（岩土工程专业论文）基于ansys多支点排桩围护结构的计算模拟.pdf

基于a n s y s 多支点排桩围护结构的计算模拟 摘要 深基坑工程中的支护问题，在采用多支点排桩支护的设计中，目前的研究 和应用以一般的板桩理论为基础，大多也是没有考虑开挖过程，支撑似乎在开 挖前就存在，即不考虑支撑反力和结构的变形随开挖过程的变化。多支点排桩 的计算方法有许多种，都在一定程度上存在不足，与实际的施工过程有差距。 本文主要依据现有排桩的理论，应用有限元a n s y s 确定合适的模拟单元， 模拟多支点排桩围护结构，考虑支撑反力和结构的变形随开挖过程的变化。 在模拟基坑开挖过程中做了一些简化处理，模拟基坑开挖过程按照“先变形， 后支撑”原则，同时考虑基坑开挖卸载效应和围护结构与土体的共同作用机理， 进行参数化建模、动态调整支撑条件和荷载变化，分别计算每次开挖后的 内力和位移，导出就算结果的位移和应力云图，并对所得的计算结果进行 整理和综合分析。本文计算模拟过程借助于大型有限元软件a n s y s 模拟 排桩围护结构，在基坑支护结构的计算方面较为简易而且分析明确，为工 程设计和施工提供了有效的依据，为设计和研究提供了有力的开发平台和 分析工具。 关键词：基坑、多支点、排桩、有限元法、a n s y s 、计算模拟、共同作用 n u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rm u l t i p i v o t sr o wp i l e s b a s e do na n s y s a b s t r a c t s u p p o rp r o b l e m si nd c e pe x c a v a t i o n si nt h ed e s i g n i n go fm u l t i 。p i v o t sp i l e sa r e s t u d i e da n da p p l i e de l lt h eb a s i so fb o a r da n dp i l et h e o r ga n dd o n tc o n s i d e rt h e p r o c e s so fe x c a v a t i o n s u p p o r t ss e e mt h e r ei nt h eb e g i n n i n g ，w h a tm e a n st h a tw e d o n 、c o n s i d e rt h ec h a n g eo fs u s t a i nr e a c ta n ds t r u c t u r ed e f o r m a f i o n t h e r ea r e s e v e r a lm e a s u r e so nt h ec a l c u l a t i n go fm u l t i - p i v o t sp i l e s ，m o s to fw h i c hh a v ed e f e c t s i nc e r t a i nd e g r e ea n dh a v ed i f f e r e n c e sw i t hr e a lc o n s t r u c t i o n t h ea r t i c l em a i n l yo n t h eb a s i so fr o wp i l e st h e o r y , a p p l yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y st os e l e c t p r o p e rs i m u l a t i o ne l e m e n t ，s i m u l a t es t r u c t u r eo fm u l f i - p i r o t sr o wp i l e s ，c o n s i d e rt h e c h a n g eo fs u s t a i nr e a c ta n ds t r u c t u r ed e f o r m a t i o nd u r i n gt h ee x c a v a t i o n t h ea u t h o r m a k es o m es i m p l i f i c a t i o nd u r i n gt h ep r o c e s so fs i m u l a t i n ge x c a v a t i o n ，a c c o r d i n gt o t h ec o u r s eo f d e f o r mb e f o r es u p p o r t d u r i n gt h ee x c a v a t i o n ，c o n s i d e ru n l o a de f f e c t a n di n t e r a c t i o no fs u p p o r ts t r u c t u r ea n ds o i l ，e s t a b l i s hp a r a m e t e rm o d e l ，a d j u s t s u s t a i nc o n d i t i o na n dl o a dd y n a m i c a l l y , r e s p e c t i v e l yc a l c u l a t ei n t e r n a lf o r c ea n d d i s p l a c e m e n ta f t e re v e r ye x c a v a t i o n ，g e tc l o u dp i c t u r e s o fi n t e r n a lf o r c ea n d d i s p l a c e m e n to fc a l c u l a t i o nr e s u l t s ，a n da r r a n g ea n ds y n t h e t i ca n a l y s i sc a l c u l a t i o n r e s u l t s t h ea r t i c l er e s o r tt of e aa n s y st os i m u l a t er o wp i l e s ，i t sc a l c u l a t i o ni s p r a c t i c a b l ea n d d i r e c t l y , a n dw ec a l lp r o v i d ea c c o r d a n c e f o r d e s i g n i n ga n d c o n s t r u c t i n gi nt h ep r o j c o t sa n do f f e rp l a t f o r ma n da n a l y s i st o o lf o rd e s i g n i n ga n d s t u d y k e yw o r d s ：d e e pe x c a v a t i o n ，m u l t i 。p i v o t s ，r o wp i l e s ，h r d t ee l e m e n ta n a l y s i s ， a n s y s ，h u m e 矗c a ls i m u l a t i o n ，i n t e r a c t i o n 插图清单 图1 1 金茂大厦1 图1 2 金茂大厦基坑施工1 图1 3 润扬大桥效果图2 图1 4 润扬大桥深基坑旋工2 图1 - 5 围护体系破坏形式6 图2 1 三种土压力9 图2 2 支护结构和土压力关系9 图2 3 静止土压力计算图1 0 图2 - 4 排桩的围护种类1 6 图2 5 “m ，法在支护结构内力分析及变形计算中的模型1 7 图2 6 施工工况18 图2 7 施工工况计算简图1 9 图3 - 1 整体坐标和局部坐标之间的关系2 2 图3 - 2 二维结构实体单元p l a n f a 2 3 1 图3 3 二维结构单元b e a m 3 31 图4 - l 基坑、排桩单元和支撑单元图3 7 图4 2 加上了重力荷载、边界条件和分布荷载的几何模型3 7 图4 3 开挖前基坑变形图3 8 图4 - 4 开挖前基坑土体x 方向位移云图3 8 图4 5 开挖前基坑土体y 方向位移云图3 8 图4 - 6 开挖前基坑土体x 方向应力云图3 9 图4 7 开挖前基坑土体y 方向应力云图3 9 图4 - 8 开挖前基坑土体z 方向应力云图3 9 图禾9 第一次开挖基坑土体位移图4 0 图4 - l o 第一次开挖基坑土体x 方向位移云图。4 0 图4 - 1 1 第一次开挖基坑土体y 方向位移云图4 0 图4 1 2 第一次开挖基坑土体x 方向应力云图4 l 图4 - 1 3 第一次开挖基坑土体y 方向应力云图4 l 图4 1 4 第一次开挖基坑土体z 方向应力云图4 l 图4 1 5 第二次开挖基坑土体位移图4 2 图4 - 1 6 第二次开挖基坑土体x 方向位移云图一4 2 图4 - 1 7 第二次开挖基坑土体y 方向位移云图。4 2 图4 - 1 8 第二次开挖基坑土体x 方向应力云图4 3 图4 一1 9 第二次开挖基坑土体y 方向应力云图4 3 图4 2 0 第二次开挖基坑土体z 方向应力云图4 3 图4 2 1 第三次开挖基坑土体位移图4 4 图4 2 2 第三次开挖基坑土体x 方向位移云图4 4 图4 2 3 第三次开挖基坑土体y 方向位移云图4 4 图4 - 2 4 第三次开挖基坑土体x 方向应力云图4 5 图4 - 2 5 第三次开挖基坑土体y 方向应力云图4 5 图4 2 6 第三次开挖基坑土体z 方向应力云图4 5 图4 2 7 基坑体位移图4 6 图4 2 8 基坑土体x 方向位移云图4 6 图4 2 9 基坑土体y 方向位移云图4 6 图4 3 0 基坑土体x 方向应力云图4 6 图4 3 1 基坑土体y 方向应力云图一4 6 图4 3 2 基坑土体z 方向应力云图4 6 图4 3 3 考虑开挖和不开绿开挖挡土墙位移对比云图一4 7 致谢 时光荏苒，转眼问三年的研究生生活即将结束。回首过去，我庆幸自己漫 漫2 0 年的学生生涯中顺利的完成学业i 在此疑问我得到了很多老师韵指导和帮助，特另l j 在研究生学习期阀，我有 幸师从于王国体老师，他那渊博的学术知识、严谨务实的治学态度、忘我的科 研精神、高尚的人格品质是我终生学习的榜样，正是王老师的严格要求和悉心 指导下，使我能在科研的道路上不断摸索和进步。在此，谨向王老师表示诚挚 的敬意和衷心的感谢l 还要感谢合肥工业大学土木建筑工程学院及研究生院的 各位领导和老师。他们几年来的辛勤工作和热情指导是我求学路上不可或缺的 财富。 感谢我的父亲施长生、母亲罗凤梅多年来给予我精神上的鼓励和物质上的 支持，是他们无微不至的关爱，我才能健康成长，他们殷切的期望始终是我不 断进取的原动力；还要感谢我的姐姐施盈和姐夫赵磊，他们为我减轻了学习和 生活上的压力，并在我的学习过程中给我指导，生活过程中始终给我照顾。 感谢赵元一、吴继国、马乙一、巩俊松、刘燕等同学在我论文写作阶段和 研究生生活其间给予我的帮助，他们认真的学习态度、他们的热情和善良天性 给了我很大影响，认识他们也是我这段时间最大的人生财富，并祝他们都能有 美好的未来；感谢三年来朋友们在生活和学习上的关心和帮助，感谢其他为本 文工作提供帮助的老师、同学和朋友。 最后对所有关心、支持和帮助过我的老师、同学和朋友们表示衷心的感谢l 作者；旖晋 2 0 0 6 年4 月 第一章绪论 1 1 引言 房屋建筑工程、市政工程或地下建筑工程在施工时需要开挖的地坑，即为 基坑。为保证基坑施工、主体地下结构的安全和周围环境不受损害而采取的支 护结构、降水和土方开挖与回填，包括勘查、设计、施工和监测等，称为基坑 工程。 基坑工程是一个古老而且综合性较强的岩土工程问题。基坑工程集土力学 中强度问题、稳定、变形和土与支护结构的共同作用于体；基坑的开挖与支 护涉及工程地质和水文地质、工程力学与工程结构、土力学与基础工程，还涉 及工程施工与工程管理，是融多种学科知识于一体的综合性学科。 1 2 基坑工程产生背景和特点 1 2 1 基坑工程产生背景 基坑的发展有着悠久的历史，古时候人们的简易木桩和放坡工程可以看做最 早的基坑工程。人类的生产生活的进步促进了建筑工程的发展，对地上和地下 空间不断要求也带动着基坑工程的形成和发展，特别是到了上个世纪，随着大 量高层、超高层建筑及地下建筑工程和大型市政工程的不断涌现，对基础的要 求越来越高( 北京等地区已出现地下部分埋深超过4 0 m ，新近完成施工开挖的 润扬长江大桥北锚碇基坑的深度更是达到5 0m ，目前这在国内是第一深基坑， 在国际上也是罕见的1 2 2 1 ) ，必然会产生大量的基坑工程，由此而引出的问题也越 来越多，促使工程技术人员以新的眼光去审视基坑工程这一古老而又是不断发 展的课题，使许多新的理论和研究方法得以出现，也使许多工程经验和工程工 艺得以长足发展并逐渐成熟。1 9 2 9 年上海建成1 4 层锦江饭店，1 9 3 4 年建成2 4 层国际饭店，特别是近几十年以来，在北京、上海等大中城市陆续建造了一大 图l l 金茂大厦 图1 - - 2 金茂大厦基坑施工 批高层和超惠层建筑，例如上海的金茂大厦，8 8 层，高4 2 0 5 m ，基深在地下 1 5 1 8 m ，地下连续墙埋深3 6 m ，基坑面积2 1 0 m 1 ，是我国今年来施工的深 大基坑中的一例，深基坑工程已成为深基础结构施工具有高难度的先导技术， 在今后的建筑工程中的应用也将会越来越多。 图i - 3 润扬大桥效果图 图i - 4 润扬大桥深基坑施工 1 2 2 基坑工程特点 基坑工程主要具有以下特点： ( 1 ) 由于建筑物向高层化和深度化发展，基坑也向大深度和大尺度方向发展； 2 ) 基坑开挖面积大，体积大，长度和宽度有韵达数百米，使基坑的设计和 施工带来较大难度； ( 3 ) 由于深基坑的复杂性使施工工期变长、工艺增多，降雨和重物堆放等会 对对基坑的稳定造成不利影响； “) 在地质条件较差的土层中，基坑的施工会产生较大的位移和沉降，特别 是在采取降水等施工措施后会对附近的建筑物和市政设施的正常使用造成不良 影响； ( 5 ) 随着旧城改造的发展，深基坑施工的条件均很差，在相邻场地的旌工过 程中，打桩、降水、挖土及基础浇筑混凝土等工序会发生相互制约与影响，增 加协调工作的难度； ( 6 ) 岩土性质千变万化，地质埋藏条件和水文地质条件的复杂性、不均匀性， 往往造成勘查所得的数据离散性很大，难以代表土层的总体情况，给基坑工程 的设计和施工增加了难度； ( 7 ) 基坑工程具有较强的时空效应，土体是蠕变体，特别是软粘土，具有较 强的蠕变性，作用在围护结构上的土压力随时间交大，蠕变将使土体强度降低， 将使土坡稳定性变小。 2 1 3 国内外基坑工程发展概况 基坑工程是一个古老而又有时代特点的岩土工程问题，古时候人们的简易 木桩和放坡工程可以看作最早的基坑工程。直到二十世纪，随着建筑工程以及 地下建筑的不断涌现，许多新的经验和理论的研究方法才得以出现和成熟。 t e r z a g h i 和p e c k 等人早在上世纪四十年代就提出了预估挖方稳定程度和支撑荷 载大小的总应力法，这一理论原理一直沿用至今，也有了许多改进和修正； b j e r r u l t l 和e i d e 在二十世纪五十年代给出了分析基坑底板隆起的方法：上世纪 六十年代在奥斯陆和墨西哥城软粘土基坑中开始使用仪器进行监测，此后大量 实测资料提高了预测的准确性，并从二十世纪七十年代开始，制定了相应的指 导开挖的法则。 我国基坑的发展较国外的发展晚。1 9 3 7 年，黄文熙教授建立了我国第一个 土工实验室并开了土力学课程：1 9 5 3 年，中国土木工程学会成立；1 9 8 4 年，由 孙更生、郑大同教授主编了软土地基与地下工程，全面介绍了软土地区的 基础工程和地下工程的实践经验；1 9 9 0 年，由陈仲颐、叶书麟教授主编了基 础工程学，全面反映我国基础工程领域实践经验的一部专著；1 9 9 9 年，由陈 忠汉，程丽萍主编的深基坑工程，是基坑工程领域全面系统的一部专著，等 等，还有许多专著都代表了土力学在不同时期的发展状况。 为了总结我国基坑工程的设计与施工经验，二十世纪九十年代后，许多城 市相继编制了基坑设计与施工的有关法规，并已编制了国家行业标准的有关法 规，例如基础工程施工手册、基坑工程手册、深基坑支护结构实用内力 计算手册、高层建筑基础工程手册、深基坑工程实用技术、深基坑支护 结构工程实例等，这些都有力的推动和规范了基坑工程的发展。 早期的开挖常采用放坡的形式，后来随着开挖深度的增加，放坡面空间受 到限制，产生了围护开挖，而且迄今为止，围护的形式已经发展到了数十种。 基坑围护的方法最早有放坡开挖，然后有悬臂围护，内支撑或拉锚围护，组合 型围护等。最早的围护结构采用木桩，现在常采用钢筋混凝土桩、地下连续墙、 钢板桩以及通过地基处理方法采用水泥士挡墙、土钉墙等形式。 基坑工程的发展反映在基坑工程本身的规模，围护体系设计理论的发展。 施工技术和监测技术的进步等方面。随着高层和超高层建筑的发展和人们对地 下空间的开发和利用日益增多，基坑工程不仅数量增多，而且向更大更深方向 发展，大量基坑工程集中在市区，施工场地狭小，施工条件复杂，如何减小基 坑开挖对周围建造物、构筑物、道路和各种市政设施的影响，发展基坑开挖扰 动环境、稳定控制理论和方法将会引起更多人进一步的重视。 围护结构设计理论的发展关键是正确计算作用在围护结构上的土压力。常 规设计中土压力一般取静止土压力和极限状态下主动土压力和被动土压力，而 作用在围护结构上的实际土压力一般介于上述二者之间。实际土压力是与围护 结构位移，围护结构空间形状有关的，而且还与土体扰动、固结、蠕变有关。 人们将重视发展考虑空间和时间效应的土压力理论。另外，在围护结构设计中 人们更重视考虑土与结构相互作用，以及土与结构变形的正确估算。 工程技术人员、设计者和科研人员将更加重视基坑工程对周围环境的影响 机理与评价研究，包括基坑开挖前周围建筑物及市政设施的初始应力场及位移 状态的调查评价。基坑开挖在它们中引起的附加应力计算，以及它们的破坏能 力及稳定性评价方法及受害等级的划分等。基坑工程施工组织中将更加重视开 挖性态反演分析及信息化施工，发展测试技术，使监测更准确、更及时、更系 统，发展建立实用反演数学模型，实施信息化施工。基坑开挖机械也不断发展， 新方法、新设备将不断出现 1 4 基坑工程设计原则与设计内容 1 4 1 基坑工程设计原则 基坑工程设计的原则： ( 1 ) 安全可靠：满足围护结构本身强度、稳定性以及变形的要求，确保周围 环境的安全； ( 2 ) 经济合理：在围护结构安全可靠的前提下，要从工期、材料、设备、人 工以及环境保护等方面综合确定具有明显技术经济效果的方案： ( 3 ) 施工便利并保证工期：在安全可靠经济合理的原则下，最大限度的满足 方便施工，如合理的支撑布置等，便于挖土施工，缩短工期。 1 , 4 2 基坑工程设计内容 基坑工程的设计是应用勘查资料，进行支护结构、降水、土方开挖方案、 监测和环境保护方案等的设计，其主要内容一般包括： ( 1 ) 支护结构的强度、变形计算及支护结构的稳定性验算； ( 2 ) 降水要求及地下水位变化对周边环境的水平与竖向变形的影响： ( 3 ) 基坑内外土体稳定性计算： ( 4 ) 确定挖土方法及撑锚的施工流程； ( 5 ) 支护结构构件和节点构造设计： ( 6 ) 当必须严格控制施工引起的地面沉降时，分析和预估基坑开挖产生的墙 体水平位移、墙脚下沉、坑底土体隆起及降水等对墙背地层位移的影响，提出 相应施工技术措施； ( 7 ) 支护结构作为主体结构一部分时，尚应计算在使用荷载作用下内力与变 形： ( 8 ) 施工监测的内容要求等。 1 s 基坑工程设计和施工中的一些问题 1 5 1 基坑工程设计和施工中的一些问题 近几年来，高层建筑与市政建设处于蓬勃发展的时期，大量工程实践表明， 由于施工质量没有保障、施工方法不合理以及人为错误等因素和对环境、地质、 荷载等认识不足等因素引起了许多工程事故，造成巨大的损失。基坑工程设计 与施工是一项系统工程，必须具有多种学科知识，丰富的施工经验，并结合拟 建场地的土质和周围环境情况，才能制定出适宜的设计方案和施工方法。为避 免事故的发生，应改进以下几方面工作： ( 1 ) 设计方面：设计时要先对流砂、暗沟、洞穴、承压水等地质资料了解清 楚，查明周围各种地下管线、建筑物或构筑物的使用要求； ( 2 ) 施工方面：在施工中发生事故的原因大致是施工质量问题、超挖问题和 施工管理问题等： ( 3 ) 监测方面：深基坑施工中的监测工作是指导施工、避免事故发生的必要 措施，也是进行信息化施工的手段：监测也是检验设计理论的正确性和发展设 计理论的重要依据，有的基坑工程为了节约而不安排监测，或减少监测费用； 有的工程对测试数据不认真分析，或者分析水平不高。 1 5 2 围护体系破坏形式 基坑工程事故类型很多，围护型式不同，破坏型式也有差异，基坑工程事 故大致可以分为下述凡类： r 奶献f 蒜缎虾馘貅靴 基坑工程事故l 基坑隆起 i 围护体系破坏1 踢脚破坏 【l 流土破坏 锚撑失稳 岛 矿 手飞 墙体折断破坏整体失稳破坏基境隆起破坏 n t0 髅 ? j ! !j 1 黼臻臻辫 踢脚失稳破坏 流土破坏支撑体系失稳破坏 图1 - 5 围护体系破坏形式 1 s 3 开挖引起的地面沉降量估计 基坑开挖引起的地面沉降一般由以下五部分组成： ( 1 ) 围护结构水平位移造成的沉降； ( 2 ) 基坑底面隆起造成的沉降； ( 3 ) 地基土体固结沉降； ( 4 ) 抽水引起砂土损失造成的沉降； ( 5 ) 砂土通过围护结构挤出造成的沉降。 基坑开挖引起地面沉降估算方法大致有三种：经验方法、试验方法、数值 分析方法。对于简单的荷载分布，可以采用经验方法根据地面沉降与距离的关 系来估算基坑开挖引起的沉降；对基坑开挖的位移场应用实验方法，近几年离 心模型试验研究基坑开挖问题得到了广泛应用，可模拟土的性状、结构性状及 重力场等因素对开挖的影响，原位试验还可以克服尺寸效应的因素对实验的不 利影响，这方面成果在国内外介绍较多；数值分析方法很多，其中有限元法是 最灵活和有效的方法，它可以考虑基坑土体与围护结构之间的相互作用，选择 不同的材料本构模型，还可以模拟土或结构的非线性、粘性以及各向异性等特 性，对于求解基坑开挖问题是有着其它方法无可相比的优势。在工程应用上目 前较多将开挖过程简化为平面应变问题，并采用总应力分析法，采取三维有限 元法分析可以反映基坑工程的空间效应1 5 2 】。 1 6 本文的主要研究内容 1 6 1 多支点排桩研究现状 对基坑工程中的支护问题，目前的研究仍然采用悬臂式支护结构、单支点支 护结构和多点支撑支护结构为主的计算阶段，对采用多支点排桩支护的设计中 以一般的板桩理论为基础，大多也是没有考虑开挖过程，支撑似乎在开挖前就 存在，即不考虑支撑反力和结构的变形随开挖过程的变化。 对于等值梁法( 连续梁法) ，将排桩视为刚性支撑的连续粱计算，即支座 无位移，并对每一施工阶段建立静力计算体系；对于支撑荷载的l 2 分担法，简 单的假定每道支撑或拉杆所受的力是相应于相邻两个半跨的土压力荷载值，并 假定最大支座弯矩是最大跨中弯矩的两倍；对于m 法，最初是应用于侧向 受荷桩的受力计算分析，其计算工矿不同于基坑开挖，虽然在应用于基坑开挖中 做了一些简化处理，但在考虑基坑开挖卸载效应方面存在不足。 1 6 2 本文的主要研究内容 多支点排桩的计算方法有许多种，都在一定程度上存在不足，与实际的施 工过程有差距，当前的深基坑实践证明【l 引，作用于支护结构上的土压力是开挖 设计与分析中的一个重要环节，该环节解决的程度如何，关键取决于对于支护 体上的受力分析与实际情况的吻合而并非简单的主动土压力和被动土压力，而 是一种位移土压力，土压力和支护结构的位移之间具有相互影响的关系，即支 护结构在土压力作用下变形，反过来，支护结构变形的大小和形状又影响了土 压力的分布，作用于支护结构上土压力的大小随着开挖的进行而在发展变化。 国内外学者虽然已在这方面作了许多的研究，但较简单实用的分析方法并 且能在施工过程中具有广泛应用价值的方法还没有。因此，本文主要借助 于大型有限元软件a n s y s 来建立一种工程上较为简易而且分析明确的方 法，既考虑基坑的开挖过程又可以实现动态模拟，考虑开挖过程的影响，支 撑设置按照“现变形，后支撑”的原则，进行参数化建模、计算及数据处理， 为工程设计和施工提供了有效的依据，为设计和研究提供了有力的开发平 台和分析工具。在基坑支护结构的计算方面，计算的结果比较满意。 第二章多支点排桩围护的计算原理 2 1 作用于支护结构的荷载 2 1 1 引言 作用于支护结构上的荷载主要有： ( 1 ) 土压力； ( 2 ) 水压力； ( 3 ) 建筑物及结构物的荷载； ( 4 ) 堆载和施工荷载； ( 5 ) 若结构作为主体结构的一部分时，地震力所弓l 起的荷载； ( 6 ) 温度影响和构件等引起的附加荷载： ( 7 ) 支撑预压力和周围建筑物引起的侧向压力等。 作用在一般结构上的荷载可分为： ( 1 ) 永久荷载：在结构的使用过程中，荷载大小不随时间改变或仅有微小变 化的荷载，例如结构的自重、土压力等； ( 2 ) 可变荷载：在结构的使用过程中，荷载大小随时间改变或其变化值与平 均值相比不可忽略的荷载，例如支撑面活载、施工荷载和临时堆载等； ( 3 ) 偶然荷载：在结构使用期间不一定出现，一旦出现其值较大且持续时间 较短的荷载，例如地震荷载，爆炸冲击力等。 2 1 2 土压力计算理论 进行支护结构计算时，作用在支护结构与土体界面上的压力郊为土压力。 土压力的大小及其分布规律是同支护结构的水平位移方向和大小、土的性质、 支护结构物的刚度及高度等因素有关。 ( i ) 静止土压力；若刚体的挡土墙保持原来位置静止不动，则作用在墙上的 土压力称为静止土压力： ( 2 ) 主动土压力：若挡土墙在填土压力作用下，背离着填土方向移动，这时 作用在墙上的土压力将由静止土压力逐渐减小，当墙后土体达到极限平衡，并 出现连续滑动面使土体下滑，这时土压力减至最小值，称为主动土压力； ( 3 ) 被动土压力：若挡土墙在外力作用下，向填土方向移动，这是作用在墙 上的土压力将由静止土压力逐渐增大，一直到土体达到极限平衡，并出现连续 滑动面，墙后土体向上挤出隆起。这时土压力增至最大值，称为被动土压力。 盯露嚼 图2 1 三种土压力 ( a ) 静止土压力； 主动土压力：( c ) 被动土压力 土压力计算理论主要有静止土压力理论、朗肯土压力理论和库仑土压力理 论，朗肯士压力理论和库仑土压力理论的理论都有上百年的历史，被称为古典 土压力理论，都是按极限平衡条件导出的。库仑理论假设土的粘聚力为零，其 优点是考虑了墙与士体间的摩擦力作用，并能考虑地面及墙面为倾斜的情况： 缺点是对于粘性土必须采用等待摩擦角，并且随意等待，误差较大。此外，当 有地下水时，特别是渗流效应时，库仑理论是不适用的，而朗肯理论则不论砂 土或粘性土都适用，也适用于有地下水及渗流效应的情况，他假设地面水平， 墙面直立，符合深基坑工程情况，但假设墙与土体之间不存在摩擦力，使计算 的主动土压力偏大，被动土压力偏小，因此它的计算结果是偏于保守的。 2 1 2 1 静止土压力计算 静止土压力可按下式计算：在填土表面 下任意深度z 处取一微小单元体，如图2 2 ， 竖向的土自重应力西= 归，则该处的静止土压 力强度可按下式计算： p o = k o 盯。= k o y z 2 - 1 肠一土的侧压力系数或称为静止土压力系 数，可近似按 缸卜s i n a7 ( p7 为 土的有效内摩擦角) 计算； v 一墙后填土重度，k n m s 由式( 2 1 ) 得，静止土压力沿墙高为三角 形 惘 向 土 压 被动土压力 力 厅- _ 上压力 、 喜 支护结构位艰 分布，取单位长度，则作用在墙上的静止圈2 - 2 支护结构和土压力关系 土压力为： 只= 吉k 。y - 2 2 2 如图2 3 图2 - 3 静止土压力计算图 表2 一l “土的侧压力系数表 土的种类 w l 而 肠 松砂，饱和0 4 6 密实砂，饱和 o 3 6 密实砂，干( e - o 6 ) 0 4 9 松砂，干( c - o 8 ) o 6 4 压实土，残积粘土 9o 4 2 压实土，残积粘土 3 1o 6 6 有机质粉质粘土，未扰动 7 44 5o 5 7 高岭土，未扰动 6 1 2 30 6 4 o 7 0 海相粘土，未扰动 3 41 6 0 4 8 过敏性粘土 3 41 00 5 2 2 1 2 2 朗肯土压力理论 朗肯土压力理论是根据半空间的应力状态和土的极限平衡条件而得出的土 压力计算方法，它的适用范围与挡土墙墙背倾角、粗糙度、墙后填土类型和壤 土面形状等因素有关【1 】朗肯认为用墙背直立的挡土墙代替半空间侧的土， 如果墙背与土的接触面上满足剪应力为零的边界条件以及产生主动或被动朗肯 状态的边界条件，则墙后土体的应力状态不变，由此朗肯提出了主动和被动土 压力的计算公式： ( 1 ) 主动土压力： 粘性土压力强度计算公式吒= y z k 。一2 c 4 r 。 2 - 3 无粘性士压力强度计算公式o a = ，搿。 2 - 4 上式中肛主动土压力系数，疋= t a n 2 ( 4 5 一詈) ； r 一墙后填土的重度，k n m 3 ，地下水位以下取有效重度 c 一填土的粘聚力，k p a ； 妒一填土的内摩擦角，度； z 一计算点离填土面的深度m 。 主动土压力计算公式 粘性土：色= i 1 2 丘一2 c h 扣i + 等 2 5 无粘性土：e a = 妄膨2 吃 2 - 6 h 墙后挡土墙高度，1 1 1 。 ( 2 ) 被动土压力： 粘性土压力强度计算公式= ，丛，+ 2 c 巧 2 - 7 无粘性士压力强度计算公式仃，= y z k ， 2 - 8 上式中 驴主动土压力系数，足，2 t a l l 2 ( 4 5 一詈j 被动土压力计算公式： 粘性土：e p = 去眉2 k ，+ 2 c h , 厄p 2 - 9 1 无粘性土：e ，= 妄2 世， 2 1 0 上 朗肯土压力理论的概念明确，公式简单，计算方便，在工程中得到了广泛 的应用，对于粘性土和无粘性土都可以应用该公式计算。朗肯土压力理论的应 用条件要求较高，朗肯假定墙后的应力状态符合半空间的应力状态，并假设墙 背直立、光滑、墙后填土是水平，忽略了墙背与填土之间的摩擦因素，所以计 算的主动土压力偏大，被动土压力偏小。 2 1 2 3 库仑土压力理论 库仑土压力理论则是根据墙背和滑裂面之间的土楔体处于一种极限平衡状 态，墙后士体用静力平衡条件求出作用在墙背上的总土压力，可以再求出土压 力强度及其分布形式，其基本假设是：墙后的填土是理想的散粒体，滑动破坏 面为一平面。 ( 1 ) 主动土压力： 库仑主动土压力计算公式e 。= 去声2 x 。 2 - 1 1 k 。= 上式中k a 一库仑主动土压力系数： ，一墙后填土的重度，l m 3 ； h 墙后挡土墙高度，m ； ( p 墙后填土的内摩擦角，度； a 一墙背的倾斜角，度； b 一墙后填土面的倾角，度； 6 一土对挡土墙背的摩擦角，度。 ( 2 ) 被动土压力： 库仑被动土压力计算公式e = ，妒k v 2 - 1 2 x ，；竽单兰皇；= 而 c o s2 c o s 占i l + j 鬈渊i 上式中j 函一库仑被动土压力系数： 库仑土压力理论根据墙后滑动土楔的静力平衡条件推导得到土压力计算公 式，库仑在假设过程中考虑了墙背与土之闻的摩擦，并可用于墙背倾斜，填土 面倾斜的情况，但由于库仑没有考虑土体的粘性，所以库仑理论公式不能直接 计算粘性土的土压力；实验证明，当墙后土体的破裂面是一个近似的曲面，而 不是库仑所假定的平面，只有当墙背的斜度较小，墙背与填土之间的摩擦角不 大是，破裂面才接近于一个平面，所以在计算的主动和被动土压力时，计算的 结果于实际的结果都有一定的误差。 朗肯土压力理论和库仑士压力理论分别根据不同的假设，分析的计算方法 也不同，只有在a = o ，b = 0 ，6 = 0 的情况下，两种理论的计算结果才相同。朗 肯理论和库仑理论均属于极限状态土压力理论，用这预种理论计算出来的都是 墙后填土处于极限平衡状态下的主动和被动土压力。应用朗肯理论要求墙背竖 直、光滑，墙后填土表面水平，而库仑理论的适用性比较广，可以考虑墙背粗 糙、墙背倾斜和填土表面倾斜等情况。由于朗肯理论比较简便，所以人们经常 用朗肯理论计算土压力。当墙后填土表面有超载时，人们常用一些简化方法来 处理。 2 1 2 4 渗流效应对土压力的影响 深基坑工程中，渗流问题是比较突出的，这一点在工程中常被忽视，正因 为忽视了渗流效应，有关水压力的提法是模糊不清的，有的甚至是不正确的。 如果不考虑渗流效应，采用水土压力分算法其误差随水位差与内摩擦角的增大 而增大。龚晓南提出了考虑渗流效应的水土压力分算法【5 9 】。 渗流效应有两个方面：一方面使作用在围护墙后的水压力减小使墙前的水 压力增大，这是有利的，另一方面，水在土中渗流时将对土的颗粒骨架产生渗 透力，所以将对有效土压力产生影响。在墙后，渗透力基本上沿竖向而下，使 竖向的土自重应力增大，因而也就增大了墙后的土压力；在墙前渗透力基本 上是向上的，使竖向的土的自重应力减小，因而墙前的土压力将减小。渗流效 应的大小与墙前后的水位差有关，由于一般深基坑工程的水位差较大，因此考 虑渗流效应使必要的。 2 1 2 5 各种土压力计算方法与结果的比较 目前土压力的计算方法有许多种，粘性土的总应力分析法、水土压力分算 法、水土压力合算法和综合等代土压力系数法等，但大多因为各种局限性而分 别适合不同类型的土体，很多学者对土压力的计算方面做了大量的工作，也提 出了许多的改进。根据现在的工程中使用情况，对现行的各种土压力计算方法 与结果作一下比较： ( 1 ) 粘性土的有效内摩擦角为零的总应力分析法：有效内摩擦角为零，可以 采用水土压力合算法，同时也不必考虑渗流效应，分算与合算，考虑与不考虑 渗流效应，计算结果基本是相同的； ( 2 ) 水土压力分算法：当不考虑渗流效应时，计算的误差将随坑内外水位差 与内摩擦角的增大而增大。对于无粘性土，因币值较大，所以计算误差达+ 1 5 以上；对于粘性土，当币= 2 0 。时，其误差亦大于+ 1 0 。随着水位差的减 小，其误差接近于按比例减小。对不考虑渗流效应的水土压力分算法适用于水 位差与母值较小的情况； ( 3 ) 水土压力合算法：其计算误差的变化规律与水土压力分算法的不考虑渗 流效应的算法相似，但计算误差的绝对值较大，而且主动土压力均偏小，而被 动土压力均偏大，两者均偏于不安全。许多学者对水土压力合算法的合理性提 出了不同的观点，但由于合算法对于一些土体计算较符合实际情况，所以在工 程上的应用还是相当普遍； ( 4 ) 综合等代土压力系数法：综合等代土压力系数法似一种用数学表示式对 土体的参数母进行修正。是将考虑渗流效应的水土压力分算法经数学上的处理。 这种方法对于主动土压力与实际较为接近，而被动土压力则略为偏小，偏于安 全，因此对于粘性土层及砂层应用工程较多，但对于粘性土层中夹有砂层或砂 层中夹有粘性土层，由于土性指标变化较大，误差也将增大，般不宣采用。 2 1 3 水压力计算理论 2 1 3 1 水压力的一般计算方法 挡土结构上除了土压力外，还有地下水压力，水压力的计算要考虑许多因 素，例如地下水的补给情况、排水处理方式、季节变化和施工场地开挖条件等。 一般计算情况，水的重度取= 1 0 k n m 3 计算地下水位以下的水、土压力，有“水土分算”和“水土合算”两种方 法，目前许多学者对工程中采用那种计算方法还没有统一的定论，笔者更倾向 认为：对于砂性土和粉土，可按水土压力分算原则进行，然后将计算结果相加， 对于粘性土，可按水土压力合算原则。具体采用何种方式也可以根据工程情况 和经验来确定。 ( 1 ) 水土压力分算：水土压力分算法是用土的浮重度计算土压力，按静水压 力计算水压力在将两者相加即为总的侧压力( 对无粘性土萨o ) ： p 。= z t - i k o 一2 c 1 k o + y 。h 2 - 1 3 p p = z t k p + 2 c 0 kp + y h 2 - 1 4 式中 v7 一土的浮重度； k a 一按土的总应力强度指标计算的主动土压力系数， k 一= t a n 2 降纠； k p 一按土的总应力强度指标计算的被动土压力系数， k r2 t a nz 净詈j ； 巾一按固结不排水( 固结快剪) 或不固结不排水( 快剪) 确定的内摩擦角； c 一按固结不排水或不固结不排水法确定的内聚力。 ( 2 ) 水土压力合算：水土压力合算法是用饱和重度计算总的水、土压力，这 是目前大多学者采用的方法( 对无粘性土萨o ) ； p 。= z 。, h k 。一2 c 足。 2 - 1 5 p p = y h k p 一2 c 、_ l k p 2 - 1 6 式中 。一土的饱和重度，在地下水位以下可近似采用天然重度； k a 一主动土压力系数，k a = t a n 2 ( 三一詈j ； k p 一被动土压力系数，世一2t a n2 1 4 + 詈j ； q 一按总应力法确定的固结不排水剪或不固结不排水剪确定的内摩擦角： c 按总应力法确定的固结不排水剪或不同结排水剪确定的内聚力。 2 1 3 2 水对基坑工程的影响 地下水的处理是深基坑工程中的一个重要课题，在设计各种围护结构时， 首先要确定作用在结构上的荷载，即土压力的大小与分布。在考虑土压力的计 算理论和方法时，地下水的存在会使问题更加复杂，深基坑的维护结构不同于 一般的挡土墙，基坑内外的水位差往往很大，因此渗流问题变得十分突出，特 别是在砂类及粉土类的土层中，地下水的渗流会引起流土、管涌等渗流破坏， 有的还会造成较大的地面沉陷，严重影响工程的建设，有的还会造成严重的工 程事故，所以深基坑工程中，维护结构的作用不仅要支挡坑壁上的土体，还要 堵水。 地下水的运动有层流和紊流两种，在土中空隙或微小裂隙中的水流速度不 大，则作层流运动，在宽大的空隙中水流速度较大，容易产生紊流运动。土的 透水性越大，则水在土中的渗流速度越大，一般土的透水性大小用透水指标表 示，基坑内外渗流性状和地下水涌水量大小均与土的透水性指标有关。当渗流 自上而下时，渗透压力方向与重力方向一致，这将增加作用于土粒之间的压力， 反之土粒之间的压力将减小。在工程上，当基坑开挖至某一深度时，地下水产 生自下而上的渗透压力，当此渗透压力达到土的浮重度时，土粒处于漂浮状态， 此时坑内土体变成类似于液体的沸腾状态，极易产生流土现象，如果继续开挖， 土体会不断上涌而无法增大挖深。当基坑底出现流土，基坑边又采用放坡时， 边坡土体受到渗透压力的作用很容易产生滑坡，王国体对滑坡产生的原因和对 滑坡的治理有很深入的研究，取得了一定成果【6 1 【n 1 【1 。在基坑开挖抽水时，很 容易出现大的水力坡降，产生紊流。如果围护桩有间隙，未采取止水措施，坑 外地下水通过这些间隙向坑内渗流，并不断带出泥沙，使渗水通道逐渐扩大， 最终导致大量泥沙突然涌出，坑外地面极易产生严重的塌陷。 2 133 基坑工程的降水 为了防止地下水因渗流而产生流砂与管涌等破坏作用，消除和减少作用在 边坡或坑壁围护结构上的静水压力与渗透压力，提高边坡或围护结构的稳定性， 避免水下作业，使基坑施工能在水位以上进行，为施工提供方便，也有利于提 高工程质量，除了设置围护结构的止水帷幕外，往往在基坑开挖前，有必要采 取一定的措施降低基坑内或坑外的地下水位至开挖面以下。 降水方案一般适用以下情况： ( 1 ) 地下水位较浅的砂石类或粉土类土层： ( 2 ) 周围环境容许地面有一定的沉降； ( 3 ) 止水帷幕密闭。坑内降水时坑外水位下降不大； ( 4 ) 基坑开挖深度于抽水量均不大。或基坑施工期很短