（水工结构工程专业论文）基坑工程中土与支护结构相互作用及边坡稳定性的数值分析.pdf

提要 在基坑工程中，土与支护结构相互作用、土的物理非线性与界面的接触非线 性所构成的土工双重非线性和基坑边坡的稳定性是深基坑工程中的三个非常重要 而基本的实际问题，一直得到了广泛的重视，但是目前尚未得到彻底的解决。为 此本文针对这三个问题，分别开展了深入的探索，主要研究工作包括： 1 对于土与结构间接触面的切向本构关系，目前通常采用双曲线非线性弹性 模型或刚塑性模型来描述，但是，传统的双曲线非线性模型不能明确地表达剪切 破坏后的塑性流动变形特性；而刚塑性模型又无法描述剪切破坏之前的非线性弹 性变形。对此，本文将非线性弹性理论与弹塑性理论相结合，提出了种非线性 弹性一理想塑性模型，剪切破坏之前所发生的剪切变形与剪切破坏之后的错动变 形分别由非线性模型和刚塑性模型计算，这种混合模型能够比较全面地反映接触 面的变形特性与破坏机理，以此为基础发展了用于模拟土与结构接触面特性的接 触带单元。从计算角度，接触面的计算力学模型可以分为无厚度的接触面单元和 有厚度的接触带单元，通过比较分析认为有厚度的接触带单元能够比较合理地描 述土与结构的相互作用特性。 2 对于实际岩土工程中大量存在的土的物理非线性和土与结构间接触面的 接触非线性这类双重非线性问题，本文将土的理想弹塑性模型和针对接触面所建 立的非线性弹性一理想塑性本构模型相结合，发展了一套非线性数值解法，从而 对于工双重非线性问题提出了一种一套比较协调的计算模型与数值分析方法， 并将其应用于深基坑支护与开挖及稳定性分析，实际计算表明这套方法是行之有 效的。 3 针对目前边坡稳定性分析中常用的强度折减弹塑性有限元法所存在的失 稳指标和失稳判断不明确等问题，本文提出了将广义塑性应变作为一种新的失稳 指标，并依据广义塑性应变分布区的产生、发展乃至相互连通进行边坡稳定性的 评判。本文通过对有限元计算结果的计算机实时显示技术全面实现了这种评判过 程，即通过对图形实时显示的计算结果的观察，分析强度折减过程中广义塑性应 变的发展变化，进而评判边坡的稳定性，多个算例的计算与分析表明不仅对于基 坑边坡，而且对于实际工程中的天然边坡和人工切坡，这种稳定性分析方法是合 理有效的。 4 采用v i s u a lc + + 编写了面向对象的计算程序，实现了非线性一理想塑性接 触面模型，实现了土工双重非线性m 题的弹塑性有限元数值计算和以此为基础的 边坡稳定性数值分析。该计算系统不仅具有较强的计算功能，丽且拥有较强的前 前后处理功能，在后处理中，有限元计算结果可以用等值线与彩色云图两种方法 表达。结合基坑开挖与支护这样的变体系施工力学问题，将非线性有限元计算过 程与实时显示技术相结合，随时通过图形显示了解施工与加载过程中各种物理量 的发展与变化过程，是这一计算系统的突出特点。 关键词：基坑工程；土一结构相互作用：边坡稳定性；非线性分析；弹塑性有限元； 接触面单元；强度折减；数值分析；计算机可视化；面向对象程序设计 s u m m a r y i th a sb e e nw e l lr e c o g n i z e dt h a tt h ei n t e r a c t i o no fs o l la n ds u p p o r ts t r u c t u r e s ， n o n l i n e a r i t i e so fs o l jm a t e r i a l sa n dc o n t a c ts u r f a c eb e t w e e ns o i 】a n ds t r n c t u r e sa n dt h e s t a b i l i t yo ff o u n d a t i o np i ts l o p ea r e t h r e em a l ni s s u e si nt h ec o n s t r u c t i o na n dd e s i g no f d e e p f o u n d a t i o np i te n 西n e e r i n g t h e s ei s s u e sh a v en o tb e e nw e l ls o n e d i n e n g i n e e r i n g p r a c d c e 乃e r e f o r et h e s et o p i c s a r ei n v o l v e di nt h i st h e s i s ，t h er e s e a r c hw o r kd o n e i n c l u d e sa sf o l l o w i n g ： 1 t h eh y p e r b o l i c t y p en o n l i n e a rm o d e la n dr i g i da n dp e r f e c t l y - p l a s t i cm o d e la r e u s u a l l ya d o p t e dt os i m u l a t et h ec o n s t i t u t i v eb e h a v i o ri nt a n g e n td i r e c t o no f c o n t a c t s u r f a c e i nf a c t ，h o w e v e r , t h eh y p e r b o l i c - t y p en o r d i n e a rm o d e lc a nn o td e f i n i t e l yd i s p l a y t h ep l a s t i cf l o wd e f o r l t l a t i o na f t e rs h e a rf a i l m ew h i l er i g i d - p e r f e c t l y p l a s t i cm o d e lc a n n o td e s c r i b et h en o r d i n e a rd e f o r m a t i o nb e f o r es h e 8 1 f a i l u r e h ao r d e rt oo v e r c o m et h e s e d r a w b a c k s ，e l u s t i ca n de l a s t o - p l a s t i ct h e o r i e sa r ec o m b i n e dt o g e t h e ra n dan o n l i n e a r e l a s t o - p e r f e c t l yp l a s t i cm o d e l i sd e v e l o p e dt os i m u l a t en o n l i n e a ra n di n e l a s t i cb e h a v i o r o fi n t e r a c t i o nb e t w e e ns o i ia n ds t r u c t u r e i nt h er o o d e l ，s h e a rd e f o r m a t i o nb e f o r es h e a r f a i l u r e si sc o m p u t e db yt h en o n l i n e a rm o d e la n dt h ep l a s t i cd e f o r m a t i o na f t e rs h e a r d e b o n d i n g i s g i v e nb y t h e e l u s t o - p l a s t i c m o d e l t h e r e f o r e t h em o d e lc a n c o m p r e h e n s i v e l ys h o w t l ed e f o r m a t i o nb e h a v i o ra n df a i l u r em e c h a n i s mo ft h ec o n t a c t s u r f a c e o n 山eb a s i so ft h i sc o n s t i t u t i v em o d e lf o rc o n t a c ts u r f a c e t h ec o n t a c t z o n e e l e m e n tw i t hac e r t a i no fl l l i c k n e s sf o rn u m e r i c a ls i m u l a f i o no ft h ec o n t a c ts u r f a c e b e t w e e ns o l la n ds t r u c t u r e i s p r o p o s e d f o rf e m b a s e d c o m p u t a t i o n s b a s e d o n n u m e r i c a l a n a l y s e s i t i s r e c o g n i z e d t h a tt h ec o n t a c t z o n ee l e m e n tw i t hn o n - z e r o t h i c k n e s s ，i n s t e a do fn o - t h i c k n e s sc o n t a c te l e m e n t ，s h o u l db ee m p l o y e dt os i m u l a t e b e h a v i o ro f s o i la n ds t r u c t u r ei n t e r a c t i o n 2 t w ot y p e so fn o n l i n e a r i t yo c c u ru s u a l l yi ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gp r o b l e m s ， i ep h y s i c a ln o n l i n e a r i t yc a u s e db yt h e n o n l i n e a rb e h a v i o ro fg e o - m a t e r i a l s ，a n d g e o m e t r i c a l1 1 0 n l i n e a r i t yi n d u c e db yt h en o u l i n e mc h a r a c t e r i s t i c so f i n t e r f a c e sb e t w e e n s o i la n ds t r u c t u r e f o rs u c ht w i c en o n l i n e a rp r o b l e m s t h ee l s t o - p e r f a c t l y p l a s t i cm o d e l i su s e df o rd i s p l a y i n gs o i ln o n l i n c u rb e h a v i o ra n dt h en o n l i n e a re l a s t o p e r f e c t l yp l a s t i c m o d e ld e v e l o p e di nt h i st h e s i si se m p l o y e d 南rd e s c r i b i n gt h e1 1 0 n l i n e a rb e h a v i o ro f c o n t a c ts u r f a c e s t h e na l le f f e c t i v en o n l i n e a ra l g o r i t h mw h i c hc o m b i n e st h ei n c r c m e n t a l p r o c e d u r ea n di t e r a t i v es c h e m ei sd e v e l o p e df o rs o l v i n gt h er e s u l t i n gn o u l i n e a rf e m e q u a t i o n s n l ep r o p o s e d n u m e r i c a lm e t h o di s a p p l i e d t on u m e r i c a l a n a l y s e s o f f o u n d a t i o np i te x c a v a t i o na n db r a c i n ga n ds l o p es t a b i l i t y an u m b e ro fn u m e r i c a l e x a m p l e s a r eg i v e nt ov e r i f yt h ee f f i c i e n c ya n dv a l i d i t yo f t h ep r o p o s e dp r o c e d u r e 3 n l es l o p es t a b i l i t ya n a l y s i sb a s e do nt h ee l a s t o - p l a s t i cf e mb yu s i n gs h e a r s u e n g t hr e d u c t i o nt e c h n i q u e sh a sb e e nc o m m o n l ya c c e p t e da n dw i d e l yu s e di ns l o p e e n g i n e e r i n g b a s e d o nt h ec o m p u t e dd i s p l a c e m e n t so rg e n e r a l i z e ds h e a rs t r a i na ta c e r t a i ns t a t eo fs l o p ei nw h i c hc o n v e r g e n c eo fi t e r a t i o n so ff i n i t ee l e m e n tc o m p u t a t i o n s c a n n o tb eg a i n e d ，s u c has t a t ei su s u a l l yd e f i n e da st h ei n s t a b l es t a t e a tt h em o m e n to f i n s t a b i l i t y , t h ev a r i a t i o n sa n dd i s t r i b u t i o n so fs o m ep h y s i c a lq u a n t i t i e ss u c ha sp l a s t i c s t r a i na n ds t r e s sl e v e la r eu s e dt oa s s e s st h ei n i t i a d o na n dd e v e l o p m e n to ff a i l u r ez o n e t h e r e f o r e t h ec o n v e n t i o n a lp r o c e d u r ef o rd e f i n i n gt h ei n s t a b i l i t ys t a t eb yc o n t r o l l i n g t h em a x i m u mi t e r a t i v en u m b e rf o rc o n v e r g e d g ej u d g m e n ti sn o ta p p r o p r i a t e ，m o r e o v e r , s u c ha c o n v e r g e n c ec r i t e r i o n t h a tt h er a t i oo fu n b a l a n c e dr e s i d u a lf o f e e st ot o t a l i i e x t e m a l l y a p p l i e d l o a d so rt h er a t i o d i s p l a c e m e n t sc a n n o te x c e e d1 0 3 s h o w s o fi n c r e m e n t a l d i s p l a c e m e n t s t ot h et o t a l ac e r t a i nd e g r e eo fm a l l m a d er a n d o m n e s s i n f a c t t h ed i s t r i b u t i o no fg e n e r a l i z e ds h e a rs t r a i na ta n ys t a g eb e f o r eo v e r a l lf a i l u r eo c c u r c a nb ed i s p l a y e db a s e do nt h ec o m p u t a t i o n a lr e s u l t so fe l a s t o - p l a s t i cf i n i 把e l e m e n t a n a l y s e sb yu s i n gs t r e n g t h r e d u c t i o n t e c h n i q u e l i l e t h ed i s t r i b u t i o nz o n eo f g e n e r a l i z e ds h e a rs t r a i n o fs l o p ew i t hag i v e nv a l u eo fs t r e n g t hr e d u c t i o nf a c t o ri s o v e r i a p p e df r o m t l l et o et ot h et o po f s l o p e t h es l o p e w i l ia p p r o a c ht h ei n s t a b i l i t ys t a t e h o w e v e r , t h ec r i t i c a lv a l h eo fg e n e r a l i z e ds h e a rs t r a i n ，a tw h i c h 血eo v e r a l lf a i l u r eo r i n s t a b l es t a g ew i l lb ei n i t i a t e d c a n n o tb ed e f i n e db e f o r e h a n d t h e r e f o r eac e r t a i nd e g r e e o fu n c e r t a i n t yi n d e t e r m i n i n g t h e s a f e t y f a c t o r b yu s i n g t h i s t e c h n i q u e , v i i i b e i n d i s p e n s a b l e o nt h eb a s i so ft h e s ep r o b l e m s ，t h ee l a s t o - p l a s t i cf e mb yu s i n gs h e a r s t r e n g t h r e d u c t i o np r o c e d u r e ( s s r f e m ) i si n c o r p o r a t e dw i t ht h ed y n a m i cd i s p l a y t e c h n i q u eo f c o m p u t e dn u m e r i c a lr e s u l t si nt h i st h e s i s t h ei n s t a b i l i t yc r i t e r i o no f s l o p e s b a s e do ng e n e r a l i z e dp l a s t i cs t r a i na n d d e v e l o p m e n to fp l a s t i cz o n ei sp r o p o s e da n di s c o m p a r e dw i t h t h ec o n v e n t i o n a lc r i t e r i a c o m m o n l yb a s e d o nt h e c o n t r o l l i n g o f m a x i m u mi t e r a t i v en u m b e r t h r o u g hn u m e r i c a lc o m p u t a t i o n sf o ran a t u r a lv e r t i c a ls l o p e i ti si n d i c a t e dt h a tt h ep r o p o s e di n s t a b i l i t yc r i t e r i o nc a l lr a t h e rr a t i o n a l l yp r e d i c tb o t h s a f e t y f a c t o ro ft h e s l o p ea g a i n s to v e r a l ls l i d i n ga n d 也ec o r r e s p o n d i n gs h a p ea n d p o s i t i o no f t h ep o t e n t i a ls l i ps u r f a c e t h ec o m p u t e ds a f e t yf a c t o rc a na g r e ew e l lw i t h t h o s eo b t a i n e d b yo t h e rs s r f e ma n a l y s e sb a s e d o l lt l l ec o n v e n t i n n a lc r i t e r i ao f i n s t a b i l i t y f o ra ne x c a v a t e ds l o p ea n da ne x c a v a t e ds l o p ew i t hr e i n f o r c e m e n to fs o l l n m l i n g ，n u m e r i c a la n a l y s e s a r e r e s p e c t i v e l yp e r f o r m e db yt i l e p r o p o s e da p p r o a c h a c c o r d i n g l y , t h er a t i o n a l i t ya n dp r a c t i c a la p p l i c a b i l i t yo ft h ep r o p o s e dt e c h n i q u et o c o m p l i c a t e dc a s e so fs l o p e sa r ed e m o n s t r a t e d 4 t h em e t h o d o l o g yo f o b j e c t - o r i e n t e d p r o g r a m m i n g ( o o p 、i sp r e s e n t e di nd e t a i l a n dt h e nt h ep r o p o s e d0 0 pm e t h o di s a p p l i e dt o n u m e r i c a ln o n l i n e a ra n a l y s e so f s o i l s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n t h en o n l i n e a r - p e r f e c t l yp l a s t i cm o d e lo fc o n t a c ts u r f a c ea n d e l a s t o - p l a s t i cm o d e lo fs o i i a l ei m p l e m e n t e dn u m e r i c a l l ya n df e m p r o g r a m m i n gi s d e v e l o p e db yu s i n gv i s u a lc h t h eo u t s t a n d i n gf e a t u r eo fm u l t i p l ef u n c t i o n sa n dh i g h p e r f o r m a n c eo f t h ec o m p u t e rc o d e ，e s p e c i a l l yt h ep o w e r f u lp o t e n t i a la n dc a p a b i l i t yi n s i m u l a t i n g t h ed y n a m i cc o n s t r u c t i o np r o c e s s ，i ss h o w nt h r o u g hn u m e r i c a la n a l y s e s f u r t h e r m o r e ，b o t ht h ec o u p l en o n l i n e a ra n a l y s e sa n ds t a b i l i t y a n a l y s e s b a s e do n e l a s t o - p l a s t i c f e ma r ep e r f o r m e d m o r e o v e r ，a p o w e r f u lp r e a n dp o s t p r o c e s s i n g f u n c t i o ni sd e v e l o p e d t h ec o m p u t e dr e s u l t sc a nb ee x p r e s s e d b yt h ei s o g r a ma n dc o l o u r n e p h o g r a m t h ep r o c e d u r eo fv i s u a lp o s tp r o c e s sb a s e do nd o u b l es c a n n i n gb e a m s m e t h o di sp r o p o s e dc o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o n s t r u c t i o nm e c h a n i c si nd e e p f o u n d a t i o np i te n g i n e e r i n g 而ep r i n c i f l l ea n dt h e i m p l e m e n t a t i o np r o c e d u r eo ft h e d o u b l es c a n n i n gb e a m sm e t h o da r e p r e s e n t e d t h ep r o g r a m m i n gf o rv i s u a lp r o c e s sc l a s s i sm a d ea n dt h ec l a s si s i n c o r p o r a t e di n t o t h eo b j e c t i v e o r i e n t e d p r o g r a mf o rf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i so f d e e pf o u n d a t i o np i te x c a v a t i o na n db r a c i n g t h r o u g han u m e r i c a l e x a m p l eo fd e e pf o t m d a t i o up i t i ti ss h o w n t h a tt h ep r o c e s s i n ge f f e c tb yt h ep r o p o s e d m e t h o di sp e r f e c t k e yw o r d s ：f o u n d a t i o np i te n g i n e e r i n g ；s o i l s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n ；a n a l y s i so fs l o p e s t a b i l i t y ；n o n l i n e a ra n a l y s e s ；e l a s t o p l a s t i cf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；c o n t a c t e l e m e n t ；s t r e n g t h r e d u c t i o n t e c h n i q u e ；n u m e r i c a ia n a l y s i s ；c o m p u t e r v i s u a l i z a t i o n ；o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n gd e s i g n 1 i i 大连理工大学博士学位论文 第一章绪论 随着城市建设的发展，地下空间的开发与利用得到大力发展。目前各种用途 的地下空间例如地下铁路、地下停车场、地下车站、地下商场等已在世界各大城 市中得到开发利用，其规模和深度不断加大，基坑工程逐渐成为了城市建设中主 要的岩土工程课题之- - 1 ，”。基坑工程在我国发展较晚，大量的基坑工程出现于上 世纪8 0 年代以后，首先在北京、上海、广州、深圳等大型城市，9 0 年代以后，其 他中型城市的基坑工程也逐渐增多，其中主要以建筑基坑为主，由于我国加入世 贸，政治、经济、文化全方位与国际接轨，近年来全国各地都在致力于城市建设， 出现了大量的地铁工程，正在兴建中的有南京、深圳等地，由于地铁主要修建于 城市繁华地段，这些地区的工程地质条件差，周边环境比较复杂，因此，只能采 用支护开挖，特别是地铁站基坑比地铁线隧道更复杂，支护是必须的。总之，随 着我国经济的发展，高层建筑、地下工程将会越来越多，面积将会越来越大，基 坑向超深度、大面积发展是必然趋势。 1 1 基坑工程的特点及分类 基坑工程是一项综合性很强的系统工程【3 】。它不只是一个岩土工程问题，还涉 及到结构工程、材料工程、地质工程、施工力学与优化设计等诸多领域。基坑一 个由地面向下开挖的地下空间，通常包括支护结构的设计、施工和土石方开挖三 部分，这三者是相互影响的，它要求设计人员与施工人员密切配合，大部分基坑 工程是临时性结构，在地下工程施工完成后，基坑支护结构就不再需要，因而它 具有以下几个特点：1 大部分基坑支护结构是临时性的，安全储备较小，具有较 大风险性，在施工过程中应进行监测，并应有应急措施，在旋工过程中一旦出现 险情需及时抢救。2 基坑工程具有很强的区域性，不同的地区，工程地质条件和 水文地质条件不同，甚至差别较大，因而基坑支护结构设计、施工和开挖方式都 应因地制宜，只可作为借鉴，不可生搬硬套。3 基坑工程综合性很强，它不仅需 要岩土工程方面的知识，同时还需要结构工程、材料工程、地质工程、优化设计 等方面的知识，否则不能合理、正确地进行设计与施工。4 基坑支护结构设计时 土压力的确定是最基本的，同时也是很难准确掌握的，在开挖过程中它是一个变 量，随开挖深度、宽度、支护结构横向和纵向位移、地下水情况而变，在设计中 必须同时综合考虑这些因素，否则不能得出正确的结论，传统的单纯考虑强度和 第一辛绪论 稳定的设计方法明显不适用，只有同时考虑强度、稳定、变形、土与支护结构的 共同作用及开挖过程的设计方法才是比较科学的。5 基坑工程具有较强的时空效 应【引，基坑的深度和平面形状对基坑支护结构的稳定性和变形有很大影响，例如基 坑角部与中部的变形有较大差异，即基坑具有明显的空间效应；土体具有蠕变性， 作用在支护结构上的土压力随时间变化，蠕变将使土体强度降低，从而降低基坑 边坡的稳定性，另外土压力与开挖步密切相关，即基坑工程具有很强的时间效应。 a 传统方法 桩 人工挖孔桩 机械钻孔桩 预制钢筋混凝土桩 搅拌桩 b 改良方法 槽钢钢板桩 r 槽钢铜板桩 板t 工字钢板桩 墙 地下连续墙 管 钢管桩 r 槽钢支撑 r 钢支撑 工字钢支撑 撑 m 【钢管撑 1 木支撑 、荆目绰 。砂袋堆撑 桩锚 板锚 墙锚 管锚 撑锚 c 喷锚网支护法( 包括注浆和拉锚) d 土钉墙支护法 圈1 - 1 基坑支护方法分类 f i g 1 一c l a s s i f i c a t i o no f f o u n d a t i o n p i t s u p p o r t m e f o d s 对基坑工程的研究可以从不同的角度进行分类。从研究手段来分，可以分为 试验研究、理论分析和数值计算三种，试验研究是通过对大量基坑进行测试与监 测，总结出一套适合某一地区的支护和开挖方法；理论分析是以岩土力学、结构 力学以及最优化方法为基础对基坑体系进行深入的研究，优化确定基坑中控制参 数，从而指导工程设计；数值计算则是计算机出现后发展起来的一种方法，它以 岩土力学、计算力学以及计算机辅助设计为基础，通过具体数据对基坑开挖和支 护进行数值分析，是目前比较常用的研究方法。三种方法各有优缺点，同时使用 话，可以相互弥补不足，但遗憾的是这三者常常都是分开进行的。在基坑工程数 值计算与分析中，又可以分为杆系有限元、二维有限元和三维有限元，对此将在 后面予以介绍。从研究内容来分，可以分为基坑稳定性分析、基坑变形分析、基 坑中土与支护结构相互作用分折、基坑渗流分析、基坑空间效应分析、以及基坑 优化设计和基坑边坡土体参数的反分析等等，由于计算手段的提高，许多以前无 法进行分析的问题现在也都可以在一定程度上得到解决。 目前常用的基坑支护方法大体上有传统方法、改良方法、喷锚网支护法和土 钉墙支护法四种【4 】，如图1 一l 所示，在不同地区，由于地下条件的不同，采用的支 ， 大连理工大学博士学位论疋 护方法也不同，例如北京地区地下条件较好，通常采用土钉支护，特殊情况下才 采用钻孔灌注桩或者地下连续墙支护，上海地区地下条件较差，不能直接使用土 钉支护，大部分基坑都是采用搅拌桩止水与钻孔灌注桩挡士相结合的支护方法。 鉴于土钉支护不适合用于含水量丰富的软粘土以及淤泥质土地层，目前在上 海等东南部沿海软土地区正在尝试使用复合土钉支护方法。所谓复合土钉支护， 是将土钉与水泥土搅拌桩结合使用，以水泥土搅拌桩防渗帷幕等超前支护措施解 决土体的自立性、隔水性和喷射混凝土面层与土体的粘结问题；以水平向压密注 浆及二次压密注浆解决土体和土钉的抗拔力问题；以相对较长的插入深度解决坑 底的隆起、管涌和渗流问题，即由土钉和防渗帷幕组成复合型土钉支护体系。土 钉还可以与土层锚杆、超前微型桩、地下室内墙相结合，由于该方法既保持了土 钉支护方法的优点，又能解决特殊地层下支护困难的问题，因而是一种很有发展 前途的支护方法。 1 2 基坑工程研究的历史和现状 作为一个特殊的岩土工程问题，基坑工程非常复杂【5 一，且涉及面非常之广， 很难全面地概括其研究状况，在此只针对基坑工程中某几个重要方面及其相关内 容来阐述其研究的基本情况。 1 2 1i 匿如 在基坑设计中，土压力计算是一个非常重要的问题，目前常使用的仍然是两 个经典土压力理论，即朗肯土压力理论和库仑土压力理论，实践已经证明：由于 土压力受多种因素的影响，这两个经典理论的计算结果与实际情况有较大误差， 因此，许多人进行了改进，并取得了许多有价值的研究成果：从地基强度理论的 角度出发研究土压力系划”，考虑水压力的土压力以及关于水土压力分算与合算问 题的研究”，考虑开挖卸载影响的土压力 1 2 ，1 3 1 和考虑墙面摩擦效应时土压力的研 究【1 ”，考虑多种影响因素的土压力研究【15 1 ，从概率的角度研究土体参数对土压力 的影响【1 6 】，以及对被动土压力的研列0 7 ，1 8 】等等。 在使用静力平衡法、等值梁法等解析方法和杆系有限元数值方法来设计支护 结构时( 若不特别标明，支护结构皆指传统方法中的桩、板、管、墙等) ，土压力 都是以外力的形式出现，因此，土压力计算的正确与否以及误差大小将直接影响 设计结果。在基坑开挖过程中，支护结构会发生向基坑一侧的位移，作用在支护 结构上的主动区土压力会减小，而被动区土压力会增大，因此，在基坑开挖过程 中士压力又是变化的1 1 9 2 0 o 在开挖过程中基坑一侧土体不断被挖除，会使支护结 构位移增大，而支撑或者锚杆( 锚索) 不断加到支护结构上又会阻止支护结构发生 第一章绪论 位移，因此，真实的土压力应是多方面影响因素综合作用的最后结果。静力平衡 法、等值梁法等解析方法无法考虑这些因素，已经不能完全适应设计的需要，杆 系有限元法以支护结构为对象，以土压力和预加支撑力( 或锚固力) 为外力，可以 计入开挖过程中的各种影响因素，而且它使用简单、方便，且计算结果符合工程 需要，因而得到了大量的推广应用，并已经被写入规范1 2 k2 2 j ，成为基坑设计的一 种常规方法。由于基坑工程的施工力学特性与有限元的广泛适用性，杆系有限元 通常使用增量形式 2 3 2 5 1 。许多人在杆系有限元的基础上对土压力计算公式进行了 研究，以期考虑土与支护结构共同作用效应【2 6 0 0 】与考虑开挖过程中施工影响【3 1 。 由于土压力随机性比较强，数值方法是一条行之有效的研究途径。一般来说，只 要土压力与地基反力系数取值合理，杆系有限元法都会得出令人满意的结果，但 是要做到这一点却比较困难，对于地基反力系数的取值，许多人开展过研究，大 部分学者认为地基反力系数在开挖过程中不是一成不变的，它与支护结构的位移 有密切关系【3 2 】。另外，杆系有限元法只是将土体作为外力来考虑，它不能对基坑 周围地面沉降、基坑底部隆起给出任何评价，所以，在当今，由于基坑对周边建 筑物的影响越来越受到重视，杆系有限元法逐渐暴露出了本身无法克服的缺点， 在这种情况下，二维有限元法在基坑中的研究及推广应用就显得很迫切了，在二 维有限元法中，土压力问题的研究包含在土体与支护结构的相互作用中，下面就 来讨论这个问题。 1 2 2 土与支护结构相互作用分析 有限单元法能够有效地解决连续介质问题，在分析基坑开挖时，也是将土体 与支结构作为一个连续的整体对象来考虑，开挖荷载和支撑力( 或锚固力) 为外 力。由于土体与支护结构物理力学性质相差较大，在外力作用下，在接触界面上 两者的变形与应力并不是连续的，将它们作为一个连续体考虑会导致较大误差， 甚至会得出错误的结果。作者通过大量的计算实例表明，如果不考虑土与支护结 构之间的相互作用，即使把土当作弹塑性体，也不会得出正确的结论。 目前研究土与结构相互作用的方法大致可分为三种，一种是直接法将接触面 上相互作用问题作为一个二次规划问题考虑：一种是通过研究土与接触面上的本 构关系，在土与结构的接触面上设置接触单元，将非连续问题转化为连续问题， 以便于有限元处理；另一种是基于接触力学原理提出的l a g r a n g e 乘子法，其中的 乘子相当于接触力或者接触应力，只要求出其中的乘子，就可以得到接触面上的 力或应力分布，且计算精度较高。本文采用的是接触单元法，即通过在土与结构 的接触界面上设置接触面单元，进行有限元求解，关于这个问题，将在论文第二 章进行详细论述。 大连理工大学博士学位论文 1 2 3 基坑开挖与支护的数值模拟 1 9 7 0 年d u n c a n 和c h a n g 首次应用有限元数值方法对边坡开挖的性状进行了 分析口3 1 ，通过与实测资料的对比，认为有限元法可以较好地预测边坡开挖，其中 土体本构模型采用双曲线非线性弹性模型【3 ”。1 9 8 1 年m a r i a 通过现场实测和有限 元联合分析，发现墙体变形和地表沉陷与基底隆起安全系数有直接关系，并建立 起与之相关的经验公式1 3 5 j ，m a n a 同时还提出了开挖荷载的计算方法即m a n a 法， 一直至今沿用。1 9 8 4 年p o s t s 用有限元法分析了内支撑和锚杆的受力和与变形特性 口6 1 ，研究表明用极限平衡理论设计挡土墙时，尽管给出了一定的安全系数，但并 不能将挡土墙及土层的变形严格控制在可接受的范围内。1 9 8 5 年h a t a 采用粘弹塑 性本构模型，分析了锚拉式地下连续墙支护开挖问题p 7 1 ，土体模型参数与工程实 际中得到的基本参数有关。1 9 8 7 年c h a n 等用应变软化有限元方法分析了有软弱土 层的开挖问题1 3 ”，认为软弱土层的应变软化特性控制开挖的稳定性，数值计算得 到的渐进变形和剪切区域扩展与现场观测到的现象相一致。1 9 8 8 年曾国熙等针对 杭州地区饱和软粘土，在兰轴试验的基础上提出了考虑应力路径影响的非线性模 量方程 3 9 1 ，将研究成果应用于基坑开挖的有限元分析中，