（岩土工程专业论文）深基坑工程辅助设计软件系统—围护大全的开发与研制.pdf

d e v e l o p m e n to fs o f t w a r es y s t e mf o r d e e pe x c a v a t i o ne n g i n e e r i n ga s s i s td e s i g n a b s t r a c t t h es o f t w a r e s y s t e m f o r d e e p e x c a v a t m n e n g i n e e r i n g a s s i s t d e s i g n w a s d e v e l o p e d ，w h i c h c a nr u no nt h eo p e r a t i n g p l a t f o r m so f w i n d o w s9 5a n dw i n d o w s 9 8 t h es o f t w a r es y s t e mh a sm a n yf u n c t i o n sa n dc h a r a c t e r i s t i c sa sf o l l o w s ： ( 1 ) i ti n c l u d e sa l m o s t a l l t y p e so fr e t a i n i n gs t r u c t u r ef o rc u r r e n te x c a v a t i o n e n g i n e e r i n g ( 2 ) i th a sn i e n d l yg r a p h i cu s e s i n t e r f a c e sa n dp l e n t i f u lc o l o r s ，w h i c hm a k e s d a t ai n p u ta n dr e s u l ts h o wv i s i b l e ( 3 ) t h em e t h o d so fw a t e r s o i lp r e s s u r ec a l c u l a t i n gt o g e t h e ra n ds e p a r a t e l yc a r l b es e l e c t e dt oc a l c u l a t et h ee a r t hp r e s s u r e ( 4 ) t h e r ea r et w om e t h o d st oc a l c u l a t ei n t e r i o rf o r c e so ft h er e t a i n i n gs t r u c t u r e s ， t h a ta r ee q u i v a l e n tb e a mm e t h o da n de l a s t i cf o u n d a t i o nb e a mm e t h o d ( 5 ) t h es t a b i l i t y c h e c k si n c l u d e g l o b a ls t a b i l i t yc h e c k ，h e a v es t a b i l i t yc h e c k ， s e e p a g es t a b i l i t yc h e c ka n dg r o u n ds e t t l e m e n tc a l c u l a t i o n ( 6 ) t h ev e r t i c a l a n dh o r i z o n t a l r e i n f o r c i n gb a r s c a nb ec a l c u l a t e ds e p a r a t e l y a c c o r d i n gt ot h er o wp i l e sa n d t h ed i a p h r a g mw a l l ( 7 ) t h e o nl i n eh e l ps y s t e mi sp o w e r f u la n dc a n p r o v i d eh e l pa ta n yt i m e ( 8 ) i t r e a l i z e st h e t h i n k i n g o fs t r u c t u r a l p r o g r a md e s i g nb yu s i n gm a n y l a n g u a g e sa n dg i v e s f u l lp l a yt oe v e r yl a n g u a g e s p e c i a l i t y ( 9 ) s e v e r a le x a m p l e sa r ep r o v i d e dt od e m o n s t r a t ei t sc a p a b i l i t i e s t h ee x a m p l e s i n d i c a t et h a ti ti s p r a c t i c a l ，a c c u r a t ea n dq u i c k ，a n dt h a ti t c a nr a i s ee f f i c i e n c ya n d s h o r t e nd e s i g nt i m e 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 ，a s s i s td e s i g n ，s o f t w a r es y s t e m r e t a i n i n gs t r u c t u r e s ，u s e si n t e r f a c e s 浙江大学博士后研究报告第一章概述 1 - 1 问题的提出 第一章概述 八十年代以来，随着我国城市建设的迅猛发展，高层建筑不断兴建，深基坑 工程日趋增加，各地区各部门对深基坑工程设计和施工积累了相当的经验，各种 支护技术飞速发展，呈现出百花齐放的喜人局面。但目前在我国深基坑工程的设 计水平还没有达到集成化和自动化。致使基坑工程设计的效率不够高。 深基坑工程设计应该建立在现代高科技的基础上。计算机应用是现代高科技 的标志，将计算机应用于工程设计中以提高设计的效率和水平，实现工程设计的 集成化和自动化乃是当今工程设计发展的共同目标之一。这一发展目标已经在许 多工程领域中得以实现，并且被证明是行之有效的手段。但是，在深基坑工程中 这一目标还未实现。因此，开发和研制一套集多功能为+ 体的深基坑工程设计软 件系统，不仅能够为深基坑工程设计提供现代高科技工具，而且具有重要的理论 价值和明显的社会、经济效益。 1 - 2 深基坑工程设计软件发展现状 由于计算机技术的迅速发展和个人电脑的普及，使计算机用于深基坑工程设 汁成为可能。近年来我国一些科研机构和高校基于不同的分析模型及计算机开发 环境，丌发了多种深基坑工程设计软件，有些软件实现了商品化，并得到一定范 闭的推广。 由中航勘察设计研究院秦四清博士等丌发研制的“护坡桩整体优化设计计算 机扫描分析系统”软件，采用结构化程序设计，q b a s i c 、f o r t r a n 、c 和 a s m 语言混合编程，将菜单技术、鼠标技术、光条技术、图形技术、打印技术、 在线帮助技术融为一体，使程序可读性强，界面友好，可操作性强。该系统软件 包括参数优选、优化设计、稳定性验算和稳定性监测等内容。 由同济大学杨敏教授等开发的“启明星深基坑软件系列”主要由f r w s 、 浙江大学博士后研究报告第一章概述 1 - 1 问题的提出 第一章概述 八十年代以来，随着我国城市建设的迅猛发展，高层建筑不断兴建，深基坑 工程日趋增加，各地区各部门对深基坑工程设计和施工积累了相当的经验，各种 支护技术飞速发展，呈现出百花齐放的喜人局面。但目前在我国深基坑工程的设 计水平还没有达到集成化和自动化。致使基坑工程设计的效率不够高。 深基坑工程设计应该建立在现代高科技的基础上。计算机应用是现代高科技 的标志，将计算机应用于工程设计中以提高设计的效率和水平，实现工程设计的 集成化和自动化乃是当今工程设计发展的共同目标之一。这一发展目标已经在许 多工程领域中得以实现，并且被证明是行之有效的手段。但是，在深基坑工程中 这一目标还未实现。因此，开发和研制一套集多功能为+ 体的深基坑工程设计软 件系统，不仅能够为深基坑工程设计提供现代高科技工具，而且具有重要的理论 价值和明显的社会、经济效益。 1 - 2 深基坑工程设计软件发展现状 由于计算机技术的迅速发展和个人电脑的普及，使计算机用于深基坑工程设 汁成为可能。近年来我国一些科研机构和高校基于不同的分析模型及计算机开发 环境，丌发了多种深基坑工程设计软件，有些软件实现了商品化，并得到一定范 闭的推广。 由中航勘察设计研究院秦四清博士等丌发研制的“护坡桩整体优化设计计算 机扫描分析系统”软件，采用结构化程序设计，q b a s i c 、f o r t r a n 、c 和 a s m 语言混合编程，将菜单技术、鼠标技术、光条技术、图形技术、打印技术、 在线帮助技术融为一体，使程序可读性强，界面友好，可操作性强。该系统软件 包括参数优选、优化设计、稳定性验算和稳定性监测等内容。 由同济大学杨敏教授等开发的“启明星深基坑软件系列”主要由f r w s 、 浙江大学博士后研究报告第一章概述肖专文1 9 9 9 年4 月 g r w 、b s c 组成，其主要特点是表格输入、图文对照直观明了，同步计算、同 步显示、图形模拟一目了然，使用方便。f r w s 软件用于计算地下连续墙、灌 注桩、板桩等挡土结构以及其他各种材料的弹性挡土结构在深基坑开挖、回填、 换撑时各阶段的位移、弯矩、剪力及支撑反力，并同步显示结果。g r w 软件用 于计算水泥土搅拌桩等重力式挡土结构的抗滑移、抗倾覆、抗隆起、边坡稳定及 水平位移变形，并同步图形模拟显示结果。b s c 软件用于进行挡土桩与支撑结 构分析计算，尤其在内支撑结构分析方面具有独特的优点。 由北京理正软件设计研究所研制的“深基坑支护结构设计软件f s p w ”， 具有悬臂式或支锚式的排桩及地下连续墙、水泥土墙、土钉墙等支护类型可供选 择，内力分析汁算有经典法( 等值梁法) 及弹性地基梁法( m 法，c 法，k 法) 。 适用于各种l 质，多个土层的基坑工程，并可考虑地下水及地面超载的影响。可 进行多种稳定性计算还可生成施工图。软件全过程中文支持，数据录入方便直 观，计算速度快，运行安全可靠，可配合各种打印机、绘图仪进行图形、文件即 时输出。 由中航勘察设计研究院宋应文研制的“f e t o o l s 深基坑支护”软件，包括 自然丌挖方案、悬臂桩方案、单层锚杆方案、多层锚杆方案、土钉方案及地下连 续墙方案等。自然开挖方案可以根据所定安全系数寻找最佳开挖坡角；悬臂桩方 案可以对桩长进行优化；单层锚杆方案可对锚杆位置进行优化；多层锚杆方案及 地下连续墙方案采用有限元法进行内力跟踪分析。另外，各方案的造价同时完成。 设计计算快速、可靠，每项功能的完成只需几分钟。f e t o o l s 具有良好的用户 界面，市体视窗，鼠标支持，采用全屏幕输入方式，具有防错功能，菜单选项， 在线帮助操作环境舒适宜人。 山浙江省建筑设计研究院研制开发的基坑支护结构分析软件包p r s a ，采 用友好的屏幕人机交瓦输入的方法输入数据或修改原始计算信息，并可显示刚护 结构的汁算简图，校验输入数据是否f 确。该软件包可进行围护结构的内力分析、 稳定性验算、l 程造价预算等内容。 总观现有的基坑围护软件，各有所长，各有侧重，各有其适用条件。但还没 有一个软件能够囊括目前工程中常用的各种基坑围护类型。因此丌发研制集各利- 浙江大学博士后研究报告第一章概迷 肖专文1 9 9 9 年4 月 围护结构类型于一体的大型通用基坑工程设计软件系统具有重要的现实意义和 实用价值。 卜3本文的主要工作 本文用v i s u a lb a s i c5 0 语言在w i n d o w s 9 5 操作平台上，将结构化编程与面 向对象的编程技术相结合，开发研制了一套深基坑工程辅助设计软件系统一“围 护大全”。该软件系统几乎包括了目前工程中常用的各种基坑围护结构类型，充 分利用了w i n d o w s 的友好图形界面和丰富的色彩，使数据输入和计算结果显示 均实现图形可视化。 “围护大全”软件系统功能强大，使用范围广泛。其中土压力计算部分可根 据土质情况选择水土分算和水土合算；内力汁算可选择等值梁法或弹性地基梁 法：稳定性验算包括：整体稳定性验算、抗隆起稳定性验算、渗流稳定性验算和 地表沉降计算，另外还可进行配筋计算；同时具有强大的联机帮助功能，口j 随时 提供帮助信息。软件系统全中文支持，数据输入采用图表方式并配以计算简图， 结果输出图文并茂，并可生成计算书。同时配合打印机随时输出计算结果。 “围护大全”中的内力计算、稳定性分析和配筋计算等计算程序是由 f o r t r a n 语言。和c 语言编程，用v i s u a l b a s i c 语言调用，实现了多语言混合编 程的结构化程序设计思路，发挥了各种语言的特长。 “围护大全”应用于多个工程算例，实际应用表明围护大全实用忭强，计算 准确，运算速度快，提高了丁作效率，缩短了设计工期，实为设计人员的好帮手。 相信在不久的将来，随着田护大全的推广，该软件系统将会创造良好的社会效益 和经济效益。 浙江大学博士后研究报告第一章概迷 肖专文1 9 9 9 年4 月 围护结构类型于一体的大型通用基坑工程设计软件系统具有重要的现实意义和 实用价值。 卜3本文的主要工作 本文用v i s u a lb a s i c5 0 语言在w i n d o w s 9 5 操作平台上，将结构化编程与面 向对象的编程技术相结合，开发研制了一套深基坑工程辅助设计软件系统一“围 护大全”。该软件系统几乎包括了目前工程中常用的各种基坑围护结构类型，充 分利用了w i n d o w s 的友好图形界面和丰富的色彩，使数据输入和计算结果显示 均实现图形可视化。 “围护大全”软件系统功能强大，使用范围广泛。其中土压力计算部分可根 据土质情况选择水土分算和水土合算；内力汁算可选择等值梁法或弹性地基梁 法：稳定性验算包括：整体稳定性验算、抗隆起稳定性验算、渗流稳定性验算和 地表沉降计算，另外还可进行配筋计算；同时具有强大的联机帮助功能，口j 随时 提供帮助信息。软件系统全中文支持，数据输入采用图表方式并配以计算简图， 结果输出图文并茂，并可生成计算书。同时配合打印机随时输出计算结果。 “围护大全”中的内力计算、稳定性分析和配筋计算等计算程序是由 f o r t r a n 语言。和c 语言编程，用v i s u a l b a s i c 语言调用，实现了多语言混合编 程的结构化程序设计思路，发挥了各种语言的特长。 “围护大全”应用于多个工程算例，实际应用表明围护大全实用忭强，计算 准确，运算速度快，提高了丁作效率，缩短了设计工期，实为设计人员的好帮手。 相信在不久的将来，随着田护大全的推广，该软件系统将会创造良好的社会效益 和经济效益。 浙江大学博士后研究报告第二章围护大全所包括的围护结构类型极其计算理论肖专文1 9 9 9 年4 月 第二章围护大全所包括的围护结构 类型及其计算理论 2 1围护大全所包括的围护结构类型 2 1 ，1 放坡开挖基坑围护 在基坑开挖工程中，往往可以通过选择并确定安全合理的基坑边坡坡度，使 基坑开挖后的土体，在无加固及无支撑的条件下依靠土体自身的强度，在新的平 衡状态下取得稳定的边坡并维持整个基坑的稳定状况，为建造基础或地下室提供 安全可靠的作业空间，同时又能确保基坑周边工程环境不受影响或满足预定的工 程环境要求。这类无支护措施下的基坑开挖方法通常称作放坡开挖。一般来说， 该方法施工工期短，可为主体结构施工提供较宽敞的作业空间。 放坡丌挖适用于地基土质较好，开挖深度不深，以及施工现场有足够放坡场 所的工程。放坡开挖一般费用较低，能采用放坡开挖的丁程应尽量采用。 2 1 2 悬臂式围护结构 未加任何内支撑或锚杆，仅靠插入其基坑底下定深度，以取得嵌固和稳定 的围护结构称为悬臂式围护结构。由于基坑底以上部分呈悬臂状态，围护结构的 弯矩随开挖深度成三次方增加，故与有内支撑的围护结构相比，这种结构的桩顶 位移及杆件弯矩值均较大，选用时应慎重考虑。一般应考虑下列情况： ( 1 ) 通常只在单层地下室及支护高度小于5 米时采用： ( 2 ) 基坑底以下的地质情况良好，有较大的c ，中值，有足够作为杆件插入当作 嵌固端的能力： ( 3 ) 在基坑底部及桩端处不足软弱土层，因为这二处是杆件平衡的关键部位，在 这二处产生的反力较大，如为软土层，对整个结构的稳定非常不利。 2 1 3 水泥土重力式围护结构 目前在工程中用得较多的水泥土重力式卜珂护结构，常采用深层搅拌法形成， 有时也采用高压喷射注浆法形成。为了节省投资，常采用格构体系。水泥土与其 包围的天然土形成重力式挡墙支挡周圈土体，保持基坑边坡稳定。深层搅拌水泥 4 浙江大学博士后研究报告第二章围护大全所包括的围护结构类型极其计算理论肖专文1 9 9 9 年4 月 第二章围护大全所包括的围护结构 类型及其计算理论 2 1围护大全所包括的围护结构类型 2 1 ，1 放坡开挖基坑围护 在基坑开挖工程中，往往可以通过选择并确定安全合理的基坑边坡坡度，使 基坑开挖后的土体，在无加固及无支撑的条件下依靠土体自身的强度，在新的平 衡状态下取得稳定的边坡并维持整个基坑的稳定状况，为建造基础或地下室提供 安全可靠的作业空间，同时又能确保基坑周边工程环境不受影响或满足预定的工 程环境要求。这类无支护措施下的基坑开挖方法通常称作放坡开挖。一般来说， 该方法施工工期短，可为主体结构施工提供较宽敞的作业空间。 放坡丌挖适用于地基土质较好，开挖深度不深，以及施工现场有足够放坡场 所的工程。放坡开挖一般费用较低，能采用放坡开挖的丁程应尽量采用。 2 1 2 悬臂式围护结构 未加任何内支撑或锚杆，仅靠插入其基坑底下定深度，以取得嵌固和稳定 的围护结构称为悬臂式围护结构。由于基坑底以上部分呈悬臂状态，围护结构的 弯矩随开挖深度成三次方增加，故与有内支撑的围护结构相比，这种结构的桩顶 位移及杆件弯矩值均较大，选用时应慎重考虑。一般应考虑下列情况： ( 1 ) 通常只在单层地下室及支护高度小于5 米时采用： ( 2 ) 基坑底以下的地质情况良好，有较大的c ，中值，有足够作为杆件插入当作 嵌固端的能力： ( 3 ) 在基坑底部及桩端处不足软弱土层，因为这二处是杆件平衡的关键部位，在 这二处产生的反力较大，如为软土层，对整个结构的稳定非常不利。 2 1 3 水泥土重力式围护结构 目前在工程中用得较多的水泥土重力式卜珂护结构，常采用深层搅拌法形成， 有时也采用高压喷射注浆法形成。为了节省投资，常采用格构体系。水泥土与其 包围的天然土形成重力式挡墙支挡周圈土体，保持基坑边坡稳定。深层搅拌水泥 4 浙江大学博士后研究报告第二章围护大全所包括的围护结构类型极其计算理论肖专丈1 9 9 9 年4 月 土桩重力式围护结构常用于软粘土地区丌挖深度约6 o m 以内的基坑工程。采用 高压喷射注浆法施工可以在砂类土地基中形成水泥土挡墙。 21 4 内撑式围护结构 内撑式围护结构由围护结构体系和内撑体系两部分组成。围护结构体系常采 用钢筋砼排桩墙和地下连续墙型式。内撑体系可采用水平支撑和斜支撑。根据不 同开挖深度又可采用单层水平支撑、二层水平支撑及多层水平支撑。当基坑平面 面积较大，而开挖深度又不太大时，宜采用单层斜支撑。 内撑常采用钢筋砼支撑和钢管( 或型钢) 支撑两种。钢筋砼支撑体系的优点 是刚度好、变形小，钢管支撑的优点是钢管可以回收，且加预压力方便。目前华 东地区采用钢筋砼支撑体系较多。有的采用空间结构体系。 内撑式围护结构适用范围广，可适用各种土层和基坑深度。 2 1 5 拉锚式围护结构 拉锚式围护结构由围护结构体系和锚固体系两部分组成。围护结构体系同于 内撑式围护结构，常采用钢筋砼排桩墙和地下连续墙两种。锚固体系可分为锚杆 式和地面拉锚式两种。随基坑深度不同，锚杆式也可分为单层锚杆、二层锚杆和 多层锚杆。地面拉锚式需要有足够的场地设置锚桩，或其它锚固物。锚杆式需要 地基土能提供锚杆较大的锚固力。锚杆式较适用于砂土地基，或粘土地基。由于 软粘土地基不能提供锚杆较大的锚固力，所以很少使用。 21 6 土钉墙围护结构 t 钉一般通过钻孔、插筋和注浆来设置，传统上称砂浆锚杆。也有采用打入 或射入方式设置土钉。边j r 挖基坑，边在士坡中设置士钉，在坡面上铺设钢筋网， 并通过喷射砼形成砼面板，形成土钉墙围护结构。土钉墙围护结构的机理可理解 为通过在基坑边坡巾设置上钉，形成加筋重力式挡墙起到挡土作用。土钉墙围护 适用于地f 水位以上或人工降水后的粘性土、粉土、杂填士及非松散砂土、卵石 土等，不适用于淤泥质i ：及未经降水处理地下水位以下的土层地基中基坑围护。 土钉墙围护基坑深度一般不超过i 8 米，使用期限不超过1 8 个月。 浙江大擘博士后研究报告第二章围护大全所包括的围护结构类型极其计算理论 肖专文1 9 9 9 年4 月 2 1 7 加筋水泥土挡墙围护结构 由于水泥土抗拉强度低，水泥土重力式挡墙围护结构围护深度小，为了克服 这一缺点，在水泥土中插入型钢，形成加筋水泥土挡墙围护结构。 2 1 8 双排桩围护结构 双排桩围护结构是一种新型的围护结构，它是由两排平行的钢筋砼桩以及在 桩顶的压顶梁和联系梁形成的空问门架式围护结构体系。这种结构具有较大的侧 向刚度，可以有效地限制围护结构的侧向变形，因而其围护深度比一般悬臂式围 护结构深。 研究表明：前后排桩桩距b 8 d 时，联系梁只起拉杆作用，门架空间效应也差。双排桩围护结构属悬臂型， 其变形也大。 双排桩围护结构适用于开挖深度已超过悬臂式围护结构的合理围护深度，但 深度也不是很大的情况。 2 - 2 围护结构内力计算方法 围护结构内力计算方法有很多，主要有以下几种方法。 2 2 1 静力平衡法 静力平衡法一般用于悬臂式围护结构的内力计算。古典板桩计算理论认为， ：悬臂式围护结构在主动士压力作用下，将趋于绕围护结构上的某一点发生转动， 从而使土压力的分如发生变化。在图2 2l 的支点b 处，围护结构背面承受的i 压力由丰动土压力转到被动土压力，而前面承受的上压力则由被动土压力转到主 动土压力。在计算b 点以下的主动及被动土压力时，町方便地把该点以上的土体 当作超载来考虑。假定围护结构底端不承受弯矩和剪力，即可由静力平衡条件， 通过求解插入深度的四次方程得到围护结构旋转点的位置、插入深度及内力。 上述方法求解p q 次方程时，往往需通过试算，汁算量较大因此还可根据b l u m 理论采用简化方法，将旋转点以下的被动士压力近似地在其重心c 处用一个集中 力只代替，如图2 22 ( b ) 所示。图2 22 ( a ) 中的t 。可用x 来表示，它必须满足 绕c 点的静力平衡条件，由此即可求出围护结构的最小插入深度和内力。简化后 浙江大擘博士后研究报告第二章围护大全所包括的围护结构类型极其计算理论 肖专文1 9 9 9 年4 月 2 1 7 加筋水泥土挡墙围护结构 由于水泥土抗拉强度低，水泥土重力式挡墙围护结构围护深度小，为了克服 这一缺点，在水泥土中插入型钢，形成加筋水泥土挡墙围护结构。 2 1 8 双排桩围护结构 双排桩围护结构是一种新型的围护结构，它是由两排平行的钢筋砼桩以及在 桩顶的压顶梁和联系梁形成的空问门架式围护结构体系。这种结构具有较大的侧 向刚度，可以有效地限制围护结构的侧向变形，因而其围护深度比一般悬臂式围 护结构深。 研究表明：前后排桩桩距b 8 d 时，联系梁只起拉杆作用，门架空间效应也差。双排桩围护结构属悬臂型， 其变形也大。 双排桩围护结构适用于开挖深度已超过悬臂式围护结构的合理围护深度，但 深度也不是很大的情况。 2 - 2 围护结构内力计算方法 围护结构内力计算方法有很多，主要有以下几种方法。 2 2 1 静力平衡法 静力平衡法一般用于悬臂式围护结构的内力计算。古典板桩计算理论认为， ：悬臂式围护结构在主动士压力作用下，将趋于绕围护结构上的某一点发生转动， 从而使土压力的分如发生变化。在图2 2l 的支点b 处，围护结构背面承受的i 压力由丰动土压力转到被动土压力，而前面承受的上压力则由被动土压力转到主 动土压力。在计算b 点以下的主动及被动土压力时，町方便地把该点以上的土体 当作超载来考虑。假定围护结构底端不承受弯矩和剪力，即可由静力平衡条件， 通过求解插入深度的四次方程得到围护结构旋转点的位置、插入深度及内力。 上述方法求解p q 次方程时，往往需通过试算，汁算量较大因此还可根据b l u m 理论采用简化方法，将旋转点以下的被动士压力近似地在其重心c 处用一个集中 力只代替，如图2 22 ( b ) 所示。图2 22 ( a ) 中的t 。可用x 来表示，它必须满足 绕c 点的静力平衡条件，由此即可求出围护结构的最小插入深度和内力。简化后 浙江大学博士后研究报告第二章围护大全所包括的围护结构类型极其计算理论 肖专丈1 9 9 9 年4 月 采用m = o 计算得到的插入深度是偏小的，因此b 1 u m 建议按图2 2 2 ( b ) 计算 出j 后，把x 增加2 0 作为插入深度。 支点 旋转 2 2 2 等值梁法 被动 被动医 土压力 ( b ) 图22 - 1 悬臂式围护结构的土压力分布 图22 - 2 简化计算方法 ( c ) 等值梁法是当前我国工程界中应用最、泛的一种用以计算围护结构内力的 方法。 1 等值梁法的基本原理 桩入坑底土内有弹性嵌固( 铰接) 与固定两种，现假定桩插入峰硬士或砾= f i 且比较深，作为固定端，单锚点则为铰接点，如图2 2 3 所示。 浙江大学博士后研究报告第二章围护大全所包括的围护结构类型极其计算理论肖专丈1 9 9 9 年4 月 ( a ) 等值梁原理( b ) 桩卜土压力分布 ( c ) 等值粱不意( d ) 弯矩图 图22 - 3 等值梁法计算简图 图中a c 梁b 点为铰支点，c 点为固定。弯距图的转折点为d ，若将a c 梁在 d 点切断，并在d 点设置自由支承，形成a d 梁，则a d 梁的弯矩将保持不变。因 此a d 粱即为a c 梁上a d 段的等值梁。 应用等值梁法计算，首先应知道正负弯矩转折点的位置，实际上地面下土压 力等于零的地方与弯矩为零的位置相近，见图2 2 3l 】( c ) 及( d ) 。因此计 算时用土压力为零的位置代替。 2 等值梁计算方法与步骤 ( 1 ) 计算土压力系数 根据基坑深度、勘测资料，先确定主动土压力及被动土压力系数，并要考虑 桩与土的摩擦力，即考虑摩擦角d 值。 k 。= t g2 ( 4 5 。当) 占可考虑为1 3 妒2 却值，则 k r 。而i 习c 菰o s 荞菰面1 2 ( 2 ) 求桩嵌入基坑下的深度 如图2 2 3 ( b ) 所示，d 点为土压力为零点，y 为距基坑底面的距离，则桩 居与桩右的十压力应相等( 桩前与桩后的压力相等) ，才出现零点d ，先求y 。 y + k 。y = y 。k 。( h 十) ) = y h k 。+ y y j y h k | j 在基坑底断的j i 力强度 y k 。y = y k 。y + e 。 e d 炉万两 浙江大学博士后研究报告第二章围护大全所包括的固护结构类型极其计算理论 肖专文1 9 9 9 年4 月 求x ，按等值梁原理，从图( c ) 中可求得简支梁的l 及只。 从图( b ) 只对c 点的力矩，应等于被动土压力( 三角形) 对c 点的力矩。 只x = j 1y ( k p - k o ) j 1 z = i 1 y ( k ，一疋) 工3 骶 桩嵌入坑底深度f 。= x + y 如土质差，应乘系数k ( 1 1 - 1 2 1 ，即 t = ( 1 1 1 2 ) t o f 3 ) 求最大弯矩 按简支梁先求剪力为零处，即最大弯矩。用等值梁法计算一般偏于安全。 2 2 3 弹性地基梁法 1 简介 基坑工程弹性地基梁法取单位宽度的挡墙作为竖直放置的弹性地基梁，支撑 简化为与截面积和弹性模量、计算长度等有关的_ 二力杆弹簧，一般采用图2 2 4 的两种计算图示。 qq 图22 - 4 弹性地基梁法的计算图示 在图2 2 4 ( a ) c p ，基坑内侧i - 体视作土弹簧，外侧作用已知土压力和水压力， 该法即现行规范推荐和 程界通用的“竖向平面弹性地基粱法”。“嗍护犬全” 也采用了这种方法。 在图2 2 4 f b l 中，基坑内外侧t 二体均视作土弹簧。该计算图示便f 对上丘力 从两侧受静止压力的基准状态丌始，在丰动土压力和被动士压力范围内反复调整 计算，考虑了挡墙两侧土j j i 力与变形之间相互作用的影响，| 大i 此被称为共同变形 浙江大学博士后研究报告第二章围护大仝所包括的回护结构类型极其计算理论肖专支1 9 9 9 年4 月 法，由日本的森重龙马首先提出。 弹性地基梁法中土对支挡结构的抗力( 地基反力) 用土弹簧来模拟，地基反力 的大小与挡墙的变形有关，即地基反力由水平地基反力系数同该深度挡墙变形的 乘积确定。按地基反力系数沿深度的分布不同形成几种不同的方法。图2 2 5 给 出地基反力系数的五种分布图示，用下面的通式表达： = a i l + k + z ” 式中z 为地面或开挖面以下深度；k 为比例系数；n 为指数，反映地基反力 系数随深度而变化的情况；a 。为地面或开挖面处土的地基反力系数，一般取为 零。 j j j 3 i 、 当 l l z i i r l = 01 7 1 = 05n = 1n = 2 ( a )( b )( c )( d )( e ) 图2 2 - 5 地基反力系数沿深度的分布图示 根据 t 的取值把图2 2 5 ( a ) 、c o ) 分布模式的计算方法分别称为张氏法f 即通常 所说的k 法) 和c 法。在图2 2 5 ( c ) 中取n = 1 ，则： k = k z 此式表明水平地基反力系数沿深度按线性规律增大，由于我国以往应用此种 分布图示时，用m 表示比例系数，即k 。= 川z ，故通称m 法。 采用i - f l 法时土对支挡结构的水平地基反力f 可写成如下的形式： f - mz y 式中y 为计算点处挡墙的水平位移。 水平地基反力系数k 。和比例系数m 的取值原则卜宜由现场试验确定，也可 参照考虑当地类似工程的实践经验，国内不少基坑工程手册或规范也都根掘铁 路、港口工程技术规范给出了相应土类配和m 的大致范围，当无现场试验资料 或当地经验时可参照表2 1 和表2 2 选用。 l o 浙江大学博士后研究报告第二章围护尢全所包括的围护结构类型极其计算理论肖专文1 9 9 9 年4 月 不同士的水平地基反力比例系数m 表2 1 m ( k n m 4 ) 液性指数1 1 的粘性十，淤泥1 0 0 0 2 ( x ) 0 液性指数0 5 s i 1 0 的粘性土，粉砂，松散砂2 0 0 0 - - 4 0 0 0 液性指数0 i 0 5 的粘性土，细砂，中砂4 0 0 0 6 0 0 0 坚硬的粘性土和粉质粘土，砂质粉土，粗砂6 0 0 0 - 1 0 0 0 l o 不同十的水平地基反力系数蚝 表2 2 地面丽r 蜀( k n m ) 淤泥土粘性土5 0 0 0 夹薄砂层的淤泥质粘性十采取超前降水加固时1 0 0 0 0 淤泥质粘性土采用分层注浆加固时1 5 0 0 0 坑内l 程桩为6 0 0 妒8 0 0 m m 的灌注桩且桩距为6 0 0 0 10 ( ) 0 0 3 - 3 5 桩径周护墙前坑底士的0 7 倍开挖深度采用 搅拌桩加固，加固率在2 5 3 0 时 2 墙后作用荷载 对于墙后作用荷载本文采用朗肯主动土压力理论计算，同时根据小同土质情 况可采用水土分算或水土合算。 3 求解方法 本文采用杆系有限单元法，其主要过程如下： ( 1 ) 把挡土结构沿竖向划分为有限个单元，其中基坑开挖面以下部分采用弹 性地基梁单元，开挖面以上部分采用一般梁单元或弹性地基梁单元，一一般每隔 1 2 m 划分为一个单元。为计算方便，应尽可能把节点布置在挡上结构的截面 或荷载突变处、弹性地基反力系数变化处及支撑或锚杆的作用点处各单元以边 界卜的节点相连接。支撑作为一个自由度的二力杆单元。 ( 2 ) 由各个单元的单元刚度矩阵经矩阵变换得到总刚矩阵，根据静力平衡条 件，作用在结构节点的外荷载必须与单元内荷载平衡，外荷载为：l j i i 力和水k 力， 可以求得未知的结构节点位移，进而求得单元内力。其基本平衡方程为： f k l 6 ) = 尺 式q ，【吲一总刚矩阵； 占) 一位移矩阵； 尺) 倚载鲥! 阵。 2 - 3 基坑稳定性分析 2 3 1 整体稳定性分析 浙江大学博士后研究报告第二章围护尢全所包括的围护结构类型极其计算理论肖专文1 9 9 9 年4 月 不同士的水平地基反力比例系数m 表2 1 m ( k n m 4 ) 液性指数1 1 的粘性十，淤泥1 0 0 0 2 ( x ) 0 液性指数0 5 s i 1 0 的粘性土，粉砂，松散砂2 0 0 0 - - 4 0 0 0 液性指数0 i 0 5 的粘性土，细砂，中砂4 0 0 0 6 0 0 0 坚硬的粘性土和粉质粘土，砂质粉土，粗砂6 0 0 0 - 1 0 0 0 l o 不同十的水平地基反力系数蚝 表2 2 地面丽r 蜀( k n m ) 淤泥土粘性土5 0 0 0 夹薄砂层的淤泥质粘性十采取超前降水加固时1 0 0 0 0 淤泥质粘性土采用分层注浆加固时1 5 0 0 0 坑内l 程桩为6 0 0 妒8 0 0 m m 的灌注桩且桩距为6 0 0 0 10 ( ) 0 0 3 - 3 5 桩径周护墙前坑底士的0 7 倍开挖深度采用 搅拌桩加固，加固率在2 5 3 0 时 2 墙后作用荷载 对于墙后作用荷载本文采用朗肯主动土压力理论计算，同时根据小同土质情 况可采用水土分算或水土合算。 3 求解方法 本文采用杆系有限单元法，其主要过程如下： ( 1 ) 把挡土结构沿竖向划分为有限个单元，其中基坑开挖面以下部分采用弹 性地基梁单元，开挖面以上部分采用一般梁单元或弹性地基梁单元，一一般每隔 1 2 m 划分为一个单元。为计算方便，应尽可能把节点布置在挡上结构的截面 或荷载突变处、弹性地基反力系数变化处及支撑或锚杆的作用点处各单元以边 界卜的节点相连接。支撑作为一个自由度的二力杆单元。 ( 2 ) 由各个单元的单元刚度矩阵经矩阵变换得到总刚矩阵，根据静力平衡条 件，作用在结构节点的外荷载必须与单元内荷载平衡，外荷载为：l j i i 力和水k 力， 可以求得未知的结构节点位移，进而求得单元内力。其基本平衡方程为： f k l 6 ) = 尺 式q ，【吲一总刚矩阵； 占) 一位移矩阵； 尺) 倚载鲥! 阵。 2 - 3 基坑稳定性分析 2 3 1 整体稳定性分析 浙江大学博士后研究报告第二章围护大仝所包括的困护结构类型极其计算理论肖专文1 9 9 9 年4 月 “围护大全”假定基坑发生整体破坏的模式为圆弧滑动，滑动面在围护结构 的下方，不能穿过围护结构，但可穿过锚杆和土钉。计算方法可选择瑞典圆弧法 和简化毕肖普法。可考虑地面超载、土钉及锚杆的作用。危险滑弧的搜索采用 0 6 1 8 优选法分层进行，计算速度快，一般不会遗漏危险滑弧。 2 3 2 抗隆起稳定性分析 基坑抗隆起验算是为了保证基坑底的稳定，保证围护结构不发生根部破坏。 围护大全采用了考虑墙体极限弯矩的抗隆起法。该法认为开挖基坑底面以下的墙 体能起到帮助抵抗基底土体隆起的作用，并假定土体沿墙体底面滑动，认为墙体 底面以下的滑动面为一圆弧，如图2 _ 3 1 所示。产生滑动的力为土体重量y h 及 地表超载q ，抵抗滑动的力则为滑动面上的土体抗剪强度。对于非理想粘性土来 说，其内摩擦角由0 。因此在计算滑动面上的抗剪强度时，应采用公式 f = o t gq o + c ，不能只单纯考虑粘聚力。 地面荷巍q z 图23 - 1 抗隆起计算示意图 将、坩动力与抗滑力分别对圆心_ q ) ( 矩，得 滑动力矩 m ；：= 1 ( y h + q ) d 2 抗滑力矩 m ，；j ：l t l id z d + r2 r ：d s d + j ：；3 ld s d + m 对上式积分并整理后得： m = k i g 纠p + 期。十；q f d 2 + 2 y d 2 + i g 纠百, 7 1 5 吼“2 + j 4 矽3 + c ( h d + 加2 ) + 帆 浙江大学博士后研究报告第二章围护犬全所包括的围护结构类型极其计算理论 肖专丈1 9 9 9 年4 月 一基坑开挖深度( m ) ： q 一地面超载( k n m2 ) ； m 。一基坑底面处墙体的极限抵抗弯矩，可采用该处的墙体设计弯矩( k n m m ) 抗隆起安全系数公式为： ，m 。 52 可 为达到稳定要求，必须满足k 。1 2 1 3 。 23 3 渗流稳定性分析 在深基坑工程中，围护结构的设计主要是保证在墙后的水土压力作用下，围 护结构自身的稳定以及墙前后土体的整体滑动稳定。当坑底以下土体为细砂、粉 砂及粉土等容易产生流上的条件下，则尚需进行渗流稳定性分析。 根据工程实践经验，坑底边旁约在距围护墙f 2 ( t 为围护墙的插入深度) 的范 围内，最容易产生流土。当坑内外存在水位差时，地下水的渗流流线，在墙后基 本上是竖向向下，绕过墙趾后，再向上在坑底边旁附近渗出，如图2 3 2 所示。 若土层为均质透水层，则地下水渗流的水力坡降 i = h | l ， 式中h 一坑内外水位差； l 一流线总长度。 在所有的流线中，紧贴墙面的一根流线 长度最短，因而水力坡降最大，故最大水力 坡降为 i = h ( h + 2 t ) 按流砂定义，当渗透压力y w i = y 时，将 出现流砂，此时的水力坡降称为临界水力坡 降，以i 。表示，则j 。，= y y 。令渗流稳定 安全系数为f ，则 一 yyy ( h + 2 t ) ，s 2 瓦2 赢2 y h 图2 3 - 2 渗流验算示意图 只一般取1 5 2 0 ，如不满足要求，则应增大墙的插入深度，直至满足要 求为止。 23 4 地表沉降计算 浙江太学博士后研究报告第二章围护大全所包括的围护结构类型极其计算理论肖专丈1 9 9 9 年4 月 基坑丌挖引起的地面沉降可由下述五部分组成 f 1 ) 围护结构水平位移造成的沉降； ( 2 1 基坑底面隆起造成的沉降： f 3 ) 地基土体固结沉降； f 4 1 抽水引起土砂损失造成的沉降； f 5 1 砂土通过围护结构挤出造成沉降。 ( b )( c ) 图23 - 3 基坑变形模式图 长期工程实践的观察测定发现，地表沉降主要有两种分布形式，如图2 3 3 ( a ) 、( b ) 为三角形，( c ) 、( d ) 为凹槽形。图( a ) 的情况主要发生在悬臂式围护结构； 图( b 、发生在地层较软弱而且墙体的插入深度不大时，墙底处显示较大的水平位 移，紧靠墙体的地面出现较大沉降；图( c ) 和图( d ) 则主要发生在设有良好的支撑， 而且围护结构插入较好土层或围护结构足够长时，这时地面最大沉降点离基坑边 有一定距离。 基坑丌挖引起地面沉降估算方法大致有三种：( 1 ) f k 验方法；( 2 ) 试验方法： ( 3 1 数值分析方法。“围护大全”采用了如下经验方法进行估算： f 1 1 当沉降曲线为凹槽形分布时，墙体位移较小，墙体最人位移与地表最大 位移之间的关系为6 。，= 1 4 s 。，因而s 。= 6 l m a x 1 4 。这晕6 。为墙体最大 位移；5 、。为地表最大位移。 ( 2 ) 当沉降曲线为三角形分布时，墙体位移较大，这时s 。= 6 。扩 浙扛大学博士后研究报告第三章“围护大全”的开发肖专文】9 9 9 年4 月 第三章“围护大全”的开发 3 - i “围护大全”的开发运行环境 “围护大全”是在5 8 6 微机上开发的，其内存及扩展内存为1 6 m b ，主频 1 6 6 m h z ，硬盘1 0 g ；1 3 ，可在5 8 6 以上微机上运行。 “围护大全”将结构化编程与面向对象的编程技术相结合，实现了多语言 混合编程的模块化程序设计思路。其中的内力计算、稳定性分析和配筋计算子 模块分别是用f o r t r a n 语言和c 语言编程，用f o r t r a n p o w e rs t a t i o n4 0 编译器和 t u r b oc + + 编译器编译成可执行文件+ e x e ，用v i s u a lb a s i c5 0 语占调用；而主 控程序、所有用户界面以及其它所有子模块都是用v i s u a lb a s i c5 0 语言开发。 这样既充分利用了v i s u a lb a s i c 语言编写界面简单方便、色彩丰富的优点，同时 又发挥了f o r t r a n 语言和c 语言计算快速的特点。 “围护大全”可在w i n d o w s 9 5 或w i n d o w s 9 8 操作平台上运行。其开发运行 环境示意图如图3 1 1 所示。 运行环境 开发环境 _ v i s u a lb 鲒虻5 0f o rw i n d o w s w i r d o w , s 9 5 或w i n d o w , s 9 8 图31 1 围护大全开发运行环 3 - 2v is u a ib a s i c 简介 v i s u a lb a s i cf o rw i n d o w s 是m i c r o s o f t 公司于1 9 9 1 年推出的w i n d o w s 应用 浙扛大学博士后研究报告第三章“围护大全