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深基坑桩锚与土钉联合支护优化设计与数值模拟 摘要 深基坑工程涉及土力学中稳定、变形和渗流三个基本课题，三者需同时考虑，综 合处理。一个成功的基坑优化设计，需要工程勘察、支护设计、旌工管理、现场监测、 动态分析等各项工作紧密结合才能实现。这使得本来就起步较晚的基坑工程，设计理论 落后于工程实践，或造成不必要的经济浪费或酿成工程事故。桩锚与土钉联合支护又是 深基坑支护的最常用的方案，因此，对桩锚与土钉联合支护方案的优化设计研究具有较 强迫切性和必要性。 本文在总结有关文献的基础上，以深基坑桩锚与土钉联合支护结构的优化设计为 主线，对深基坑支护结构的优化设计从计算理论到优化过程进行全面分析和对比优选， 总结出一条切实可行的优化途径。主要成果如下： ( 1 ) 结合现行国家及行业规范，对土压力模型进行分析，确定出郑州中东部地区 适宜采用的土压力模型一一弹性法中矩形分布的土压力模型；针对基坑坡顶经常出现的 附加荷载的类型，分别给出相应的计算模式与方法；拟定出支护方案的优选依据及变形 控制标准。 ( 2 ) 根据文献资料及施工经验，对桩锚与土钉联合支护的变形进行力学分析：在 桩锚与土钉联合支护结构的优化设计中，桩锚是主要受力结构，上部土钉墙的参数选取 满足上部土体稳定性要求即可：确定维护桩的刚度及嵌固深度对支护结构的整体稳定性 及结构强度影响显著；预应力锚杆的位置直接影响支护结构的内力，增大锚杆的预应力 值是控制变形的最有效方法。因此，优化桩锚结构参数是优化桩锚与土钉联合支护结构 的关键，从而指导和简化桩锚与土钉联合支护结构的优化设计过程与方法。 ( 3 ) 以理正深基坑支护结构设计软件为手段对支护结构进行优化计算，简化了结 构优化过程，简化了以工程造价为目标函数优化模型；针对优化后的模型用v i s u a l b a s i c6 0 编制方案优选程序，使优选过程简便可行。 ( 4 ) 阐述了现场监测与动态反演分析的方法和依据；讨论了深基坑支护结构设计 与地下水控制方案的优选配合；并结合具体工程实例运用优化理论和方法对深基坑支护 结构设计方案进行优选和优化设计；应用f l a c 3 d 对优化后的方案进行数值模拟，全面 显示支护区域的位移场和应力场。 总之，本文本着将变形控制和强度控制有机的结合，设计理论与施工实践互为条 件的原则，给深基坑支护的优化设计提出了行之有效的合理路径。 关键词 深基坑工程，桩锚与土钉联合支护，优化设计，f l a c 3 d o p t i h i a ld e s i g na n dn u m e l u c a ls 玎垤u i a t i o no f t h ep ea n c h o ra n ds o i ln a i l i n gc o m b i n e ds t r u c t u r e i nd e e pf o u n d a t i o np i ts u p p o r r n n g a b s t r a c t d e e pf o u n d a t i o np i tp r o j e c t si n c l u d et h x e eb a s i ct o p i c sw i t hs t a b i l i t y , d e f o r m a t i o na n d s e e p a g ei n s o i lm e c h a n i c s ，w h i c hn e e d b ec o n s i d e r e d s i m u l t a n e o u s l ya n dd i s p o s e d c o m p r e h e n s i v e l y as u c c e s s f u lo p t i m i z e dd e s i g nm u s tb ed o n ew i t ht h ec o m b i n a t i o no f e n g i n e e r i n gi n v e s t i g a t i o n ，a n ds u p p o r t i n gd e s i g n ，c o n s t r u c t i o nm a n a g e m e n t ，s i t em o n i t o r i n g a n dd y n a m i ca n a l y s i s r e g a r d i n gt ot h el a t e rs t a r t i n gf o u n d a t i o np i tp r o j e c t , i t sd e s i g nt h e o r y i sb e h i n de n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，b r i n g sa b o u tt h eu n n e c e s s a r ye c o n o m yd i s s i p a t i o no rl e a d st o a l le n g i n e e r i n ga c c i d e n to r t h ec o m b i n e ds u p p o r t i n gs t r u c t u r eo ft h ep i l e - a n c h o ra n ds o i l n a i l i n gi st h em o s tu s u a ld e 印f o u n d a t i o np i ts u p p o r t i n gs c h e m e ，t h e r e f o r e ，t h eo p t i m i z a t i o no f t h ep i l e a n c h o ra n ds o i ln a i l i n gc o m b i n e ds u p p o r t i n gs t r u c t u r eh a ss t r o n g e ru r g e n c ya n d n e c e s s i t y b a s e do nt h es u m m a r yo ft h er e l a t e dl i t e r a t u r e ，t h i sp a p e rt a k e st h eo p f i m a id e s i g no ft h e p i l e - a n c h o ra n ds o i ln a i l i n gc o m b i n e ds t r u c t u r ei nd e 印e x c a v a t i o ns u p p o r t i n ga st h em a i n o b j e f t ，c o n d u c t e dao v e r a l la n a l y s i sa n dc o n t r a s t i n go p t i m i z a t i o nt ot h eo p t i m a ld e s i g no f d e e pf o u n d a t i o np i ts u p p o r t i n gs t r u c t u r ef r o mt h ed e s i g nt h e o r yt op r o c e s so fo p t i m i z a t i o n ，a p r a c t i c a la n d f e a s i b l ew a yo fo p t i m i z a t i o nw a sa c h i e v e da n ds u m m e r e d t h em a i n a c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h ee x i s t e dr e l a t e dc o d ei no u rc o u n t r y ：t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ee a r t h p r e s s u r em o d e l ，f l e x i b l er e c t a n g u l md i s t r i b u t i o nm o d e lw a sr e c t i f i e dt ob ea ne f f e c t i v ee a r t h p r e s s u r em o d e l i nt h ee a s t e r nd i s t r i c to fz h e n g z h o u t h e c o r r e s p o n d i n gm e t h o da n d c a l c u l a t i o nm o d e lw a s 舀v a nw i t ha d d i t i o n a ll o a da tt h eu p p e rs l o p eo fp i t t h eo p t i m i z a t i o n a n dd e f o r m a t i o nc o n t r o ls t a n d a r d sw a sg i v e n ( 2 ) i nr e s p o n s et ot h el i t e r a t u r ea n dc o n s t r u c t i o ne x p e r i e n c e ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h e d e f o r m a t i o no ft h ec o m b i n e ds t r u c t u r eo fp i l e a n c h o ra n ds o i ln a i l i n g , i nt h eo p t i m a ld e s i g n o ft h ec o m b i n e ds t r u c t u r eo fp i l e a n c h o ra n ds o i ln a i l i n g , p i l ea n c h o r sw a st h ei m p o r t a n t p a r t ，t h ep a r a m e t e r so fu p p e rs o i ln a i l i n gw e r ec h o s e nt om e e tt h es t a b i l i t yo fu p p e rs o i l ；t h e s t i f f n e s sa n dd e p t ho fp i l e sa f f e c t e dt h ew h o l es t a b i l i t ya n ds t r u c t u r a ls t r e n g t ho fs u p p o r t i n g s t r u c t u r es i g n i f i c a n t l y ；t h e p o s i t i o no fp r e s t r e s s e da n c h o ra f f e c t e dt h ei n n e rf o r c e so f s u p p o r t i n gs t r u c t u r ed i r e c t l y , i n c r e a s i n gt h ev a l u eo fp r e s t r e s s o fa n c h o rw a st h em o s t e f f e c t i v em e t h o df o rd e f o r m a t i o nc o n t r o l l i n g t h e r e f o r e ，o p t i m i z i n gt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r s o fp i l ea n c h o rw a st h ek e yj o bo f o p t i m i z i n gt h ec o m b i n e ds t r u c t u r eo fp i l e - a n c h o ra n ds o i l n a i l i n g , s oa st og u i d ea n ds i m p l i f i e dt h ep r o c e s sa n dm e t h o d so ft h eo p t i m i z e dd e s i g n a t i o no f t h ec o m b i n e ds t r u c t u r eo fp i l e - a n c h o ra n ds o i ln a i l i n g ( 3 ) w i t hal i z h e n gd e e pp i td e s i g ns o f t w a r e ，t h i sp a p e ro p t i m i z e da n dd e s i g n e d s u p p o r t i n gs t r u c t u r e ，s i m p l i f i e dt h eo p t i m i z e dm o d e lw i t h t h eo b j e c to fc o s t o ft h i s e n g i n e e r i n g , a n dp r o g r a m m e dt h eo p t i m i z e dp r o g r a mw i t hv i s u a lb a s i c6 0 ，s ot h eo p t i m i z e d p r o c e s sw a sm o r ef e a s i b l e ； ( 4 ) t h em e t h o da n db a s i so fi n s i t em o n i t o r i n ga n dd y n a m i ca n a l y s i sw e r ed e s c r i b e d ；i t a l s od i s c u s s e dt h eo p t i m i z e dc o m b i n a t i o no ft h ed e e pf o u n d a t i o np i ts u p p o r t i n gs t r u c t u r e d e s i g na n dg r o u n d w a t e rc o n t r o lp r o g r a m ；o p t i m i z a t i o na n do p t i m a ld e s i g no fd e e pf o u n d a t i o n p i ts u p p o r t i n gs t r u c t u r ew e r ec o n d u c t e db yo p t i m i z a t i o nt h e o r ya n dm e t h o dw i t hs p e c i f i c p r o j e c t ；f i n a l l yn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sd o n ef o rt h eo p t i m i z e do b j e c tw i t ht h ef l a c 3 d s o f t w a r e ；t h ec o n t o u ro fd i s p l a c e m e n ta n ds t r e s sf i e l d so fs u p p o r tr e g i o n a lw a sg i v e n i ns h o r t ，w i t ht h ep r i n c i p l eo fc o m b i n a t i o no fd e f o r m a t i o nc o n t r o la n ds t r e n g t hc o n t r o l ， c o m b i n a t i o no fd e s i g nt h e o r ya n dc o n s t r u c t i o np r a c t i c e ，t h i sp a p e ro f f e r e da ne f f e c t i v em e t h o d f o r t h ed e s i g no p t i m i z a t i o no fd e e pp i t k e yw o r d s ：d e e pe x c a v a t i o ne n g i n e e r i n g ，p i l e a n c h o ra n d s o i ln a i l i n gj o i n ts u p p o r t ，o p t i m a l d e s i g n ，f l a c 3 d 独立完成与诚信声明 本人郑重声明：所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立 进行研究工作所取得的研究成果并撰写完成的。没有剽窃、抄袭等违反学术 道德、学术规范的侵权行为。文中除已经标注引用的内容外，本学位论文中 不包含其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北水 利水电学院或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。本人 完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名： 保证人( 导师) 签名： 付嘉寝 毒左乞 签字日期：j 即7 ，驴 签字日期：0 7 ，6 。l d 学位论文版权使用授权书 本人完全了解华北水利水电学院有关保管、使用学位论文的规定。特授 权华北水利水电学院可以将学位论文的全部或部分内容公开和编入有关数 据库提供检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编以供 查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文原件或复印件和电子 文档。( 涉密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名： 竹第r 裘 签字日期。 扣7 歹，口 导师签名：f 也w 乞乞导师签名： 乙己一 签字日期： 0 7 - 。 华北水利水电学院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 论文选题背景与研究的意义 1 1 1 选题背景 改革开放以来，我国社会经济的迅猛发展，城市地价不断上涨，为提高空间 利用率，高层、超高层建筑及大、中型地下结构设施日益增多，由于其结构及使 用要求，基坑开挖深度或地下结构埋深也随之不断加大【”j 。基坑工程多出现于 城市市区内，拟建场地周围建筑物密集、道路交锗、地面下管线纵横分布，给基 坑工程提出了更高、更严的技术要求，不仅要确保边坡和支护结构的稳定，还要 满足变形控制的要求，以确保基础施工期间相邻建筑、地下管线、道路等设施的 结构安全和正常使用。再加上我国幅员辽阔，地貌繁多，地质条件复杂多变，因 此，基坑工程呈现出了条件多、规模大、深度深、变形小的趋势，这使得一些传 统的设计与施工技术不能满足现代基坑工程的需要。因此，在深基坑支护工程的 研究和实践中，如何根据基坑特点选用合理支护设计方案，合理的施工措施以及 科学的边坡稳定性计算方法已经成为我国建筑工程界的热点和难点问题【3 】。 目前，在我国经常使用的基坑支护型式较多，但各有优缺点。土钉墙支护是 最普遍的一种支护型式，属于重力式挡墙支护类型，具有施工方便、经济合理、 便于信息化施工等优点。但是单纯的土钉墙支护，只适用于深度不太大，土质较 好的且无需严格控制变形的浅基坑，若遇到深基坑、地质条件复杂或者要求小变 形的施工区域就难以满足变形控制及稳定性的要求【4 】。其它重力式挡墙，比如深 层搅拌桩、高压旋喷桩以及浆砌石等形成的重力式挡墙，虽然防渗效果尚佳，但 很受地理环境及地层因素的影响，且从施工工期和经济指标上远不如土钉墙理想。 桩锚支护结构有其独特的优点：其一，可以通过调整围护桩布置及结构强度 以及预应力锚杆的预应力指标有效控制基坑变形。其二，与其它一些支护形势与 传统的支护结构相比，具有安全可靠、施工简便快捷、使用设备灵活受场地制约 小等诸多优点。但是，桩锚支护一个最大的缺点就是支护费用昂贵，与土钉墙比 较其费用高出3 0 5 0 【3 5 】。在我国沿海地区，由于地层较软，常用的支护方式 第一章绪论 有钢板桩( 槽钢) 支护、地下连续墙支护、内支撑及坑底土体加固等一系列支护型 式，较之内地支护形式均繁琐，造价昂贵、施工难度大。为了充分发挥各种支护 型式的长处并满足工程实际的需要，以上各种支护形式相互联合，便形成了诸如 土钉墙与桩锚联合支护、土钉墙与微型桩联合支护、土钉墙与超前锚杆联合支护、 排桩与内支撑联合支护、桩锚与防渗墙联合支护等一系列联合支护形式。并且这 些联合支护已经在不同的情况下应用和实践。以上的各种基坑支护型式付诸实施 后，也取得了不少工程实例的成功经验，但很多都是以大量的经济浪费为代价的。 由于理论研究的滞后，计算方法及参数选取的不合理性以及设计选型和施工措施 不妥当等因素，岩土工程届也受到了不少惨痛的教训。基坑支护设计的优化研究 已经成为刻不容缓的研究课题。 1 1 2 选题的目的及意义 本文将结合郑州市区内一项在建的典型的基坑工程实例，在前人研究土钉墙 和桩锚支护结构作用的机理的基础上，分析研究桩锚与土钉联合支护结构中变形 因素和变形机理，对各种参数进行敏感度分析，最终做到对该类型支护方案的优 化设计。同时通过选择合理基坑支护计算方法、合理的设计支护结构以及合理的 设计及施工措施，达到方案的“安全、经济、合理”，确保周边建筑物的安全的 目的。并通过对具体基坑工程实例的分析研究，给桩锚与土钉联合支护结构的优 化设计与施工总结规律，提出有价值的参考意见。 1 2 基坑支护优化设计研究现状 1 2 1 基坑支护工程概论 深基坑工程稳定是一个综合性很强的岩土工程问题，主要涉及到土层性质、 支护结构、支撑形式、地基处理、地下水防治以及环境影响等方面。从某种意义 上来说，深基坑工程是一个复杂的系统工程【6 j ：第一，深基坑工程涉及面广，其 影响的因素多，如地质条件、岩土性质、场地环境、气侯变化、施工工法、监测 手段等等，它离不开工程地质、水文地质、岩土力学、结构力学、材料力学、旆 工技术、工程经济等学科知识的指导。第二，深基坑工程由支挡、截水降水和土 华北水利水电学院硕士学位论文 方开挖、工程监测、环境保护等环节所构成，任何一个环节的失控，都可能酿成 工程事故。第三，深基坑工程不仅仅是一个简单的孤立的支护工程，深基坑自开 挖之日起，其支护体系、施工过程和维护过程均与基坑周边环境不断地相互影响、 相互作用。第四，场地岩土性质和水文地质条件的复杂性，不确定性和非均匀性 以及基坑工程施工和运行期问内降雨、周边道路动载、施工失误等许多不利因素 的随机性和偶然性，都会影响基坑工程的正常施工和使用，深基坑工程事故的发 生常常具有突发性。 由于我国幅员广阏，几乎遍及全国的高层建筑和其它地下工程给岩土工程师 们提供了诸如深厚饱和软土、承压水头埋藏很浅的含水层以及饱和砂性土、湿陷 性黄土、膨胀土等各种复杂的工程地质和水文地质条件下的深基坑工程。因此， 在我国基坑支护类型繁多，以满足各工程本身及周边建( 构) 筑物的安全需要。 根据防护型式的不同，主要有以下支护型式 7 1 【8 j ，详见表1 1 。 表卜1 主要支护型式分类 f 垂直边坡 无支护边坡1 放坡f 某鬈级 ff 钢板桩、钢管桩、组合钢桩 i 悬臂式支护 誓鬃篡霎藿桩 支护边坡l 地下连续墙 l 内支撑支护一平面方向上纵横粱、板，拱圈等组成内支撑体系 i 锚拉支护一一各种排桩、墙式支护结构中增加预应力锚拉结构 i 地下连续墙及逆作法施工 f 护壁注浆加同 l 化学帷幕灌浆 i 钢丝网水泥土护壁 坑壁土体加同j 水泥土搅拌桩 l 土钉墙护壁 l 插筋补强护壁 i 网状树根桩加同 联合( 复合) 支护一一以上并种型式相互联合或复合形成多功能支护体系 以上各种支护型式，应因地制宜，分别选型。中华人民共和国家标准建筑 地基基础工程施工质量验收规范g b5 0 2 0 2 2 0 0 2 、建筑边坡工程技术规范g b 第一章绪论 5 0 3 3 0 2 0 0 2 ，中华人民共和国家行业标准建筑基坑支护技术规程j g j1 2 0 9 9 ， 中国工程建设标准协会标准岩土锚杆( 索) 技术规程c e c s2 2 ：2 0 0 5 及大量地 方标准和工程经验已经给出相应的选型标准和技术要求。但是，实际工程实践中 仍然时有工程事故发生。 深基坑工程事故主要表现为两方面，一是支护系统本身失稳，二是支护结构 产生过大变形，给周围环境造成破坏。与之对应的设计理论也有两种，即强度控 制设计理论和变形控制设计理论。基坑的变形主要包括支护结构位移，周边地表 沉降，坑内土体隆起，三者之问有着有机的联系。往往在以变形控制理论为主导 思想的设计中，很易造成工程经济的不必要浪费。这就要求我们做到方案优化。 1 2 2 国内深基坑优化设计的研究现状 在国内，岩土工程界研究的主要内容是从最初的强度( 稳定) 控制、变形控制 到目前系统控制的优化设计，取得了丰富的实践经验和研究成果。主要体现于以 下几种发展方向和趋势。 强度与稳定分析，是以t e r z a g h i 理论土力学为基础的，按照强度与稳定控 制设计的计算方法。同时，土的承载力与渗流分析也是基坑工程计算的重要组成 部分。目前，这方面的研究主要集中在支护边坡稳定和支护结构嵌固深度两方面。 边坡稳定定值法与可靠性分析均有发展。 变形控制设计是指支护结构在满足强度和稳定的f i 提条件下，尚需满足其变 形要求，即基坑在施工过程中要保证支护结构的安全和不失稳，也要保证对周围 环境不造成破坏性的影响。变形控制是与沿海软土地区大深基坑，拟建场地周围 环境的复杂化以及地下主体结构与支护桩墙合一等发展要求相适应的。一般包括 变形预测分析、支护体系动态设计和设计施工变形控制措施等，“时空效应”1 9 1 ”i 理论属于变形控制范畴r 刁。 系统控制设计是指应用系统论的观点将施工环境看成是一个由地质、工程与 环境相互作用而又相互依赖的统一体，应用控制论、系统论、信息论和人工智能 与神经网络技术等的理论和方法达到满足系统控制的目的【1 1 1 。它们共同的基础是 对信息的重视与处理，从系统整体及其不确定性和高度非线性等角度进行探讨。 系统控制适应信息时代工程建设的需要。基坑支护非线性反演随机理论、位移反 分析与模型辩识、新型数值方法研究，三维模拟系统的丌发等方面都取得些进 4 华北水利水电学院硕士学位论文 展，但有关研究尚待深入。 优化设计是指在保证基坑安全的前提下，设计经济合理的基坑支护方案。基 坑支护优化设计包括四个方面的内容，即方案优化设计，结构优化设计，截水优 化设计和信息化施工动态设计【1 2 1 。前两者侧重于设计，后二者侧重于施工。三分 理论、三分经验、二分施工管理、二分检测监测也即五分设计、五分施工，是目 前深基坑工程的现状方案是关键、设计是核心，施工是保证、监测是手段。抓 住关键和核心，开展深基坑支护的优化设计，是合理设计的中心。可以看出，优 化设计包含基坑工程各个方面的问题，最具备系统性、综合性和挑战性。目前在 这一领域的研究成果不多，尤其是有关支护结构优化设计的研究尚不全面且不具 备系统性即彼此之间相互孤立。 就方案优化而言，一般根据基坑安全等级和重要性系数以及开挖深度可以按 照以下流程确定适宜支护方案：优先考虑放坡开挖；条件不允许，则考虑局部放 坡加土钉支护或者全部土钉支护，以土钉作为主要受力构件；土钉支护不可行， 则采用悬臂支护：若悬臂支护仍不可行，则采用带撑锚的支护桩墙结构，若带撑 锚的支护桩墙结构造价太高，就考虑桩锚与其它支护( 比如土钉墙) 型式联合支 护。当对基坑变形控制有严格要求时，联合支护结构适用性好，也是目前大深基 坑和复杂地质条件基坑支护应用最多，也是较成熟的支护结构形式。 支护结构优化实际上包含结构计算模型和经济性分析两方面。在结构计算方 面，杆系有限元土抗力法是公认的支护桩墙结构设计计算方法。孙钧等【1 3 1 有限元、 边界元方法分析了基坑开挖等地下工程与围岩介质的静、动态共同作用，在本构 关系上引入了弹性、塑性、粘弹塑性等不同的岩土介质本构模型，在几何关系上 从线性分析发展到非线性分析。曾国熙1 1 4 j 等分析了板桩作为支挡结构的软粘土地 区的基坑开挖问题，利用有限元程序对影响基坑性状及工程经济效益的几个重要 因素( 板桩的插入深度、板桩的刚度以及土质条件等) 进行了研究。 增量和总量法都有其适用性，有大量的研究论文和工程实例，规程都予以推 荐。考虑腌工工况的增量和总量计算及圈梁效应是其中重要的考虑因素，多数研 究集中于此。显然工况计算是与各步开挖和各道撑锚位置等施工工艺参数直接相 关的。平面和三维有限元计算历来都受重视，但目前设计中的应用还很不普遍。 在经济性分析方面，目前研究成果主要是基于等值梁法计算模型基础上的支护体 系经济性优化分析【1 5 】。等值梁法计算模型不适用于桩锚与土钉联合支护型式结构 第一章绪论 计算。 实际上对于基坑支护工程，经济指标的衡量也非由材料用量唯一决定，还含 有优化模型中其它要素，比如工期和施工工艺等。优化模型中优化变量和优化目 标是根据具体施工工况，结合变形控制来选取更具有现实意义的技术经济变量。 1 2 3 国外深基坑优化设计的研究现状 1 2 3 1 土压力计算 如何确定和计算作用在支护结构上的土压力的大小和分布是深基坑支护理 论发展的一个关键问题，也是实际工程设计计算中的基本问题。传统的设计理论 ( 即强度控制设计理论) 根据挡土结构变位的方向和大小，仅考虑三种极限状态下 的土压力，即所谓主动、被动和静止土压力。这些古典的r a n k i n e ( 1 8 5 7 ) 和 c u l u m b ( 1 7 7 6 ) 土压力理论目前仍广泛应用于深基坑工程的设计计算中。但由于 古典土压力理论中的土体完全弹性、平面滑裂面等假设，使计算值与实际土压力 值有一定的偏差。根据芝加哥地铁的一些实测资料，t e r a g h i 于4 0 年代提出了 土压力经验计算方法，于6 0 年代又作了修正，提出了具有支撑的支护结构土压 力分布图即著名的t e r z a g h i p e c k 包络线1 1 6 1 ，t s c h e b o t a r i o f f 也给出了类似 的土压力图式1 1 1 】。 在实际工作状态中，作用在支护结构上的土压力的大小和分布，除了与土体 的性质密切相关外，还随着支护结构的位移、支护结构的空间性状和施工工况的 不同而变化i r 丌。试验研究和现场测试结果表明，只有当坡顶侧向位移达到坡高的 0 1 一0 4 时，才能使主动区土压力降至主动土压力水平：只有当坡顶反向位移达 到坡高的5 - 1 0 时，被动区土压力才会增至被动土压力水平【l 踟。可见，对于饱和 软土在同样场地、同样支护结构条件下产生被动土压力所需的墙顶位移比产生主 动土压力时的位移大得多。如果这种位移不能为支护结构所承受或邻近环境所允 许，则必须加以限制。因此，根据变形限制来取土压力值是充分考虑深基坑特点 和安全度的合理做法。在实际工程设计时，常根据深基坑工程的安全等级和支护 型式，对主动土压力和被动土压力分别乘以小于l 和大于1 的折减系数。文献2 0 l 也对如何根据位移量的大小计算土压力提出了不同的计算方法。 当然，c ，妒值的选取，也是土压力计算中个比较复杂的问题，需要具体 华北水利水电学院硕士学位论文 考虑，科学选剐2 1 i 。 1 2 3 2 设计计算理论 广义的深基坑工程设计应包括支护结构设计和降水、截渗设计以及施工工法 与施工组织设计等。支护结构的受力计算比一般的受力构件要困难一些，其计算 方法也一直在改进【2 2 l 。比如早期的悬臂支护桩的计算课题是：弹性桩体垂直嵌固 在弹性地基中，其侧向荷载是土的侧压力，整个体系正处于自平衡的临界状态， 求解此时维持桩身稳定的最小嵌固深度和桩身内力。由于上述侧向荷载与弹性嵌 固反力均为土压力，且相互关联，连续分布，其变化规律比较复杂。最早由h b l u m 对这个问题提出简化解的。他用一个在阻力分布图的重心处的集中力p 来代替坑 底最下段弹性嵌固反力，这也就是原西德码头围护工程计算规程中列入的“代 替力”法。目前，对于悬臂桩支护结构、桩一锚、桩撑支护结构的内力分析方法 大多采用类似于b l u m 理论的经典方法，即简化方法【捌，如： a 自由端法( 极限平衡法) ：适用于悬臂式或底端自由支承的单锚式挡土结 构。当挡上结构的入土深度不太深时，亦即非嵌固的情况下，由于挡土结构后土 压力的作用而形成极限平衡的单跨简支梁 b 等值梁法( 假想铰法) ：适用于底部嵌固、埋深较深的有支撑或有锚杆的挡 土结构，其变形曲线有一反弯点。要求解此挡土结构的内力，有三个未知量：锚 杆力( 支撑力) 、嵌固深度和被动土压力，而可以利用的平衡方程式只有两个。假 想铰法是先找出挡土结构弹性曲线反弯点的位置，认为该点的弯矩为零，于是可 把挡土结构划分为两段假想梁，上部为简支梁，下部为次超静定结构，这样就可 以求得挡土结构的内力。假想铰的位置一般假定为土压力为零的那一点。由于上 述经典方法作了很大简化，其计算结果与支护结构内力实测结果相比，在大部分 情况下偏大。 弹性抗力法在理论上又比经典方法较为成熟。它假定土压力已知且横撑轴力 及挡土结构弯矩在下道支撑设置以后均不变化，考虑了挡土结构的变形，但未考 虑支撑的变形。由于作用于支护结构上荷载确定及土体参数取值的困难而限制了 弹性理论计算支护结构的发展。 目前，作用于支护结构上的荷载，对于基坑开挖面以上一般采用主动土压力 分析，而在基坑开挖面以下的作用荷载，目前尚无统一认识，对于弹性地基的弹 1 第一章绪论 簧刚度取值一般认为以m 法较符合实际，而水平抗力系数的比例系数m 值宜 通过单桩水平静载试验确定。实际上在工程勘察阶段是不大可能进行支护桩的水 平静载试验的。因此，m 的取值对于支护结构而言还需取得进一步的实测统计 分析结果。而且m 值的取值往往还有一定的桩位移适应范围而实际工程中支护桩 的位移常常大大超过规定范围，因此可以说支护桩后的土体变形已不属于弹性变 形了由于经典法以及山肩邦男法、弹性抗力法等一类计算方法不能有效地计入 基坑开挖时挡土结构及支撑力的变化过程，采用这些计算方法所得到的计算结果 用于多道支撑的深基坑挡土结构分析时内力较实际情况的误差较大，有的甚至达 3 倍以上。 c l o u g h 等( 1 9 7 1 ) f f l 等首先将有限元法应用到基坑变形分析中。应用有限元法 分析挡土结构，可以有效地计入基坑开挖过程中的多种因素，例如作用在挡土结 构上被动侧和主动侧的水土压力的变化，支撑预加轴力对挡土结构内力变化的影 响，以及空间作用下挡土结构的空间效应问题等等。这样可为有效、安全、经济 地优化挡土结构形式和开挖过程的合理化开辟了新的方向。目前，已有人将平面 和空问有限元法应用到由挡土结构和内支撑结构组成的支撑结构体系中。 a n d r e wj 【2 3 l 应用有限元分析法对波士顿邮政大楼地下停车场深基坑工程进 行了计算，其中考虑了二维渗流的影响。s u n i ls r i s h n a m i ( 1 9 9 3 ) 1 2 4 】，应用数 值模拟方法研究t 渗流及土一结构相互作用对基坑围护体系的影响，并指出：渗流 不仅改变了墙后土压力的大小及分布，而且还可能导致地面高程的损失；c h a r l e s w n g 和m a r t i n l i n g s ( 1 9 9 5 ) 1 2 5 】应用完全弹性的m o h r - c o l u m b 理论及非线块体 模型对硬粘土中的深基坑在有支护和无支护开挖性状进行了数值模拟研究。侯学 渊等i 冽分析了地下连续墙结构基坑稳定的空日j 作用和土体白j 环向挤压效应而引 起的抗隆起稳定的各种因素，提出了一种比较合理的计算模式。t u s iy 等【卅 认为最大隆起量与丌挖深度成指数关系。l a m b e1 2 8 j 认为开挖影响周围土体的变形 因素有八个：基坑的规模、土体的性质、地下水条件、时间、支撑系统、开挖和 支撑顺序、临近基坑结构形式和设施、活荷载。c l o u g h 和h a n s e n 【冽在计算中 考虑了土体各向异性的影响，结果表明：墙体位移和地面沉降会显著地增加，塑 性区也显著增大，土体各向异性明显地影响土压力的分布。w o n g1 2 9 1 用有限单元 法对施工降水的影响进行了分析，计算结果表明：降水产生的位移占总位移的比 例较大。 华北水利水电学院硕士学位论文 y a h g 瓦y 和l e ef h c s l 3 0 l 等用b o i t 固结理论对基坑的开挖过程用有限 元进行了数值模拟，计算结果表明：由于横向支撑的影响，产生负的孔隙压力， 固结计算结果介于不排水和完全排水结果之间，因此可将完全排水和完全不排水 的结果作为实际位移的上下限。 a n t h o n 【3 ，用有限元方法研究了钢筋混凝土悬臂式围护墙的性状，分析表 明：侧压力的分布与墙和土体的移动密切相关，作用在墙体上的侧压力仅在墙的 三分之二处接近于主动土压力。 近年来，已有人利用i t a s c a 公司开发的f l a c = ( f a s tl a g r a n g i a na n a l y s i s o fc o n ti n u ai n3d i m e n s i o n s ) 三维岩土力学有限差分法计算机程序模拟深基 坑围护构的变形及应力应变，实践证明与实际观测结果相当吻合，但其参数的选 取比较复杂，对模拟结果影响较大， 1 3 本文主要研究内容及方法 1 3 1 主要研究内容 根据深基坑工程研究现状及存在的问题，本文将主要完成以下几个方面的工 作。即本文的主要研究内容有： ( 1 ) 总结目前深基坑工程研究的国内外研究现状； ( 2 ) 根据深基坑工程优化设计理论，探讨深基坑工程优化设计的方法和途径： ( 3 ) 对深基坑支护结构的主要设计计算方法进行对比选用，建立并简化支护 结构优化计算的数学模型； ( 4 ) 将动态反演分析手段引入到深基坑工程的过程控制之中，探讨深基坑工 程动念反演分析的手段和方法； ( 5 ) 分析桩锚与土钉联合支护的变形机理指导优化，研究桩锚与土钉联合支 护结构变形控制的优化设计原理与方法。 总之，本文研究以工程实例为背景，系统地分析桩锚与土钉联合支护结构的 特点，采用系统工程中的层次分析法和数学规划中的求优方法，建立针对深基坑 工程全过程的优化设计理论，提出针对此类型深基坑支护工程变形控制的优化设 计方法。本文对解决当前深基坑工程设计、施工中存在的问题，提高经济效益和 社会效益都具有十分重要的理论和现实意义。 第一章绪论 1 3 2 研究方法 ( 1 ) 根据国家规范要求，参考具体基坑工程的工程地质、水文地质条件， 基坑的尺寸，周边环境的变形要求，择优选择最适合的支护型式； ( 2 ) 用北京理正深基坑支护结构设计软件对支护结构进行优化，对支护结 构变形与安全系数计算； ( 3 ) 根据基坑的形变要求等约束条件，利用工程量、定额直接费等构造价 格目标函数的数学模型，采用v i s u a lb a s i c 语言根据求函数最小值方法编程， 自动选择最优化设计参数。 ( 4 ) 应用f l a c 3 0 ( f a s tl a g r a n g i a na n a l y s i so fc o n t i n u ai n3d i m e n s i o n s ) 三维岩土力学有限差分法计算机程序模拟深基坑围护构的应力应变，全面显示支 护区域的位移场和应力场。 华北水利水电学院硕士学位论文 第二章桩锚与土钉联合支护体系变形分析 2 1 桩锚与土钉联合支护简介 桩锚支护即排桩加预应力锚杆支护，是一种采用排桩作为围护结构，预应力 锚杆作为支撑体系的支护结构体系。排桩可选用钻孔灌注桩、人工挖孔桩、预制 桩等不同类型，锚杆也可布置成一层、二层以至多层的形式。它具有空间占用少、 适应性强和施工工艺成熟等优点。桩锚支护的方案组合型式灵活多变，可与很多 其它支护形式联合使用，以做到满足支护强度和变形要求而且造价尽量低。 土钉支护就是在边坡土体内置入一定密度和长度的具有一定强度和粘结力 杆体，在坡面设置与杆体相连结( 钢筋) 混凝土面层，将原状土边坡整体化，形 成重力式挡墙的一种支护型式。土钉支护属于被动式支护型式，通过边坡变形使 土钉受力，因此在一定深度内只能有效保持边坡的稳定性而不能有效的控制边坡 的变形。 桩锚与土钉联合支护，是单一支护体系优化的产物。在一些深基坑支护工程 中，既要严格控制变形又想节省造价时，即可将上层土体用土钉墙支护方式，下 层土体用桩锚体系支护，这样既可有效利用土体的自立高度节约造价，又可控制 边坡稳定性和变形。 桩锚与土钉联合支护体系的变形主要决定于桩锚支护结构的变形，而桩锚支 护结构的变形与支护结构的刚度、类型及施工，工程桩类型与施工，地下水位的 控制，土方开挖的时空效应等因素息息相关。基坑的开挖及地下水位的变化势必 引起基坑周围土体应力场改变，导致周围土体的固结和变形，对周围环境产生不 同程度的影响；降低地下水位造成基坑四周地面产生沉降、不均匀沉降和水平位 移，影响相邻建筑物及市政管线j 下常使用甚至破坏；工程桩施工，特别是取土型 ( c f g 桩) 或挤密型( 沉管桩、静压桩等) 桩基施工，直接改变土体内的有效应 力和孔隙水压力。在郑州地区，因为以上桩型造成多起基坑边坡大变形及周边建 筑物破坏的实例。软土地区在围护结构设计中，围护结构除满足传统意义上的安 全、稳定、强度等的i ；仃提下，也必须控制围护结构变形。同理，降水在满足工程 第二章桩锚与土钉联合支护体系变形分析 旖工和安全的前提下。也应以周围环境对降水引发沉降及不均匀的最低要求为约 束进行降水设计。因此，研究支护体系的变形机理对支护工程设计、施工等具有 非常重要的指导意义和使用价值。在此主要从力学角度讨论桩锚支护体系的变形 机理，为基坑支护体系的优化设计提出理