软土深基坑支护结构内力与变形时空效应的影响因素分析_高文华

表 5 墙水平位移 (mm) 最大竖向弯矩 Mx (kN·m) 最大横向弯矩 My (kN·m) 最大扭矩 Mxy (kN·m)
017 H
50171 161814 20412 67316
110 H
48111 156519 20216 65315
115 H
42107 131517 16810 54714
2 时空效应分析的基本原理和方法
211 基本假定 (1) 鉴于基坑开挖过程中 , 围护墙体主要承受垂
收稿日期 : 2000 Ο10Ο09 湖南省教委科研项目资助 (项目编号 : 99C160)
图 1 支护结构计算分析简图
第 34 卷 第 5 期
高文华等·软土深基坑支护结构内力与变形时空效应的影响因素分析
研究表明 , 围护墙体和周围软土地层的变形随时
间发生变化 , 具有明显的时效性 , 因此 , 软土地层中
的基坑开挖过程宜采用可考虑时间因素的粘性模型 。
在应力边界和排水条件保持不变的情况下 , 地基模型
可用线性粘弹性 KelvinΟVoigt 模型模拟[9] 。
由此可见 , 式 (1) 可模拟在不同的开挖条件下
通过对支撑施加预加轴力控制墙体位移是工程施 工常用的措施 。在上述工程实例中 , 三道支撑的设计 预加轴力分别为 100t 、250t 、300t , 分析研究中分别 将其取为 011 倍 、1 倍 、112 倍的设计预加轴力值后 进行了计算 , 第四工况结束时的计算结果见表 3 。
表 3 支撑预加轴力对墙体位移和内力的影响
最大水平位移 (mm) 最大竖向弯矩 Mx (kN·m) 最大横向弯矩 My (kN·m) 最大扭矩 Mxy (kN·m)
0101 K 011 K 110 K 1010 K
55197 151817 21714 64116
54193 152114 21513 64118
48111 156519 20216 65316
·91 ·
的支承作用简化为弹簧 ; 坑底以下被动抗力区的土体
以提供地基刚度的形式与板共同作用 ; 由此可以写出
结构的整体平衡方程 :
KU = [ KP + KS + KR ] R
(1)
式中 , U 为墙体位移向量 ; R 为荷载向量 , 包括作
用在墙体上的水土压力 、地面超载和邻近基坑的附加
支撑力 ; K 为整体刚度矩阵 , KP 为墙体刚度矩阵 , KS 为地基刚度矩阵 , KR 为支撑刚度矩阵 。
支撑刚度的变化对墙体位移和内力有较大的影 响 。以上述深基坑工程第四工况结束时的情况为例进 行分析 , 计算时 , 将实际支撑刚度记为 K , 分别取为 实际支撑刚度的 0101 、011 、110 、10 倍 , 其它参数保 持不变 , 结果示于表 1 。
表 1 支撑刚度对墙体位移和内力的影响
支撑刚度
直于板面的横向荷载 , 其水平挠度与墙体厚度相比小 得多 , 且墙体变形通常都在弹性范围内工作等特点 , 故分析中将基坑围护墙体按线弹性材料考虑 。由于墙 厚与墙体插入深度之比较大 , 将围护墙体简化为一块 有限长 、两端及底部有一定边界约束条件的弹性地基 上的 竖 向 厚 板 , 采 用 可 考 虑 横 向 剪 切 变 形 影 响 的 Mindlin 线弹性厚板理论对围护墙体的内力和变形进 行分析 。
随着被动区土体弹性模量的提高 , 墙体内力也均减 小 , 可见这类措施对提高支护墙体的稳定性十分有 利。 315 墙体入土深度的影响
基坑底面以下地下墙墙体的垂直长度称为入土深 度 。其值大小通常直接影响基坑的稳定性 。
为了分析墙体入土深度对墙体弯矩 Mx 、My和扭 矩 Mxy的影响 , 将入土深度取为原值的 017 、110 、115 倍进行分析 , 其它参数不变 。第四工况结束时的计算 结果见表 5 。
关键词 软土 深基坑 支护结构 内力与变形 时空效应 中图分类号 : TU47311 + 2 文献标识码 : A 文章编号 : 1000Ο131X (2001) 05Ο0090Ο07
1 引 言
深基坑本身是一个具有长 、宽和深尺寸的三维空 间结构 , 加之软土地区地基土的流变性 , 使得支护结 构的内力与变形具有明显的时空效应[1 ,2] 。
016
018
110
112
63178 116910 15710 48712
48111 156519 20216 65316
39120 208412 27319 87115
33111 264419 35210 110715
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土 木 工 程 学 报
2001 年
由表 2 可以看出 , 墙体厚度从 018m 增加到 110m 时 , 墙体水平位移明显减小 ; 而当厚度增加为 112m 时 , 水平位移减小幅度将降低 。可见适当增加墙体厚 度 , 可有效减小墙体水平位移 , 但当达到某一值时 , 通过增加墙体厚度减少位移作用不大 。与此同时 , 增 加墙体厚度将会增加工程造价 , 故在墙体强度符合要 求的情况下 , 试图主要借助增加厚度减小位移的做法 并不合理 。同时 , 墙体厚度增大时 , 最大竖向弯矩 Mx 、横向弯矩 My 和扭矩 Mxy均将增大 。 313 支撑预加轴力的影响
表 3 表明 , 增加支撑预加轴力可有效地减小墙体 的水平位移 , 而墙体内力却增加很少 。
实际工程中 , 预加轴力常取为设计轴力的 70 % ～80 %。深开挖工程或变位比较大时 , 可达设计轴力 的 90 % , 或以上 。 314 被动区土体加固的作用
理论分析和实验结果表明 ,通过加固坑内土体提 高被动土抗力 ,以使基坑保持稳定常很有效 。本节将 工程实例中实际地基土的平均弹性模量 ES = 1116MPa 取为 基 准 , 对 被 动 区 土 体 平 均 弹 性 模 量 为 110 ES、 2010 ES 、5010 ES 的情况分别进行了计算 ,以分析基底 土的加固效果 。第一工况结束时的计算结果见表 4 。
摘 要 采用 Mindlin 厚板理论 , 建立了深基坑支护结构内力与变形时空效应的三维有限元分析模型 。以上 海某深基坑为工程原型 , 利用所编制的计算程序 , 详细探讨了分步开挖深度 、基坑开挖宽度 、边界约束条件 、 地基流变等因素对支护结构内力和变形时空效应的影响 , 揭示了各种因素对软土深基坑支护结构内力与变形时 空效应影响的规律 , 其结论可为深基坑支护设计 、施工及周围环境保护提供参考 。
第 34 卷第 5 期 2 0 0 1 年 1 0 月
土 木 工 程 学 报 CHINA CIVIL ENGINEERINGJOURNAL
Vol134 No15 Oct1 2001
软土深基坑支护结构内力与变形时空效应 的影响因素分析
高文华 杨林德 沈蒲生
(湘潭工学院) (同济大学) (湖南大学)
(2) 开挖面以下土体视为厚层均匀各向同性体 。 (3) 支撑结构为具有一定弹性刚度的弹簧 。 212 计算模型 图 1 为围护结构计算分析简图 , 基坑每一侧围护 墙体简化为设有横向支撑的软土地基上的竖向板 ; 非 开挖侧作用有水土压力和由地面超载产生的侧压力 ; 两侧挡土墙对墙体的约束简化为固定边界 ; 顶部边界 为自由边界 ; 底部边界简化为弹性支承边界 , 插入持 力层后处理为固定边界 ; 在开挖侧设置的横撑对墙体
墙体刚度的变化主要取决于厚度 。为此将墙体厚 度分别取为 016m、018m、110m 和 112m 进行计算 , 其它参数保持不变 。仍以上述基坑第四工况开挖结束 时为例 , 计算结果列于表 2 。
表 2 墙体厚度变化对其位移和内力的影响
墙体厚度 (m)
最大水平位移 (mm) 最大竖向弯矩 Mx (kN·m) 最大横向弯矩 My (kN·m) 最大扭矩 Mxy (kN·m)
预加轴力
最大水平位移 (mm) 最大竖向弯矩 Mx (kN·m) 最大横向弯矩 My (kN·m) 最大扭矩 Mxy (kN·m)
011 P0
53168 153411 20610 64311
110 P0
48111 156519 20216 65316
112 P0
42137 158814 21010 66214
主要计算参数取值如下 : 钢筋混凝土地下连续墙 弹模 Ew = 310 ×107kPa , 泊松比 ν= 0115 ; 支撑钢管 弹模 Ep = 211 ×108kPa ; 土骨架瞬时剪切模量 G = 816 ×103kPa , KelvinΟVoigt 模型的剪切模量 Gk = 1122 ×
103kPa , KelvinΟVoigt 模型的剪切粘性系数 ηk = 310 × 104kPa·d , 各开挖步地基发生蠕变变形的时间均取为 20d ; 静止土压力系数 K0 = 017 , 基床系数初值 K = 1500kN/ m3 , 土体平均重度 γ= 1813kN/ m3 , 土体平均 内摩擦角 φ= 1515°, 土体平均内聚力 c = 915kPa ; 地 面超载 q = 2010kN/ m2 。 311 支撑刚度的影响
软土地区基坑工程的施工实践和试验研究表明 , 支护墙体位移和内力的大小与分析截面的位置 、分步 开挖的深度 、基坑开挖的宽度 、以及支撑刚度 、预加 轴力 、墙体刚度 、入土深度和被动区土体加固措施及 各工况延续时间的长短有明显的相关性 , 由此反映基 坑开挖过程的时空效应 。
本文以上海某深基坑工程一侧的地下连续墙为例 进行计算 。根据地质勘察报告 , 该基坑范围内土层从 地面往下依次为褐黄色粘质粉土 (514m) ; 灰色砂质 粉土 (1210m) ; 灰色粉土 (210m) ; 和灰色砂质粘土 (615m) 。基坑开挖分四层进行 , 围护结构方案采用 地下连续墙加三道钢管支撑 , 第一 、第二和第三道支 撑的位置分别位于地面以下 115m、515m 和 817m 处 , 设计预加轴力分别为 100t 、250t 和 300t 。地下连续墙 长 7311m , 厚 018m。基坑开挖深度为 1213m , 墙体插 入土中的深度为 1013m , 墙深为 2216m。
(包括边界约束 、开挖深度和开挖宽度) , 由地基刚度
的变化 、侧土压力与墙体位移的相互作用而引起的支
护墙体内力与变形的空间效应以及由地基流变引起的
时间效应 。
213 计算程序
从结构的整体平衡方程出发 , 作者用 FORTRAN
语言编制了计算程序 , 并验证了程序的正确性[10] 。
3 影响因素分析
实践证明 , 科学地制定可综合考虑时空效应影响 的开挖 、支撑设计施工方案 , 并能合理地利用土体自 身在开挖过程中控制位移的能力 , 由此达到控制坑周 地层位移和保护环境的目的 , 以代替采用昂贵地基加 固措施的做法 , 是安全经济地使基坑在开挖过程保持 稳定的有效途径 。
对于深基坑支护的空间效应[3～5 ] 和时间效应[6 ,7 ] 的研究已分别取得了不少成果 , 但对于深基坑支护结 构内力与变形时空效应综合影响的考虑 , 目前在理论 上还尚无成熟的方法 。作者曾采用 Mindlin 厚板理论 , 建立了可考虑支护结构内力与变形时空效应的三维有 限元分析方法[8] , 并编制了相应的程序 。本文将采用 此模型 , 并以上海某深基坑为工程原型 , 分析各因素 对支护结构内力和变形时空效应的影响 , 由此探索其 规律性 , 为深基坑支护及开挖设计提供参考 。
同时 , 随着支撑刚度的减小 , 墙体最大弯矩 Mx 、 My 和扭矩 Mxy均趋减小 , 有利于墙体结构的安全使 用 。但当支撑刚度进一步减小 ( 从 011 K～ 0101 K) 时 , Mx 、My 和 Mxy 减小的幅值则明显降低 。此外 , 支撑刚度增加较大 (如 10 倍) 时 , 内力将明显增大 。 可见为使墙体的水平位移得到有效控制 , 又不致使墙 体内力明显增大 , 支撑刚度增加的幅度应予控制 。 312 墙体刚度的影响
34104 182014 31016 78715
表 1 表明 , 支撑刚度增大时 , 墙体最大水平位移 将减小 。支撑刚度增加 10 倍时 , 位移值明显减小 , 可见通过增加支撑刚度可有效地控制墙体水平位移 。 由表可见的另一现象是 : 随着支撑刚度的进一步减小 (从 011 K～0101 K) , 位移增加的幅值将明显降低 , 可 见这时墙体位移将主要由墙体刚度决定 , 支撑已不起 主要作用 。