深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)用計(jì)算方法及其應(yīng)用

1、深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)用計(jì)算方法及其應(yīng)用楊光華(廣東省水利水電科學(xué)研究院.廣東廣州SI0610)摘要:對(duì)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形計(jì)算提出了一套系統(tǒng)的實(shí)用計(jì)算方法，較好地解決了基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算的關(guān)鍵問題，并在廣州地鐵和許多重大基坑工程應(yīng)用中取得了較好的效果。該方法把支護(hù)結(jié)構(gòu)簡化為一豎放的彈性地基梁，支撐、錨桿及巖土體用彈簧系統(tǒng)來代替，巖土的彈簧剛度可用巖土的變形模盒來計(jì)算，針對(duì)基坑工程施工和結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)，提出了一套系統(tǒng)的計(jì)算方法，其中包括考慮施工過程的增量計(jì)算法、合理確定支護(hù)結(jié)構(gòu)入土深度的計(jì)算法、支撐加預(yù)應(yīng)力及支撐拆除的計(jì)算方法等，并應(yīng)用提出的增量法，首次較完整地對(duì)國際上著名的支護(hù)土壓力T

2、erzaghi-Peck表觀土壓力給出了理論解釋，對(duì)巖土的變形模量提出采用承載力反算的經(jīng)驗(yàn)方法，為巖土參數(shù)的確定提供了更簡便的方法。這一系列的研究成果為深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了一套新穎的實(shí)用計(jì)算方法，較好地解決了墓坑支護(hù)結(jié)構(gòu)中的一系列設(shè)計(jì)計(jì)算難題，已在工程實(shí)踐中成功應(yīng)用。關(guān)鍵詞:深基坑:增量法:共同作用中圖分類號(hào):TU 473文獻(xiàn)壇識(shí)碼:A1引言基坑支護(hù)在國外已有較多的實(shí)踐，早在20世紀(jì)60年代，Terzaghi和Peck根據(jù)地鐵支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)資料，提出了著名的Terzaghi-Peck表觀土壓力理論1-3，并為國際上基坑支護(hù)設(shè)計(jì)所廣泛采用。在國內(nèi)，基坑工程從80年代開始興起，由于地鐵和高層

3、建筑地下室的建設(shè)需要，出現(xiàn)了大量的基坑工程。但一直未形成較系統(tǒng)的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力計(jì)算和理論。由于基坑工程涉及巖土和結(jié)構(gòu)工程，在許多情況下，又屬臨時(shí)工程，最初并未受到重視，隨著基坑開挖深度的增加，以及工程事故的發(fā)生，工程界才開始重視深基坑工程問題，20世紀(jì)90年代國內(nèi)出現(xiàn)了相當(dāng)規(guī)模的基坑工程熱潮。相繼出版了許多深基坑工程方面的著作，1999年國家建設(shè)部頒布了建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程4，上海、廣州、深圳等城市也編制了有關(guān)的技術(shù)規(guī)程，為基坑工程的設(shè)計(jì)和施工提供了可依據(jù)的規(guī)定。20世紀(jì)80年代的末期，在廣州己出現(xiàn)了較大的基坑工程，如廣州華僑大廈的地下連續(xù)墻基坑工程，開挖深度為11.7 m，是廣州市第一個(gè)

4、地下連續(xù)墻基坑工程。1988-1989年設(shè)計(jì)的珠江隧道黃沙段深基坑支護(hù)地下連續(xù)墻，基坑深度達(dá)17.8 m，是廣州當(dāng)時(shí)最大深的基坑工程。針對(duì)該工程多支撐的情況和這種結(jié)構(gòu)存在先位移后支撐的特點(diǎn)，作者提出了考慮施工過程的增量法，解決了一系列深基坑工程設(shè)計(jì)中的技術(shù)難題。隨后，該方法在工程實(shí)踐中得到了豐富和完善，成為一套較為系統(tǒng)和完整的深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)用計(jì)算方法，與此同時(shí)，通過對(duì)廣東地區(qū)的巖土變形模量進(jìn)行大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，總結(jié)出一套參數(shù)確定的經(jīng)驗(yàn)方法等，從而為深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算提供了一套先進(jìn)和實(shí)用的計(jì)算方法。目前，增量法已成為廣州地鐵基坑的設(shè)計(jì)計(jì)算方法5-7，并己在超深基坑工程中(開挖深度約20

5、 m)得到了應(yīng)用8-10隨著城市建設(shè)的發(fā)展，高層建筑設(shè)置地下室已較為普遍，部分建筑設(shè)有4-5層地下室，如何對(duì)其基坑支護(hù)進(jìn)行合理和安全的設(shè)計(jì)，己是一個(gè)重要的工程問題。廣東省內(nèi)曾出現(xiàn)過的重大基坑工程事故，如065工程(基坑約深17 m)、京光廣場(chǎng)(基坑約深15m)、祖國大廈(基坑約深17 m)，每個(gè)工程僅經(jīng)濟(jì)損失就在千萬元以上。因此，要使設(shè)計(jì)做到既安全又合理，就必須要有一套合理的設(shè)計(jì)理論，提供科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)方法。與此同時(shí)，城市地鐵工程也正在不斷發(fā)展，北京、上海、廣州等地地鐵線路不斷增加。據(jù)報(bào)道，“十五”期間，我國將斥資2000億元用子地鐵建設(shè)。因此，地鐵建設(shè)在不久的將來在國內(nèi)將有一個(gè)大的發(fā)展，而

6、其中涉及大量的基坑工程，迫切需要合理而實(shí)用的設(shè)計(jì)理論。本文介紹的一套實(shí)用計(jì)算方法，能較好地解決基坑設(shè)計(jì)過程中的一些關(guān)鍵性和主要的技術(shù)難題，使基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)能達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、合理的效果。2深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算理論概述本文研究的深基坑支護(hù)是指用于支護(hù)垂直巖土坡的樁、墻及支撐或錨桿等組成的支護(hù)結(jié)構(gòu)，如圖1所示一般情況下，深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)可簡化為一個(gè)受側(cè)向土壓力作用的受力結(jié)構(gòu)，目前對(duì)這種結(jié)構(gòu)的計(jì)算的基本方法主要可分為三類。2.1 經(jīng)典方法經(jīng)典方法主要是考慮力的平衡方法，取單位寬度受側(cè)向荷載作用的梁系，如經(jīng)典的1/2分割法、等值梁法以及剛性支承連續(xù)梁法等，如圖2-4所示。土壓力既有Tenaghi-Peck的

7、經(jīng)驗(yàn)表觀土壓力，也有經(jīng)典的理論土壓力方法，如朗肯土壓力法等。這些方法的優(yōu)點(diǎn)是可以手算，計(jì)算較簡單，缺點(diǎn)是不能計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移，同時(shí)，計(jì)算的支點(diǎn)力與實(shí)際的差距也較大，因支點(diǎn)是邊挖邊撐的，這樣，支點(diǎn)力是與施工過程有關(guān)的，經(jīng)典方法不能很好地考慮施工過程的影響。2.2 彈性地基梁法彈性地基梁法把支護(hù)結(jié)構(gòu)看作為一豎放的彈性地基梁受側(cè)向土壓力的作用。土壓力一般采用經(jīng)典的土壓力理論，如朗肯土壓力理論或庫侖土壓力理論?；用嬉陨系闹慰煽醋鳛橐粡椥灾c(diǎn)，基坑以下的土層可用一系列的土彈簧的作用代替，如圖5所示。這樣，可把支護(hù)結(jié)構(gòu)看作為一彈性支承的地基梁。對(duì)彈性地基梁的解法通常有解析法、結(jié)構(gòu)力學(xué)方法和有限元數(shù)值

8、法等。通常的方法，如日本的山肩邦男法，彈性法及彈塑性法等，是把基坑面以上的支撐力作一定的簡化，如下道支撐設(shè)置后，上道支撐軸力不變等，以便于簡化。對(duì)入土段也可假定達(dá)到極限被動(dòng)土壓力，這樣可用力的平衡條件求解。也可以假定入土段的土抗力與變形有關(guān)，這樣就要分別建立入土段以上以及入土段的彈性地基梁微分方程，根據(jù)兩段微分方程的解，并考慮兩段墻在基坑底面處的連續(xù)條件進(jìn)行求解。這種方法對(duì)于入土段是多層土?xí)r，還要根據(jù)每一層土再分段，因此，對(duì)多層土較為復(fù)雜。目前，國家基坑規(guī)程中的彈性支點(diǎn)法(圖6)把支撐作為一個(gè)彈性支點(diǎn)，對(duì)彈性地基梁的微分方程進(jìn)行求解，地基土抗力按m法計(jì)算，建立的微分方程如下。（1） 基坑面以上

9、（2） 基坑面以下對(duì)于分層土情況，每一層土的m值不同，這樣，分段微分方程更加復(fù)雜，因此，一般采用桿系有限元數(shù)值解法求解。2.3 有限元法這種方法把墻、土都劃分為單元，土體可以采用相應(yīng)的本構(gòu)模型，既可以采用平面有限元，也可以采用空間有限元。該方法在理論上較為完善，但由于本構(gòu)模型參數(shù)不易確定，有限元程序較為復(fù)雜，使得計(jì)算工作量較大，因此，該方法在工程實(shí)踐中尚未得到普遍應(yīng)用。另一種簡化的有限元法則是把支護(hù)結(jié)構(gòu)體系作為一平面或空間結(jié)構(gòu)，采用有限元法求解，而周圍土體則分別用土壓力和土彈簧代替。從總的情況來看，目前，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力計(jì)算普遍應(yīng)用彈性地基梁的數(shù)值方法，與經(jīng)典方法和有限元法相比，其計(jì)算簡便，結(jié)果更

10、為理想。因此，彈性地基梁經(jīng)過完善后，可望成為一個(gè)既簡便實(shí)用，又能較好地解決工程問題的實(shí)用方法。在這一思想指導(dǎo)下，本文基于一種新的彈性地基梁簡化計(jì)算方法11，考慮先開挖、變形后支撐的這種基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)所特有的施工受力過程，提出了可模擬復(fù)雜施工過程的增量計(jì)算法，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步應(yīng)用增量法，解決了支護(hù)結(jié)構(gòu)的入土深度的確定問題，支撐或錨桿施加預(yù)應(yīng)力及支撐拆除過程的計(jì)算等一系列的難題，并進(jìn)一步應(yīng)用增量法，對(duì)著名的Terzaghi-Peck表觀土壓力和經(jīng)典的理論土壓力的差異問題給出了理論解釋，由這些一系列的工作而形成了深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的一個(gè)系統(tǒng)的實(shí)用計(jì)算方法.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算的結(jié)構(gòu)力學(xué)簡化方法目前,基于wi

11、nkle假設(shè)基礎(chǔ)上求解彈性地基梁的方法仍較為復(fù)雜，對(duì)于分層土情況下，一般要求采用桿系有限元法，本文對(duì)彈性地基梁的解法采用文獻(xiàn)【11提出的一種新的簡化方法。如圖7所示，把擋土結(jié)構(gòu)取單位寬度作為一豎放的彈性地基梁，支撐或錨桿以及土體對(duì)地基梁的作用由一系列彈簧ki代替，對(duì)地基梁在各彈簧力xi作用下，各彈簧支承點(diǎn)處的位移協(xié)調(diào)方程為式中sij表示在xj=1作用下ki處地基梁的位移，為柔度系數(shù):。為o點(diǎn)處梁的水平位移；phio為。點(diǎn)處梁的轉(zhuǎn)角;ip為梁在外力，如彎矩M，為水平力H作用下ki處梁的位移，各系數(shù)可據(jù)圖7 (b)(d)按結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)算。其中【此處參照PDF】式中a=yi/c;E為地基梁的彈模;

12、I為其截面慣性矩:EI為地基梁的彎曲剛度。式(3)中有n+2個(gè)未知數(shù)，但只有n個(gè)方程。因此，求解時(shí)，還需補(bǔ)充2個(gè)力的平衡方程: 式（8）（9）可簡寫為結(jié)合變形協(xié)調(diào)方程，可得求解方程如下:由此可解出x1，x2 .xn，。及tan rpo，則地基梁任一截面處的彎矩M，剪力Q可由截面法求得。任一彈簧處地基梁的位移為與連桿法不同，對(duì)于土彈簧剛度K的確定，簡化為Boussinesq解來確定。任一土彈簧的力為x.面積為bXd; b為土彈簧間距:d為地基梁寬度。土彈簧集中力x變成分布力為則近似用Boussinesq求得的土彈簧處土的變形為式中s，Es分別為該土彈簧處土的泊松比和變形模量。或有: 則土彈簧的剛

13、度可根據(jù)彈簧剛度的定義為式中w為與b/d有關(guān)的形狀系數(shù)，當(dāng)b/d=1.0時(shí)，w=0.88。這樣，土彈簧剛度可近似由土的變形模量Es和泊松比s來計(jì)算;b，w均為幾何參數(shù)，而Es，s參數(shù)的物理和力學(xué)意義明確，其確定可近似通過壓板試驗(yàn)等確定，比通常的m法中的地基參數(shù)采用樁的水平載荷試驗(yàn)來確定的方法更方便，且對(duì)分層土可以由不同土層中的Es，s來反映，而要對(duì)不同土層試驗(yàn)確定m值較為復(fù)雜，故對(duì)目前土層通常為分層情況的地質(zhì)條件是較合適的。支撐或錨桿的彈簧剛度以材料力學(xué)方法，按受壓或受拉桿件的彈簧剛度定義來計(jì)算。4 考慮施工過程的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的增量計(jì)算法在一些較深的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)中，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)還要采用支撐或錨桿

14、支承，甚至是多層的，如廣州珠江隧道基坑黃沙段基坑開挖17.8 m，采用了地下連續(xù)墻支護(hù)加3層鋼支撐;廣東亞洲國際大酒店開挖1 9.2 m，采用人工挖孔的密排樁擋土，局部采用了34層的預(yù)應(yīng)力錨桿，而有支撐或錨桿的擋土支護(hù)結(jié)構(gòu)一般作為剛性支承的連續(xù)梁來計(jì)算，或作為彈性支承的連續(xù)梁結(jié)構(gòu)來計(jì)算，但未合理考慮施工過程。由于在實(shí)際工程施工中各支撐或錨桿的受力先后是不同的，支撐或錨桿是在基坑開挖到一定深度后才加上的，亦即在支撐或錨桿加上前，墻體已產(chǎn)生了內(nèi)力和位移，支撐或錨桿是在墻體產(chǎn)生了一定的位移后才加上的，如圖8所示。而對(duì)多層支撐或多層錨桿的情況，則先加上的支撐或錨桿較早參與了共同作用，而后加上的則較遲產(chǎn)

15、生作用，它們都不是預(yù)先加上的，各支撐或錨桿發(fā)揮作用的時(shí)刻是不同的，為考慮這一種設(shè)置支撐和開挖的施工過程，文獻(xiàn)12提出了一種增量計(jì)算法，增量法計(jì)算過程如圖9所示，把每一施工過程所增加的荷載作為外荷載，稱為增量荷載，作用于每一施工過程的支護(hù)結(jié)構(gòu)，每一施工過程的結(jié)構(gòu)由于支撐及土彈簧均發(fā)生了變化，因而其計(jì)算體系是不同的。增量荷載一般包括兩部分，土壓力增量和在上一過程已受力的土彈簧，本次施工將其挖掉時(shí)，應(yīng)將其所受的力作為本次的荷載增量，反向作用于結(jié)構(gòu)上。每一施工過程支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形為前面增量計(jì)算結(jié)果的迭加。增量法計(jì)算多撐和多錨式支護(hù)結(jié)構(gòu)，與通常把其作為一彈性支承連續(xù)梁結(jié)構(gòu)而不考慮施工過程的計(jì)算方法的

16、結(jié)果有較大的差別，這種方法的計(jì)算如圖10所示，稱其為連續(xù)梁法。圖11為通常的彈性支承連續(xù)梁方法的彎矩及支撐力情況。圖12為珠江隧道黃沙段有3層支撐的地下連續(xù)墻開挖到最后時(shí)增量法計(jì)算的彎矩及支撐力情況。無論連續(xù)梁的彎矩還是各支撐反力，兩者都有較大區(qū)別。不考慮施工過程方法計(jì)算出的彎矩是偏小的，不安全的，而增量法中下部支撐的受力相應(yīng)較小，這些都是施工過程的影響，故對(duì)多撐或多錨式支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算，應(yīng)考慮施工過程的影響，即用增量法來進(jìn)行計(jì)算。5支護(hù)結(jié)構(gòu)入土深度的計(jì)算如何合理確定支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)入基坑底以下的入土深度，是一個(gè)較為重要的問題，入土深度過深將增加投資及施工難度，使工期增長;而入土深度過淺，又難以保證安

17、全。過去，主要是采用考慮樁前土體被動(dòng)土壓力的平衡的方法，確定入土深度。而實(shí)際上樁前土體未必能達(dá)到被動(dòng)土壓力值，因樁前土體抗力是與樁的位移有關(guān)的。另一方面，若樁前土體達(dá)到被動(dòng)土壓力，可能會(huì)出現(xiàn)較大的位移。因此，常用的方法是在主、被動(dòng)土壓力達(dá)到平衡后，再加20%的經(jīng)驗(yàn)值，或者取被動(dòng)土壓力的一個(gè)折減值，這些方法缺乏完善的理論依據(jù)。文獻(xiàn)13提出了一個(gè)較為完善的解決方法，即應(yīng)力轉(zhuǎn)移法，主要是根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移及樁前土體反力分布情況來確定結(jié)構(gòu)的合理入土深度，其思想是:以被動(dòng)土壓力作為樁前土體反力的極限值，超過部分則轉(zhuǎn)移給未超過被動(dòng)土壓力的土體承擔(dān)，其迭代計(jì)算過程如圖13所示，凡是土體抗力超過被動(dòng)土壓力的，

18、將通過迭代計(jì)算把超過部分轉(zhuǎn)移給未超過被動(dòng)土壓力的土體承擔(dān)，直到所有抗力都在被動(dòng)土壓力包絡(luò)線范圍內(nèi)。由此，即可以得到樁前土體真實(shí)的彈塑性抗力分布情況，如圖13 （e)所示，當(dāng)土體抗力全部達(dá)到或超過被動(dòng)土壓力時(shí)，則支護(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)不穩(wěn)定，迭代也不收斂，支護(hù)結(jié)構(gòu)位移將很大;當(dāng)采用懸臂結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)傾倒現(xiàn)象;當(dāng)有支撐時(shí)，則將出現(xiàn)通常的“踢腳”現(xiàn)象。因此，通過計(jì)算分析，我們不但可以得到樁前土體彈塑性抗力的真實(shí)分布情況，同時(shí)還可以得到反映樁前土體處于彈塑性狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況，從抗力分布情況可判別其穩(wěn)定性;從支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移及基坑附近建筑物的情況可控制支護(hù)結(jié)構(gòu)變形，從而調(diào)整確定其入土深度。因此，這是一個(gè)

19、較為完善的分析方法。6預(yù)應(yīng)力錨桿或預(yù)應(yīng)力支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)及支撐拆除的計(jì)算在一些較深的基坑支護(hù)中，經(jīng)常采用預(yù)應(yīng)力錨桿或在支撐中加預(yù)應(yīng)力的方法，以控制支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移。而實(shí)際上支護(hù)結(jié)構(gòu)受預(yù)應(yīng)力的作用，其受力和變形與未加預(yù)應(yīng)力時(shí)的情況是不同的，而對(duì)預(yù)應(yīng)力的設(shè)計(jì)計(jì)算，通常缺乏合理的方法，對(duì)預(yù)應(yīng)力作用的分析通常也不夠深入。預(yù)應(yīng)力錨桿等支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算，完全可用以上增量法進(jìn)行14預(yù)應(yīng)力的作用主要有3個(gè)，一是減少支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移:二是可以調(diào)整支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力;三是對(duì)于剛度小，強(qiáng)度大的錨桿可以充分發(fā)揮錨桿的作用。對(duì)預(yù)應(yīng)力作用的計(jì)算采用增量法計(jì)算時(shí)，可用圖14 (a)有一層錨桿的情況來說明，計(jì)算預(yù)應(yīng)力作用時(shí)，只要把

20、加預(yù)應(yīng)力的過程作為一增量步來計(jì)算即可，荷載增量為預(yù)應(yīng)力Fn，此時(shí)相當(dāng)于擋土側(cè)的土彈簧在支承預(yù)應(yīng)力，該增量計(jì)算如圖14 (b)所示，把這一增量步的結(jié)果迭加到前面的計(jì)算結(jié)果，即可以得到考慮預(yù)應(yīng)力作用后支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的真正結(jié)果。同理，只需把拆除支撐作為一增量步來計(jì)算，而其增量荷載則為被拆除支撐的支撐力的反力，增加的樓板等則作為新增加的支撐，增量計(jì)算過程如圖15所示，把這一增量步的計(jì)算結(jié)果迭加上前面的計(jì)算結(jié)果，即可得到支撐拆除后支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力變化的結(jié)果。以預(yù)應(yīng)力錨桿為例，圖1617所示為某工程的計(jì)算結(jié)果比較，在擋土樁頂用一層錨桿，圖16為施加120 kN水平預(yù)應(yīng)力的結(jié)果，樁頂水平位移為36 mm。

21、圖17為不加預(yù)應(yīng)力的結(jié)果，樁頂水平位移為90 mm，可見預(yù)應(yīng)力可減少樁頂位移。樁頂錨桿的反力為未迭加預(yù)應(yīng)力的結(jié)果，也即是由于開挖過程而新增加的反力。圖18. 19分別為某工程采用預(yù)應(yīng)力與無預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)下?lián)跬翗兜膹澗赜?jì)算情況，當(dāng)無預(yù)應(yīng)力時(shí)，樁身最大彎矩為1 630 kNm，在第二、三層錨桿分別加150 kN和250 kN水平預(yù)應(yīng)力后計(jì)算的最大彎矩為1 210 kNm，故加預(yù)應(yīng)力后可改善樁身彎矩。尤其是對(duì)于下層錨桿，由于其施工較遲，產(chǎn)生的拉力較小，未能充分發(fā)揮其抗拉能力，通過施加預(yù)應(yīng)力后，既可充分發(fā)揮其材料強(qiáng)度，又可以改善擋土結(jié)構(gòu)的彎矩和變形。預(yù)應(yīng)力的合理設(shè)計(jì)應(yīng)通過計(jì)算分析來選擇，一般而言，在離

22、開挖面越高的位置加預(yù)應(yīng)力，對(duì)減少支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移的效果越明顯，而要改善彎矩，則應(yīng)在彎矩最大處(開挖側(cè))加預(yù)應(yīng)力。拆除支撐也是工程中經(jīng)常遇到的，因支撐都是臨時(shí)的，施工過程中地下室側(cè)墻是要拆除的，而支撐的拆除會(huì)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力產(chǎn)生影響，為模擬這一過程，可以用增量法把支撐拆除作為一增量步，而此時(shí)的增量荷載則為被拆除的支撐力的反力，由此可計(jì)算出支撐拆除所產(chǎn)生內(nèi)力及位移增量，與拆撐前的結(jié)果迭加而得到拆撐后的結(jié)果。計(jì)算時(shí)，注意已施工的樓板是新的支撐點(diǎn)。由此可見，增量計(jì)算方法可以模擬支撐或錨桿預(yù)應(yīng)力以及支撐拆除等對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力和變形的影響。7 深層攪拌樁等嵌入式重力擋土結(jié)構(gòu)的計(jì)算深層攪拌樁擋土結(jié)構(gòu)在軟土地基的基

23、坑支護(hù)中已逐步得到推廣應(yīng)用，但這種擋土結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論還不很成熟，目前的計(jì)算通常是將其作為一重力式擋土結(jié)構(gòu)，來驗(yàn)算其抗滑和抗傾穩(wěn)定性，而對(duì)其變形的計(jì)算則不夠重視，也缺乏適用的計(jì)算方法，通常穩(wěn)定和變形是分開計(jì)算的，將穩(wěn)定和變形統(tǒng)一起來進(jìn)行計(jì)算的方法還較少見到。尤其是對(duì)變形的計(jì)算，有效的方法不多。也有一些文獻(xiàn)用m法來進(jìn)行計(jì)算15，但均未考慮開挖側(cè)樁前土的屈服及其對(duì)變形的影響。本研究中亦把其看作為一豎放的彈性地基16，計(jì)算簡圈如硯20所示?？紤]墻體重量W, 底部抗剪力Q及底部的抗轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧剛度K0，通過計(jì)算可算出基坑一側(cè)土彈簧的抗力，當(dāng)某些土彈簧的抗力達(dá)到被動(dòng)土壓力時(shí)，則采用前面的增量應(yīng)力轉(zhuǎn)移法進(jìn)行迭代

24、，轉(zhuǎn)移土彈簧抗力中超過被動(dòng)土壓力部分的抗力，這樣，擋土樁的位移將進(jìn)一步增加。當(dāng)?shù)椒€(wěn)定狀態(tài)時(shí)，土彈簧并沒有全部破壞，則擋土結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，而相應(yīng)于一定土體屈服條件下?lián)跬翂Φ奈灰埔阉愕茫?dāng)土彈簧全部破壞時(shí)，則位移會(huì)不斷增大，顯然是不穩(wěn)定的。因此，用這樣的方法可以計(jì)算出此種擋土結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定，而在穩(wěn)定情況下，由于基坑側(cè)土彈簧屈服的程度不同，相應(yīng)的位移也不同。這樣可以同時(shí)得到擋土樁是否穩(wěn)定或在穩(wěn)定條件下的位移是多少的結(jié)果，從而可判斷設(shè)計(jì)是否合理，與通常計(jì)算位移的m法不能考慮基坑側(cè)土體屈服的方法相比，本方法則顯得更為合理。8 Terzaghi-Peck表觀土壓力理論問題深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的土壓力問題是人們較

25、為關(guān)注的問題，目前，應(yīng)用較多的是基于經(jīng)典的朗肯土壓力或庫侖土壓力理論，沿深度呈三角形分布，如圖21所示.另一種是國際上較為流行的Terzaghi-Peck的表觀土壓力理論，是根據(jù)工程實(shí)測(cè)的結(jié)果而提出的經(jīng)驗(yàn)表觀土壓力，根據(jù)不同的土類，其分布如圖22所示1-3。同一結(jié)構(gòu)，同一問題，存在兩種不同的土壓力圖，顯然是不合理的。目前，還有一些觀點(diǎn)認(rèn)為，經(jīng)典土壓力理論不適用于基坑工程，而一些實(shí)測(cè)的支撐力與按經(jīng)典理論計(jì)算的結(jié)果認(rèn)為差距較大17。而在國外Terzaghi-Peck表觀土壓力理論應(yīng)用較為普遍，因此，這兩種土壓力到底哪一種是正確的，或它們是否存在一定聯(lián)系，仍是一個(gè)未很好解決的問題。為對(duì)Terzagh

26、i-Peck的表觀土壓力給出一個(gè)理論解釋，同時(shí)分析其與經(jīng)典的土壓力理論的關(guān)系，本研究采用增量法對(duì)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析18。為說明問題，采用圖23所示的施工過程進(jìn)行計(jì)算分析。為便于比較，采用均質(zhì)土來分析，施工過程也如圖23所示，施工過程為:逐步開挖到支撐位置以下0.5m處，開始加該層支撐，計(jì)算采用增量法，土壓力采用朗肯土壓力理論，計(jì)算出開挖到底以后各層支撐的支撐力，然后，把支撐力按支撐上、下1/2支撐間距范圍內(nèi)變成平均分布力，稱其為支撐分布力，將其與朗肯土壓力、Terzaghi-Peck的表觀土壓力以及日本規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)土壓力進(jìn)行比較，不同土質(zhì)情況下的比較結(jié)果如圖24所示。由圖24可見，各種土質(zhì)情況

27、下計(jì)算出的支撐分布力均在Terzaghi-Peck及日本規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)土壓力范圍內(nèi)，且與這些經(jīng)驗(yàn)土壓力的分布規(guī)律較一致，面與經(jīng)典土壓力理論不同，主要表現(xiàn)在其上部的支撐分布力均大于經(jīng)典理論土壓力，下部支撐分布力小于經(jīng)典理論土壓力。但這些支撐分布力均是在采用增量法考慮施工過程，而土壓力是采用經(jīng)典理論土壓力計(jì)算出來的，其與經(jīng)驗(yàn)土壓力較一致，說明通常的經(jīng)驗(yàn)土壓力并不是作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)的土壓力，而是支撐力，而支撐力是與施工過程有關(guān)，亦即與支撐設(shè)置的先后有關(guān)的。由于上部支撐先設(shè)置，較早開始承擔(dān)荷載，其分擔(dān)了部分下部支撐的力，因此，上部支撐力的分布力大于理論土壓力的分布力，而下部支撐力則小于理論分布力，這是由于下

28、部支撐遲施加，部分荷載被早施加的上部支撐分擔(dān)，因而下部支撐力小，這完全是由于受施工過程對(duì)支撐力的影響，而不是真正的土壓力，真正作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力仍應(yīng)是理論土壓力。從而把理論土壓力、經(jīng)驗(yàn)土壓力及其對(duì)施工過程的影響通過增量法給出了理論上的解釋。但由于實(shí)際的土質(zhì)是分層的，施工過程也是復(fù)雜的，有時(shí)還存在支撐預(yù)應(yīng)力，經(jīng)驗(yàn)土壓力不能較好地反映這些復(fù)雜因素對(duì)支撐力的影響，而采用增量法則可以給予合理的計(jì)算，因此，通過增量法計(jì)算表明:作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力應(yīng)仍是經(jīng)典的理論土壓力，Terzaghi-Peck的表觀土壓力其實(shí)是一種支撐分布力的經(jīng)驗(yàn)值，而不是真正作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力，這也進(jìn)一步從理論上對(duì)T

29、erzaghi-Peck的表觀土壓力進(jìn)行了解釋，也說明了其與經(jīng)典理論的土壓力的關(guān)系。9土的參數(shù)問題本項(xiàng)研究中土的彈簧剛度是采用土的變形模量E和泊松比來計(jì)算的，對(duì)于一般土體，可取0.3 -0.4，巖石可取0.2-0.3，對(duì)結(jié)果影響不大，關(guān)鍵是E的確定。確定E的合理方法應(yīng)是對(duì)不同土層進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)壓板或旁壓試驗(yàn)等確定，顯然這種試驗(yàn)要比通常用樁進(jìn)行側(cè)向荷載試驗(yàn)確定的m值要簡便一些.再者，用E來考慮土的非線性要比用m值法易于實(shí)現(xiàn)，且E具有更明確的物理及力學(xué)意義，更易于從經(jīng)驗(yàn)上判斷其取值的合理性。因此，用E來表征土的變形特性具有更好的效果。對(duì)于廣東地區(qū)E的確定，根據(jù)大量的壓板試驗(yàn)和許多工程實(shí)測(cè)的反分析，一般巖

30、土的變形模量范圍為:(1)軟土，淤泥質(zhì)土:E=1-10 MPa;(2)軟可塑土:E =10-20 MPa;(3)硬塑堅(jiān)硬土:E =20-60 MPa:(4)強(qiáng)風(fēng)化巖:E =100-200 MPa;(5)中微風(fēng)化軟巖:E =800-2000 MPa;對(duì)于殘積土，原廣東地基規(guī)范提供了根據(jù)標(biāo)貫擊數(shù)N確定E的經(jīng)驗(yàn)公式19:文獻(xiàn)20通過統(tǒng)計(jì)一些壓板試驗(yàn)的結(jié)果，提出了另一經(jīng)驗(yàn)關(guān)系:式中KE=0.7-0.9.式(19)與廣東省地基基礎(chǔ)規(guī)范建議值是接近的。顯然，由于E比通常的m值法具有更明確的物理意義，因而從經(jīng)驗(yàn)上更易于判斷取值的合理性。目前，已對(duì)廣東各種巖土積累了一定的E值經(jīng)驗(yàn).除以上的參考值以外，也可以采用一種經(jīng)驗(yàn)的近似方法計(jì)算E值21，這樣更易于工程計(jì)算時(shí)取值。按國家地基規(guī)范22，地基修正后的承載力特征值為:式中fak為從載荷試驗(yàn)或其他原位測(cè)試、經(jīng)驗(yàn)值等方法確定的地基承載力特征值。當(dāng)采用淺層土壓板試驗(yàn)和沉降確定fak時(shí)，其沉降s與壓板直徑b的比值為s/b=0.01 -0.015，當(dāng)壓板面積A=0.5m2時(shí)，相應(yīng)的壓板直徑b約為79 cm，則壓板相應(yīng)的沉降s=0.8-1.2 cm。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ):b= 3 m，當(dāng)埋深d=0.5m時(shí)，則相應(yīng)的沉降量s約為3-4.6 cm。實(shí)際上，s值對(duì)不同土層是不同的，硬土的s值小，軟土的s值大。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)尺寸，參考以上分析，并結(jié)合廣東地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)應(yīng)的基