（岩土工程专业论文）基坑桩锚支护结构的数值分析.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 城市建设中的基坑工程，既要保证基坑自身的安全稳定，又要保证其对周围环境不造 成破坏性影响，传统的以强度控制设计为主方式逐渐被以变形控制设计为主的方式所取 代。由于地下管线密布对支护施工的影响以及施工面有限的限制，在工程中常采用桩锚支 护结构型式。针对深基坑工程特点，本文总结了对支护桩增设支撑后对支护桩受力性能产 生的影响，并介绍了目前常用的计算桩锚支护结构受力与变形的方法和理论。 基坑是一个具有长度、宽度、深度的三维空间结构体系。在一般的设计和研究中，人 们常常将其简化为二维平面应变问题进行分析计算。这不能完整地反映基坑的空间性状以 及尺寸效应，因此有必要从三维角度进行分析。 在深基坑支护理论的分析方法中，有限元法已成为分析岩土工程问题的实用和有效的 手段。本文通过运用有限元分析软件a b a q u s 建立了考虑土和支护结构相互作用的基坑开 挖三维有限元模型，对土体和支护桩在基坑开挖过程中的反应进行了分析研究，并探讨了 基坑几何尺寸对基坑支护结构的角部效应、挡墙位移、土压力分布的影响。 关键词：深基坑；支护结构；有限元；空间效应 第页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w h e ni tt a l k sa b o u tt h eb u i l d i n gf o u n d a t i o no fu r b a nc o n s t r u c t i o np r o j e c t s ，i ti sn e c e s s a r yt o e n s u r et h es e c u r i t ya n ds t a b i l i t yo ft h ef o u n d a t i o n ，a n di ta l s on e e dt oe n s u r ei td o e sn o th a v et h e f r u s t r a t i n ge f f e c tt ot h ee n v i r o n m e n t t r a d i t i o n a ls t r e n g t h - b a s e dc o n t r o ld e s i g nm e t h o d sh a v e b e e ng r a d u a l l yr e p l a c e db yd e f o r m a t i o nc o n t r o lt h e o r y b e c a u s eo ft h ei n f l u e n c eo ft h e u n d e r g r o u n dp i p e l i n ew h i c hh a v eaw i d ed i s t r i b u t i o na r o u n dt h ep r o j e c ta sw e l l 嬲t h el i m i t a t i o n a b o u tw o r k i n gs u r f a c e ，p i l e - a n c h o rs u p p o r ts y s t e mi so f t e nu s e di ne n g i n e e r i n g i nv i e wo ft h e f e a t u r e so fd e e pf o u n d a t i o n , t h i sa r t i c l es u m m a r i z e st h ei m p a c tw h e nt h e 鲫p p r o t i i 唱p i l e sa d d e d s u p p o r t s ，a n dd e s c r i b e st h ec u r r e n td e s i g nm e t h o d sa n d t h e o r i e so np i l e - a n c h o rs u p p o r ts y s t e m f o u n d a t i o np i ti sas p a t i a ls t r u c t u r ew i t ht h el e n g t h ，w i d t ha n dd e p t h i nt h eg e n e r a ld e s i g n a n dr e s e a r c h ，i ti so f t e ns i m p l i f i e da sat w o - - d i m e n s i o n a lp l a n es t r a i na n a l y s i so ft h ei s s u e h o w e v e r , i ti sn o tac o m p l e t er e f l e c t i o no ft h ef o u n da t i o ns p a t i a lp r o p e r t i e sa sw e l la st h es i z e e f f e c to fs p a c ec h a r a c t e r s t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt oa n a l y s ew i t ht h r e e - d i m e n s i o n a lm e t h o d d u r i n gt h ep i tm e t h o d ，t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o da n a l y s i sh a sb e c o m eap r a c t i c a la n d e f f e c t i v em e a n s i nt h i sp a p e r , t h ef m i t ee l e m e n tp r o g r a ma b a q u si su s e dt oc o n s i d e rt h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h es u p p o r t i n gp i l e sa n dt h ee a r t h ，a n dh a v ed or e a s e r c ha b o u tt h er e a c t i o no f t h es o i lb o d ya n dt h es u p p o r t i n gp i l e si nt h ee x c a v a t i o np r o c e s s ，a n dh a sa l s od i s c u s s e dt h e g e o m e t r ys i z ei m p a c tt os t r u c t u r ea n g l ed e p a r t m e n te f f e c t ，t h er e t a i n i n gw a l ld i s p l a c e m e n t , t h e e a r t hp r e s s u r ed i s t r i b u t e di n f l u e n c e k e yw o r d s ：d e e pe x c a v a t i o n ；s u p p o r t i n gs t r u c t u r e ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；s p a t i a le f f e c t 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：莹塾 日期：型2 ：厶主 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名： 指导教师签名： 鸯圣 赚丛泣 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 深基坑工程的特点 近年来我国的经济建设和城市建筑发展迅速，各类建筑与市政工程得到了飞速发展， 高层建筑不断增加，深基坑工程愈来愈多。此外，对地下空间开发利用的重要性以及随之 产生的深基坑支护设计和施工方面的问题，使得深基坑工程已经成为我国土木领域中的热 点和难点问题之一，正引起广泛的关注。 建筑物或构筑物地下部分施工前需开挖基坑，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，需进行支护、降水和开挖，并进行相应的勘察、设计、施工和监测 等工作，这项综合性的工程统称为基坑工程。基坑工程作为岩土工程的一部分，涉及到岩 土工程、结构工程和工程地质等相关理论。关于深基坑支护问题，总的来说具有深、差、 密、多、难等特点，解决这些问题已经成为我国建筑工程界的热点问题之一。归纳起来深 基坑工程具有以下几方面特点。： ( 1 ) 基坑支护体系是临时结构，安全储备小，具有较大的风险性。 一般情况下，基坑支护体系是临时措施，地下室主体施工完成时，支护体系即完成任 务，与永久性结构相比，临时结构的安全储备较小。深基坑工程施工周期长，从开挖到完 成地面以下的全部隐蔽工程，常需要经历多次降雨、周边堆载、振动、施工不当等许多不 利条件，其安全度的随机性较大，事故的发生往往具有突发性。 ( 2 ) 基坑工程具有很强的区域性和个性 岩土工程区域性强，即便是同一城市不同区域其工程地质条件和水文地质条件也有差 异。对于某个基坑工程，其支护体系的设计与施工不仅与区域地质条件有关，还与基坑相 邻建筑物、构筑物及市政地下管线位置以及周围场地条件等有关，有很强的个性。基坑工 程的支护体系设计需因地制宜，根据本地情况进行。 ( 3 ) 土压力特点 基坑支护结构设计时土压力的确定是最基本的，在开挖过程中土压力随开挖深度、支 护结构位移、地下水位变化、施工场地荷载变化而改变，在设计中必须综合考虑这些因素， 只有考虑到强度、稳定、变形、土与支护结构的共同作用及开挖过程的设计方法才是科学 的。 ( 4 ) 基坑支护工程具有较强的时空效应 基坑的深度和平面形状对基坑支护体系的稳定和变形有较大影响，例如基坑角部与中 部的变形有较大差异，即基坑具有明显的空间效应，基坑工程规模的日益增大，给支护工 程增添了难度。此外，土体具有的蠕变性将使土体强度降低，导致边坡的稳定性降低。 ( 5 ) 基坑工程的环境效应 基坑开挖引起周围地基中地下水位的变化和应力场的改变，导致周围地基土体的变 形，对相邻建筑物、构筑物及地下管线产生影响，特别是在软弱的土层中，对深基坑开挖 引起的稳定和位移控制的要求更为严格。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 基坑工程应具有安全性、可靠性和经济性。基坑开挖支护方案的合理性对工程造价和 进度均具有重要影响。从设计和施工的角度来看，基坑工程具有很强的区域性和实践性， 并且工程量大，工期紧，风险性高。由于基坑支护工程属于临时性的工程，起初并没有引起 足够重视，国内外发生了很多工程事故，尤其在建筑物及地下设施密集的地区，因基坑工 程事故引发的后果十分严重，实际上，基坑工程的重要性及其技术难度并不因其临时性而 降低。基坑工程是系统工程，在相邻场地的施工中，打桩、降水、挖土以及基础浇注混凝 土等工序都会相互制约与影响，需进行系统的施工组织设计。 1 2 深基坑工程发展概述 高层和超高层地下室的修建以及城市地下空问的开发利用等，提出了与深基础相关的 深、大基坑的开挖和支护问题。2 0 世纪8 0 年代以来，尤其是进入9 0 年代以后，我国经济 的迅速发展，大中城市地价不断上涨，空间利用率随之提高，出现了许多超高层建筑，使 地下室埋深达多达2 0 多米。密集的建筑群，大深度基坑及基坑周围复杂的地下设施，使 如何控制深基坑的开挖支护效果以及环境效应问题引起了各方面的广泛重视，基坑工程问 题己成为我国工程界的热点问题之一。 在一般地基基础工程计算中，建筑物的自重以及作用于建筑物上的各种荷载通过基础 传给地基，这些荷载主要以竖向荷载为主，且都具有一定的定量特点。而作用在支护结构 上的荷载主要是水平荷载，这种水平荷载具有非定值的特点。早在2 0 世纪4 0 年代，t e r z a g h i 和p e c k 等人在芝加哥地铁施工中对围护结构的侧向变形及周围地表沉陷进行了系统的监 测，通过对实测资料的分析，就提出了预估挖方稳定程度和支撑荷载大小的总应力法，该 原理经过改进和修正一直沿用至今。6 0 年代开始在墨西哥城软粘土深基坑中使用了仪器进 行监测，此后大量实测资料提高了预测的准确性；7 0 年代以后许多国家制定了相应的指导 开挖的法规。皑1 但由于基坑开挖的规模不断扩大，深度不断增加，复杂的环境条件也对基 坑变形提出了越来越严格的限制，对这些问题的认识以及对策的研究，随着土力学理论、 分析技术、测试仪器以及施工机械、施工技术的进步而逐步完善起来。近年来随着电子计 算机的广泛应用，岩土工程中非线性计算和数值分析方法也得以具体操作和实现。哺。 在我国，随着一批大型基坑工程的建成，基坑工程的施工技术和设计水平也达到了一 个较高的水平，主要体现在以下一些方面：新型的围护结构不断涌现并得到实际应用。 例如：闭合( 或非闭合) 挡土拱圈、连拱式支护结构等，这些结构受力更加合理，己在天津、 广州、珠海、深圳等地得到使用，显示出强大的生命力。新的计算方法相继应用到基坑 工程设计中，例如支护结构优化设计理论、多锚撑设计等值梁法、有限元分析理论等。 变形控制理论。现有的基坑工程设计方法均属于强度控制设计范畴，而城市建设中的基坑 工程，既要保证基坑自身的安全稳定，又要保证其对周围环境不造成破坏性影响，传统的 以强度控制设计为主方式逐渐被以变形控制设计为主的方式所取代。中国土木工程学会和 中国建筑学会组织了大量的科研与研讨工作，促进了深基坑开挖技术的研究和发展，产生 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 了许多先进的计算方法，众多新的施工工艺。随着深基坑设计和施工经验的积累总结以及 指导工程实践的需要，广东、上海、武汉等城市先后编制了深基坑支护设计与施工的有关 地方标准，国家亦制订了国家行业标准建筑基坑支护技术规程 ( j g j l 2 0 9 9 ) ，这些法 规的出现，使得基坑工程的设计和施工水平上了一个新的台阶。 随着城市立体化建设的迅速发展，大量的高层建筑群、地铁、地下停车场、地下商场 已开始建设或列入规划，面对地下管线及电力设施构成的纵横交错的地下网络，所有建筑 工程都涉及在不同的地质和城市环境条件下基坑开挖产生的地层变形控制以及城市环境 效应问题。现代基坑工程要求工程技术人员在运用土力学理论的同时，结合实际工程经验， 研究基坑工程的设计特点和施工方法，使基坑工程技术不断完善和发展。 1 3 深基坑支护结构选型 1 3 1 深基坑支护结构类型 基坑支护结构体系一般包括两部分：挡土结构和降水止水体系。目前，我国深基坑支 护的方法较多，以挡体结构特点来划分可将其划分为以下两类h 。： ( 1 ) 桩、墙式支护结构 钢板桩、钢筋混凝土板桩、柱列式灌注桩、地下连续墙等均属于该种支护结构形式。 支护桩、墙插入坑底土中一定深度，上部呈悬臂或设置锚撑体系，形成梁式受力构件，其 结构计算可简化成在土压力作用下的一静定梁的计算，或按插入土中的竖向弹性地基梁求 解。此类支护结构应用较广泛，适用性强，支护结构的变形易于控制，尤其适用于开挖深 度较大的深基坑，并能适应各种复杂的地质条件，设计计算理论较为成熟，各地区的工程 经验也较多，是基坑工程中常采用的主要形式。 ( 2 ) 实体重力式支护结构 水泥土搅拌桩和高压旋喷桩挡墙、土钉墙等类似于重力式挡土墙属于该种支护结构形 式。该类支护结构截面尺寸较大，依靠实体墙身的重力起挡土作用。墙身也可设计成格构 式、阶梯式等多种形式，墙身主要承受压力，一般不承受拉力，可按重力式挡土墙的设计 原则计算。由于无锚拉或内支撑系统，土方开挖施工方便。当土质条件较差时，基坑开挖 深度不宜过大。实体重力式支护结构适用于小型基坑工程。 1 3 2 常用的支护结构选型 基坑的支护结构主要承受基坑开挖卸荷所产生的土压力和水压力，支护结构选型应考 虑结构的空间效应和受力特点，采用有利于支护结构材料受力性状的型式。支护结构有多 种形式，在一个基坑中，不同安全等级的侧壁可以采用不同的支护形式，同一断面的上下 部分的支护也可以不同。深基坑支护首先是要保证支护结构的安全性，同时也要兼顾经济 性和施工便利性旧。 目前常用的支护结构类型有： ( 1 ) 放坡开挖及简易支护结构 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 放坡是基坑围护的最简单方法，适用于地基土质较好，开挖深度不大以及施工现场有 足够放坡场所的工程。该方法施工简便、节省造价，但是放坡需要基坑周围的大空间，且 对基坑的开挖深度也有很大的限制，仅适用于浅基坑。有时为了增加边坡稳定性和减少土 方量，常采用土袋、块石或短桩进行简易支护， ( 2 ) 水泥土重力式挡墙 水泥土重力式挡墙是利用水泥土搅拌技术，在基坑周围的土体中形成具有一定厚度的 墙体用于支挡基坑周边的土体，同时利用水泥土很弱的透水性起到隔水止水的作用。水泥 土搅拌桩( 墙) 中的桩与桩之间互相咬合紧密排列、或按网格式排列，适用于比较软弱、 厚度较大的土层，特别是软塑或流塑土层，一般开挖深度小于6 m 。该支护结构施工方便， 费用较低，但水泥土抗拉强度低，变形较大，该支护体系适用于较浅的基坑工程。 ( 3 ) 悬臂式排桩支护结构 悬臂式排桩支护结构将人工挖孔桩、灌注桩、钢筋混凝土板桩、钢板桩等打入土中， 在基坑开挖过程中，桩体依靠足够的入土深度和结构的抗弯能力来维持坑壁的稳定性和结 构安全，如图1 1 所示。该方法适用于基坑周围不具备放坡或施工重力式挡墙的宽度、开 挖深度不大的情况。悬臂式排桩支护施工方便，造价低，但是一般而言如果基坑深度加大， 则其造价成倍增加，而且基坑围护的水平位移往往不能达到要求。 7 ，、7 ，r 9 ，r 图1 1 悬臂式排桩支护结构示意图图1 2 土钉支护结构示意图 ( 4 ) 土钉墙支护结构 土钉墙支护结构是一种边坡原位土加筋支护技术，是在2 0 世纪5 0 年代的土层锚杆技 术和6 0 年代的加筋土挡墙技术的基础上发展起来的。土钉支护结构由原位土体，设置在 土体中的加筋杆件及喷射的混凝土面层组成，如图1 2 所示。土钉一般通过钻孔、插筋、 注浆来设置，也可直接打入较粗的钢筋或型钢形成。土钉支护通过土钉的设置使原土体和 加固体共同作用以抵御加固区带外的土压力和其他作用力，从而使开挖的边坡稳定。土钉 墙适用于地下水位以上或人工降水后的粘性土、粉土及非松散砂土，不适用淤泥质及地下 水位下未经降水处理的土层。土钉支护结构轻型，施工简单方便，经济效益显著，在工程 应用中的发展极为迅速。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 ( 5 ) 桩锚支护结构( 内支撑、内锚) 桩锚支护结构适用于基坑周围施工场地狭小、邻近基坑周边有建筑物或地下管线需要 保护的情况。该方法将支护桩( 墙) 与内支撑或锚拉式支护结构相结合。支护桩采用混凝 土板桩、灌注桩、钢板桩等，为了形成整体受力结构，通常在桩顶浇注钢筋混凝土帽梁加 以可靠连结。当有地下水或桩背有含水量较大的软土时需在桩背专门构筑防水帷幕，防止 地下水或淤泥渗入基坑。内锚可采用地面拉锚、锚桩或土层锚杆等方法，如图1 3 所示； 而内支撑采用木方、钢筋混凝土或钢管( 或型钢) 做成，如图1 4 所示。 嘶u 、 i 、 心 一 刀 地面拉锚锚杆双支撑竖向支撑 3 拉锚支护结构示意图4 内支撑支护结构示意图 构的内支撑，常用的有钢结构支撑和钢筋混凝土结构支撑两类，前者多用圆钢 管规格的型钢，后者多用模板随着挖土逐层现浇。内支撑支护刚度大、变形小，作为 围墙的支承，能有效地控制挡墙和周围地面的变形。对于平面尺寸较大、形状比较复 杂境保护要求严格的基坑，采用内支撑支护虽然需要占用一定的施工空间，但由于其 支理是通过支撑材料的材料性能对水土压力进行有效地传递和平衡，因此对周边地下 环适应性好，特别适合于地下管线密布的城市建设工程。拉锚式支护结构由支护桩体 系固体系两部分组成，锚固体系可分为地下拉锚式和锚杆式。拉锚支护通过锚杆将支 护受的水土压力传递到持力层，由于锚杆具有简化支撑、改善施工条件等优点，已被 广应用于工程中，对于基坑周边土层较好且基坑用地允许占用地下空间的工程，可选 用支护形式。 其他支护结构 续墙支护结构是在泥浆护壁的条件下分槽段构筑的钢筋混凝土墙体，其刚度 大水效果好，是支护结构中最强的支护形式，适用于地质条件差、环境复杂的大型深 基尤其适用基坑底面以下有深层软土，需将墙体插入很深的情况。随着技术的发展和 施法及机械的改进，地下连续墙发展到既是基坑施工时的挡墙围护结构，又能作为 拟体结构的侧墙，取得了明显的经济效益。但是地下连续墙的施工，需要较多的机具 设一次性投资较高，工艺较复杂，技术要求高。 护结构还包括双排桩支护结构、桩锚与土钉联合支护、连拱式支护结构、加筋 水拱墙支护等，在实际应用中，还可以将常用支护型式中的几种进行联合支护。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 1 3 3 影响基坑支护结构选型的主要因素 基坑支护结构设计是一项复杂的工程，既要挡土又要挡水，而且要控制变形。一项工 程中选择哪种挡土结构形式。应根据基坑周边环境、工程水文地质、开挖深度、安全等级 以及技术经济效果等因素全面考虑而定“。 ( 1 ) 周边的环境 基坑工程的周边环境状况直接影响到基坑安全等级的选取，支护结构的选型等方面， 根据不同的周边环境状况，需对因开挖引起的位移和变形进行不同级别的限制要求。如果 基坑周围场地开阔，则可选择放坡、悬臂式结构；如果场地狭窄且周围有重要设施，则选择 位移小的地下连续墙加锚杆或支撑支护方案。随着经济建设的发展，基坑工程往往邻近城 市主干道或者处于密集的建筑楼群附近，特别当基坑开挖面积大、深时，对相邻建筑物持 力层的影响是必须要考虑到的。不仅要考虑到地面环境，还要考虑地下的工程环境，对地 下管线密集的城市，除了要考虑对地下管线的保护，还要考虑由于管线存在对施工工艺和 支护选型产生的影响。 ( 2 ) 开挖深度及其范围 基坑开挖深度和范围的大小，是选择支护结构类型的一个重要因素。当开挖深度不大 时，可采用悬臂式支护结构；开挖深度较大时，则需考虑加多层锚杆或多层支撑。基坑的平 面尺度越来越大，这样基坑不同支护部位可能处于不同的受力状态，需进行区分对待。 ( 3 ) 地下水位 地下水对基坑开挖支护有着重要影响，地下水的作用改变了土体以及支护结构的应力 状况和受力情况，弱化了土体自身的物理力学性质和支护结构的强度。 1 4 基坑支护设计原则和设计方法 1 4 1 设计原则 基坑的开挖及支护结构的设计应满足安全可靠、经济合理、便于施工保证工期的基本 原则。根据建筑基坑支护规程，基坑支护结构极限状态分为承载能力极限状态和j 下常 使用极限状态两类： ( 1 ) 承载能力极限状态，该状态指支护结构达到最大承载能力或土体失稳、过大变 形导致坑壁土体失稳或支护结构发生破坏从而导致基坑本身、周边建筑物和环境的破坏。 ( 2 ) 正常使用极限状态，该状态指支护结构的变形已妨碍建筑物的地下结构施工或 导致相邻建筑物和地下设施、管线、道路等不能正常使用。 根据建筑物本身及周边环境的具体情况，建筑基坑支护规程将基坑侧壁安全等级 分为三级。如表1 1 所示。对于不同的安全等级的基坑侧壁，其支护方案、监测项目和设 计计算都有所不同，因此在支护工程设计时应根据基坑侧壁不同条件因地制宜进行设计。 支护结构设计还应考虑其结构水平变形、地下水的变化对周边环境的影响，对于安全等级 为一级和对周边环境变形有限定要求的二级建筑基坑侧壁，应根据周边环境的重要性、对 变形的适应能力及土的性质等因素确定支护结构的水平变形限值。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 表1 1 基坑安全等级及重要性系数 1 4 2 支护结构的设计方法 基坑支护结构设计应从稳定、强度和变形等三个方面满足设计要求： ( 1 ) 稳定：指基坑周围土体的稳定性，即不发生土体的滑动破坏，因渗流造成流砂、 流土、管涌以及支护结构、支撑体系的失稳； ( 2 ) 强度：支护结构，包括支撑体系或锚杆结构的强度应满足构件强度设计的要求； ( 3 ) 变形：因基坑开挖造成的地层移动及地下水位变化引起的地面变形，不得超过基 坑周围建筑物、地下设施的允许变形值，不得影响基坑工程基桩的安全或地下结构的施工。 现有的基坑支护结构的内力变形计算方法很多，按照建筑基坑工程技术规范把基坑 支护结构计算分为极限平衡法、弹性抗力法和平面有限元法瞄儿“。 ( 1 ) 极限平衡法。该法属于古典的钢板桩理论。该方法首先选择一定的入土深度，在满 足总体稳定、抗隆起、抗渗流要求下，用经典土力学理论计算主动土压力和被动土压力， 然后计算挡墙内力，对墙身和支撑结构进行设计，并验算挡土墙抗倾覆、抗滑移稳定性。 这种方法假定主、被动土压力己知，不考虑墙体和支撑( 或锚杆) 的变形，把超静定问题转 化为静定问题求解，属于这类方法如等值梁法，静力平衡法等。极限平衡法的假定过于理 想，与实际情况出入较大，但它的计算简捷，因此规范仍推荐使用。 ( 2 ) 弹性抗力法。又称杆系有限元法，竖向弹性地基梁的基床系数法。在计算较为复 杂的围护结构时，假定墙体两侧的土压力随开挖过程的变化而变化，在开挖面与迎土面的 墙上设置土弹簧以模拟被动区的土体抗力。弹性抗力法将主被动土压力作为施加在墙体的 己知水平荷载，用弹性地基梁法计算支护体系的变形与内力。 弹性抗力法只能求出支撑结构的内力和位移，不能求出周围土体的变形，如地表沉降、 坑底隆起，并且土体弹簧系数( 基床系数) 难以确定。但这种方法简单方便，我国现行规范 建筑基坑支护技术规程( j g j l 2 0 9 9 ) 推荐使用该方法。 ( 3 ) 平面有限元法。计算技术的发展使得数值分析用于岩土工程领域。有限元单元法 由于能够处理分析域的复杂性状及边界条件，定义材料的非线性和几何非线性，已在深基 坑工程中得到了广泛应用。它可以从整体上分析支护结构及基坑周围土体各点的应力与位 移性状，能够考虑土体的非线性、流变性等性质，而且可动态模拟开挖、支撑的施工过程， 在理论上是较合理的，其发展相当迅速。 1 5 本文主要研究内容和研究方法 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 1 5 1 研究思路 在确定基坑支护方案时，要求整个系统的总体效益最优，即在各种不同的方案之间进 行比较选择经济合理的支护方案。结构选型及布置是方案设计的第一步，对整个支护体系 的设计都有直接的影响。在结构设计中，常常强调概念设计的重要性，即在结构选型与布 置阶段，对一些难以做出精确理性分析或规范未规定的问题，可依据从整体结构体系与分 体系之间的力学关系、破坏机理、试验现象和工程经验所获得的设计思想，从全局的角度 来确定控制结构的布置及细部构造措施。简单来说，概念设计就是在设计前通过对设计对 象的力学性能进行定性的把握，使设计更为合理安全。概念设计是通过大量的比较分析得 出的定性结论。 由于平面问题分析简单，在一般的设计和研究中，人们常将其简化为平面应变问题进 行分析计算。但是，应用平面问题分析存在某些缺陷，如无法研究开挖引起的空间位移分 布、土压力分布，无法考虑支撑结构的分段设置效应等等这些按二维的方法无法解决的问 题实际存在，而且在一些情况下还会对工程起控制性作用，因此我们有必要从三维角度分 析问题u u u “。 1 5 2 本文的主要工作 目前基坑支护的研究主要向两个方面发展：一方面是开发新的支护结构型式；另一方 面是从理论计算与模型上进行研究。本文针对基坑长度、宽度、深度变化引起的一些问题， 利用大型通用有限元程序a b a q u s ，建立了考虑土与支护结构共同作用的三维空间有限元模 型，模拟基坑施工过程中的基坑开挖过程中，基坑尺寸变化对墙体位移、土压力分布、坑 角效应等的影响。 ( 1 ) 通过对桩锚支护结构设计计算理论和方法的研究，分析支护桩处于悬臂式、单 支点支护及多支点支护状态下的内力分布及周围土体的变形情况。 ( 2 ) 目前大多数有关基坑支护的计算软件都采用平面模型来模拟并计算，而基坑本 身是一个具有长度、宽度和深度的空间问题，具有空间效应。对采用平面模型方式进行空 间模拟计算的适用性有待进一步研究。 ( 3 ) 以a b a q u s 非线性有限元程序作为软件平台，考虑土与结构的相互作用，通过建 立支护结构与土体之间的空间有限元分析模型，分析了基坑长宽比等变化引起的基坑变 形、土压力分布等变化情况，并与平面有限元计算方法进行对比分析。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 第二章深基坑支护结构土压力计算分析 2 1 经典土压力理论 作用于支护结构上的荷载主要有：地基土产生的土压力、地下水产生的水压力、施工 荷载、相邻场地的沉桩挤土作用、地震产生的垂直和水平荷载以及温度影响等，进行深基 坑支护设计时，应主要考虑作用在支护结构上的土压力的作用。 挡土结构承受的主要外部荷载为土体的侧压力，称之为土压力。土压力的大小与分布， 除了与土的性质如容重、内聚力、摩擦角等有关外，还和挡土墙墙体的位移方向、位移量、 土体与结构物间的相互作用以及挡土墙的结构类型有关。在影响土压力的诸多因素中，根 据挡土墙的位移方向、大小及背后填土所处的状态，将土压力分为以下三种1 14 i ： ( 1 ) 静止土压力：如果挡土墙在土压力的作用下不发生变形和任何位移( 移动或转动) ， 挡土墙背后的填土处于弹性平衡状态，则作用在结构上的土压力称为静止土压力，以毛表 示。 ( 2 ) 主动土压力：如果挡土墙在土压力的作用下离开土体方向向墙前发生位移，则随着 位移的增大，墙后土压力将逐渐减少，当位移达到一定的数值时，土体出现滑裂面，此时， 墙后的土体处于主动极限平衡状态，称作用于挡土墙上的土压力为主动土压力，以e 表示。 ( 3 ) 被动土压力：如果挡土墙在外荷载的作用下向土体方向发生位移，则随着位移的增 大，挡土墙受到墙后土体的反作用力逐渐增大，当位移达到一定的数值时，土体出现滑裂 面，此时，墙后的土体处于被动极限平衡状态，此情况下作用于墙背上的土压力称为被动 土压力，以e 。表示。 ( a ) 静止土压力( b ) 主动土压力 ( c ) 被动土压力 堂：二i 型i 卜 i 垒! j 垒qj 雠 图2 1 挡土墙的三种土压力示意图图2 2 墙身位移和土压力关系图 在相同的墙高和填土条件下，上述三种土压力间有如下关系： e p e o e d 实际上，在基坑支护结构工作状态下，土侧压力往往介于主动土压力、静止土压力与 被动土压力之间。 第l o 页武汉科技大学硕士学位论文 2 1 1 朗肯土压力理论 朗肯土压力理论是英国科学家朗肯( r a n k i n e ) 于1 8 5 7 年提出的，该理论通过研究弹 性半空间体内的应力状态出发，根据土中一点的极限平衡条件确定土压力的强度和破裂面 方向，进而得出计算土压力合力的计算方法。 考察半无限土体中z 深度处一点的应力状态。如土的重度为y ，则作用在该单元体顶 面的法向应力q 等于该处土的自重应力，即d r m = 盯= y z ；同时，作用于该单元体侧面的应 力为叽= 仃，= k o y z 。由于竖直面都是对称面，对称面上的剪应力均为零，按照剪应力互等 定理，可知任意水平面上的剪应力也等于零。因此，竖直面和水平面上的剪应力都等于零， 相应截面上的法向应力仃和盯，分别为大小主应力。此时该点处于弹性平衡状态，其应力 状态用莫尔圆表示为图2 3 ( c ) 所示的圆。1 ( a ) 主动朗肯状态的剪切破坏面( b ) 被动朗肯状态的剪切破坏面 ( c ) 用厚尔圆表小主动朗肯状态( d ) 用摩尔圆表不主动朗肯状态 图2 3 半空间的极限平衡状态示意图 当墙体背离土体移动时，如图2 3 ( a ) 所示，则作用在单元体上的竖向应力肛保持 不变，而水平向应力逐渐减小，直至土体达到主动极限平衡状态即主动朗肯状态，仃。达到 最小值仃。，如图2 3 中的圆所示，此时应力圆与土的抗剪强度线相切，土体进入破坏状 态。当墙体向土体方向移动压缩土体，这时作用在单元体上的水平向应力由静止土压力逐 渐增大，直至土体达到极限平衡状态即被动朗肯状态，盯。达最大值盯。，如图2 3 ( c ) 中 的圆所示。土体达到主动和被动极限平衡时所形成的剪切破坏面与水平线的夹角分别为 为( 4 5 0 + 矽2 ) 和( 4 5 0 一矽2 ) ，形成图2 3 ( a ) ( b ) 所示的两簇互相平行的破坏面。 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 朗肯理论的基本假定为： 墙后填土表面水平并无限延伸； 墙本身是刚性的，不考虑墙身的变形； 墙背垂直光滑，不考虑墙背与填土之间的摩擦力。 根据材料力学可知，当土体处于极限平衡状态时，其大小主应力满足如下关系 q = q t a n 2 ( 4 5 。一等) 一2 c x t a n ( 4 5 。一等) ( 2 1 ) 二二 ( 1 ) 主动土压力的计算 -a 斗y 0 , r = 0 一x 8 8 i! 些i ! 些 ( a ) 朗肯主动状态培后土单元应力状态( b ) 无黏性土( c ) 黏性土 图2 4 朗肯主动土压力强度分布图 根据式( 2 1 ) 有：吒= 肛t 锄2 ( 4 5 。一詈) 一2 c t a n ( 4 5 。一詈) ( 2 2 ) 式中：疋= t a n 2 ( 4 5 。一罢) ，称为朗肯主动土压力系数； c 土的黏聚力，k p a ； 矿土的内摩擦角，( 。) 。 对于无黏性土，c ：0 ，则吒= y z x t a n 2 ( 4 5 。一罢) = 7 z x 疋 ( 2 3 ) 从上式可看出，无黏性土的主动土压力强度吒沿墙高呈线性分布，如图2 4 ( b ) 所 示。取单位墙长计算，则主动土压力为：巨= 芝i 胆2 吃，e 作用点距挡墙底面；日处。 对于黏性土，其土压力强度由两部分组成，一部分由于土的自重产生，沿深度z 呈 三角形分布：另一部分( 2 c 疋) 由黏聚力c 引起，该部分为一常量，随深度不变且为负 值。两部分叠加后，在距离填土表面一定深度范围气深度处吒为0 ，该深度称为临界深度： 在深度z o 以上时吒为负值，也就是说墙背和墙后土体之间会产生拉应力，而由于土体实际 e 不能够承受拉应力，故计算中这部分忽略不计。由于临界点处主应力为0 ， 广ifli叫l 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 故令吒= q = 7 z t 锄2 ( 4 5 。一争一2 c t a n ( 4 5 。一詈) = 厂z e 一2 c i = o ( 2 4 ) 脯界深度z o 2 厩2 c ( 2 5 ) 取单位墙长计算，则作用在单位长度挡墙墙背上的主动土压力为： e = 三( 一碳7 h k o 一2 c 压) = 互i 胆2 k 一2 饵百+ 了2 c 2 ( 2 6 ) 黏性土的主动土压力强度吒沿墙高呈线性分布，如图2 4 ( c ) 所示。单位长度挡墙 墙背上的主动土压力( 合力) 乞的作用点位置距挡墙底面( 日一) 3 处。 ( 2 ) 被动十乐力的计笪 z a i 每 i 畦 b i b ( a ) 朗肯被动状态墙后土单元应力状态 l! 些i ( b ) 无黏性土 巨 l ! 些! ! 垫巫 ( c ) 黏性土 图2 5 明肯被动土盐力强度分币图 根据式( 2 1 ) 有= 7 z t 锄2 ( 4 5 。+ 詈) + 2 c t a n ( 4 5 。+ 詈) = y z k p + 2 c 巧 ( 2 7 ) 式中，k ，= t a n 2 ( 4 5 。+ 等) ，称为朗肯被动土压力系数。 对于无黏性土，c = o ，则q = y z xt a n 2 ( 4 5 。+ 等) = 7 z k ， ( 2 8 ) 主动土压力强度吒沿墙高呈线性分布，如图2 5 ( b ) 所示。取单位墙长计算，则被动 土压力为：髟= 互1y 日2 k p ，其作用点在距挡墙底面1 3 日处。 对于黏性土， 对于黏性土，其土压力由土的自重产生的压力和由黏聚力c 引起的土压力叠加后沿墙 高呈梯形分布，如图2 5 ( c ) 所示。取单位墙长计算，则作用在墙背上的被动土压力( 合力) 乓为分布图形的面积 q = i 17 h 2 k p + 2 删石 ( 2 9 ) 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 2 1 2 库仑土压力理论 1 7 7 6 法国学者库仑( c o u l o m b ) 根据挡土墙墙后填土中滑动楔体的力系平衡条件提出了 一种计算土压力的经典理论，称为库仑土压力理论。该理论认为挡土墙后土体达到极限平 衡状态时，将产生一个楔形滑动体，假设滑动破坏面为平面，此时，通过分析破坏面、土 与结构的交界面、土体表面( 也假设为平面) 所包围的楔形体的静力平衡，可以算出支护 结构施加于楔形体的作用力，该力就是挡土墙受到的土压力u “。 该理论计算的基本假定为： 挡土墙是刚性的，墙后土体为均质各向同性的无粘性土( c = 0 ) ； 挡土墙产生主动或被的土压力时，墙后填土形成滑动土楔，其滑裂面为通过墙踵的 平面； 滑动土楔体视为刚体，即本身无变形。 c ( a ) 计算模型( b ) 求解主动士压力的力j 角形( c ) 求解被动土压力的力三角形 图2 6 按库仑理论求解土压力示意图 取土楔体a b c ，在自身重力w ( 矽= 云1b c a d 7 = 主 2c o s ( 占- a ) x e o s ( p - c ) c o s 2e x s i n ( c r 一) ) 、墙背 对楔体的反力e 和滑动面b c 下方土体的反力r 三个力作用下，处于静力平衡状态。 ( 1 ) 主动土压力的计算 根据正弦定律有：丽e 2 五辽两孑钿 2 1 。) 即e ：粤! 翌熙，( 其中沙：9 0 。- ( 万+ s ) ) s m t a + 中一9 ) 式中墙后填土的内摩擦角，( o ) o 墙背倾角( 墙背与铅直线的夹角) ，( o ) ，俯斜时取正号， 万墙背与填土之间的摩擦角，( o ) ，由试验确定。 填土表面的倾角，( o ) ( 2 1 1 ) 仰斜时取负号； rllii叫l 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 对于式( 2 1 1 ) ，仅口为未知量，p , pe = 厂似) ，求e 的最大值，只需竽：0 ，可得滑 a 口 动面的口值，代入公式( 2 1 2 ) 可得： 耻矿1 = 忑瓣c o d ( c 一- 6 ) c o s 2 c 0 s ( 万+ s ) il + r 儿1 ：罗0 泌掣= 祟l 舯耻= 磊陌e o s 2 ( # - 一c ) = 互l7 日2 q ( 2 1 2 ) ，称为库仑主动土压力系数。 当挡土墙满足朗肯理论假设，即墙背垂直( 占= 0 ) 、光滑( 万= 0 ) ，填土面水平( = 0 ) 时，疋= 石丽c o s 2 = 面1 - s i n = t 锄2 ( 4 5 。一萎) ，此时库仑主动土压力与朗肯土压力系数相同。 一：里型咝壁! (n13)15 z1 = 。二_ 二_ 二一 l 式中各符号同前。同理e = f ( t t ) ，求e 的最小值，令等= 0 ，可得滑动面的口值，代 上。2 互1 2 产n 。：c ，。r n 。r cs 、lc 1 。s 2 ( 矽+ e ) ，、，- 1 2 。2j l s l n ( o + 口) ) x s m ( q + p ) 7 j 7 2 j 【，( 2 1 4 ) c 0 s 2 占c o s ( 占一l1 一yc o s p 一万) c o s 忙一ji 式中，k p ：1 兰壁譬兰皇= 二= = j 称为库仑被动土压力系数。 1 c o s 2 蹦c o s c 卜万，i 卜塞 笨竺等瓮l 时，可以用以下三种方法计算土压力1 9 1 2 ： 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 第二种方法把填土的粘聚力折算成为所谓的“等值内摩擦角。所谓等效内摩擦角 方法，就是根据一定的等效原则，将原具有c 、值的黏性土代换成仅具有等值内摩擦角q d 的砂性土，然后用库仑公式求解土压力。以主动土压力计算为例，采用朗肯土压力进行土 压力的计算，则有 e 。= 三17 仃z t 锄2 ( 4 5 。一詈) - 2 c x t 锄( 4 5 。一詈) + 了2 c 2 ( 2 1 5 ) e 2 = i 1 2 t 觚2 ( 4 5 。一粤) ( 2 1 6 ) 根据换算前后的土压力相等令e 。= 色：，则得到等值内摩擦角c d 为 t a n ( 4 5 。一警) = ( 2 1 7 ) 实际工程中，对一般粘性土，“等值内摩擦角 的值按经验取值。但是，“等值内摩擦 角一并非是一个定值，它随墙高而变化，墙高越小，等值内摩擦角越大。如墙高为定值， 则等值内摩擦角将随粘聚力的增加而迅速递增。用一个“等值内摩擦角一来代替填土的实 际抗剪强度，“等值内摩擦角”的取值直接影响到计算的精确性，最妥当的办法是根据土 的值来计算相应的值，而后加以选用。 第三种方法认为，当土的内聚力很小时，可不考虑土的内聚力，这样计算的主动土 压力值偏大，但偏于安全。 2 1 3 朗肯土压力与库仑土压力理论的比较 朗肯理论和库仑理论，均属于极限状态土压力理论，均对实际问题作了一定程度的简 化和假设，这使得其计算结果都存在一定的误差；朗肯理论适用于墙后土体为黏性或非黏 性土，墙背光滑、垂直，墙后填土表面为水平( 水平面或非水平面) 的情况；对于墙背倾 斜、墙背粗糙等情况使用受到限制。库仑理论则可以考虑墙背与土之间的摩擦特性，墙背 倾斜和填土