【地连墙围护结构体系受力特性及计算基本理论基础概述3800字】

地连墙围护结构体系受力特性及计算基本理论基础概述目录TOC\o"1-3"\h\u9214地连墙围护结构体系受力特性及计算基本理论基础概述 177561.1经典计算方法 1243171.2平面竖向弹性地基梁法计算原理 2208751.3考虑拱效应的竖向弹性地基梁法 5209101.4连续介质有限元法 6地下连续墙是实际基坑工程中运用较为广泛的一种围护形式，其应用范围广泛，可适用各种开挖深度和复杂的地质条件，同时依靠其良好的强度，刚度和防水防渗性能，常作为地下永久结构的一部分。目前对地下连续墙围护结构的受力分析理论主要可以分为经典计算方法，解析计算方法、数值模拟仿真计算三大类（柏国利，2008；贺炜等，2017）。1.1经典计算方法经典计算方法理论的提出较早，我国上世纪80年代以前经典计算方法曾广泛应用于基坑支护结构的计算分析。经典计算方法主要是运用经典库伦、朗肯土压力理论，计算极限条件下的主动和被动土压力值。分析时对受力体系由超静结构转化为静定结构，将计算土压力作为荷载施加于围护结构上，然后计算出地连墙的内力和变形。常用的经典力学法根据入土深度和是否有支撑主要有静力平衡法、等值梁法、塑性铰法等。静力平衡法也即自由端法，对于普通地连墙或者入土深度不大围护墙体，在底部为自由端的钢板桩较为常见，而且一般用于支撑道数较少的挡土结构。当地连墙埋深较浅时，计算分析时可以近似将底部视为非嵌固形式，通过静力学平衡方程求解结构的入土深度和支反力，将计算结果反代如方程求解墙体的内力。等值梁法也即假想铰法，在进行计算时先假定某个弯矩为零的反弯点，一般取主被动土压力相等的点、入土点或根据结构和水文地质条件确定的距入土点一定深度的某点点为反弯点。将反弯点以上简化为简支梁，通过列简支结构的水平静力平衡方程，求解出反弯点处的剪力。然后对于反弯点以下的嵌固段，带入作用于嵌固段上的剪力，运用力矩平衡方程计算出支护结构的长度，进一步求解出支护结构的内力。该方法在悬臂支护体系和底端固定的围护体系中较为成熟，通过某些假定后在多支撑体系的计算中也应用较为广泛。塑性铰法通过对支护结构的某些特定点视为为塑性铰接点，运用静力学平衡理论求解结构内力。日本学者提出的山肩邦男法将支撑点假定为不动点，同时墙背土压力根据开挖面划分为三角形和矩形等假定，通过精确求解五次函数，计算结构的内力。为简化计算也提出了山肩邦男近似解，由于计算结果相对合理，该种方法在工程中有着较为广泛的应用。经典计算方法对于深大基坑和水文地质条件复杂的场地，特别是在软土地基中的运用，有一定的局限性。由于其忽略了围护结构与周围土体的相互作用，没有考虑墙体和支锚结构的变形对土压力的影响、基坑开挖的空间效应、坑底土体的加固对围护结构内力造成的影响、支护结构施工过程中对墙体内力和变形的影响和基坑内外降水的水头差的影响等等。导致设计结果较为保守，会造成一定的经济损失，并且这些因素可能与基坑的开挖过程和支护形状密切相关。因此在实际的地连墙围护体系中运用时往往有一定局限性。1.2平面竖向弹性地基梁法计算原理平面弹性地基梁属于平面问题，与传统的经典计算方法与各种理论相比，平面竖向弹性地基梁法在传统的计算方法的局限处进行了优化修改（丁大钧，1986；张强勇，2005；陈红，2012）。如下2-6图，取单位宽度的支护墙结构视作竖向放置的弹性地基梁。将土体视作弹簧，各种上部支撑，如内支撑，锚索，锚杆视作弹簧支座。图2-6等值梁法计算简图文克勒地基模型假定地基梁上一点受到的压力P与此点的沉降s成正比例，满足关系式（2-15）式中，k——比例系数也即基床系数取长度对于基床系数k的取值，常用的取值方法有常数法、C法、K法、m法，本文采用m法，以的挡土墙作为计算模型，则弹性地基梁的计算变形微分方程为：（2-16）（2-17）δ11（2-19）（2-20）式中EI—围护结构的抗弯刚度；y—围护结构的侧向位移；Z—深度；—固定支座处的位移和转角；—z深度处的主动土压力；M—地基土水平抗力比例系数；—第n步的开挖深度。为了保证计算更贴近实际工程的受力情况如内支撑以及不同土层的土压力情况，保证计算精度，采用杆系有限元方法求解，将挡土墙沿着竖向将挡土墙结构划分为若干个单元，在每个单元分别建立微分方程。单元数目的划分应参考不同材料属性的土体对挡土墙的应力作用；基坑支撑结构如锚杆、内支撑的分布情况；基坑开挖工况计划；地下水位的分布等情况。分析多层开挖工况的实际工程时，在不同的开挖工况下，应按照工况的实际顺序进行支护结构的变形和内力计算。计算中的边界条件以及各项荷载的初始状态，除第一工况以外采用继承上一工程下的条件作为各个计算工况的初始状态。其中弹性支座的反力计算公式如下（2-21）式中，Ti—第i道支撑的弹性支座反力；—第i道支撑弹簧刚度；—由前面方法计算得到的第i道支撑处的侧向位移；—由前面方法计算得到的第i道支撑设置之前该处的侧向位移水平弹簧刚度的计算公式可按照下式计算；（2-22）式中，—土弹簧压缩刚度（kN/m）;—地基土水平向基床系数（kN/m3）b—弹簧的水平向计算间距（m）；h—弹簧的垂直向计算间距（m）。图2-7地基基床系数的分布形式如图2-7，为地基水平向基床系数的五种不同的分布形式，采用公式表示形式如下（仲锁庆，2005）：（2-23）式中，z——距离开挖面或地面的深度；K——比例系数；N——指数，反映地基水平基床系数随深度的变化情况；A0——开挖面或地面处的地基水平基床系数，一般取为零当有土的标准贯入击数时可用经验公式求水平向基床系数；（2-24）式中，N——标准贯入击数。此外，一般情况下，对于不同材料的土层的水平基床系数的取值，可以参考，《中国公路桥涵设计规范》和胡礼人著作的《桥梁桩基设计》中给出的土和岩石的取值。根据地基基床系数随深度按线性规律增大的规律，采用m法计算则有由于基坑的平面竖向弹性地基梁法是由水平荷载桩的计算原理演化而来，因此下式比例系数按照水平荷载桩的实验结果来确定m的取值。（2-25）式中，——单桩水平临界载荷；——单桩水平临界荷载所对应的位移；——桩顶位移系数，按建筑桩基技术规范方法计算；——计算宽度；EI——桩身抗弯刚度。当没有进行单桩水平载荷试验时，建筑基坑支护技术规程提供了经验计算方法如下；（2-26）式中，——土固结不排水快剪内摩擦角标准值；——土的固结不排水快剪粘聚力标准值；——基坑底面位移量1.3考虑拱效应的竖向弹性地基梁法考虑到竖向弹性地基梁法是由水平荷载桩的计算原理演变而来，应用在圆形基坑时，可以将单位宽度的墙体视为弹性地基梁法，但由于圆形支护结构具有一定的受力特殊性，圆形挡土墙所受到的土压力会因为圆形结构的拱效应将压力分担转化为圆形轴向压力。因此在计算圆形基坑的竖向弹性地基梁法时，应考虑其拱效应（周健等，2003；杨敏，2012）。采用单位长度墙体空间效应的等效弹性支撑原理来考虑其额外的拱效应，支护挡土墙在外部水土的应力作用下，产生向内的均匀收缩，使得圆形地下连续墙半径变小，墙体的周长变短，变形前后的状况如图2-8所示,其等效弹性支撑系数的计算过程如下。1-圆形地连墙初始位置2-圆形地连墙变形后的位置图2-8圆形地连墙的受力与变形示意图（2-27）（2-28）（2-29）（2-30）（2-31）式中，——墙体的中面半径；——墙体中面周长的变化量——墙体中面半径的变化量；b——墙体厚度A——墙体截面面积；——弹性支撑系数——圆形地连墙的轴向压应变；N——筒体的轴向压力（kN）;——圆形地连墙环向综合压缩模量（kN/m2）；q——圆形地连墙外的水土压力（kN/m）1.4连续介质有限元法对于经典力学计算模型而言，在平面弹性地基梁法的计算中只考虑了结构与载荷之间的固定联系来求解载荷作用下结构的内力与变形，而忽略了结构在土压力作用下发生的不可忽略的大变形，周围环境影响等。但整体结构的受力与变形状态会受到实际工况的不断推进而发生不可忽略的影响到应力分布与变形影响的大变形。为了考虑这种对计算结果影响较大的因素，随着计算机技术的发展，出现了一系列如Abaqus、Flac3D/2D、Ansys、Midas等基于有限元分析原理的数值分析软件，有限元法的计算模型更加贴近于真实情况，但由于建模复杂，导致计算收敛难度高，需要根据实际情况不断的改善和调整模型（熊孝波等，2009；苏志凯，2011；冯龙飞等，2014）。有限元数值模拟包含了二维有限元分析和三维有限元分析，由于本文是圆形地下连续墙结果，二维有限元数值模拟不能体现出圆形地下连续墙的轴向应力作用，而在此基坑工程中，该圆形地下连续墙的轴向应力起到了保证基坑稳定性的重要的作用。因此本文的数值模拟采用三维连续介质有限元法分析。该工程最终建模主要包含圆形地下连续墙和土体两个部分，无内撑以及锚杆等支撑。模拟过程中包含如下基本假定；所有土层材料均为各向同性圆形地下连续墙为纯弹性材料土体与墙体接触面没有相对位移本基坑的数值模拟实体单元均采用20结点三维实体单元，其中子母单元之间的坐标与位移插值之间的关系：（2-32）式中，——整体坐标；——单元结点整体坐标；——单元中任一点位移；——单元结点位移；——单元形函数矩阵单元的应变向量与结点位移的关系为（2-33）式中，单元应变矩阵。单元刚度矩阵表达式为Ke式中为材料本构矩阵单元应力计算公式为（2-35）在本基坑数值模拟中，地下连续墙为线弹性结构，而土体材料为弹塑性。材料的应力应变关系为，线弹性材料和弹塑性材料的本构矩阵是不一