（岩土工程专业论文）不平衡基坑开挖桩撑式支护结构有限元分析.pdf

独创性声明 删i f f f f i f f j j i j 舳 y 1713 2 2 4 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸至三盘堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：荟旁融盯矿 ) 签字日期： 2 巩。年占月i 沙日 i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解澎姿态堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权逝姿盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：j 阳 签字日期：刁咿年 l ，月i 日 导师签名： 签字日期 学位论文作者毕业后去向： 一位：聊叶裥玉鼽工缅闽螈t 拇刚 ， v红 致谢 本文是在导师徐长节教授的悉心指导和关怀下完成的，从论文的选题到最后 定稿，字里行间无不凝聚着导师的诸多心血。学生能够有幸列于导师门下，在求 是园进行了三年的学海生涯，导师开朗豁达的处世态度、严谨踏实的治学作风、 求是创新的工作精神、开阔敏锐的思维观察力以及渊博的学识、丰富的工程实践 经验都使我受益匪浅。同时徐老师在生活和工作上也对学生有莫大帮助，在此表 示最真挚的感谢和最崇高的敬意! 在硕士求学期间，得到了课题组蔡袁强教授的指导与帮助，在此表示衷心的 感谢! 感谢我的父母和姐姐，你们一直以来的支持和无微不至的关怀才能是我顺利 完成学业，我只有在以后的工作中做出更好的成绩，才能报答你们的恩情，不辜 负你们对我的期望。 感谢课题组的众多师兄弟姐妹们对我科研上的关心和生活上的帮助，感谢马 晓华、丁光亚、耿雪玉、胡秀青、吴剑锋、王鹏、曾晨、曹志刚等师兄师姐和牟 儒、李碧青、罗志元等师弟师妹们在求学期间给予我的帮助和有益的交流及探讨。 特别感谢占宏老师、孙宏磊老师和同事张凯对我在工作上的帮助，你们是我的良 师益友j 是我今后工作道路上学习的榜样。 感谢0 7 级岩土硕士班以及博士班的所有同学，三年的友谊之情我会永远留 在心中，祝你们在以后的工作和学习中一路顺风。 感谢曾对本人和本文给予过支持和帮助的所以老师、同学、朋友和亲人! 最后，衷心地感谢评阅我的硕士学位论文和出席论文答辩会的各位专家学 者，感谢你们在百忙之中给予的指导1 2 0 1o 年5 月于求是园 浙江大学硕士学位论文 摘要 随着经济的发展，城市化步伐的加快，在用地愈发紧张的密集城市中心，结合城市建 设和改造开发大型地下空间已成为一种必然，由此引起的深基坑数量越来越多。 基坑由于周边堆载和挖深不同导致的基坑开挖条件不同，会使基坑支护结构受力和变 形有较大的区别。本文主要对不平衡基坑( 即指开挖条件不同的基坑) 桩撑式支护结构做 了如下研究： 考虑了基坑整体受力建立二维和三维有限元模型，土体采用h a r d i n g s o i l 本构模型、 围护桩采用p i l e 单元、支撑采用a n c h o r 单元、建立了桩土接触面单元。并应用激活或冻 结类组和结构对象来模拟基坑开挖分步施工，使计算结果与实际工程更接近。 本文首先建立了不平衡堆载作用下基坑二维有限元模型，对不同堆载作用时基坑开挖 各工况的支护结构内力和变形变化规律进行了研究，结果表明基坑两侧支护结构弯矩和位 移存在较大区别，在基坑设计时应予以整体考虑。 为了研究局部堆载对基坑支护结构的影响，建立了不平衡堆载作用下基坑三维有限元 模型，并对计算结果与整体堆载做了比较分析。 建立了不平衡开挖情况下基坑三维有限元模型，分别考虑了挖深不同和挖深分界不同 两种情况，计算结果表明挖深不同对支护结构弯矩和位移影响很大。 最后提出不平衡基坑优化设计的方法，分别对不平衡堆载作用下和不同挖深情况下桩 撑式支护结构进行了算例分析，比较了本文的优化设计结果和传统的基坑剖面设计结构的 差别，验证了优化设计的合理性。 关键词：基坑开挖；有限元；不平衡堆载；不同挖深；优化设计。 浙江大学硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n du r b a n i z a t i o n ，l e s sa n dl e s sl a n di sa v a i l a b l ei n d o w n t o w n c o n s t r u c t i o no fl a r g eu n d e r g r o u n ds p a c eh a sb e c o m ean e c e s s i t y m o r ea n dm o r e d e e pf o u n d a t i o np i t sa r ec o n s t r u c t e d a st h ed e p t ha n dl o a d i n ga r o u n dt h ee x c a v a t i o na r en o tt h es a m e ，t h e yh a v ed i f f e r e n ts t r e s s a n dd e f o r m a t i o n i nt h i sp a p e r , w ef o c u so nt h eu n b a l a n c eb r a c e de x c a v a t i o na n dd ot h e f o l l o w i n gr e s e a r c h ： c o n s i d e r i n gt h e o v e r a l ll o a d i n go ff o u n d a t i o np i t ，u s i n gh a r d i n g s o i l s o i lc o n s t i t u t i v e m o d e l ，w i t hp i l eu n i tf o rp i l ea n da n c h o ru n i tf o rb r a c e ，w ee s t a b l i s h e dt w o - d i m e n s i o n a la n d t h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a lm o d e lw i t hap i l e s o i lc o n t a c te l e m e n t i nt h i sm o d e lw ea c t i v a t e a n dk i l ls o m ee l e m e n t st os i m u l a t et h ee x c a v a t i o ns t e pa n dm a k et h er e s u l t sc l o s e rt ot h e e n g i n e e r i n gp r a c t i c e f i r s t l y , w ee s t a b l i s h e dt w o - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a lm o d e lu n d e r u n b a l a n c e dl o a d i n g a st h e l o a d i n gc h a n g e d ，w es t u d i e dt h ev a r i a t i o nl a wf o rs t r e s s a n dd e f o r m a t i o no ft h es u p p o r t i n g s t r u c t u r ei ne v e r ye x c a v a t i o ns t e p t h er e s u l ts h o w st h a tt h e r eh a sl a r g ed i f f e r e n c ei nt h e m o m e n ta n dd i s p l a c e m e n to ne a c hs i d eo ft h ep i t ，w h i c hs h o u l db et a k e ni n t oa c c o u n tw h e n d o i n gp i t e x c a v a t i o nd e s i g n s e c o n d l y , t os t u d yt h ei n f l u e n c eo fl o c a ll o a d i n go nt h es u p p o r t i n gs t r u c t u r e ，w ee s t a b l i s h e d t h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a lm o d e lu n d e ru n b a l a n c e dl o a d i n g t h er e s u l ts h o w st h a tt h ea f f e c t e d a r e ao fl o c a ll o a d i n gi sn o tv e r yl a r g e t h i r d l y , c o n s i d e r i n gd i f f e r e n t e x c a v a t i o nd e p t ha n dv a r i o u sb o u n d a r i e s ，w ee s t a b l i s h e d t h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a lm o d e lu n d e ru n b a l a n c e de x c a v a t i o n t h er e s u l ts h o w st h a tt h e d e p t ho fe x c a v a t i o nh a sas i g n i f i c a n ti m p a c to nt h em o m e n ta n dd i s p l a c e m e n to f t h es u p p o r t i n g s t r u c t u r e f i n a l l y , w ep r o p o s e dt h eo p t i m u md e s i g no fu n b a l a n c e db r a c e de x c a v a t i o n r e s p e c t i v e l y , w et o o kac a s es t u d yo fb r a c e de x c a v a t i o nu n d e ru n b a l a n c e dl o a d i n ga n dd i f f e r e n td e e p e n i n gt o c o m p a r et h eo p t i m u md e s i g nm e t h o di n t h i sp a p e ra n dt h et r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d ，a n d v e r i f i e dt h eo p t i m u md e s i g nm e t h o di sr e a s o n a b l e k e yw o r d s ：e x c a v a t i o n s ；f i n i t ee l e m e n t ；u n b a l a n c e dl o a d i n g ；d i f f e r e n te x c a v a t i o nd e p t h ；o p t i m u md e s i g n l i 浙江大学硕士学位论文 目录 目j i 乏i i i 第1 章绪论1 1 1 课题背景1 1 2 研究现状2 1 2 1 基坑工程及其发展2 1 2 2 基坑围护形式简介3 1 2 3 理论研究现状4 1 2 4 基坑支护设计现状7 1 3 本文的主要工作8 第2 章不平衡堆载作用下基坑桩撑式支护结构二维有限元分析9 2 1 弓i 言9 2 2 几何模型及参数选取。9 2 3 有限元模型及工况分析1 0 2 3 1 有限元模型的建立。1 0 2 3 2 开挖工况的模拟1 1 2 4 计算结果分析1 2 2 4 1 位移分析1 2 2 4 2 弯矩分析1 4 2 5 整体计算与剖面对称计算的比较分析1 8 2 61 告论1 8 第3 章不平衡堆载作用下基坑桩撑式支护结构三维有限元分析。2 0 3 1 引言2 0 3 2 满布堆载计算结果分析2 2 3 3 1 位移分析2 2 3 3 2 弯矩分析2 3 3 3 局部堆载计算结果分析2 5 3 4 1 位移分析2 5 3 4 2 弯矩分析2 6 3 4 结j 沧2 7 第4 章两侧挖深不同情况下基坑桩撑式支护结构三维有限元分析。2 8 4 1 弓l 言2 8 4 2 几何模型与有限元模型2 8 4 3 工况分析3 0 4 4 挖深不同计算结果分析3 1 4 4 1 位移分柢n i i i 浙江大学硕士学位论文 4 4 2 弯矩分析3 2 4 5 挖深分界不同计算结果分析3 3 4 5 1 位移分析3 3 4 5 2 弯矩分析3 4 4 6 结论3 5 第5 章不平衡基坑优化设计分析3 6 5 1 引言。3 6 5 2 优化设计方法3 6 5 3 基坑优化设计算例3 7 5 3 1 不平衡堆载作用下的基坑优化设计3 7 5 3 2 挖深不同情况下的基坑优化设计3 8 5 41 论3 8 第6 章结论与展望4 0 6 1 本文主要结论4 0 6 2 工作展望4 1 参考文献。4 2 i v 浙江大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论- 随着经济的发展，城市化步伐的加快，为满足日益增长的市民出行、轨道交通换乘、 商业、停车等功能的需要，在用地愈发紧张的密集城市中心，结合城市建设和改造开发大 型地下空间已成为一种必然，诸如高层建筑多层地下室、地下铁道及地下车站、地下道路、 地下停车库、地下街道、地下商场、地下变电站、地下仓库、地下民防工事以及多种地下 民用和工业设施。地下空间开发规模越来越大，如杭州市市民中心基坑开挖面积达1 4 万 m 2 ，正在建设的杭州东站站前广场及站房基坑开挖面积达2 0 多万m 2 。基坑的深度也越来 越深，如杭州地铁1 号线车站基坑开挖深度多数达到2 0 m 以上，上海世博5 0 0 k v 地下变电 站挖深达3 4 m 。这些深大基坑都位于密集城市中心，常常紧邻建筑物、交通干道、地铁隧 道以及各种地下管线，施工场地紧张、施工条件复杂、工期紧张。这些导致基坑工程的设 计和施工的难度越来越大，因设计、施工等多方面因素导致的重大恶性基坑事故不断发生， 基坑设计人员越来越偏向于保守，只知设计的安全原则而忽略了经济性原则，不尽合理。 基坑工程作为临时性工程，其最基本的作用是为了给地下工程的顺利施工创造条件， 是为了便于地下工程敞开开挖施工而采用的临时性的施工措施，地下工程施工结束就意味 着支护结构的使命结束。由此可见，在保证地下工程施工过程安全性的前提下，有必要对 基坑围护结构进行优化设计，既能保证安全又节约造价，以避免一味的追求安全性原则而 造成的浪费。 随着城市建设的发展，基坑的数量愈来愈多，各个基坑的周边环境及开挖条件各有差 异，从而使得基坑设计具有特定性。但是在这些个性中存在着诸多共性，如钻孔灌注桩( 或 连续墙) 结合支撑围护形式的基坑由于坑边堆载的不同、开挖深度不同而导致基坑两侧桩 身内力变形差别较大需要对传统的剖面设计方法进行优化。在这种背景之下，亟需对不平 衡基坑( 本文所指不平衡基坑是指坑外堆载不同或开挖深度不同的基坑，下同) 围护优化 设计进行系统的研究，以指导基坑设计工作。本文从基坑设计的实际工作出发，采用有限 元建模对以上两种情形下基坑支护结构受力性状进行分析，得出内力位移规律，最后提出 优化设计的方法，期望本文能够使基坑设计者从差异化的周边环境中找到可以进行统一化 的基坑优化设计原则，在确保基坑安全的前提下带来经济上的效益。 浙江大学硕士学位论文 1 2 研究现状 1 2 1 基坑工程及其发展 基坑工程是一个古老而又具有时代特点的岩土工程课题。基坑是指为进行建筑物( 包括 构筑物) 基础- 9 地下室的施工而开挖的地面以下的空间，而开挖深度大于或等于8 m 的基坑 一般被划归为深基坑。早在2 0 世纪3 0 年代，t e r a z g h i 等人己开始研究基坑工程中的岩土 工程问题，“深基坑”这一概念是2 0 世纪4 0 年代在欧美一些国家出现的，4 0 年代时，t e r a z g h i 和p e c k 等人便对开挖问题提出了预估挖方稳定程度和支撑荷载大小的总应力方法，这一原 理一直沿用至今，只不过有了许多改进和完善。5 0 年代b j e r r u m 和e i d e 给出分析深基坑坑 底隆起的方法，6 0 年代开始在奥斯陆和墨西哥城软粘土深基坑中使用了仪器进行监测。在 以后的时间里，世界各国的许多学者都投入研究，并不断地在这一领域取得丰硕的成果。 基坑工程是地下建筑施工中内容丰富而易于变化的领域。工程界已越来越认识到建筑 基坑工程是一项风险性工程，也是一门综合性很强的新型学科，它涉及工程地质、土力学、 基础工程、结构力学、原位测试技术、施工技术、土与结构共同作用以及环境岩土工程等 多门学科，是理论上尚待发展的综合性技术学科。基坑工程大多数是临时性工程，工程经 费限制很紧，而影响基坑工程的因素又多，例如地质条件、地下水情况、具体工程要求、 天气变化的影响、施工顺序及管理、场地周围环境等等。基坑工程的设计与施工，既要保 证整个支护结构在施工过程中的安全，又要控制结构及周围土体的变形，以保证周围环境 ( 相邻建筑和地下公共设施等等) 的安全。在安全的前提下，设计要合理，又能节约造价、 方便施工、缩短工期。要提高基坑工程的设计与施工水平，必须正确选择土压力、计算方 法和参数，选择合理的支护结构体系，同时，还要有丰富的设计和施工经验与教训。 随着城市建设的发展以及旧城改造的推进，基坑工程正向大深度、大面积方向发展， 而且，经常在密集的建筑群中施工，场地狭窄，临近常有必须保护的永久性建筑和市政公 用设施，对基坑稳定和位移控制的要求严格。尤其在软土、高水位及其他复杂条件下开挖 基坑，容易产生土体滑移、基坑失稳、桩体变位、坑底隆起、支挡结构严重漏水、流土等 灾害，对周边建筑物、地下构筑物及管线的安全造成很大的威胁。因此，对深基坑工程必 须认真分析对待，要有预见性，要有抢险措施，防患于未然。 浙江大学硕士学位论文 1 2 2 基坑围护形式简介 一、放坡开挖 放坡开挖是指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依靠其 自身强度，在新的平衡状态下取得稳定并维持整个基坑的稳定。一般来说，这种方案费用 最低，施工工期较短，而且从施工内容来看，主要工序就是挖土，也容易组织实施，因此 只要场地环境条件和地质条件允许，选择设计方案时首先应该考虑放坡开挖。 放坡开挖方案从经济的角度出发，虽然应该是设计人员的首选，但在实际工程中能符 合放坡开挖条件的基坑工程并不多，特别是在城市建筑物密集区或软土地基的基坑工程， 往往没有条件进行放坡开挖，而必须采用其他设计方案。 二、土钉墙支护 土钉支护是一种以土钉和它周围加固了的原位土体一起作为挡土结构来维护基坑边坡 稳定的支护方法。它由土钉、钢筋网喷射砼面层和加固后的原位土体三部分组成。所谓“土 钉”就是用来加固现场原位土体的细长杆件，它依靠与土体之间的粘接力或摩擦力，在土 体发生变形时被动承受拉力作用。土钉受力后，在周围一定范围内形成压缩区，将土钉以 适当的方式排列，使相邻土钉各自形成的压缩区相互重叠形成压缩带，有效地提高了土体 的整体刚度，弥补土体抗拉、抗剪强度的不足。同时喷射砼在高压空气作用下，高速喷向 基坑坡面，在喷层与土钉层间产生嵌固效应，从而改善了边坡的受力条件，防止其崩落或 受到侵蚀，有效地保证边坡稳定，减少土体的扰动。 一般基坑开挖深度在5 l o m 范围内可采用此支护方法，若深度超过l o m ，或在松散砂 土、软塑、流塑粘性土以及有丰富地下水源的情况下不能单独使用土钉支护，必须与其他 的土体加固方法相结合，如土钉和预应力锚杆相结合、土钉和深层水泥搅拌桩相结合、土 钉与钢管桩相结合等。 三、水泥土重力式挡土墙 采用水泥搅拌桩或高压喷射注浆，对基坑周围土体本身进行加固处理形成水泥土重力 式挡墙是一种比较经济的支挡方法，与先筑墙后填土的传统重力式挡墙不同，作为基坑支 护结构的水泥土重力式挡墙，基坑工程设计与施工阶段除应对墙体的抗倾覆、抗滑动、墙 身截面强度进行验算外，还应进行整体稳定，抗坑底隆起稳定和抗渗流稳定验算。通常， 在进行以上验算前，应先定挡墙进入基坑底部的插入深度，然后进行以上验算并最终确定 插入深度。 浙江大学硕士学位论文 水泥土重力式挡墙往往需要多排水泥搅拌桩组成，因此采用此方案时要求基坑工程的 施工场地比较开阔，如果场地太小就不能采用此方案。同时需要注意的是土体的可搅拌性 和土体的有机质含量，对于密实度较高的粉质土、砂质土以及含有较多障碍物的杂填土， 可搅拌性差，土体中有机含量太高，搅拌后形成的土泥土强度太低，均不能适用于此方案。 四、排桩支护结构 排桩支护结构是目前基坑支护工程中采用最为广泛的一种形式。即利用各种类型的钢 筋混凝土桩紧密排列的型式，且一般情况下排桩结合内支撑组成基坑支护体系，能够较好 的控制变形，保证基坑安全。 其原理是钢筋混凝土桩密集排列，插入基坑底下一定深度，以取得嵌固和稳定的围护 结构。通常采用的桩型有沉管灌注桩、钻孔灌注桩、人工挖孔桩。为施工方便，桩与桩之 间保持有一定的间距。当有地下水或桩背( 即主动土压力区) 会有水量较大的软土时，在桩背 设计止水帷幕，以防地下水渗入基坑内。 五、地下连续墙结构 地下连续墙是指利用各种挖槽机械，借助于泥浆的护壁作用，在地下挖出一定槽段长 度的窄而深的沟槽，再将在地面上制作好的钢筋笼放入槽段内，采用导管法在其内浇注适 当的材料而形成的一道具有防渗水、挡土和承重功能的地下墙墙段之间采用特定的接头方 式相互联结，就形成了一道连续的地下钢筋混凝土墙。 地下连续墙结构，适用于侧壁安全等级为一、二、三级的基坑。当基坑不太深时可采 用悬臂式地下连续墙，悬臂式地下连续墙在软土场地中适用的开挖深度不宜大于5 m 。 1 2 3 理论研究现状 基坑围护设计需要考虑诸多因素。龚晓南( 2 0 0 6 年) 提出合理进行基坑围护设计，应 抓住该基坑围护中主要矛盾。认真分析基坑围护的主要矛盾是稳定问题还是控制变形问题。 基坑工程产生稳定和变形问题主要原因是土压力问题，还有处理地下水的问题。当前的理 论研究主要集中于平衡( 对称) 开挖这一部分，其中有传统的平面分析法如等值梁法、弹 性法、山肩邦男法等，近年来随着计算机技术的发展，采用有限元软件来模拟基坑开挖被 广泛使用，其主要包括有限单元法、有限差分法、边界元法、离散单元法、特征线法等， 许多岩土工程计算软件及大型通用软件纷纷面世，有限元方法由于耗费时间少、使用方便 等特点，成为目前基坑工程研究的主要手段之一。一些学者结合基坑支护工程实例，分别 4 浙江大学硕士学位论文 运用f l a c 和f l a c 3 d 等程序对基坑开挖和支护过程进行了模拟，得到了一些关于基坑变 形和支护结构工作性能的结论。 d u n c a n & c h a n g ( 1 9 7 0 ) 首次应用有限元法对边坡开挖的性状进行了分析，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。国内有限单元法的应用始于8 0 年代， 从弹性分析逐渐到弹塑性和粘弹塑性，并能较好地模拟不同的土层和不同的开挖工序，但 参数和土体本构模型选取的合理性直接影响到结果的可靠性。 曾国熙( 1 9 8 8 ) 基于d u n c a n c h a n g 模型发展了一个可用于分析以板桩为支挡结构的软粘 土地基基坑开挖问题的有限元程序。用杭州友好饭店工地的饱和软粘土样进行了四种不同 应力路径等向固结不排水剪( c r u ) 试验，结果表明，归一化初始切线模数e i 与作者提出的应 力路径参数a 成良好的直线关系。并根据试验结果建立了相应的模量方程。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( 如板桩的插入深度、板桩的刚度以及土 质条件等) 进行了探讨，得出了一些有实用意义的结论。最后分析了杭州友好饭店基坑开挖 工程实例，理论计算与实测值比较，结果令人满意。 谭跃虎( 1 9 9 5 ) 用有限元法分析了开挖深度、安全系数、挡墙刚度及土体不排水抗剪强度 对挡墙变形的影响，并提出了计算挡墙侧向变形的公式。 刘兴旺( 1 9 9 8 ) 提出一种基坑支护结构全过程内力及变形分析的杆系有限元计算方法，然 后结合工程实例，分析了基坑开挖过程中支护结构内力及变形发展的一般规律，并将该法 与目前工程中常用的几种计算方法进行了分析比较。 俞建霖等( 1 9 9 8 ) i ) 1 , 0 采用线弹性模型及d u n c a n c h a n g 非线弹性模型模拟了基坑开挖引起 的地表沉陷，就软土地基基坑开挖过程中，影响周围地表最大沉降量的几个因素进行了系 统的分析；还分析了基坑被动加固区的深度和宽度变化对基坑变形的影响，得到了一些有 实用价值的结论，供工程实践参考。 应宏伟等( 1 9 9 8 ) 发展了一个可模拟基坑开挖过程的d u n c a n c h a n g 非线性有限元程序。 针对某深基坑开挖问题，分析了开挖过程中挡土结构上土压力的分布和发展规律，并研究 了土体固结对土压力的影响，初步探讨了挡墙刚度等其它因素对挡土结构主、被动区土压 力的影响，得出较有意义的结论。 应宏伟 ( 2 0 0 0 ) 提出了一种在分步开挖的深基坑工程中计算受超固结影响的饱和粘土 强度的方法，得出能同时反映开挖应力路径和应力历史的饱和粘土非线性应力应变关系， 在改进d u n c a n c h a n g 模型基础上，通过典型算例的有限元法分析，研究了软粘土深基坑性 状及土的应力历史对其性状的影响。 s 浙江大学硕士学位论文 王清等( 2 0 0 1 ) 分析了修正剑桥模型的应力应变关系，并以该模型为基础，引进接触单元 和杆单元，用有限元程序模拟工程实例的开挖过程和开挖要素，模拟计算了不同开挖阶段 的地表沉降、基坑隆起和水平位移。 俞建霖( 2 0 0 2 ) 在原有工作基础上，采用d u n c a n c h a n g 模型研制了能考虑基坑开挖的空 间效应、土与围护结构的相互作用及施工过程的基坑工程三维有限元分析程序，研究了基 坑开挖过程中围护结构变形、主动土压力、支撑轴力、基坑周围地表沉降量及底部隆起的 空间分布，探讨了基坑周围地表沉降量分布形式。 李蓓等( 2 0 0 5 ) 将土体非线性弹性卸荷损伤模型引入基坑工程的有限元分析中，建立非线 性弹性卸荷损伤有限元方程，编制相应有限元程序，对上海外环隧道浦西连接井段的大型 超深基坑工程进行有限元计算，并从基坑变形、围护墙上作用的土压力、损伤变量的发展 演化等方面对有限元计算结果进行分析。 杨超f f ( 2 0 0 5 ) 利用数值模拟软件f l a c 3 d ，采用m o h r - c o u l o m b 模型，研究硬粘土基坑 开挖土压力变化规律，研究了硬粘土基坑在无支护开挖过程中主动区、被动区土压力以及 坑脚处集中应力的变化规律。 郑刚等( 2 0 0 7 ) 采用m o h r - c o u l o m b 模型数值模拟基坑开挖引起的土体位移对临近建筑物 桩基的影响。 应宏伟等( 2 0 0 7 ) 针对实际基坑工程的带撑双排桩支护结构，采用d p 弹塑性本构模型， 通过数值模拟研究这类基坑的变形和土压力分布规律。 通过以上的研究可以看出，数值模拟基坑开挖是研究基坑工程的有效手段，通过合适 的数值分析可以预测基坑变形，围护结构内力和土压力等等问题。 有限元分析中选择合适的本构模型对要解决的问题至关重要，h a r d e n i n g s o i l 模型是 一个可以模拟包括软土和硬土在内的不同类型的土体行为的先进模型( s c h a n z ， 1 9 9 6 1 9 9 9 ) 。在主偏量加载下，土体的刚度下降，同时产生了不可逆的塑性应变。在一个 排水三轴试验的特殊情况下，观察到轴向向应变与偏差应力之间的关系可以很好地由双曲 线来逼近。k o n d n e r ( 1 9 6 3 ) 最初阐述了这种关系，后来这种关系用在了著名的双曲线模型 ( d u n c a n & c h a n g ，1 9 7 0 ) 即d u n c a n c h a n g 模型中。然而，h a r d e n i n g s o i l 模型目前已经 取代了这种双曲模型，本文有限元模型中即选取这种模型作为土体本构模型。 6 浙江大学硕士学位论文 1 2 4 基坑支护设计现状 任何一个工程方面的课题发展都是理论与实践密切结合并不断相互促进的成果。基坑 工程的发展往往是一种新支护型式的出现带动新的分析方法的产生，并遵循实践、认识、 再实践再认识的规律，而走向成熟。 在当前的基坑工程设计中，一直有一对矛盾困扰着人们，即安全性和经济性。由于目 前尚缺乏可靠的设计理论和支护方案优选方法，实际工程中有时为了安全性，支护选型和 设计极为保守，这样就不得不加大投资，造成不必要的浪费；另一方面有时为了片面追求 经济性，而降低了基坑的稳定性、变形控制和设计安全方面的要求，而造成工程事故，导 致了更大的经济损失。解决这一矛盾的合理途径就是要研究深基坑工程的优化设计。 如上文所述己有不少学者提出的优化设计思想，主要是从各种不同方案之间比较来选 择较经济合理的基坑开挖支护方案的优化。在基坑支护设计方面，土压力的计算与分布， 支撑的刚度与设置，基坑开挖的时空效应、振动对支护结构的影响等尚待研究与完善。因 此，仅依靠理论分析和经验估计难以完全把握在复杂条件下的基坑开挖变形规律。另外， 支护系统的变形预报，基坑实时监测与信息化施工对确保基坑支护系统的正常工作状态十 分重要。为寻求安全经济地进行基坑工程的施工，建设部等部委组织有关专家完成了基坑 工程技术规范与行业标准的制定，各地也根据地方特点组织编写了地方规范。不少专家及 学者针对基坑工程设计现状，相继提出了各自的设计优化理论和方法，如吴江滨等( 2 0 0 4 年) 针对桩墙加内支撑这种支护型式在常规支护结构设计中所存在的不足，提出了一种优化设 计方法，通过决策变量、约束条件、目标函数、优化算法的确立以及计算机程序的编制， 成功实现了桩墙体系支护结构的参数优化设计。还有其它学者提出了人工神经网络预测支 护系统变形理论，有限元分析理论等进行支撑支护结构优化设计。 以上研究无论是理论研究和设计优化研究都是针对平衡开挖即基坑两侧条件相同的问 题进行的，而在工程实践中有相当一部分基坑属于不平衡开挖问题( 包括基坑两侧不平衡 堆载、挖深不同等情况) ，目前对它的研究还比较少。基坑两侧场地标高不同、坑边搭建临 时建筑、坑边材料堆放和临时堆土等在设计中均简化为坑边堆载不同；开挖深度不同在设 计中简化为剖面计算深度的变化。对于桩( 或连续墙) 加支撑支护结构而言，基坑的不平 衡开挖所引起的两侧支护结构内力和变形不一致在传统的剖面计算中不能考虑，但通过建 立有限元模型则可以考虑支护结构的整体受力，反映不平衡基坑支护结构的真实工作性状。 浙江大学硕士学位论文 1 3 本文的主要工作 从上述研究背景和研究现状可以看出，学者们对基坑围护结构进行了诸多研究，但是 其研究成果却多从理论角度阐述，对工程实际应用价值及应用方法进行研究较少，对于指 导实际的基坑设计工作帮助不是很大。本文致力于对不平衡基坑支护结构受力性状进行系 统研究，得到一个共性的、可供设计直接参考应用的结果，主要工作如下所述： 1 、与传统的基坑对称设计( 即仅考虑基坑单侧进行剖面计算) 不同，考虑了基坑整体 受力建立二维和三维有限元模型，与二维模型相比三维模型可以考虑基坑的整体效应和空 间效应。土体采用h a r d i n g - s o i l 本构模型、围护桩采用p i l e 单元、支撑采用a n c h o r 单元、 建立了桩土接触面单元。并应用激活或冻结类组和结构对象来模拟基坑开挖分步施工，使 计算结果与实际工程更接近。 2 、分别考虑了基坑一侧满布堆载和局部堆载两种不平衡堆载的情况，并考虑了堆载大 小的变化，得到了两种情况下基坑支护结构位移和弯矩的变化规律。 3 、分别考虑了基坑挖深不同和挖深分界不同两种不平衡开挖的情况，得到了两种情况 下基坑支护结构位移和弯矩的变化规律。 4 、通过不平衡基坑支护结构内力和变形变化规律研究，提出了对不平衡基坑进行优化 设计的两种方法，并对不平衡堆载作用下和不同挖深情况下桩撑式支护结构进行了优化设 计算例分析，验证了优化设计方法的合理性。 浙江大学硕士学位论文 第2 章不平衡堆载作用下基坑桩撑式支护结构二维有限元分析 2 1 引言 周边环境不同是基坑设计工作的重要影响因素。在工程实践中因场地标高不同、临时 建筑、材料堆放和临时堆土等引起基坑两侧堆载不同，在实际工程中较为常见。如杭州地 铁一号线富春路站因场地限制基坑一侧长期堆土、行走重型机械，杭州东站枢纽广场东广 场基坑东、西两侧场地标高相差1 5 m 导致堆载差别较大，某基坑坑边3 m 远处有一浅埋基 础建筑物导致该侧堆载较大。 不平衡堆载有如下两种情况：基坑一侧满布堆载作用、基坑局部堆载( 荷载沿基坑一 侧局部分布) 。其中第一种情况可以简化为二维模型进行计算，而第二种情形则只有采用三 维模型才能考虑局部堆载对基坑的影响。本章主要内容是建立二维有限元模型对第一种情 形进行分析。 上述不平衡堆载作用下的基坑，如果采用传统的对称方法分别选取堆载不同剖面进行 设计计算，则忽略了不平衡堆载对基坑支护结构带来的影响( 这种影响不仅体现在对堆载 较大一侧桩体的影响，也可能因支撑的传递作用影响另一侧桩体的受力和位移) ，不能得到 基坑的整体工作性状。为了能够了解不平衡堆载作用下基坑支护结构整理受力性状、左右 两侧桩体各自受影响大小，有必要建立有限元模型进行整体计算，找出支护结构受堆载变 化的影响规律，从而为基坑优化设计提供依据。 本章所采用的二维有限元分析能够比较清晰的反应整个支护结构的整体性状，在确保 整个不平衡基坑安全的情况下，找到最优的设计方案，具有较大的社会效益和经济效益。 2 2 几何模型及参数选取 基坑形状为矩形，纵向全长1 1 7 m ，宽度4 0 m ，基坑开挖深度为l o m 。支护结构采用 e8 0 0 1 0 0 0 钻孔灌注桩，桩深2 2 m 。采用两道支撑，第一道支撑截面为0 6 m 0 8 m ，第 二道支撑截面为0 9 mxo 8 m ，支撑中心轴线标高为2 o m ，6 0 m ，支撑水平间距为9 m 。桩 及支撑材料均采用c 3 0 混凝土。基坑剖面示意图见下7 9 浙江火学硕士学位论文 1 jr n n i 二： 超载p l l型! ! 一1 ， 超载p 2 i ! ! ! ! ! 图2 i 基坑剖面图( 堆载作用) 土层分布及物理力学性质如表2 1 所示。 表2 1 各土层物理力学参数指标 2 3 有限元模型及工况分析 2 3 1 有限元模型的建立 考虑到实际土体的特性和桩土之间的关系，建立了有限元模型，分别采用1 5 节点单元、 p l a t e 单元和a n c h o r 单元来模拟土体、围护结构和支撑，土体的本构模型采用了可以考虑 了卸载、再加载和初次加载时土体模量不同的h a r d i n g s o i l 模型，建立了土与结构接触面 单元，并应用激活或冻结类组和结构对象来模拟基坑开挖分步施工，使计算结果与实际工 程更接近。 h a r d i n g s o i l 模型的参数基于摩尔- 库仑模型参数推导而出。推导时设h a r d i n g - s o i l 模型 在各土层中间点的参数e 5 0 等于摩尔库仑模型的参数e r e f , 在参考应力水平p r e f = 1 0 0 k p a 上由公式( 2 1 )- 导e 5 7 。e 器和夥则分别假设等于瑶和3 昭。 色。娟双嚣cos nj 。， ic 够+ f ，s l 驴j，、 浙江大学硕士学位论文 式中：c 为内聚力、内摩擦角、l ，为剪胀角； 丘s 孑为标准排水三轴试验中的割线刚度； 丘o e 。d 为主固结仪加载中的切线刚度； 髟为卸载重新加载刚度( 缺省踞；3 瑶) ；丘为卸载重新加载刚度( 缺省丘= 3 5 d ) ； m 为刚度应力水平相关幂指数：模拟软粘土m 的值应该取成1 0 ，对于砂土和粉土m 取0 5 附近的值； p r e f 为刚度的参考应力( 缺省值为1 0 0 应力单位) 为简化计算和建模方便，对模型作如下处理： ( 1 ) 土体的计算深度取基坑开挖深度的3 倍，计算宽度自开挖边界向外取开挖深度的 2 5 倍。 ( 2 ) 边界条件：模型左右两侧x 方向水平约束，模型底面水平向和垂直向约束。 本次分析考虑：基坑一侧堆载p 1 由1 5 k p a 变化至6 0 k p a ，另一侧堆载p 2 = 1 5 k p a 保持 不变。这里初始堆载取1 5 k p a 是由于一般进行基坑设计时考虑的材料堆放等因素均取该值， 这样本文的研究成果也可以更好的与工程设计相对比，更具有参考价值。 2 3 2 开挖工况的模拟 基坑开挖的具体实现步骤为：建立整个场地土体及支护结构模型；初始地应力的平衡， 建立初始应力场，同时支护结构的刚度消失，即支护结构单元失去活性，故土体自重沉降 过程中支护结构对土体自重沉降无影响；初始应力场引起的位移置为零，激活支护结构单 元并施加地面以上超载；分步挖土并激活相应支撑，土体开挖是通过