（采矿工程专业论文）湿陷性黄土深基坑支护结构优化研究.pdf

太原理l ：人学硕十研究生学位论文y - 6 2 0 1 2 9 湿陷性黄土深基坑支护结构优化研究 摘要 基坑工程是集岩土工程和结构工程等多学科于一体的系统 工程，综合性强，影响因素众多。深基坑工程不仅存在基坑本 身的安全和稳定问题，而且还会因土方施工引起的周围地层移 动而可能危及相邻建筑物、地下管网和城市市政设施等的安全 及正常使用。 能否预测并控制住基坑及周围地表的变形往往是基坑设计 成败的关键。而湿陷性黄土地区，对基坑挖方变形性状的研究 较少。为了能够安全，经济地进行基抗支护设计，需要全面、 科学地分析支护体系的工作状态，尤其是支护体系的变形状态。 针对湿陷性黄土地基的特性，结合深基坑工程自身的特点本文 提出了考虑土体抗力释放与结构模型随施工过程改变的新杆系 有限元法，并编制了求解支护结构内力与变形的计算程序。以 有限元法为基础，对支护结构的刚度、插入深度、支撑位置、 坑内土体加固、预应力等因素对支护结构的内力和变形的影响 进行分析，并得出有益的结论。最后文章论述了深基坑工程的 1 太原理：r ：大学硕十研究生学位论文 优化原理，提出了深基坑工程优化设计的主要途径和方法，编 制了优化程序，通过对实例分析，取取得了满意的效果。 关键谲：湿陷性黄土，深基坑，支护结构，有限元法，优化设计 2 太原n - e 大学硕十研究生学位论文 s t u d yo n 0 p t i m i z a t l 0 mo fd e e p e x c a v a t i o ni nt h e c o l l a p s i b l el o e s sa r e a a bs t r a c t t h ef o u n d a t i o np i te n g i n e e r i n gi n c o r p o r a t e st h eg e o t e c h n i q u e a n ds t r u c t u r e e n g i n e e r i n g i n t oa n o r g a n i ci n t e g r i t yb ym a n y f a c t o r s n o to n l yi st h e r et h ep r o b l e mo fs a f e t ya n ds t a b i l i t yo f f o u n d a t i o n ，b u ta l s ot h ed a n g e ro ft h en e i g h b o r i n gb u i l d i n g s ，u n d e r g r o u n dp i p e s ，m u n i c i p a le q u i p m e n td u et ot h ed i s p l a c e m e n to f s t r a t u mu n d e re x c a v a t i o n i ti st h e k e yt od e s i g nt h ef o u n d a t i o np i ts u c c e s s f u l l yt h a t w h e t h e rt h ed i s p l a c e m e n to ft h ef o u n d a t i o na n ds u r r o u n d i n gs o i l s c a nb ef o r e c a s t e da n dc o n t r o l l e d h o w e v e r ，i nt h ec o l l a p s i b l el o e s s a r e a ，t h es t u d yo nt h eb e h a v i o ro fd e e pe x c a v a t i o nh a sb e e nv e r y l i t t l e i no r d e rt om a k eas a f ea n de c o n o m i c a ld e s i g no fad e e p 太原理：r ：大学硕十研究生学位论文 e x c a v a t i o ns u p p o r ts y s t e m i s r e q u i r et oh a v eac o m p r e h e n s i v e a n ds c i e n t i f i c a n a l y s i s o nt h e w o r k i n g s t a t eo ft h e e x c a v a t i o n s u p p o r ts y s t e m ，e s p e c i a l l y i t sd e f o r m a t i o n s b a s e d o nt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o l l a p s i b l el o e s sa n dt h eb e h a v i o ro ft h ed e e p e x c a v a t i o n ，an e wf i n i t ee l e m e n tm e t h o di s p u tf o r w a r dw h i c h t a k e si n t oa c c o u n tt h ee f f e c to fl a t e r a lr e s i s t a n c ef o r c ea n d t r a n s f o r m a t i o no fs t r u c t u r em o d e l ac a l c u l a t i o n p r o g r a mf o r a c o u n t e r a n a l y s i s i sa l s ow o r k e do u ti no r d e rt od e t e r m i n et h e i n t e m a lf o r c ea n dd i s p l a c e m e n to f s u p p o r ts t r u c t u r e b a s e do n t h e f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h i s p a p e ra n a l y z e d a n dd i s c u s s e dt h e e f f e c t so ft h ei n s e r t i o nd e p t ha n ds t i f f n e s so ft h es u p p o r ts t r u c t u r e ， t h eb r a c e d p o s i t i o n ，t h e r e i n f o r c e ds o i lm a s si nae x c a v a t i o n e n g i n e e r i n ga sw e l la sb r a c ep r e s t r e s so n t h ei n t e r n a lf o r c e sa n d d e f o r m a t i o n so ft h es u p p o r ts t r u c t u r ea n ds o m es u g g e s t i o n sf o r d e s i g no fs u p p o r ts t r u c t u r ea r ep r e s e n t e d f i n a l l yt h ep r i n c i p l eo f d e s i g n o p t i m i z a t i o no fd e e pe x c a v a t i o ne n g i n e e r i n gi se x p o u n d e d i nt h ep a p e r t h em a i nm e t h o d sa n dw a y so fd e s i g n o p t i m i z a t i o n a r ep r o p o s e d 4 太原理：r ：大学硕十研究生学位论文 k e yw o r d s ：c o l l a p s i b l e l o e s s ，d e e pe x c a v a t i o n ，s u p p o r t s t r u c t u r e ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，d e s i g n o p t i m i z a t i o n 5 太原理：r ：大学硕十研究生学位论文 1 前言 一绪论 基坑丌挖是基础工程和地下工程施工中的重要课题。特别是近年来我 国经济的迅速发展和人口的增加，城市中有限的地面空间已不能满足人们 r 益增长的生活和工作的需要。都市地价昂贵，向高空和地下寻求新的发 展空删已是建设决策者首要考虑的内容之。高层建筑的规模越来越大， 地下室愈建愈深，由此产生了许多深基坑丌挖工程问题。时代的发展赋予 这个课题新的研究意义，基坑工程学作为门新学科正在逐步形成。但基 坑工程是集岩土工程和结构工程等多学科于一体的系统工程，具有强烈的 地域性、综合性、实践性和j x l 险性。它既是一个综合性的岩土工程问题， 又是涉及到土层与支护结构共同作用的复杂问题。基坑工程不仅存在基坑 本身的安全与稳定问题，而且还存在因土方引起的周围地层移动而危及相 邻建筑物、地下管网和城市市政设施的正常使用等问题。能否控制住基坑 的变形往往是支护设计成败的关键。由于基坑工程的主要施工对象是土体 这种自然沉积的复杂材料，它的有些特殊的力学性质目前还不能用常规试 验所测定。致使基坑工程有较高的事故率，其中许多危及周邻环境的安全， 轻则使建( 构) 筑物倾斜和开裂，地下管线断裂错位、道路开裂和下沉而 影响使用：重则导致邻房倒塌、重要市政设施破坏，基坑内工程桩偏位， 造成巨大的经济损失和不良的社会影响。因此，对基坑工程加强理论研究， 现场施工监测研究和工程现场调查研究、认t 和掌握基坑边坡土体的受力 位移性状规律及影响因素，确定基坑周围地表沉降范围及沉降值，对提高 1 太原理：r ：大学硕十研究生学位论文 基坑支护结构的设计水平和减少事故率具有相当重要的实际意义。 从力学观点来看建筑场地可看成是本构关系复杂的多相半无限体。 在基坑工程施工前，半无限体处于平衡状态。基坑施工也即基坑开挖工程 是基坑丌挖面及挡墙面水平方向的卸荷过程。基坑丌挖打破了原先的平 衡，从而使基坑及周邻一定范围内土体的应力场与渗流场失衡，基坑边坡 发生一定量的侧向位移，基坑周边一定范围内的地表产生一定量的竖向沉 降和水平位移。土体产生应力重分布，基坑及周邻一定范围内土体的应力 场及渗流场达到新的平衡。随着基坑丌挖深度的增加，基坑边坡及周边地 表的位移量进一步增加，最终可能导致基坑的失稳。但往往在基坑边坡失 稳之f ，基坑丌挖的所引起的地表位移量已超出邻近建( 构) 筑物对变形 的容许值。所以在这种平衡或动态平衡中准确地估计丌挖所引起的地层移 动对周邻环境的影响，从而寻求合适的支护结构及其位移和内力的控制是 十分重要的。然而要精确分析这类工程力学问题是十分困难的。国内外许 多专家、学者对此问题作过理论研究。 岩土力学几乎所有理论上的进展都基于试验测试的结果，其特点往往 是先技术，后理论；先试验，后理论。实践、试验和理论三者互为因果， 不可分离。很难想象，岩土力学会超越半经验状态，会不受地区的限制， 对基坑丌挖问题更是如此。目前，国外的专家学者对基坑设计中的复杂问 题仍未解决，一般多采用偏于安全的保守设计。软土地区的基坑工程挖方 性状规律的研究也较充分，如前文所述。而黄土在我国是一种分稚很广的 区域性土，由于其特殊的工程性质，黄土地基上基坑丌挖变形性的理论 研究很少，工程资料也很少。因此，经常出现一些由于不了解区域性土的 特性而造成的重大设计事故。 毫无疑问，只有掌握基坑挖方性状规律，弄清影响基坑力学行为的重 要因素，才可以提出合理的支护结构设计方案，防止或杜绝类似破坏事故 2 太原理：r ：大学硕十研究生学位论文 重演。 目前，在实际工作中，还存在着两种极端现象。一是由于设计和施工 方面的原因而导致深基坑工程事故，造成巨大经济损失。特别是引起基坑 周边的建筑物、道路以及水、电、煤气管网等生命线工程的破坏；二是支 护选型和设计极为保守，造成浪费。后者往往更加难以引起人们的注意。 在深基坑工程招标中，各投标单位使得深基坑工程做到安全、经济、就成 为目前一个急待解决的课题。本文考虑到湿陷性黄土的力学形状结合深基 坑工程自身的特点提出深基坑工程优化设计的原理和方法。 2 深基坑工程概述 深基坑工程是一个综合性的岩土工程问题，它涉及到理论和实践中诸 多方面的问题，下面就深基坑工程支护体系的种类、功能及设计方法等作 一简要介绍。 ( 1 ) 深基坑支护体系的种类 a 非重力式支护体系 非重力式支护体系的刚度一般较小，由围护桩、环梁及支撑共同作用。 a 板桩 板桩用作围护结构，有较好的整体性和防渗性，并能回收利用，但其 刚度小，结构变形大。对于浅基坑，板桩较为适用。 b 灌注桩 利用灌注桩作为围护桩是近年来发展的一种技术，根据灌注桩的施工 方法，多为人工挖孔灌注桩、沉管灌注桩、钻孔灌注桩等，由于钻孔灌注 桩的刚度大、抗弯性能好、施工噪音小、价格经济，目前应用较为广泛。 c 地下连续墙 3 太原理：r ：大学硕十研究生学位论文 地下连续墙集挡土、截水、防渗和承力于一体，对于开挖深度较大、 地质条件较差的基坑，随着挖深的不断增大，对基坑周围土体变形控制要 求愈来愈严格，在这种情况下，采用地下连续墙是最好的支护技术之。 d 多支撑或锚卡1 组合结构 内支撑或锚锭式支护结构，适用于基坑丌挖深度8 米以上或地质条件 不好的深基坑工程。 b 重力式支护体系 重力式支护体系的挡土墙一般厚度大、刚度大、能够依靠自身的重力 来维持平衡，而不必设支撑。 a 水泥土深层搅拌桩 用搅拌机械将水泥与饱和软粘土搅拌，形成一根搅拌桩或连成搅拌桩 墙用于基坑的侧向支护。搅拌桩墙具有良好的防渗特性，在基坑丌挖时可 以不用降水，从而避免了对周围地下管线及建筑物造成危害，而且施工噪 音低、振动小和无污染，对环境影响小，造价低。所以也成为近年束发展 较快的一项技术。少数沿江沿海沙土地基的建筑工程有的也用水泥浆深层 搅拌桩作为重力式支护体系或加固措施之一。 b 高压旋喷桩 把需要支护的基坑侧壁土体采用高压旋喷工艺，将水泥浆、化学浆液与土 体混合形成柱列式加固体，连成帷幕，做挡土结构，用于基坑支护，它还 可以作为止水帷幕适用于基坑的防渗和加固。 c 喷锚网支护 在高边坡和大跨度地下工程中，特别是在不良地质条件下，通过喷锚 网作用，形成喷射混凝土、锚毒t 、钢筋与土体的共同作用的主动支护体系， 最大限度地利用边壁土体的自承能力，变土体为支护结构物的部分，这 是一种新型的支护作用机理，取代了传统的桩、板、墙、撑或桩锚、板锚、 4 太原理：r ：大学硕十研究生学位论文 墙锚、承锚的支护方法。 ( 2 ) 深基坑的破坏形式 在深基坑工程中，事故较多，这里有设计的原因，也有施工方面的原 因。基坑破坏往往给周围带来严重不良影响，如影响附近管线的f 常使用， 坑内工程桩的倾斜，附近房屋的开裂，特别是由于整体失稳导致结构地下 部分不能正常施工。因此，在施工的整个过程中要加强工程监测，防止基 坑的破坏，或通过采取防范措施进行及时抢救以使损失减少到最小。 根据支护结构破坏的形式可分为： a 土体失稳 a 整体失稳：包括由于田护桩入土深度太小引起的圆弧式滑动，俗称“踢 脚”，以及由于墙体截面太小引起的整体移动。 b 坑内隆起：丌挖后，应力释放会引起坑底隆起，可通过加深墙体入土 深度和加固基坑土来防止。 c 管涌和流沙：可通过降低地下水位差、加大墙体深度增加渗径或改善 墙体及地基的抗渗性能来避免。 b 结构失稳 a 支撑系统破坏：包括围护墙和支撑杆件的破坏。破坏原因有：围护桩 墙纵向尺寸太小或跨度太大，支撑杆件截面不够或计算度太大。 b 围护墙体破坏：包括围护墙体强度不够、截面不够或配筋不当等。 c 超量变形 这种变形对支护本身除变形太大外没有带来更大的危害，但对邻近构 筑物或地下管线造成不良影响。例如：因其邻近建筑物_ 丌裂，路面开裂或 下陷，管道漏水等。 ( 3 ) 深基坑支护体系的特点与功能 a 深基坑支护工程特点 a 深基坑支护工程施工条件比较差。高层、超高层建筑大都集中在城市中 5 太原理：r ：大学硕十研究生学位论文 心闹市区及主要街道的两旁，市区建筑密度大，人口密集，交通拥挤，施 工场地狭小。 b 地下基坑的丌挖越来越深。为节约用地，充分利用地下空间，在地表以 下设置越来越多的人防、车库、机房及消防等设施。 c 对支护结构的要求越来越高。深基坑周围环境复杂，为确保邻近建筑物、 地下电缆、光缆、煤气管道、污水管道等设施的安全，必须加强支护，但 从工程角度考虑必须方便基坑施工，从经济的角度出发又要保证工程费用 最省，这些都对支护结构提出了严格的要求。 d 高风险性。基坑工程特点别足软土地区的深基坑工程，由于各种因素的 影响，各类事故频频发生，给国家和人们带来巨大损失。为此，建筑工程 技术人员必须以高度的责任感做周密和详尽的考虑。认真对待设计和施 工，同时做好现场监测工作，以便对工程中可能发生的情况作出及时的预 测和判断。 b 深基坑丌挖支护功能 保证深基坑施工f 常进行及基坑周围建筑物和设施安全，是深基坑支 护体系的基本功能，具体归纳如下： a 保证边坡土的稳定性。 b 采用支护体系的基坑可垂直丌挖，节省了施工空问及土方施工量。 c 支护桩墙打入地下水位以下，可是地下水在土中渗流的路线加长，降低 了水力坡度，从而防止流沙、管涌等现象的发生，对于可挡水的支护墙还 可以起到阻水的作用。 d 对于基坑周围的建筑物及设施可以起到支护作用，防止出于丌挖基坑造 成土体的过大变形，从而保证周围建筑物及设渣的安全和正常使用。 ( 4 ) 基坑支护结构的分析及内力计算 常用的支护结构分析方法有许多种，根据如何考虑变形计算分类，可 分为古典方法和有限元两大类。 6 太原理：r ：大学硕十研究生学位论文 a 古典方法 基常规设计方法，包括等值梁法、残余力矩法、t e r z a g h i p e c k 法等， 是最常用的方法。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，然后对重力式刚性挡墙验算其抗倾覆、抗滑移稳定性，安全系数沿用 设计规范中对普通挡土墙的规定；或者计算柔性挡墙的内力，对墙身和支 锚结构进行设计。这种方法对于普通挡土墙或开挖深度不大的支护是比较 成熟的，但对于深基坑，特别是软土中的深基坑支护结构设计，就难以考 虑更为复杂的条件和难以分析支护结构的整体形状。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，压顶圈粱的作用与设计，复合式结构的受力分析等等。这 些问题有时却成为控制支护结构性状的主要因素。 b 有限元法 基坑丌挖分析有限元单元法分为杆系有限元法、平面和空间问题有限 元法。 a 杆系有限元法 围护挡墙的内力和变形用文克尔弹性地基梁法进行分析。将墙划分 为杆单元，支撑作为一维的弹簧单元，在可能产生被动土反力的部位以 线性弹簧单元模拟，土反力与弹簧变形的关系符合文克尔假定，弹簧刚 度即土层反力系数k 应由试验决定，也可采用经验值。采用杆系有限元 法分析时，作用在墙上的侧压力是事先假定的，这种方法不能计算墙后 和坑内的变形和应力场。 b 平面问题或空间问题有限元法 首先应确定挡墙、土体、支撑等的力学模型。土体模型可以假定为线 7 太原理l ：大学硕士研究生学位论文 弹性的、非线弹性的，如需要确切地反映土体的应力、位移状态，则可采 用弹塑性模型及反映塑性性质的屈服准则。对于平面问题单元的选择，目 前应用较多的是四结点或八结点等参元。挡墙一般假定为二结点弹性粱单 元，支撑为一维弹性杆单元。 深丌挖的基坑性状，目前大多采用平面有限元进行分析。当采用地下 连续墙作为围护挡墙而基坑平面尺寸不大的情况下，地下连续墙围护结构 犹如一只大箱子，角效应不能忽略，此时采用空间问题有限元法更为合理。 但由于土体的本构关系复杂土体的参数难于确定，运算复杂，实际工程中 此方法用得不多。 总之，有限元方法提供了一种更为合理的设计计算方法，它可以从整 体上分析支护结构及周围土体的应力与位移形状，且可适用于动态模拟 计算，不仅为事前设计方案比较，而且也为信息反馈施工管理提供实时 处理的手段。从原理上说，常规方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。 3 优化设计 结构优化设计是相对于传统的结构设计而言。传统的结构优化设计是 设计者根据设计要求，按本人的实践经验，参考类似的工程设计。确定结 构方案；然后进行强度、稳定胜、刚度等方面的计算。实际上这晕的计算 往往只是起种校核及补充细节的作用，仅仅证实了原方案的可行性。当 然，设计者有条件时总是还要研究几个可能的方案来进行比较。从而对结 构布局、材料选择、构件尺寸等进行修改，以便得到更为合理的方案。但 是，往往由于时间的限制、计算工作量过大等因素使方案比较这一环节受 8 太原理1 ：人学硕十研究生学位论文 到很大的限制，有时甚至是不可能的。从结构优化的角度来看，传统的结 构设计的特点是所有参与计算的量必须以常量出现，这种设计是r 可行的， 而未必是“最优的”。当设计者经验不足或者遇到的是新型结构时，这样 的设计一般只能是“可行的”了。 结构优化设计是设计者根据设计要求，在全部可能的方案中，利用数 学手段，计算出若干个设计方案，按设计者预定的要求，从中选择出一个 最好的方案。因而优化设计所得的结果，不仅是“可行的”而且是“最优 的”。这罩所况的“最优”是相对设计者预定的要求而言。 对于设计者评价设计“优”的标准，在优化设计中成为目标函数。结 构设计的量，以变量形式参与结构优化设计的称为设计变量。设计时应遵 守的几何、强度及刚度等条件成为约束条件。 结构优化设计中，选择设计变量，确定目标函数，列出约束条件，成 为制定优化设计的数学模型。有了此模型，还要选择合适的优化方法，进 行结构优化设计，从而得到理想的结构设计。 结构优化设计与传统的结构设计采用同一个基本理论，使用同样的计 算方式，遵守同样的设计规范、施工或构造规定，因而具有相同的安全度。 从这些角度看，他们是完全一样的。基坑工程师涉及诸如场地环境因素、 施工技术因素、岩土性状的力学因素在内的一项系统工程。因工程的特点 确定了在基坑工程施工之前，难以用较长的时间论证及进行物理模拟试 验。况且设计理论尚不完善，往往是依靠经验来设计，所以设计的方案很 难达到最优，从而带来不必要的浪费。因此，完善支护工程设计方法，进 行基坑工程优化设计十分必要。利用优化设计可缩短设计周期，提高设计 质量，节约大量投资。 ( 1 ) 给定参数 指预先给定的描述结构特性的参数，在优化设计过程中，其值是固定 的，因此可作为常量考虑。通常弹性模量e 及材料容重等都属给定参数。 9 太原理：r ：大学硕十研究生学位论文 ( 2 ) 设计变量 指在优化设计过程中所要选择的描述结构特性的量，它的数值当然是 可变的。 ( 3 ) 目标函数 指优化设计所追求的目标，它是设计变量的函数，如结构的重量、造 价通常可为目标函数，一般将目标函数表示为v ( x ) 。 ( 4 ) 约束条件 至结构设计中为满足使用上的各方面的要求，对设计方案施加的种种 限制，如保证结构正常工作的强度、刚度、和稳定性要求，规范中有关规 定及构造上的要求等等。 ( 5 ) 数学模型 建立结构优化的数学模型是将实际工程中的结构优化设计问题转化 为数学问题的一个非常重要的步骤。建立数学模型包括选定设计变量，选 择目标函数，建立约束方程等内容。在建立数学模型的过程中，要充分吸 收已有的工程经验，注意所得到的解答易于在实际工程中应用，而且在现 有条件下确有解答。只有这样，所建立的数学模型才有实际意义。 ( 6 ) 结构优化的类型 结构优化，可分为以下三种类型： a 截面优化 在结构类型、材料、布局、轮廓几何形状一定的条件下，求结构各单 元的最优截面尺寸。如对结点位置一定的钢架单个构件最优截面尺寸对 坝体中界面几何形状一定的双曲拱坝求坝体厚度，等等。对这类问题，近 二十年来研究较多，理论及方法已渐趋成熟。在某些领域的应用已见成效。 b 结构形状优化 结构形状优化又称结构的几何优化，它是在结构的类型、材料、布 局已定的条件下，对结构几何形状进行优化。例如，对布局已定的钢架 的结点位置及截面尺寸进行优化。 1 0 太原理：r ：大学硕十研究生学位论文 c 结构拓扑优化 结构拓扑优化就是对结构的构件布局和结点联结关系进行优化。以一 个网架结构来说，这个网架应为几个结点? 每个结点之间如何联结等。 结构拓扑优化非常复杂，目前还处于研究阶段。 太原理：r ：大学硕十研究生学位论文 1 前言 二黄土场地基坑应力应变分析 黄土是我国一种广泛分布的区域性土，主要分布于西北、华北、东北 等地区。黄土是一种第四纪沉积物，具有一系列内部物质成份和外部形态 的特点我国有6 0 多万平方公里的黄土。它是一种颗粒组成以粉粒 ( 0 o j o 0 0 5 m m ) 为主的黄色粉状土：含有大量的碳酸盐类，土粒具有高度 团聚性，往往具有肉眼可见的大孔隙。 由于其独特的成因、颗粒组成及化学成分、结构特点等黄土具有一系 列独特的工程性质主要表现在黄土具有较高的结构强度，常表现出超固 结性质。 太原地区湿陷性黄土厚度为7 - 1 1m ，湿陷性、压缩性中等，黄土颗粒 比重为2 6 2 2 7 6 ，含水量1 5 2 5 ，液限2 6 2 - 3 1 ，塑限1 6 2 0 ，塑性指数 9 。5 - 1 2 0 ，孔隙比0 。9 4 一1 0 9 ，压缩模量3 - 3 0 m p a ，天然土样的内聚力在 1 0 6 0 k p a 之间平均值为4 4 k p a ，内摩檫角1 7 。一3 0 0 之间，平均值为1 8 。 基坑的深度主要取决于地下室层数：一层地下室的基坑深度大致为 4 - 6 m ：二层地下室的基坑深度大致为8 9 m ：三层地下室的基坑深度大致 为l1 1 2 m ；四层地下室的基坑深度大致为1 4 1 6 m 。由于高层、超高层 建筑一般具有1 4 层地下室，基坑玎挖较深，普遍大于6 m ，故基坑底 部一般位于湿陷性黄土层内。 1 2 太原理：t ：大学硕十研究生学位论文 2 黄土地基基本特性 ( 1 ) 黄土中含水量对抗剪强度的影响 太原地区黄土的天然含量在1 5 2 5 之间变化，黄土的天然含水量 与湿陷性关系较大，含水量越低，则湿陷性越强烈。随着含水量的增大，湿 陷性逐渐减弱。一般来说，当含水量在2 3 以上，湿陷性已基本消失，相 应的压缩性增高。 当黄土的天然含水量低于塑限时，水分变化对强度影响最大。表2 一l 及图2 一l 、图2 2 是在直剪仪中用直剪法得出的试验结果，由图2 - 1 可得 其内聚力c ( k p a ) 和含水量w 的关系为： c = 0 0 8 9 5 w 3 3 4 7 2 w 2 + 4 1 4 9 5 w 一1 1 2 8( 2 1 ) 由图2 - 2 可得内摩檫角1 i r ( 。) 和含水量w 的关系为： v = 一0 0 0 81w + o 4 2 7 w “一8 17 2 w 2 + 6 6 2 0 2 w 一16 8 9 4( 2 2 ) 可见当含水量由7 8 增加到1 8 2 时，内摩檫角和内聚力都降低1 4 左右。 表2 1 含水量低于塑限时黄土抗剪强度的变化 w ( ) w 。中( o )c ( k p a ) 7 81 9 32 34 2 9 31 8 22 34 5 1 3 11 9 31 83 6 i1 6 32 0 71 82 9 l8 2l g 31 73 2 1 3 太原理：r ：大学硕十研究生学位论文 内聚力c fk p a ) 4 7 4 3 3 9 3 5 3 l 2 7 、 、 1 681 0 1 21 4 1 61 8 2 0 含水鼙w ( ) 图2 1 含水量低于塑限时含水量与内聚力的关系 f i g 2 1t h er e l a t i o n s h i po f m o i s t u r ec o n t e n ta n dc o n h e s i o nf o r c e w h e nb e l o wp l a s t i cl i m i t 内岸擦伯中( 。) 一_ _ 、- - _ ，一r 8 2 0 含水量w ( ) 图2 2 含水量低于塑限时舍水量与内摩檫角的关系 f i g 2 - - 2 t h er e l a t i o n s h i po f m o i s t u r ec o n t e n ta n di n t e m a lf r i c t i o na n g l e w h e nb e l o w p l a s t i cl i m i t 当黄土的天然含水量超过塑限时，抗剪强度降低幅度小。若黄土的含 水量相同，则密实度越大，抗剪强度越大。表2 2 及图2 3 、图2 4 是不 同干容量和不同含水量情况下试验结果的对比。由表2 2 也可以看出，当 黄土的密实度一定时，随含水量的抗剪强度逐渐降低。当含水量增加，于 重度减少时，抗剪强度降低；反之，含水量减少，干重度增加时，则抗剪 强度增大。 1 4 纠n趴如悖博m” 太原理：r ：大学硕十研究生学位论文 表2 - 2 不同干容重时含水量与抗剪强度的试验对比 3 9 8 6 1 4 5 1 9 ，2 2 3 8 3 9 ，3 3 3 8 3 1 3 3 0 2 2 6 3 7 0 5 2 3 2 2 l 6 2 7 92 6 02 内聚山c ( k p a ) 1 4 2 1 4 4 1 8 32 9 3 2 1 92 7 o 2 3 32 6 5 4 0 2 6 2 0 2 5 62 5 8 1 0 彳 b人 、 一 、 yo 、 nk 飞 。暴n u !_ 7 d = 1 2 5 1 2 7 k n m 3 7 a = 1 3 6 - 一1 3 8 k n m 3 y , l = 1 4 2 1 4 4 k n m 3 7 a = 1 4 8 1 5 0 k n m 3 y d = 1 5 3 1 5 5 k n m 3 05l ol52 02 53 0 禽水量w ( ) 图2 3不同重度下黄土含水量与内聚力的关系 f i g 2 3t h er e l a t i o n s h i po f m o i s t u r e c o n t e n ta n dc o n h e s i o nf o r c ei nd i f f e r e n td e n s i t y 1 5 啪m啪印如o 内摩擦f f j 中( 。) 弋 i 、i 埘。 i 文 i 、 、 、 1 ! 笑!公l _心 3 h y d = 1 2 5 1 2 7 k n ，m 3 一yd = 3 6 1 3 8 k n m 3 y d = 1 4 2 1 4 4 k n m 3 yd = 1 4 8 i5 o k n m 3 求yd = 15 3 15 5 k n m 3 0i52 0 2 5 3 0 含水量w f 1 图2 - 4 不同干重度下黄土含水量与内摩檫角的关系 f i g 2 4t h er e l a t i o n s h i po fm o i s t u r ec o n t e n ta n di n t e r n a lf r i c t i o na n g l e i nd i f f e r e n td r yd e n s i t y ( 2 ) 天然黄土与饱和黄土抗剪强度的对比 天然黄土和饱和黄土抗剪强度的对比，见表2 3 。 表2 3天然黄土和饱和黄土抗剪强度的对比 天然十样 饱币十样 c ( k p a )巾( 。)c ( k p a )中( 。) 5 02 4 11 61 8 6 5 82 5 52 51 7 4 5 52 4 82 i2 0 2 5 82 8 12 62 0 4 6 42 1 93 02 0 8 4 01 9 6 2 01 7 4 2 62 1 59 1 8 8 92 9 55 62 4 7 c = 5 7中= 2 4 3c = 2 5审= 1 9 7 表2 3 数值表明了，饱和黄土的抗剪强度比天然黄土大幅度地降低， 其中降低最大的是c 值，达到2 3 倍，p 值降低不大，仅是1 2 倍。这个 特点是一般土所没有的，这也是黄土浸水后强度急剧降低，以致发生湿陷 1 6 柏弛弘弛如弛弧h 太原理：r ：大学硕十研究生学位论文 性变形和坍塌的主要原因。 3 黄土的力学性质指标 各种土的侧压力系数k o 和泊松比p 的经验值参考表2 - 4 选用。 表2 - 4k ”u 经验值 土类别k ou 粉土0 3 30 2 5 砂质粘土( 坚硬状态) 0 3 3o 2 5 砂质粘土( 可塑状态) 0 4 30 3 0 粘土( 峰硬一可塑状态)o 3 3 一o 5 3 0 2 5 0 3 5 变形模量e 和压缩模量e s 实测值见表2 5 。 表2 - 5e 、e 。对应值 地区e ( m p a )e s ( m p a ) i = o 1 0 73 1 9 2 7 山 i 、= 0 0 9 3 8 73 5 i ， 02 1 5 1 i 。= o 0 3 1 44 0 i 。= o 3 97 4 5 3 8 西 i = o 4 8 1 6 7 8 4 i = 0 2 38 6 3 1 i 0 1 2 22 8 i 04 5 1 9 陕 3 2 i ；= o 5 62 4 i 0 3 1 66 o i o7 1 1 1 西 i 0 1 4 41 0 6 i = 0 2 22 1 2 2 i ， 0 8 0 9 3 1 8 青 i 。 0 7 6 5 1 8 i 0 5 5 5 2 0 4 i 0 6 7 2 3 7 6 i ， 0 6 4 7 1 7 4 海i 。= 0 43 1 8 8 9 i 7 。k p 。 ( 4 7 ) 式中k 。r _ 一第i 层的主动土压力系数，可按式( 4 - 1 4 ) 计算： 盯。女一作用于深度处z ，的竖向应力标准值，可按式( 4 - 8 ) 计算： c 。- 三轴试验( 当有可靠经验时可采用直接剪切试验) 确定的 第i 层土固结不排水( 快) 剪粘聚力标准值； 3 0 太原理：r ：大学硕十研究生学位论文 z ，一计算点深度 m j _ 计算参数，当z j _ 时，取z ，当z j h 时，取h h 。基坑外侧水位深度 叩。一计算系数，当h 。h 时，取l ，当h w a h 时，取0 ； 儿水的重度。 b 对于粉土及粘性土： e 矾2c r a # k 。一2 c 七。， ( 4 8 ) c 按以上规定计算的基坑玎挖面以上水平荷载标准值小于零时，应取零。 b 竖向应力标准值盯。k 基坑外侧竖向外侧应力标准值a 。可按下列规定计算： e 舯= 口睹+ o o k + ( r 怕 ( 4 9 ) a 计算点深度z 处自重竖向应力盯。 1 ) 计算点位于基坑开挖面以上时： 盯m2 ，w z j ( 4 1 0 ) 式中深度z 以上土的加权天然重度。 2 ) 计算点位于基坑开挖面以下时： c 7 计= y 。 厅 ( 4 1 1 ) 式中，。一丌挖面以上土的加权平均天然重度。 b 竖向应力标准值盯。 当支护结构外侧地面作用布满附加荷载q 。时( 图4 - 3 ) ，基坑外侧任意 3 l 太原理：r ：大学硕十研究生学位论文 深度的附加竖向应力标准值仃。可按下式确定： c 竖向应力标准值盯。 ( 4 1 2 ) 距支护结构b t 外侧，地表作用有宽度为b 。的条形附加荷载q 时( 图 4 _ 4 ) ，基坑外侧深度c d 薄围内的附加竖向应力标准值仃。可按下式确定： 盯* = 擘t i b 酉o ( 4 - 1 3 ) 上述基坑外侧附加荷载作用于地表以下一定深度时，将计算点深度相 应下移，其竖向应力也可按上述规定确定。 幽4 - 3 支护结构外侧满布荷载 f i g 4 - 3 f u l l - l o a do u to f s u p p o r t s t r u c t u r e 图4 - 4 支护结构外侧条形荷载 f i g 4 4 s t r i p l o a do u to f s u p p o r ts t r u c t u r e c 主动土压力系数k 。i 第i 层土的主动土压力系数k 。i 应按下式计算： k 户僖2 。s - 警 ( 4 - 1 4 ) 式中妒三轴试验( 当有可靠经验时可采用直接剪切试验) 确定 第i 层土固结不排水( 快) 剪内摩檫角标准值。 3 2 太原理：t ：大学硕十研究生学位论文 ( 2 ) 支护结构的计算模型 支护结构的计算模型类似于弹性地基梁的情形，即将桩身离散成n 个单元，支撑也以作用于结点处的弹簧来模拟，任一单元两结点处的弹簧 刚度分别为k 、k ：基坑内的土体以沿深度方向分布的一组土弹簧模拟， 其地基水平床系数k ，按r f l 法计算取值。 a 参数的确定 a 锚杆水平刚度系数 若结点处的弹簧为锚杆弹簧时，锚杆水平刚度系数k ，应按建筑基 坑支护技术规程一- - j g j l 2 0 9 9 附录e 的锚杆基本试验确定，当无试验 资料时，可按下式计算： k ，! 生垦垦生c o s z0( 4 1 5 ) t 3 e = a = + e 。a l n 式中a 杆体截面面积； e 。杆体弹性模量； e ，锚固体弹性模量。 a ，一锚固体截面面积； l ，一锚杆自由段长度； l 。锚杆锚固体长度； 0 锚澉水平倾角。 锚杆体组合弹性模量e ，可按下式确定： b ：a e 。+ ( a c - a ) e o ( 4 1 6 ) 爿 3 3 太原理：r ：大学硕十研究生学位论文 式中e 。一锚固体中注浆体弹性模量。 b | 支撑体系水平刚度系数 当基坑周边支护荷载相同、支护体系采用对支撑并沿具有较大刚度的 腰粱或冠梁等间距布置时，水平刚度系数k ，按下式计算： k ，：2 0 t e a s 。ls ( 4 1 7 ) 式中k ，一支撑结构水平刚度系数； 口与支撑松弛有关的系数，取o 8 1 o ： e 一支撑构件材料的弹性模量； a 支撑构件断面面积； l 一支撑构件的受压计算长度： s 一支撑的水平问距； s 。一计算宽度。 c 被动区土体水平抗力系数的比例系数m 丌挖面以下的水平抗力系数的比例系数m 应根据单桩水平荷载试 验结果按下式计算 隆 乃 ( 4 1 8 ) b o ( e i ) 气 式中m 地基水平抗力系数的比例系数m n m 4 ) ，该数值为基坑 开挖面以下2 留+ 1 ) 深度内各土层的综合值； h 。单桩水平临界荷载( 删) ，根据建筑桩基技术规范 3 4 奎堕望三盔兰堡堑窒竺兰生堡塞 ( j g j 9 4 9 4 ) 附录e 方法确定 x 。，单桩水平临界荷载对应的位移( m ) ； v ，一桩顶位移系数，可按表2 2 采用( 先假定m ，试算岱) b 。一计算宽度。 表4 - - 1 桩顶位移系数v ， 换算深 4 03 53 o2 82 62 4 度砌d v j 2 4 4 l2 5 0 22 7 2 72 9 0 53 1 6 33 5 2 6 注：表中口= j 鲁。 当无试验或缺少当地经验时，第i 层水平抗力系数的比例系数m 。， 可按下列经验公式计算： m ，= 去( o 却：一t ) 式中第i 层土的固结不排水( 快) 剪内摩檫角标准值( 。) 。一第i 层土的固结不排水( 快) 剪粘聚力标准值( k p a ) ； 一基坑底面处位移( r a m ) ，按地区经验取值，无经验为1 0 。 b 力学分析与矩阵的形成 我们将从总体上直接分析结构的刚度矩阵，为了分析方便我们先来分 析弹性地基梁的受力情况。 a 结构力学分析 在任何结构上一个选定结点处( 图4 - 5 ) ，下列方程是成立的： 3 5 太原理：r ：大学硕十研究生学位论文 p i = 爿f( 4 1 9 ) 此方程应用一个比例常数a 简单地使外力p 与内力f 联系起来。 对于一系列结点引进矩阵符号( 删区去脚标，或省去有时所用的大标 号和方括号) ，这就成为 p = a f ( 4 2 0 ) 考虑与上面方程( 4 _ 2 0 ) 相同的结点系，联系结构杆件结点处的内变 形与外结点位移，得出 掣溢辞是k 睁盖掣逝寺笛吨蒜。蛩 4 o 4 l h o o ，o 。 黔弋嚣一y 出学f 裂) ( a ) 结点之间的荷载分配相邻结点并包括固端力矩 ( c ) 内力一变形f e 的编号 ( d ) 考虑结点1 和2 处诸自由体静