件) ，许多学者都采用有限 元法分析基坑开挖问题。这一方面的程序主要分两大类：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 考虑弹性、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。而弹塑性有限元法被认为是最有前景的计算方法。国内外 的学者也做了大量的研究，如： d u n c a n 和c h a n g ( 1 9 7 0 年) 用有限元法对一水泵厂施工现场的基坑开挖进 行了分析，采用d u n c a n c h a n g 模型来描述土的本构关系，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 ”1 。 c l o u g h 和d u n c a n ( 1 9 7 1 年) 是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， 而切向刚度按二次曲线变化。 c l o u g h 和t s u i ( 1 9 7 7 年) 用有限元方法分析支护结构和支承件的刚度对 基坑最大水平位移的影响，得出在墙体刚度相差8 倍时。二者最大水平位移之 比为l ：0 6 ”。 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，对一设有支撑的基坑开挖作有限元分析，计算结果 表明：计算值和实测值基本一致；桩的最大水平位移，支撑轴力的计算值偏小， 而桩底位移及桩角上涌量的计算值偏大。 s k b o s e 和n n s o m 等( 1 9 9 8 年) 采用有限元方法，以修正剑桥模型为 土体的本构关系，分析了支护插入土体深度、支护厚度、基坑宽度以及支撑预 应力因素等对基坑支护变形和墙后土体沉降的影响”1 。 俞建霖、龚晓南等( 1 9 9 9 年) 采用有限元方法，以d u n c a n - - c h a n g 模型来 模拟土的本构关系，对设有支撑的基坑分别进行了二维和三维计算及两者的比 较，认为支护结构的水平位移和土压力分布具有明显的空间效应。 谭志勇、王余庆等( 1 9 9 9 年) 采用杆系有限元法分析了支护结构的插入深 度、支护结构刚度、支撑位置、坑内土体加固和支撑刚度等因素对支护结构的 内力和变形的影响进行了分析和讨论”1 。 刘兴旺、施祖元等人( 1 9 9 9 年) 根据对杭州及上海软土地区十几个基坑工 程的观测以及根据建筑物沉降产生的机理和工程实测资料提出了考虑邻近建 6 筑物存在的地表沉陷估算方法”1 。 王清、郭惟嘉等人( 2 0 0 1 年) 以修正剑桥模型为土体本构关系对设有一道 支撑的基坑进行了二维有限元模拟“”。 吕凤梧、徐伟等人( 2 0 0 2 年) 以d r u c k e r - - p r a g e r 模型为土体本构关系对 设有1 2 道支撑的长江润扬大桥北锚碇基坑工程进行了二维有限元和三维有限 元模拟u “ 综上所述，与国外相比，我国研究基坑开挖对相邻结构或设旌的影响尚处 于积累实测和研究资料的阶段，有关这方面的研究有待于进一步的深入。 1 6 本文的主要工作内容与研究方法 1 6 1 本文的研究范围 基坑工程涉及课题非常广泛，包括土力学的土压力理论、稳定理论、支护 结构计算方法、地基加固技术、基坑变形理论，监测技术等诸多方面。本文主 要研究天津软粘土地区由于基坑开挖引起的基坑本身的变形及周围环境的变 形问题。 1 6 2 本文的研究思路 本文以扩展后的修正剑桥模型“钉为土体的本构关系，考虑桩土相互作用， 采用平面有限元和三维有限元模拟基坑逐步开挖引起的支护结构的变形、墙后 土体的沉降、被动和主动土压力以及支撑轴力的变化，并与工程的实测资料相 比较；然后探讨温度变化以及附加荷载支护结构变形、墙后土体沉降的影响。 i 6 3 本文的主要工作 1 介绍有限元法求解基坑变形的具体办法，包括土体本构关系的采用、 结构的简化假定、设计参数的选用、模型的建立、钻孔咬合桩等效代换及刚度分 配等； 2 对软土基坑变形形态及机理进行分析，并结合工程实际地质情况，利 用有限元程序a b a q u s 对支撑预加轴力、附加荷载( 建筑物) 、被动区土体加固 对基坑支护变形和墙后土体沉降等的影响进行详细分析，得出一些有用的结 论： 3 结合实测数据对土压力进行分析，以期得出土压力随时间的变化规律， 研究实测土压力与桩体位移关系，并将实测土压力与理论计算土压力进行比 较，得出天津地区采用哪种计算方法接近实际土压力，最后介绍了由实测钢筋 计应力推算弯矩、咬合桩变形推算弯矩的方法，并利用有限元软件这一工具对 桩体变形时空效应进行分析，并将桩体实测位移与有限元计算结果进行比较。 7 第二章土体的本构关系 2 1 概述 材料的本构关系( c o n s t i t u t i v er e l a t i o n s h i p ) 是反映材料的力学性状 的数学表达式，表示形式一般为应力一应变一强度一时间的关系，也称为本构 定律( c o n s t i t u t i v el a w ) 、本构方程( c o n s t i t u t i v ee q u a t i o n ) ，还可以称为 本构关系数学模型( m a t h e m a t i c a lm o d e l ，简称为本构模型) 。为简化和突出材 料某些变形强度特性，人们常使用弹簧、粘壶、滑片和胶结杆等元件及其组合 的元件组成物理模型来模拟材料的应力变形特性。 土的应力应变关系十分复杂，除了受时间影响外，还受温度、湿度等因素 影响。其中时间是一个主要影响因素，与时间有关的土的本构关系主要是反映 土流变性理论。而在大多数情况下，可以不考虑时间对土的应力一应变和强度 ( 主要是抗剪强度) 的影响，土的强度是土受力变形发展的一个阶段，即在微 小的应力增量作用下，土单元会发生无限大( 不可控制) 的应变增量，它实际 上是土的本构关系的一个组成部分。但在长期的岩土工程实践中，在解决某些 土力学问题时，人们常常只关心土体受荷的最终状态，亦即破坏状态，因而土 的强度成为土力学中一个独立的领域。 一般认为土力学这门学科诞生于1 9 2 5 年，即太沙基( k - t e r z a g h i ) 出版土 力学和地基基础一书以后。在此之前和以后的多年中，人们在长期的实践中 积累了许多工程经验，形成了土力学的基本理论，如土的莫尔一库仑 ( m o h r c o u l o m b ) 强度理论、有效应力理论和饱和粘土的一维固结理论等。但 长期以来人们在解决土工建筑物和地基问题时，总是将它们分为变形问题和稳 定问题两大类。处理变形问题时，人们主要基于弹性理论计算土体中的应力， 用简单的侧限压缩试验测定土的变形参数，在弹性应力应变理论的范畴中计算 变形，同时人们在计算设计中经常需要采用一定的经验方法和经验公式。由于 当时建筑物并不是十分岛重，使用中对变形的要求也不是很高，所以这些计算 一般都能满足设计要求。 大量的土工和地基问题是稳定问题，在解决这类问题时，人们通常采用极 限平衡分析法来确定稳定的安全系数。解决方法时对土体进行极限平衡分析。 人们一般用莫尔一库仑破坏准则对不同工程问题中的土体进行极限平衡分析。 这种分析不考虑土体破坏前的变形过程及变形量，只关心土体处于最后整体滑 动时的状态及条件。所使用的实际上是刚塑性或理想塑性的理论。这种在变形 计算中主要使用弹性理论，在解决强度问题时使用完全塑性理论的方法成为解 决土工问题的经典方法，目前仍然是解决许多工程问题的主要分析方法。 2 0 世纪5 0 年代末到6 0 年代初，是土体本构关系的研究初期，在这一时期， 由于高重土工建筑物、高层建筑物和许多工程领域的大型建筑物的兴建，给土 体的非线性应力变形计算提出了必要性；另一方面计算机及计算技术手段的迅 速发展推动了非线性力学理论、数值计算方法和土工试验日新月异的发展，为 在岩土工程中进行非线性、非弹性数值分析提供了可能性，这给土的本构关系 8 的研究以极大的推动。7 0 年代到8 0 年代是土的本构关系迅速发展时期，上百 种土的本构模型成为土力学园地中最灿烂的花朵。在随后的土力学实践中，一 些本构模型逐渐为人们所接受，出现在大学本科的教材中，也在一些商业程序 中被广泛使用( 如a b a q u s ) ，这些被人们普遍接受和使用的模型都具有这些特 点：形式比较简单；参数不多有明确的物理意义，易于用简单试验确定：能反 映土变形的主要特征。同时人们也针对某些工程领域的特殊条件建立了特殊的 土的本构模型，例如土的动本构模型、流变模型及损伤模型等。 几十年来科学家们对于土的本构关系的研究使人们对土的应力应变特性 的认识达到前所未有的深度，促使人们对土从宏观到微观、细观的研究，同时 还为解决如高土石坝、深基坑、大型地下工程、桩基础、复合地基、近海工程 和高层建筑中地基、基础和上层建筑共同作用等工程问题提高了理论指导，此 外，本构关系的研究也推动了岩土数值计算的发展。岩土数值计算的方法有两 类，一类方法是将土视为连续介质，随后又将其离散化，如有限单元法、有限 元线法、无单元法以及各种方法的耦合。另一类计算方法是考虑岩土材料本身 的不连续性，如裂缝及不同材料间截面的截面模型和截面单元的使用，离散元 法( d e m ) ，不连续变形分析( d d a ) ，流行元法( w e m ) ，颗粒流( p f c ) 等数值计 算方法的发展。数值计算可采用不同的本构模型，有时也用以验证本构模型( 反 分折法) 土体是由固相、液相、气相三部分组成的松散沉积物，这三相的构成比例、 土体颗粒大小、孔隙水饱和程度及其含量决定了土的物理性状的复杂性和随机 性，进而也决定了土体本构关系的多样性。由于土的应力应变关系的复杂性， 想要通过一个数学模型来全面地、正确地表达所有土的特性是难于想象的。正 如黄文熙院士所指出，为解决特定的工程问题而选择和建立模型时，应考虑以 下几条原则：( 1 ) 任何一个模型，只有通过实践的验证，才能确定它的可靠性； ( 2 ) 模型应该尽量简化，最有用的模型是能解决问题最简单的模型；( 3 ) 模 型应该有针对性，不同的土，不同的工程问题，应该选择不同的、最合适的模 型。为描述不同的土体，解决不同的工程问题，人们提