（巖土工程專業(yè)論文）基于變形控制的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)研究.pdf

湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 隨著我國(guó)改革開(kāi)放和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，城市地下空間的開(kāi)發(fā)利用已經(jīng)成 為各大型城市的熱點(diǎn)，而地下空間的開(kāi)發(fā)利用基本上都是與基坑開(kāi)挖相聯(lián)系的。 由于受到周圍環(huán)境的限制，必須防止基坑開(kāi)挖過(guò)程可能引起周圍建筑的變形。目 前基坑開(kāi)挖設(shè)計(jì)已逐步由強(qiáng)度控制轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃慰刂?，如何有效控制基坑變形，?基坑工程既安全又合理，是人們一直探索的課題。在進(jìn)行變形控制設(shè)計(jì)中，變形 預(yù)測(cè)分析是基礎(chǔ)，而尋找能準(zhǔn)確計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)位移的基坑工程設(shè)計(jì)方法，是問(wèn)題 的關(guān)鍵。但是，當(dāng)前在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和模型的選取、參數(shù)的準(zhǔn)確與可靠性等方面和工 程的要求還有差距，有待進(jìn)一步完善。基于這些問(wèn)題，本文采用綜述比較、理論 分析、計(jì)算模擬等方法，對(duì)基坑支護(hù)變形控制設(shè)計(jì)理論進(jìn)行初步的研究，本文的 主要工作為： ( 1 ) 詳細(xì)研究了基坑工程發(fā)展現(xiàn)狀，綜述了基坑支護(hù)設(shè)計(jì)常用設(shè)計(jì)方法，分 析各種設(shè)計(jì)理論的適用性。 ( 2 ) 選取d r u c k e r - p r a g e r 理想彈塑性本構(gòu)模型采用二維連續(xù)介質(zhì)有限元法對(duì) 支護(hù)樁的水平位移做預(yù)測(cè)分析并結(jié)合工程的實(shí)測(cè)位移資料檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果的可靠 性。 ( 3 ) 并對(duì)變形控制理論作了初步的概括與總結(jié)，基于變形控制為主線，結(jié)合 工程實(shí)例中應(yīng)用的一些變形控制的設(shè)計(jì)、施工措施，通過(guò)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算來(lái)驗(yàn) 證所采用措施的可行性。 關(guān)鍵詞：基坑支護(hù)施工監(jiān)測(cè)變形預(yù)測(cè)變形控制 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t w i t ht h ec h i n e s ee c o n o m yg r o w i n ga taf a s tp a c e ，u t i l i z i n gu n d e r g r o u n ds p a c e h a sb e c o m ean e wf o c u sf o rm u n i c i p a ld e v e l o p m e n t ，i tf u n d a m e n t a l l yr e l a t e sw i t h e x c a v a t i o no ft h ef o u n d a t i o np i t ，d u et ot h el i m i t a t i o n o ft h es u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t ， c u r r e n te x c a v a t i o nd e s i g nh a sg r a d u a l l ys h i f t e df r o ms t r e n g t hc o n t r o lt od e f o r m a t i o n c o n t r 0 1 h o we f f e c t i v e l yc o n t r o ld e f o r m a t i o no ff o u n d a t i o np i ta n dm a k ef o u n d a t i o n p i te n g i n e e r i n gs a f ea n ds t a b l e ，ist h et a s tt h a tp e o p l ea l w a y sp r o b e d s i g no n d e f o r m a t i o nc o n t r o l l i n gm u s tb eb a s e do na n a l y s i so fd e f o r m a t i o nf o r e c a s t t h ek e y t ot h ep r o b l e mi si t i sn e c e s s a r yt of i n da na p p r o a c ht oc a l c u l a t ed e f o r m a t i o no f s u p p o r t i n gs t r u c t u r ei nd e e pf o u n d a t i o np i t c u r r e n t l yt h ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t y o fd e s i g nd a t a 、m o d e la n dp a r a m e t e rn e e df u r t h e rr e s e a r c h e s d i f f e r e n tm o d e ls e l e c t i o n w i l lt os o m ee x t e n ti m p a c to np r e d i c t i o nr e s u l t sf o rt h e s ep r o b l e m s ，t h ea r c t i c l ew i l l a d o p tc o m p r e h e n s i v ed e s c r i p t i o na n dc o m p a r i s o n ，t h e o r ya n a l y s i sa n dc o m p u t a t i o n a l s i m u l a t i o nt oh a v eap r e l i m i n a r yr e s e a r c ho nd e f o r m a t i o nc o n t r o l l i n go fs u p p o r t i n g s t r u c t u r ei nd e e pf o u n d a t i o np i t m a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) d e e pf o u n d a t i o np i te x c a v a t i o na n ds u p p o r t i n gi sd i s c u s s e di nd e t a i l ， g e n e r a ld e s i g nm e t h o d sf o rf o u n d a t i o n p i ts u p p o r t i n gd e s i g n a r ea l s o s u m m a r i z e d ，a n a l y z et h ea p p l i c a b i l i t yo fd i f f e r e n td e s i g nt h e o r i e s ( 2 ) a r c t i c l ec h o s e sd r u c k e r p r a g e ri d e a l e l a s t o p l a s t i cm o d e lt of o r e c a s t d e f o r m a t i o no fs u p p o r t i n gp il e b yu s i n gt w od i m e n t i o n a lc o n t i n u o u s m e d i u m f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，t h e nu s et h ee n g i n e e r i n gp r o j e c t sa n dt h et e s t i n gd a t at oc h e c kt h e r e l i a b i l i t yo fc a l c u l a t e dr e s u l t s ( 3 ) a n a l y s i sv a r i o u sc o m m o nd e s i g nm e t h o d so ff o u n d a t i o np i t ，m e a n w h i l e ，g e t p r e l i m i n a r yg e n e r a l i z a t i o na n ds u m m a r i z eo fd e f o r m a t i o nc o n t r o lt h e o r y t a k i n g d e f o r m a t i o nc o n t r o lt ob em a i nli n e i nc o m b i n a t i o ns o m eo fd e f o r m a t i o nc o n t r o la n d d e s i g nm e a s u r e sw i t hp r o j e c te x a m p l e ，v e r i f yi t sf e a s i b i l i t y t h r o u g hd e s i g n c a l c u l a t i o no fs u p p o r t i n gs t r u c t u r e k e yw o r d s ：f o u n d a t i o np i ts u p p o r t i n g c o n s t r u c t i o nm o n i t o r i n g d e f o r m a t i o np r e d i c t i o nd e f o r m a t i o nc o n t r o l i i 湘彬j 案大學(xué) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取 得的研究成果。除文中已經(jīng)標(biāo)明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng) 發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果。對(duì)本文的研究做出貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均己在文中以明確方 式標(biāo)明。本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名：佗缸綽 日期： 如a 8 年亨月z 貊 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留 并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授 權(quán)湖北工業(yè)大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采 用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 學(xué)位論文作者簽名：位血i 傴 日期：弘返年s 月2 8 日 懶：f 可哆 日期：2 0 。8 年s 月1 8 日 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章前言帚一早刖苗 1 1 選題依據(jù)與研究目的 目前，我國(guó)城市化建設(shè)進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展時(shí)期，城市的數(shù)量、規(guī)模以及人 口都有了巨大的增長(zhǎng)。面對(duì)城市化建設(shè)日益發(fā)展和城市土地資源日趨緊張的矛盾， 人們不得不向地上和地下空間發(fā)展。但無(wú)論是向上還是向下發(fā)展利用空間，都必 然帶來(lái)大規(guī)模的基坑工程。高層建筑的建造，大型市政和城市軌道交通中地下車 站的施工及大量地下空間的開(kāi)發(fā)，伴隨而來(lái)的是深基坑工程大量涌現(xiàn)，并且具有 以下顯著特征： ( 1 ) 基坑工程正向大深度、大面積方向發(fā)展，有的長(zhǎng)度和寬度均超過(guò)百余米， 工程規(guī)模日益增大； ( 2 ) 基坑工程大多位于鬧市區(qū)，施工場(chǎng)地狹窄，場(chǎng)區(qū)周圍常有大量的相鄰建筑， 地下常常埋設(shè)了大量的城市市政設(shè)施，對(duì)基坑穩(wěn)定和變形控制的要求很嚴(yán)； ( 3 ) 設(shè)計(jì)方案眾多，地區(qū)性特點(diǎn)突出?；又ёo(hù)方法眾多，如重力式擋上墻， 板樁墻，地下連續(xù)墻，樁錨支護(hù)，土釘墻等等。各地地質(zhì)條件差異較大，采用的 基坑支護(hù)方法具有較強(qiáng)的地區(qū)特點(diǎn)； ( 4 ) 基坑工程包含支撐、圍護(hù)、防水、降水、土方開(kāi)挖等多方面，且這幾方面 緊密相聯(lián)系，其中的某一環(huán)節(jié)失效將導(dǎo)致整個(gè)工程的失??； ( 5 ) 深基坑工程屬于地下工程，由于場(chǎng)區(qū)的工程地質(zhì)，水文地質(zhì)條件具有復(fù)雜 性，不均勻性，巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)變化比較大，造成了勘察所得的數(shù)據(jù)離散 性很大，難以代表土層的總體情況，并且精度較低，同時(shí)由于巖土體的物理力學(xué) 性質(zhì)會(huì)隨著施工的進(jìn)行而發(fā)生變化，這就加大了基坑工程設(shè)計(jì)和施工的難度。 在深基坑工程建設(shè)迅速發(fā)展的同時(shí)，深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與施工成為了我國(guó)各大 城市基本建設(shè)工程中的重要關(guān)鍵問(wèn)題。基坑事故也頻繁發(fā)生：根據(jù)基坑工程事故 的統(tǒng)計(jì)分析，基坑工程事故占基坑總數(shù)的1 4 以上【l 】，事故主要表現(xiàn)有以下兩方面 的問(wèn)題：一是深基坑支護(hù)體系失穩(wěn)；二是基坑變形超出了周邊環(huán)境的承受范圍， 引起周圍環(huán)境的顯著變化，使得基坑周邊的建筑設(shè)施發(fā)生破壞，道路出現(xiàn)裂縫， 甚至地下管線變形斷裂，造成嚴(yán)重的后果。因此，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)除滿足自身強(qiáng)度 要求外，還須滿足變形要求，將基坑周邊土體的變形控制在允許范圍之內(nèi)，保證 基坑周圍的建筑物和管線的正常使用要求。 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 當(dāng)前，深基坑工程由傳統(tǒng)的強(qiáng)度控制設(shè)計(jì)向變形控制設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變，尤其是在軟 土地區(qū)，強(qiáng)度控制設(shè)計(jì)己不能滿足基坑工程的需要。如何根據(jù)場(chǎng)地的工程地質(zhì)條 件，環(huán)境條件，制定合理的支護(hù)設(shè)計(jì)方案，在保證基坑穩(wěn)定性的前提下，以變形 控制為目標(biāo)，設(shè)計(jì)安全合理的支護(hù)方案，使得支護(hù)體系與周邊環(huán)境對(duì)基坑變形的 要求相適應(yīng)，已成為基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)【引。 本文正是基于這一指導(dǎo)思想，以變形控制為主線，對(duì)變形控制設(shè)計(jì)理論作初 步的探討。 1 2 該領(lǐng)域研究現(xiàn)狀 1 2 1 深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)類型 目前，我國(guó)的支護(hù)技術(shù)在借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，提 出了多種支護(hù)形式應(yīng)用于各種不同的工程項(xiàng)目中。盡管形式眾多，但工程界一直 沒(méi)有統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，以下從幾個(gè)方面對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單分類。 ( 1 ) 根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)來(lái)分，主要有：重力式擋土結(jié)構(gòu)、墻板式支護(hù) 結(jié)構(gòu)( 包括地下連續(xù)墻、板樁及樁板) 、排樁式支護(hù)結(jié)構(gòu)、錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)、土釘支 護(hù)及噴錨支護(hù)。 ( 2 ) 根據(jù)減小基坑側(cè)移變形的方法，可將支護(hù)結(jié)構(gòu)分為撐式支護(hù)和錨式支護(hù) 兩種。撐式支護(hù)是在坑內(nèi)設(shè)置一道或幾道鋼管或鋼筋混凝土支撐，以達(dá)到增強(qiáng)支 護(hù)結(jié)構(gòu)整體剛度和穩(wěn)定性的目的；錨式支護(hù)則采用一道或幾道錨桿或錨索的拉結(jié) 來(lái)增強(qiáng)支護(hù)體系的穩(wěn)定性，減小支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。 ( 3 ) 從被支護(hù)土體的作用機(jī)理，可將支護(hù)分為被動(dòng)支護(hù)( 亦稱外部支護(hù)、支 擋式支護(hù)) 和主動(dòng)支護(hù)( 亦稱內(nèi)部支護(hù)、加固型支護(hù)) 兩種。前面所述的重力式擋土 結(jié)構(gòu)、墻板式支護(hù)結(jié)構(gòu)、排樁式支護(hù)結(jié)構(gòu)屬于外部支護(hù)，被支護(hù)土體被視為作用 于擋土結(jié)構(gòu)的主要荷載；錨桿支護(hù)、土釘支護(hù)及噴錨支護(hù)等屬于內(nèi)部支護(hù)，被支 護(hù)土體既是荷載也是承載結(jié)構(gòu)的一部分。 通常，土釘支護(hù)、錨噴支護(hù)、重力式擋墻等多用于土質(zhì)較好、開(kāi)挖深度不超 過(guò)6 m 的基坑，樁排支護(hù)、板樁支護(hù)、地下連續(xù)墻支護(hù)等多用于上質(zhì)較差、開(kāi)挖 深度超過(guò)6 m 的深基坑。另外，各種方法也可組成復(fù)合式支護(hù)方法。表1 1 列出了 一些常見(jiàn)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)類型。 基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)主要承受基坑開(kāi)挖卸荷所產(chǎn)生的土壓力和水壓力，是穩(wěn)定基 坑的一種臨時(shí)支擋結(jié)構(gòu)。支護(hù)結(jié)構(gòu)的選型應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況，基坑開(kāi)挖深度，周圍 環(huán)境要求，工程功能，當(dāng)?shù)氐某Ｓ檬┕すに囋O(shè)備以及經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件綜合考慮，因 2 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 地制宜地選擇支護(hù)結(jié)構(gòu)類型。支護(hù)結(jié)構(gòu)選型還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的空問(wèn)效應(yīng)和受力特點(diǎn)， 采用有利于支護(hù)結(jié)構(gòu)材料受力性狀的型式。 針對(duì)不同的基坑工程狀況，其支護(hù)結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮，其選擇依據(jù)一般包 括【q ： ( 1 ) 基坑的幾何尺寸，基坑場(chǎng)地的形狀，深度和寬度； ( 2 ) 支護(hù)結(jié)構(gòu)所受的土壓力，地面超載等； ( 3 ) 基坑范圍及周邊的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況，包括勘察資料，勘察數(shù)據(jù)， 測(cè)試方法，力學(xué)參數(shù)及試驗(yàn)方法，地下水情況及其分布等： ( 4 ) 環(huán)境條件，基坑所在地及周圍的地區(qū)性質(zhì)、基坑周圍建筑物狀況、公用 表1 1 常見(jiàn)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的適用條件及特點(diǎn) 3 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 設(shè)施分布及地下構(gòu)筑物管線狀況、交通狀況及道路狀況、周邊水域狀況以及周 邊環(huán)境對(duì)施工振動(dòng)、位移的承受能力等： ( 5 ) n 家及地區(qū)現(xiàn)行有關(guān)的設(shè)計(jì)、施工技術(shù)規(guī)范、規(guī)程； ( 6 ) 相似基坑工程的成熟經(jīng)驗(yàn)；地方經(jīng)驗(yàn)等。 1 2 2 深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)研究 基坑工程是基礎(chǔ)和地下工程施工中的一個(gè)古老而又有時(shí)代特點(diǎn)的巖土工程課 題，同時(shí)又是一個(gè)綜合性的巖土工程難題，既涉及到土力學(xué)中典型強(qiáng)度問(wèn)題，又 包含了變形問(wèn)題，同時(shí)還涉及到土與支護(hù)結(jié)構(gòu)的共同作用問(wèn)題。對(duì)于這些問(wèn)題的 認(rèn)識(shí)及其對(duì)策的研究，是隨著土力學(xué)理論、計(jì)算技術(shù)、測(cè)試儀器以及施工機(jī)械、 施工工藝的進(jìn)步而逐步完善的。 放坡開(kāi)挖和簡(jiǎn)易木樁圍護(hù)可以追溯到遠(yuǎn)古時(shí)代，人類土木工程活動(dòng)促進(jìn)了基 坑工程的發(fā)展。隨著我國(guó)城市化的進(jìn)程不斷加速，對(duì)地下空間的利用也愈加重視。 特別是到了本世紀(jì)，隨著高層和超高層建筑的發(fā)展，以及人們對(duì)地下空間的開(kāi)發(fā) 和利用日益增多，基坑工程不僅數(shù)量增多，而且向更大、更深的方向發(fā)展。由于 大量的基坑工程集中在市區(qū)，施工場(chǎng)地狹小，施工條件復(fù)雜，基坑圍護(hù)體系不僅 要保證基坑及圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身的安全，而且還要保證周圍建筑物和市政設(shè)施的安全 以及正常使用，也就是說(shuō)基坑還存在著環(huán)境效應(yīng)的問(wèn)題。因此對(duì)基坑工程的要求 越來(lái)越高，出現(xiàn)的問(wèn)題也越來(lái)越多。由此促進(jìn)了基坑開(kāi)挖技術(shù)的研究與發(fā)展，產(chǎn) 生了許多先進(jìn)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法和施工工藝。 從8 0 年代初開(kāi)始我國(guó)逐漸深入深基坑設(shè)計(jì)與施工領(lǐng)域，為保證基坑工程施工 的安全，中國(guó)建筑科學(xué)研究院、建設(shè)部及各地方建委組織有關(guān)專家編寫了巖土 工程勘察規(guī)范【3 1 、建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程【4 】等，許多地方行政主管部門出臺(tái) 了相關(guān)的基坑支護(hù)的強(qiáng)制性規(guī)定。不少專家針對(duì)基坑工程現(xiàn)狀，相繼提出了各自 的新理論和新方法，如王步云提出的土釘設(shè)計(jì)王步云法【5 1 ，秦四清提出的支護(hù)結(jié)構(gòu) 優(yōu)化設(shè)計(jì)理論【6 】，以及其他學(xué)者提出的有限元分析理論【川們、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)支 護(hù)系統(tǒng)變形理論【1 1 川4 j 等。另外，同濟(jì)啟明星科技公司推出的“啟明星基坑支護(hù)分 析計(jì)算軟件 ，北京理正軟件公司推出的“理正深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件”，北京 中航勘察設(shè)計(jì)研究院推出的“大力神軟件，武漢中南勘察設(shè)計(jì)院推出的“天漢 等商業(yè)化軟件已在各地深基坑工程中得到廣泛應(yīng)用。 1 2 3 變形控制設(shè)計(jì)理論 對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，其工作的極限狀態(tài)有兩種，一是強(qiáng)度破壞狀態(tài)，即支護(hù) 4 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度破壞：二是失效狀態(tài)，即支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度尚未破壞，但由于變形過(guò)大，而使 支護(hù)體系失去了實(shí)際意義或由于變形過(guò)大而對(duì)周圍環(huán)境造成了一定程度的危害。 因此，變形控制設(shè)計(jì)的基本思想就是在支護(hù)結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度的前提條件下，尚需滿足 使用要求，即基坑在施工過(guò)程中，既要保證安全、不失穩(wěn)，又要保證對(duì)周圍環(huán)境不造 成破壞性影響【l5 1 。 從技術(shù)發(fā)展的角度來(lái)講，基坑設(shè)計(jì)正在經(jīng)歷由強(qiáng)度控制設(shè)計(jì)向變形控制設(shè)計(jì) 過(guò)渡的階段【1 6 】。變形控制沒(méi)有引起重視的原因有兩個(gè)方面：( 1 ) 常規(guī)設(shè)計(jì)方法對(duì)支 護(hù)結(jié)構(gòu)及基坑周圍土體的變形不能給出相應(yīng)的解答，變形控制無(wú)從談起；( 2 ) 早期 的基坑規(guī)模小，開(kāi)挖深度淺，周邊環(huán)境條件簡(jiǎn)單，周邊建( 構(gòu)) 筑物和管線少， 土壓力問(wèn)題與基坑變形分析影響程度小；但目前的基坑越來(lái)越深，周邊環(huán)境條件 越來(lái)越嚴(yán)峻，這也是將變形控制提上日程的主要原因。 張欽喜【1 7 】等深入探討了變形控制設(shè)計(jì)，提出了變形控制設(shè)計(jì)的基本思想：支 護(hù)結(jié)構(gòu)在滿足強(qiáng)度要求的前提下，尚需滿足其使用要求。即基坑在施工過(guò)程中既 要保證其安全、不失穩(wěn)，又要保證其對(duì)周圍環(huán)境不造成破壞性的影響；作者還對(duì) 變形控制設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容和變形控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了討論。 劉建航、候?qū)W淵【l8 】將基坑變形控制標(biāo)準(zhǔn)分為4 個(gè)保護(hù)等級(jí)。 李云安、葛修潤(rùn)等 1 9 - 2 0 】深入探討了影響基坑變形的多種實(shí)質(zhì)性狀態(tài)變量，給 出了影響基坑變形的主要因素，并將其作為在變形控制的重要內(nèi)容，編制了有限 元模擬程序，取得了一定成果。 1 3 存在的問(wèn)題 ( 1 ) 目前的基坑工程設(shè)計(jì)中，大多是采用強(qiáng)度控制，對(duì)基坑變形考慮較少。但 對(duì)于許多基坑工程來(lái)說(shuō)，并不是僅僅需要足夠的承載能力，而還應(yīng)控制變形，保 證基坑的建筑、道路、管線等的正常使用。如何預(yù)測(cè)基坑變形，如何在設(shè)計(jì)中將 基坑變形控制在一定的范圍，這方面的研究工作急待深入。 ( 2 ) 現(xiàn)在的設(shè)計(jì)計(jì)算方法將土壓力作為一個(gè)確定荷載作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上，其值 和分布規(guī)律不隨支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形而發(fā)生變化，沒(méi)有考慮到土與結(jié)構(gòu)的相互作用， 這種假定和工程實(shí)際是不符合的。 ( 3 _ ) 土與結(jié)構(gòu)相互作用方面的研究還不夠深入，如何考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度、土體 剛度等對(duì)基坑變形、土壓力的影響等，都是基坑工程設(shè)計(jì)工作中急待解決的問(wèn)題。 ( 4 ) 數(shù)值模擬技術(shù)在基坑工程中得到了廣泛的運(yùn)用，但分析的結(jié)果大多與實(shí)際 工程有較大出入，還只能僅僅作為一個(gè)參考。如何通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)資料的分析來(lái)確定 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 計(jì)算參數(shù)，使得計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況較為吻合，以預(yù)測(cè)下一個(gè)工況的內(nèi)力和變形 或者相類似的基坑工程的內(nèi)力和變形。這方面也需要進(jìn)一步的研究和經(jīng)驗(yàn)的積累。 4 本文的主要工作 隨著我國(guó)改革開(kāi)放和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，城市地下空間的開(kāi)發(fā)利用已經(jīng) 成為各大型城市的熱點(diǎn)，而地下空間的開(kāi)發(fā)利用基本上都是與基坑開(kāi)挖相聯(lián)系的。 由于受到周圍環(huán)境的限制，必須防止基坑開(kāi)挖過(guò)程可能引起周圍建筑的變形。目 前基坑開(kāi)挖設(shè)計(jì)己逐步由強(qiáng)度控制轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃慰刂?，如何有效控制基坑變形，?基坑工程既安全又合理，是人們一直探索的課題。在進(jìn)行變形控制設(shè)計(jì)中，變形 預(yù)測(cè)分析是基礎(chǔ)，而尋找能準(zhǔn)確計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)位移的基坑工程設(shè)計(jì)方法，是問(wèn)題 的關(guān)鍵。但是，當(dāng)前在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和模型的選取、參數(shù)的準(zhǔn)確與可靠性等方面和工 程的要求還有差距，有待進(jìn)一步完善。基于這些問(wèn)題，本文采用綜述比較、理論 分析、計(jì)算模擬等方法，對(duì)基坑支護(hù)變形控制設(shè)計(jì)理論進(jìn)行初步的研究，本文的 主要工作為： ( 1 ) 詳細(xì)研究了基坑工程發(fā)展現(xiàn)狀，綜述了基坑支護(hù)設(shè)計(jì)常用設(shè)計(jì)方法，分 析各種設(shè)計(jì)理論的適用性。 ( 2 ) 選取d r u c k e r - p r a g e r 理想彈塑性本構(gòu)模型采用二維連續(xù)介質(zhì)有限元法對(duì) 支護(hù)樁的水平位移做預(yù)測(cè)分析并結(jié)合工程的實(shí)測(cè)位移資料檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果的可靠 性。 ( 3 ) 并對(duì)變形控制理論作了初步的概括與總結(jié)，基于變形控制為主線，結(jié)合 工程實(shí)例中應(yīng)用的一些變形控制的設(shè)計(jì)、施工措施，通過(guò)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算來(lái)驗(yàn) 證所采用措施的可行性。 6 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 1 引言 第二章深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)理論 在基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中，確定了支護(hù)結(jié)構(gòu)型式之后，選擇正確的計(jì)算模型進(jìn)行設(shè) 計(jì)計(jì)算是至關(guān)重要的。目前常用的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算方法大致可分為三類。第一 類是常規(guī)設(shè)計(jì)方法( 極限平衡法) ；第二類稱為彈性抗力法；第三類是有限元法。 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先需要知道作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土、水壓力，土壓力是作用 于支護(hù)結(jié)構(gòu)上的主要荷載，特別在大型基坑的開(kāi)挖中能較正確地估計(jì)土壓力，對(duì) 于確保工程的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)與順利施工具有十分重要的意義。在實(shí)際中應(yīng)用中，使用 較多的還是使用朗肯( r a n k i n e ) 和庫(kù)侖( c o u l o m b ) 理論來(lái)計(jì)算土壓力。 2 土壓力理論 2 1 2 3 2 2 1 土壓力分類 在基坑工程的設(shè)計(jì)和施工中，常要設(shè)置臨時(shí)的支擋結(jié)構(gòu)來(lái)維護(hù)開(kāi)挖邊坡的穩(wěn) 定。土壓力是作用于支擋結(jié)構(gòu)的主要荷載，在大型基坑的支護(hù)設(shè)計(jì)中，正確地估 計(jì)土壓力，對(duì)于確保基坑工程的安全和順利施工具有十分重要的意義。 土壓力是土體因自重或外荷載作用對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的側(cè)向壓力，是土與支護(hù) 結(jié)構(gòu)相互作用的結(jié)果，與支護(hù)結(jié)構(gòu)的形式、剛度、變位、土與結(jié)構(gòu)的接觸條件以 及支護(hù)結(jié)構(gòu)受到的約束等有密切關(guān)系。土壓力的大小與土體的變形有關(guān)，在土體 達(dá)到破壞狀態(tài)之前，土壓力的大小是難以確定的；在土體達(dá)到破壞狀態(tài)時(shí)，由于 變形土體內(nèi)各點(diǎn)很難同時(shí)進(jìn)入極限平衡狀態(tài)，土壓力計(jì)算也帶有一定程度的不確 定性。盡管如此，在分析土壓力的時(shí)候，通常認(rèn)為土體處于理想破壞狀態(tài)，一方 面是為了應(yīng)用方便，另一方面是因?yàn)殡y以得到具有較高可靠性的土性參數(shù)。傳統(tǒng) 的計(jì)算按支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的方向及大小存在三種極限狀態(tài)，分別為主動(dòng)土壓力狀態(tài)、 靜止土壓力狀杰、被動(dòng)土壓力狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的土側(cè)壓力分別為主動(dòng)土壓力、靜止土 壓力、被動(dòng)土壓力。 靜止土壓力e o ：擋土墻在土側(cè)壓力作用下，產(chǎn)生位移前處于靜止?fàn)顟B(tài)，作用 在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力稱為靜止土壓力。 主動(dòng)土壓力e ：擋土墻在土側(cè)壓力作用下，向基坑內(nèi)移動(dòng)或繞前趾向基坑內(nèi) 轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)位移達(dá)到一定值時(shí)，墻后土體形成滑裂面，應(yīng)力達(dá)到極限平衡狀態(tài)，土 7 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 壓力達(dá)到最小值，稱為主動(dòng)土壓力。 被動(dòng)土壓力e 。：擋土墻在外荷載作用下，向基坑外移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，土體抗力增 加，當(dāng)位移達(dá)到一定值時(shí)，墻后上體形成滑裂面，應(yīng)力達(dá)到極限平衡狀態(tài)，土壓 力達(dá)到最大值，稱為被動(dòng)土壓力。 上述三種土壓力是隨位移變化的三種極限情況。由圖2 1 可見(jiàn)，三者關(guān)系如 飛： e d e 0 e 4 。7 。唧 e 。 z 互艿 j ， ( 1 ) 靜止土壓力( 2 ) 主動(dòng)土壓力( 3 ) 被動(dòng)土壓力 l 、山z a l 9 j ， 一、 ? 酋1 2 2 2 土壓力計(jì)算理論 搿( 位移) 圖2 1 三種不同極限狀態(tài)的土壓力 由于影響土壓力的因素較多且很復(fù)雜，目前尚無(wú)統(tǒng)一的計(jì)算方法，各種計(jì)算 方法均有不同的假設(shè)條件，主要的古典方法有郎肯( r a n k i n e ) 理論與庫(kù)侖 ( c o u l o m b ) 理論。 2 2 2 1 朗肯土壓力理論 朗肯土壓力理論是英國(guó)科學(xué)家朗肯( ( r a n k i n e ) 于1 8 5 7 年提出的，它是由半空 間的應(yīng)力狀態(tài)出發(fā)，根據(jù)土的極限平衡理論推導(dǎo)出的。其基本假設(shè)是： ( 1 ) 墻后土體豎直、光滑： ( 2 ) 墻后土體表面水平且為無(wú)限半平面。 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 、朗肯主動(dòng)土壓力 計(jì)算公式如下： 吒= 7 z 砭一2 c , k o ( 2 1 ) e = 三膽2 吃一2 胡壓+ 了2 c 2 ( 2 2 ) 式中吒為主動(dòng)土壓力強(qiáng)度：吒為主動(dòng)土壓力系數(shù)，屯= t a i l 2 ( 三一詈) ：y 為墻后 填土的容重；c ，緲?lè)謩e為土的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角：z 為計(jì)算點(diǎn)距填土表面的深度，h 為墻背的高度，e 為總主動(dòng)土壓力。其主動(dòng)土壓力分布圖見(jiàn)圖2 2 。 7 吼 。健j 叮 - - ￥a l q 氣 芰一 弋、r i ，y f t k a琶暖 ( a )( b )( c ) 圖2 2 朗肯主動(dòng)土壓力分布 ( a ) 擋土墻( b ) 砂土( c ) 粘性土 由式( 2 1 ) 知，土的主動(dòng)土壓力存在零點(diǎn)，在零點(diǎn)以上出現(xiàn)負(fù)值，即拉應(yīng)力，但實(shí) 際上墻體和土在很小的拉力作用下就會(huì)脫開(kāi)，出現(xiàn)深度為z 0 的裂縫。因此，認(rèn)為 在z o 以上土壓力值為零，在z o 以下土壓力強(qiáng)度按三角形分布。z o 的值可根據(jù) 吒= o 求得。 2 、朗肯被動(dòng)土壓力 被動(dòng)土壓力強(qiáng)度及總被動(dòng)土壓力為： = y 毪+ 2 c 4 k p ( 2 3 ) 名= 專2 砟+ 2 胡石 ( 2 4 ) 9 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 式中為被動(dòng)土壓力強(qiáng)度，蜂為被動(dòng)土壓力系數(shù)，乃= t a n 2 ( 三+ 詈) ，q 為 總被動(dòng)土壓力，為土重力所產(chǎn)生的壓力和內(nèi)聚力產(chǎn)生的土壓力疊加而成。其被動(dòng) 土壓力分布圖見(jiàn)圖2 3 。 吒 。鏘、 l ， 吖 + ya i q ( a )( b ) ( c ) 圖2 3 朗肯被動(dòng)土壓力分布圖 ( a ) 擋土墻( b ) 砂土( c ) 粘性土 。 朗肯土壓力理論應(yīng)用半空間中的應(yīng)力狀態(tài)和極限平衡理論的概念比較明確， 公式簡(jiǎn)單，便于記憶，對(duì)于粘性土和無(wú)粘性土都可以用該公式直接計(jì)算，故在工 程中得到廣泛應(yīng)用。但為了使墻后的應(yīng)力狀態(tài)符合半空間的應(yīng)力狀態(tài)，必須假設(shè) 墻背直立的、光滑的、墻后填土是水平的，因而使應(yīng)用范圍受到限制，并由于該 理論忽略了墻背與填土之間摩擦力的影響，使計(jì)算的主動(dòng)土壓力偏大，而計(jì)算的 被動(dòng)土壓力偏小。 2 2 2 2 庫(kù)侖土壓力理論 1 7 7 6 年法國(guó)的庫(kù)侖( c o u l o m b ) 根據(jù)墻后土體處于極限平衡狀態(tài)并形成一滑動(dòng) 楔體時(shí)，用處于極限平衡狀態(tài)時(shí)力系的平衡條件，提出了庫(kù)侖土壓力理論，其基 本假定是： ( 1 ) 墻后土體為均質(zhì)各向同性的散體，即無(wú)粘性土： ( 2 ) 擋土墻很長(zhǎng)，屬于平面應(yīng)變問(wèn)題： ( 3 ) 楔體與土體之間的滑動(dòng)面為一平面。 1 、庫(kù)侖主動(dòng)土壓力 1 瓦= 去膽2 吃 ( 2 5 ) 1 0 湖北z - 業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 其中， 吃= 一 s i n ( 緲+ 萬(wàn)) s i n ( 口一) c o s 2 口c o s ( 口+ 萬(wàn)) 1 + c o s ( 口+ 萬(wàn)) c o s ( 口一) ( 2 6 ) 式中包稱為庫(kù)侖主動(dòng)土壓力系數(shù)，口為墻背與垂直線之間的夾角，以垂線為 準(zhǔn)，逆時(shí)針為正，稱為俯斜墻背：順時(shí)針為負(fù)，稱為仰斜墻背：p 為內(nèi)摩檫角；h 為 墻背的高度；為填土面與水平面之間的夾角：萬(wàn)為墻背與填土之間的摩擦角，其 值可由試驗(yàn)確定。 ( a ) 2 、庫(kù)侖被動(dòng)土壓力 = 丟脾2 如 其中，吒= r 反 力 g r e 一6 0 國(guó)= + 萬(wàn)+ 口+ 妒一目 ( b ) 圖2 4 庫(kù)侖主動(dòng)土壓力計(jì)算圖 c o s 2 ( 緲+ 口) s i n ( 緲+ 萬(wàn)) s i n ( 口+ ) c o s 2a c o s ( a - 5 ) 1 + 、|c o s ( o ! 一萬(wàn)) c o s ( 口+ ) 式中乃稱為庫(kù)侖主動(dòng)土壓力系數(shù)，其他符號(hào)意義同上。 l y h k ( c ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( a ) r y = 一萬(wàn)一口 9 + 緲 廣一 y h k p ( b )( c ) 圖2 5 庫(kù)侖被動(dòng)土壓力計(jì)算圖 在城市建設(shè)中往往由于空間的限制，基坑基本上為直立的，即口= = 0 ，此 時(shí)k 。k 。將簡(jiǎn)化。同時(shí)庫(kù)侖土壓力理論是根據(jù)無(wú)粘性土的情況導(dǎo)出，沒(méi)有考慮 粘性土的粘聚力即c = o ，但事實(shí)上內(nèi)聚力是存在的，這樣一來(lái)，由庫(kù)侖理論計(jì)算出 的主動(dòng)土壓力系數(shù)會(huì)比嚴(yán)格的理論解稍偏??；其被動(dòng)土壓力系數(shù)，當(dāng)萬(wàn)和緲較小時(shí)， 特別是萬(wàn)較小時(shí)，被動(dòng)土壓力系數(shù)的計(jì)算誤差也在工程計(jì)算所允許的范圍之內(nèi)，但 是當(dāng)萬(wàn)和c p 較大時(shí)，計(jì)算誤差會(huì)很大，以至于在工程中不能使用，這時(shí)就要考慮朗 肯土壓力理論。另外，當(dāng)擋土結(jié)構(gòu)后用粘性土作為填料時(shí)，在工程實(shí)踐上常采用 換算的等值內(nèi)摩擦角矽d 。換算方法主要有： 1 ) 根據(jù)土的抗剪強(qiáng)度相等來(lái)?yè)Q算，取盯= y h ，則 = a r c t g ( t g a p + ) ( 2 9 ) 2 ) 根據(jù)r a n k i n e 公式，土壓力相等，有： = 三- 2 a r c t g 留( 三一詈) 一萬(wàn)2 c 億 3 ) 根據(jù)r a n k i n e 公式，土壓力的力矩相等，有： 9 0 = 9 0 0 - 2 a r c t g 忡5 。一詈) 一轟 厴( 4 5 。+ 詈) 汜 3 深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算方法 2 3 1 常規(guī)設(shè)計(jì)方法 1 2 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 常規(guī)設(shè)計(jì)方法又稱為極限平衡法【2 4 1 ，這種方法假定支護(hù)結(jié)構(gòu)在土壓力和結(jié)構(gòu) 橫向支撐力的作用下達(dá)到平衡，利用力與力矩平衡條件。求出嵌固深度與錨固力。 這種方法計(jì)算較為簡(jiǎn)單，是工程實(shí)踐中應(yīng)用最多的一種方法。常用的極限平衡法 有自由端支撐法( 靜力平衡法) 和固定端法( 等值梁法) 。 2 3 1 1 靜力平衡法【2 5 j 它假定支護(hù)結(jié)構(gòu)是剛性的，隨著板( 樁) 入土深度的不同，作用在不同深度上各 點(diǎn)的凈土壓力的分布不同。當(dāng)單位寬度板( 樁) 墻則處于穩(wěn)定，相應(yīng)的板( 樁) 入土深 度即為板樁保證其穩(wěn)定性所需要的最小入土深度，可根據(jù)靜力平衡條件即水平力 平衡方程( h = o ) 和對(duì)樁底截面的力矩平衡方程( a i r = o ) 聯(lián)解求得。圖2 6 為 單撐( 錨) 支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算簡(jiǎn)圖。 g o p + 圖2 6 底部自由支承單撐( 錨) 支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算 整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，故作用在擋土結(jié)構(gòu)上的兄，色， 圖中吃為支撐( 錨) 力；乞?yàn)橹鲃?dòng)土壓力；乜為被動(dòng)土壓力； 根據(jù)力的平衡條件可以得到： r + e q = e 4 + ep 根據(jù)對(duì)支撐( 錨) 位置的力矩平衡條件可以得到： e p h p - - e 。h o + e q h q q 三力必須平衡。 為地面均布荷載。 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 由以上兩個(gè)方程可以得到關(guān)于入土深度f(wàn) 的三次方程，當(dāng)主、被動(dòng)土壓力都確 定后，入土深度只隨撐( 錨) 位置而改變，調(diào)整可以調(diào)整入土深度，關(guān)系是： 增大，f 減小；反之增大。從而可以達(dá)到調(diào)整樁長(zhǎng)的目的。同時(shí)樁中的最大彎矩也 是的函數(shù)，當(dāng)從小到大增大時(shí)，樁中的最大彎矩是先小后增大，它有一個(gè)最 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 小值，取此值進(jìn)行樁徑設(shè)計(jì)可以使樁徑最小。 2 3 1 2 等值梁法【2 5 】 樁入坑底土內(nèi)有彈性嵌固( 鉸結(jié)) 與固定兩種，當(dāng)作一端彈性嵌固另一端簡(jiǎn)支的 梁來(lái)研究。擋墻兩側(cè)作用著分布荷載，即主動(dòng)土壓力與被動(dòng)土壓力，如圖2 7 ( a ) 所示。在計(jì)算過(guò)程中所要求得出的仍是樁的入土深度、支撐反力及跨中最大彎矩。 單支撐擋墻下端為彈性嵌固時(shí)，其彎矩如圖2 7 ( c ) 所示，若在得出此彎矩圖前 已知彎矩零點(diǎn)位置，并于彎矩零點(diǎn)處將梁( 即樁) 斷開(kāi)以簡(jiǎn)支計(jì)算，則不難看出所得 該段的彎矩圖將同整體梁計(jì)算時(shí)一樣，此段梁段即稱為整梁該段的等值梁。對(duì)于 下端為彈性支撐的單支撐擋墻其凈土壓力零點(diǎn)位置與彎矩零點(diǎn)位置很接近，因此 可在壓力零點(diǎn)處將板樁劃開(kāi)作為兩個(gè)相聯(lián)的簡(jiǎn)支梁來(lái)計(jì)算。這種簡(jiǎn)化計(jì)算就稱為 等值梁法，其計(jì)算步驟如下： ( 1 ) 根據(jù)基坑深度、勘察資料等，計(jì)算主動(dòng)土壓力與被動(dòng)壓力，求出土壓力 零點(diǎn)b 的位置，計(jì)算b 點(diǎn)至坑底的距離u 值； ( 2 ) 由等值梁a b 根據(jù)平衡方程計(jì)算支撐反力兄及b 點(diǎn)剪力紼。 l 蘭l 一 盤 f 二 l 擰d 鴦 - d i 盎1 k i 。，i 四i 弋 口l 蘭 k o 、 11 f g 一， 1f 芝 一 叩 c ge 芻g ( c ) 圖2 7 等值梁法計(jì)算簡(jiǎn)圖 咒2 嬲 繞2 籬 ( 3 ) 由等值梁b g 求算板樁的入土深度，取藝m g = 0 ，則 q x = 吉7 ( 巧一k ) 石3 1 4 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 由上式求得： 由上式求得x 后，樁的最小入土深度可由下式求得： t o 2 u4 - x 如土質(zhì)差時(shí)，應(yīng)乘系數(shù)1 1 1 2 ，即 t = ( 1 1 1 2 ) t o ( 4 ) 由等值梁求算最大彎矩m 一值。 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 2 3 2 彈性抗力法 常規(guī)設(shè)計(jì)方法假定了基坑內(nèi)側(cè)的土抗力為被動(dòng)土壓力狀態(tài)，尤其是對(duì)于有支 撐點(diǎn)的支護(hù)結(jié)構(gòu)采用等值梁法對(duì)支點(diǎn)力的計(jì)算假定與支點(diǎn)剛度系數(shù)無(wú)關(guān)，在使用 上受到了較大限制，從理論上也無(wú)法反映支護(hù)結(jié)構(gòu)的真實(shí)工作性狀，因此，逐漸 被彈性支點(diǎn)法【2 6 3 所并代，彈性支點(diǎn)法可以考慮支撐點(diǎn)剛度及土體變形與應(yīng)力狀態(tài)， 隨著計(jì)算機(jī)的普遍應(yīng)用，彈性支點(diǎn)法從開(kāi)始平面問(wèn)題逐步發(fā)展到可以考慮支撐體 系作用的空間問(wèn)題解，使支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更趨合理。 彈性抗力法的要點(diǎn)是，由于擋墻位移有控制要求，基坑內(nèi)側(cè)不可能達(dá)到完全 的被動(dòng)狀態(tài)，實(shí)際上仍處于彈性抗力階段，因此引用承受水平荷載樁的橫向抗力 的概念，將外側(cè)主動(dòng)土壓力作為施加在墻體上的水平荷載，用彈性地基梁的方法 計(jì)算檔墻的變位與內(nèi)力。彈性地基梁法認(rèn)為，水平方向的地基反力與墻體位移的 關(guān)系可用下式來(lái)表示： p = 戤”y “ ( 2 2 0 ) 式中p 水平方向地基反力強(qiáng)度： k 由土的性質(zhì)決定的地基反力系數(shù)： j 開(kāi)挖面以下的深度： y 墻體的水平位移。 當(dāng)指數(shù)為1 時(shí)為線彈性地基反力分布。即地基反力與墻體位移y 成正比。當(dāng)指 數(shù)不為1 時(shí)，為非線彈性地基反力分布。非線彈性地基反力分布，計(jì)算復(fù)雜，工 程上用的較少。當(dāng)指數(shù)朋= 0 時(shí)，表示水平方向的地基反力系數(shù)與深度無(wú)關(guān)，是一 個(gè)定值。這種分析方法稱為“k f f 法；當(dāng)，m = l 時(shí)，表示地基反力系數(shù)與深度成正比， 這種分析方法叫作“m 法；當(dāng)朋= 0 5 時(shí)，則稱為“c ”法。其中“m 法計(jì)算簡(jiǎn)單 且比較符合實(shí)際情況，是目前最常用的方法。 m 值隨土的類別及其性質(zhì)，樁的材料和剛度，樁的水平位移值和荷載作用方 1 5 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 式及荷載水平等因素而變化，可通過(guò)樁的現(xiàn)場(chǎng)水平荷載試驗(yàn)來(lái)測(cè)定m 值。m 值的 經(jīng)驗(yàn)公式為： 以基坑底而位移量估計(jì)值d = lo m m ，按下式計(jì)算： 1 m = 三f o 2 ( 0 2 一緲+ c 1 ( 2 2 1 ) d 、 7 式中c ，妒分別為上的內(nèi)聚力與內(nèi)摩擦角。 2 3 3 有限元方法 傳統(tǒng)計(jì)算理論未考慮支撐或錨桿的變形及分步開(kāi)挖的施工進(jìn)程，而實(shí)際施工 過(guò)程則是支撐或錨桿是在擋土結(jié)構(gòu)己產(chǎn)生位移的狀態(tài)下加上的，為調(diào)查彈性擋土 結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)及預(yù)測(cè)墻及地面位移，產(chǎn)生了非線性有限元方法。有限元方法【2 7 以8 】 提供了一種更為合理的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，它可以從整體上分析支護(hù)結(jié)構(gòu)及基坑周圍 土體各點(diǎn)的應(yīng)力與位移性狀，能夠考慮土體的非線性、流變性等性質(zhì)，而且可動(dòng) 態(tài)模擬開(kāi)挖支撐的施工過(guò)程，不僅為事前設(shè)計(jì)與方案比較，而且為信息反饋施工 管理提供實(shí)時(shí)處理的階段。在基坑變形和內(nèi)力計(jì)算中，如基坑的平面形狀比較規(guī) 則，并且有一個(gè)方向的尺寸遠(yuǎn)大于另一個(gè)方向的尺寸，可認(rèn)為基坑處于平面應(yīng)變 狀態(tài)，可將土體離散成三角形單元或四邊形單元，將圍護(hù)墻離散成梁?jiǎn)卧?，再?入具體的邊界條件求解。從原理上說(shuō)，常規(guī)方法存在的問(wèn)題在有限元方法中都可 以不同程度的得到解決。除了數(shù)值分析方法本身的問(wèn)題以外，用有限元方法的關(guān) 鍵是正確選用計(jì)算模型和設(shè)計(jì)參數(shù)。本文在第五章節(jié)中將應(yīng)用有限元方法模擬基 坑開(kāi)挖過(guò)程，以預(yù)測(cè)支護(hù)樁水平位移。 2 3 4 其他算法 ( 1 ) 增量計(jì)算法是在橫向荷載下樁土共同作用簡(jiǎn)化計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，將 擋土結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形與土的性狀、檔土結(jié)構(gòu)和錨桿的剛度、開(kāi)挖和支撐過(guò)程相聯(lián) 系，模擬整個(gè)施個(gè)過(guò)程，考慮分步開(kāi)挖、逐步變形的簡(jiǎn)易計(jì)算方法。 根據(jù)從基坑開(kāi)挖，設(shè)置錨桿的施工順序，把整個(gè)施工過(guò)程按施工工況劃分 為若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的受力階段進(jìn)行計(jì)算，但實(shí)際上每個(gè)施工工況的受力并不是孤 立的，而是在前一工況的基礎(chǔ)上變化發(fā)展而來(lái)的，因此為了適應(yīng)擋土結(jié)構(gòu)隨施工 工況其內(nèi)力變形不斷發(fā)展的特點(diǎn)，在計(jì)算中采用增量法反映各施工階段的連續(xù)性 及繼承性，即在每一工況的計(jì)算過(guò)程中，荷載與變形是在前一工況完成后的增量。 其要點(diǎn)為： 根據(jù)每個(gè)施工階段的結(jié)構(gòu)和支承條件，計(jì)算出相對(duì)前一施工階段的增量荷載 1 6 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 作用下產(chǎn)生的墻體內(nèi)力( 變形) 增量；荷載增量包括外部荷載的增加和減少量：水土 壓力的變化量：支撐的拆除：坑底附近土彈簧剛度的變小。 用增量法計(jì)算較好地反映基坑開(kāi)挖和回筑過(guò)程中各種因素對(duì)連續(xù)墻的受力影 響，如施工過(guò)程中基坑開(kāi)挖，支撐設(shè)置及拆除，荷載變化，預(yù)加壓力，墻體剛度 改變，與主體結(jié)構(gòu)板墻的結(jié)合方式及連續(xù)墻兩側(cè)非對(duì)稱荷載的影響等，而且能反 映施工過(guò)程及使用階段墻體受力變化的連續(xù)性。 ( 2 ) 另外姚愛(ài)國(guó)，湯鳳林，s m i t hi m 在總結(jié)和分析現(xiàn)有方法的基礎(chǔ)上提 出了綜合設(shè)計(jì)方法：其認(rèn)為有限元方法雖然能計(jì)算出基坑周圍的位移與應(yīng)力，但 樁的嵌固深度與錨固力還需要用其它方法算出。因而，提出了所謂綜合設(shè)計(jì)方法。 綜合設(shè)計(jì)方法指的是兩種意義上的綜合。一是頒布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與各個(gè)地方標(biāo)準(zhǔn)間 的綜合。二是常規(guī)方法與彈塑性有限元法的綜合。其算法為先按各種標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出 樁的嵌固深度與錨固力，再用彈塑性有限元分析基坑的位移。綜合分析樁墻的內(nèi) 力與基坑的位移，選擇既能滿足安全要求又比較節(jié)省的方案作為最終設(shè)計(jì)方案。 這種方法考慮全面，能夠達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。但這種方法需要計(jì)算機(jī)軟件的支 持。 2 4 本章小結(jié) 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中常規(guī)設(shè)計(jì)方法計(jì)算較為簡(jiǎn)單，是工程實(shí)踐中應(yīng)用最多的一種 方法。常規(guī)設(shè)計(jì)方法難以考慮施工過(guò)程中的不同工況、樁土間的相互作用與影響， 難以分析支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性狀，彈性抗力法對(duì)常規(guī)方法進(jìn)行了改進(jìn)，采用彈性地 基梁的方法計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移與內(nèi)力，采用彈簧模擬土側(cè)壓力及錨桿或支撐的 支點(diǎn)力。 傳統(tǒng)計(jì)算理論未考慮支撐或錨桿的變形及分步開(kāi)挖的施工進(jìn)程，而實(shí)際施工 過(guò)程則是支撐或錨桿是在支護(hù)結(jié)構(gòu)己產(chǎn)生位移的狀態(tài)下加上的，故按傳統(tǒng)計(jì)算理 論得出的計(jì)算結(jié)果是不盡合理的。為調(diào)查彈性擋土結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)及預(yù)測(cè)墻及地面 位移，產(chǎn)生了非線性有限元方法。有限元方法將支護(hù)結(jié)構(gòu)及土體劃分為有限個(gè)單 元，采用數(shù)值分析方法，從整體上分析支護(hù)結(jié)構(gòu)及周圍土體的應(yīng)力與位移性狀， 是目前較為先進(jìn)的一種設(shè)計(jì)計(jì)算方法。 1 7 湖北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 第三章基坑施工監(jiān)測(cè) 3 1 基坑監(jiān)測(cè)概述 信息化施工是目前地下工程中廣泛提倡并應(yīng)用的重要方式及施工管理理念。 為此，施工監(jiān)測(cè)就成為信息化施工的重要項(xiàng)目，并且是施工管理、施工決策的主 要依據(jù)。施工監(jiān)測(cè)，不僅可以有效的跟蹤施工活動(dòng)，及時(shí)了解施工動(dòng)態(tài)、圍護(hù)及 支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全狀況，而且通過(guò)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的比較，能可靠的反映基坑工程 中施工所造成的影響，能較準(zhǔn)確地以量的形式反映這種影響程度。由于深基坑工 程中地質(zhì)條件、荷載條件、材料性質(zhì)、施工工況以及其他外界條件的變化，很難 單純從理論上預(yù)測(cè)或計(jì)算，理論計(jì)算值一般與實(shí)測(cè)值之間也有較大的偏差，因此 在地下工程的施工過(guò)程中，施工監(jiān)測(cè)就顯得十分重要?；颖O(jiān)測(cè)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)行有關(guān) 規(guī)定、規(guī)程、巖土工程勘察資料、場(chǎng)地周邊環(huán)境條件的要求進(jìn)行，建設(shè)單位應(yīng)選 擇有資質(zhì)的單位進(jìn)行監(jiān)測(cè)工作。 在深基坑開(kāi)挖的施工過(guò)程中，基坑內(nèi)外的土體將由原來(lái)的靜止土壓力狀態(tài)分 別向被動(dòng)和主動(dòng)土壓力狀態(tài)轉(zhuǎn)變，應(yīng)力狀態(tài)的改變引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)承受荷載并導(dǎo)致 圍護(hù)結(jié)構(gòu)和土體的變形，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力( 圍護(hù)樁和墻的內(nèi)力、支撐軸力或土錨拉 力等) 和變形( 深基坑坑內(nèi)土體的隆起、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及其周圍土體的沉降和側(cè)向 位移等) 中的任一量值超過(guò)容許的范圍，將造成基坑的失穩(wěn)破壞或?qū)χ車h(huán)境造成 不利影響。在施工場(chǎng)地四周有建筑物和地下管線，基坑開(kāi)挖所引起的土體變形將 在一定程度上改變這些建筑物和地下管線的正常狀態(tài)，當(dāng)土體變形過(guò)大時(shí)，會(huì)造 成鄰近結(jié)構(gòu)和設(shè)施的失效或破壞。同時(shí)，基坑相鄰的建筑物又相當(dāng)于較重的集中 荷載，基坑周圍的管線常引起地表水的滲漏，這些因素又是導(dǎo)致土體變形加劇的 原因。另外，基坑開(kāi)挖與圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，存在著時(shí)間和空間