基坑工程变形性状研究

1、第卷第期年月土木工程学报龇基坑工程变形性状研究俞建霖龚晓南（浙江大学）摘要用空间有限单元法研究了基坑开挖过程中围护结构变形、周围地表沉降、基坑底部隆起的空间分布以及影响围护结构变形的主要因素，并通过杭州市某基坑开挖的工程实例验证丁有限元分析模式的合理性。关词基坑工程围护结构变形地表沉降基坑底部隆起中围分类号：文献标识码：文章编号：（）前言基坑工程是一个古老而又有时代特点的岩土工程课题。随着我国高层、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，而且向着更大、更深的方向发展。由于大量的基坑工程集中在市区，施工场地狭小，周围环境条件复杂，基坑工程不仅要保证围护结构本身

2、的安全，而且要保证周围建（构）筑物的安全和正常使用。因此开展基坑工程变形性状研究，对基坑开挖可能造成的环境影响（主要指位移场）进行预测具有重要意义。基坑工程的变形主要由围护结构位移、周围地表沉降及基坑底部隆起三部分组成。这三者之间存在耦合关系，采用常规分析方法（如等值粱法、弹性地基梁法、山肩邦男法等）很难反映诸多因素的影响，目前多采用数值方法来进行研究。在早期的设计和研究中，人们常常将其简化为二维平面应变问题进行分析“，而实际工程中的基坑是一个具有长、宽、深的三维空间结构，且长度与宽度往往处于同一数量级：近年来，随着人们对基坑工程认识的不断深入，其三维空间性状日益受到人们的关注”。本文研制了能

3、考虑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，并利用无限元来满足边界条件。对基坑开挖引起的围护结构位移、地表沉降、基坑底部隆起等变形性状进行了研究，以推动基坑工程设计理论的发展。收藏日靓：，收碰替改稿日期：国家自然科学基金重点资助（）、地矿部岩土工程开放研究宴验室课聒基金项目（）有限元分析模式（）基坑开挖一般属临时性工程，工期较短，故按不排水条件分析，且不考虑由于围护结构施工对土体扰动的影响。（）围护结构及支撑均按弹性材料考虑。围护结构和土体均采用空间八结点等参元，土体本构关系可采用线弹性模型或非线弹性模型，支撑采用杆单元。（）采用无限元来满足边界条件。对于基坑开挖问题，其

4、真实的边界条件应是无穷远的位移为零，采用常规有限元分析方法难以实现这一点。而采用无限元可通过取有限的甚至很小的计算范围，实现无穷远处位移为零的边界条件；同时可以减少划分网格的数量，从而节约机时，在提高计算精度和速度方面有明显的优越性，这种优越性对于分析三维问题尤为突出。（）由于混凝土和土体的变形模量有很大的差异，为了考虑围护结构与土体之间的共同作用，应在两者之间设置接触面单元。本文采用单元，并将其推广到三维问题。（）空间八结点线性等参元在计算具有弯曲变形一类问题是“过刚”的，也就是说，在相同力偶作用下，计算模型的变形比实际结构的变形要小，如果单元长宽比很大就可能使计算结果失真。采用非协调元在每

5、个单元中引入个附加自由度来改善线性等参元的精度是很有效的，但相应增加了计算量。由于围护结构单元的长宽比和模量较大，易产生过刚现象，可采用非协调元；而对于土体单元则可采用线性等参元。这样既可减小计算量，又不失精度。本文所采用的无限元、三维接触面单元、非协调元的表达式详见文献，在此从略。第卷第期童小东等水泥土的弹塑性损伤试验研究基于以上模式，作者研制了考虑基坑开挖的空间效应、土与结构物相互作用及施工过程的基坑工程三维有限元分析程序。基坑工程的三维变形性状分析 本节主要讨论基坑开挖过程中围护结构位移、地表沉降、基坑底部隆起的空间分布效应，探讨基坑周围地表沉降曲线的形式以及影响围护结构位移的主要因素。

6、标准算例取基坑长度，宽度，开挖深度；围护结构采用地下连续墙（不考虑竖向接缝），厚度，插入深度为，弹性模量折减后取，泊松比。支撑弹性模量为，共设有两层支撑，第一层支撑中心位于地表下，截面为，第二层支撑中心位于地表下，截面为，支撑水平问距均为，暂不考虑围囹的作用。为了便于寻找定性规律，土体采用线弹性模型，。基坑分三次开挖进行：第一步悬臂开挖至地表下，设置第一层支撑后进行第二步开挖至地表下，接着设置第二层支撑进行第三步开挖至坑底。因基坑平面形状为矩形，利用对称性，取其四分之一进行计算。三维有限元网格划分见图。图有限元网格划分图。围护结构位移的空间分布图为围护结构的水平位移放大倍后的空间分布图。由图中

7、可见：在基坑深度方向上，围护结构的晟大水平位移发生在基坑底部附近；在沿基坑边方向上，基坑边角处围护结构的水平位移较小，随后逐步增大至基坑中部达到最大值。但位移的变化率有明显的差异：在基坑边角附近约（）处，由于图基坑底部隆起分布图周围地表沉降的空间分布基坑周围的地表沉降曲线可分为“三角形”（即最大沉降点位于基坑边）和“凹槽形”（即最大沉降点离基坑边尚有一定距离）。大量的工程实测资料和数值分析“均表明：对于基坑中部的沉降曲线而言，悬臂开挖时地表沉降曲线为“三角形”，而随着支撑的设置和基坑的开挖，新增的地表沉降曲线为“凹槽土木工程学报正形”，最终的地表沉降曲线即为两者的迭加。前者占主导地位，则最终沉

8、降曲线为“三角形”，反之则为“凹槽形”。如图所示（图中为该点到基坑边的距离），由于本算例第一步悬臂开挖的深度较大，基坑中部（）附近的最终地表沉降曲线为“三角形”，而在基坑角点附近（）由于另一侧围护结构和土体的约束作用，其地表沉降曲线为“凹槽形”。如采用悬臂式围护结构进行分析，其角点附近的沉降曲线仍为“凹槽形”“。由图还可见基坑中部剖面的地表沉降量最大，而角点处的地表沉降量较小。基坑底部隆起的空间分布图为基坑底部隆起的空间分布图。从图中可以发现：由于围护结构的约束作用，基坑围护结构附近的隆起值小于基坑中部的隆起值；但前者的增长速率大于后者。影响围护结构水平位移的主要因素对于一个基坑工程，其地质条

9、件和几何尺寸是已知的，影响围护结构水平位移的因素主要包括围护结构刚度、支撑刚度、压顶粱和围图刚度、支撑高度及层数、支撑水平间距等。围护结构刚度的影响图反映了围护结构刚度变化对围护结构最大水平位移的影响，图中横坐标表示所取算例与标准算例围护结构剐度之比。由图可见：增大围护结构剐度可以有效地减小围护结构的水平位移，但其作用随着刚度的增大逐渐减弱，且大大增加了工程费用。袖疆牛×一护结构删度比图围护结构刚度对最大水平位移的影响支撑刚度的影响由图（图中横坐标表示所取算例与标准算例支撑刚度之比）可见：在一定范围内增大支撑刚度可以有效地减小围护结构的水平位移，但随着支撑刚度的增大，位移的变化率减小

10、，并逐步趋近于零，其间存在一临界刚度比（图中为，与之对应的支撑截面为×）。袖坦斗丁：兰寸一十一：一山支掉刚座比图支撑刚度对最大水平位移的影响图压顶梁、围圈刚度对最大水平位移的影响压顶梁和围圈刚度的影响为简化起见。取压顶梁和两道围圈截面尺寸相同。图反映了压顶梁和围图刚度变化对围护结构最大水平位移的影响，图中横坐标表示所取算例的压顶梁、围圈刚度与标准算例中单位高度围护结构刚度之比。由图可见：增大压顶梁、围圉刚度可减小围护结构水平位移，但其作用随着刚度的增大而逐渐减弱。对比图一图可以发现：增大支撑、压顶梁、围图刚度减少围护结构位移的效果不如增大围护结构刚度显著，但由于前三者工程量小，造价低

11、，其经济性比后者要好得多。在实际工程中可优先考虑前三者。支撑的高度及层数图反映了不同支撑高度及层数对基坑中剖面（）围护结构水平位移的影响（支撑高度用支撑中心到地表距离表示），图中各算例支撑的高度及层数见表。裹各算倒支撑高度及层数第卷第期俞建霖等基坑工程变形性状研究由图可见：）支撑布置的高度及层数对围护结构位移有显著影响，其程度比围护结构刚度、支撑刚度、压顶梁和围囹刚度要大得多，因此在工程中应当慎重决策；）算例与算例同为两层支撑，但算例的水平位移小于算例。这说明在多层支撑围护体系中，要有效地控制围护结构的水平位移应提高第一层支撑的高度，减少悬臂开挖部分的深度；）算例和箅例均为一层支撑，但两者的位

12、移曲线截然不同。算例支撑设置较低，位移曲线呈上大下小类似于悬臂式围护结构的位移曲线；算例支撑设置较高最大水平位移发生在开挖面附近，届比较典型的带撑围护结构位移曲线。图支撑设置对置剖面水平位移的影响水平位移）图支撑水平问距对剖面水平位移的影响支撑水平间距的影响由图可见，减小支撑的水平间距，相对于提高了整个围护体系的整体刚度，可以减小围护结构的水平位移。由于围护结构的位移与周围地表沉降量、基坑隆起之间存在一定的耦合关系随着围护结构位移增大，基坑周围地表沉降量不断增大，而基坑隆起则略有增加。因此通过上述分析也可推断出各因素对地表沉降量和基坑隆起的影响，本文从略。工程实例分析杭州市某高层公寓基坑平面为

13、×的狭长矩形（图），开挖深度。围护结构主要采用唾沉管灌注桩排桩墙加现浇钢筋混凝土支撑体系。钢筋混凝土支撑中心位于地表下，水平间距约，截面为。在基坑底部局部土体采用水泥搅拌桩进行改良，加固区宽度为，深度为。土体模型采用非线弹性模型，地基各土层分布及模型计算参数见表。）沉管灌注桩排桩墙按等刚度原则转化为地下连续墙，弹性模量，。水泥搅拌桩加固区弹性模量，。在基坑开挖过程中进行深层土体水平位移的监测，共埋设了根浏斜管（），测斜管的平面布置如图所示。图一图分别为、孔的水平位移曲线。从图中可以发现：（）两测斜孔按三维问题分析的水平位移计算值与实测值均吻合得较好；（）由于基坑属狭长条形，因此孔按二

14、维和三维问题分析的结果与实测值都较接近，而孔按二维问题分析的水平位移比按三维问题分析的结果和实测值都要大得多。由此说明基坑工程进行三维分析是很有必要的。（）通过此工程实例也验证了本程序有限元分析模式的合理性。裹各土层分布及模型计算参数；§堂一§哑！鲤上丑蚀上盘虹图基坑平面布置囝剩划镪土木工程学报正结论水平位移（）图孔水平位移曲线（）围护结构的水平位移、地表沉降和基坑底部隆起的分布具有明显的空间效应：基坑边角处变形较小，随后逐步增大，至基坑中部达到最大值。（）基坑中部剖面的地表沉降曲线可能为“三角形”或“凹槽形”，而角点处剖面的地表沉降曲线始终为“凹槽形”。（）影响围护结构水平位移的主要因素包括围护结构刚度、支撑刚度、压顶梁和围图刚度、支撑高度及层数、支撑水平间距等，其中支撑高度及层数影响最为显著，在工程中应慎重决策。增大围护结构刚度、支撑刚度、压顶粱和围囹刚度均可减小围护结构的水平位移，前者效果最好，但经济性差，设计施工中可优先考虑后三者；减小支撑水平间距可以有效减水平位咎（啪）圉孔水平位移曲线小围护结构的水平位移。（）通过对杭州市某基坑的工程实例分析证明了基坑工程进行三维分析是很有必要的，同时也证明了作者所采用计算模式的合理性。参考文献曾国熙，潘秋元，胡一峰软粘土地基基坑开挖性状的研究岩土工程学报，（