桩基的基本理论知识

第3章 桩基的基本理论知识
3.1桩基的定义及分类
由桩和连接桩顶的桩承台组成的深基础或由柱与桩基连接的单桩基础，简称桩基[31]。桩基础作为建筑物的主要形式，今年来发展迅速，既有建筑物常用的桩基类型主要为混凝土灌注桩，本文对桩基的讨论研究主要为承载力的研究，因此重点针对桩-土之间相互作用进行详细研究，从桩基的受力状况来看，桩基主要承受竖及横向两个方向的力，其中竖向力又包括摩擦力和端承力。由受力情况可以将桩基分为，竖向受荷桩、横向受荷桩以及抗拔桩三种主要形式[32]。
3.1.1竖向受荷桩
(1)摩擦桩：在竖向荷载作用下，桩基承载力主要是有桩侧阻力提供的，桩端仅承担部分荷载，一般不超过受力的10%。如遇桩端无持力层且不扩底或者桩端位于持力层但是具有较大的桩径，这两种情况的桩基均称为摩擦桩。
竖向荷载主要是通过桩的侧面与土层之间的相互剪切作用传递给周围的土层，当桩端土体弹性模量与桩侧土体弹性模量之比为0时，所有的荷载均由桩侧的阻力承担，属于纯摩擦桩。当弹性模量之比等于1时，属于均匀土层中的纯摩擦桩，桩侧阻力接近于均匀分布，常见饱和软土及松砂地基中的桩。
(2)端承桩：在竖向荷载作用下，桩基承载力全部或者主要由桩端阻力提供，桩侧阻力相对桩端阻力而言较小，或可忽略不计。
桩基在桩顶荷载作用下产生竖向位移，这将引发桩侧阻力和桩端阻力的产生，若桩身进入岩层深度不大，持力层以上土层又很软弱，桩顶荷载就会通过桩身直接传递到桩端持力层上。
端承桩主要适用于地面以下一定深度有坚硬岩层的地质条件。如当桩端置于坚实土层，且桩的长径比不太大或当桩端有扩大头，此时桩基均为端承桩[33]。
(3)端承摩擦桩：在竖向荷载作用下，桩侧与桩端阻力同时发挥作用，桩顶荷载主要由桩侧阻力承担[33]。这类桩的侧阻和端阻所分担的比例，与桩径、桩长、土层的摩擦系数以及持力层的承载力有关。如穿过软弱地层后嵌入较坚实的黏土和砂砾持力层的桩[34]。
(4)摩擦端承桩：桩顶荷载主要由桩端承受，通过软弱地层进入基岩中的桩，由于桩的长细比较大，在竖向荷载作用下，桩侧阻力也起到部分作用，但桩侧阻力小于桩端阻力。
3.1.2横向受荷桩
桩基在横向荷载和力矩作用下会产生水平位移和转角，这样将挤压桩侧土体，为保持桩体稳定，桩侧土体必然产生相应的横向抗力，其受力性状如图3.1所示：

图3.1横向荷载作用下桩的受力机理
(1)主动桩
当桩顶受横

向荷载，桩身轴线偏离初始位置时，由于桩身主动变位而使其受到土压力的作用。风力、地震力、车辆制动力作用下的建筑物桩基为主动桩。
(2)被动桩
桩身变位偏离初始位置是由桩身所承受的侧向土压力造成的，此类桩为被动桩。深基坑支挡桩、堤岸支护桩、坡体抗滑桩、隧道临近桩基均属于被动桩。
3.2桩基承载力基本理论
3.2.1桩基承载力研究背景
本文主要是以深圳地区的实际地质情况为理论基础展开研究，深圳地铁9号线的文锦站所在地质地区的原始地貌是河谷冲洪积平原，现如今经过人工回填之后，场地的地势平坦，下伏基岩层主要为侏罗系变质砂岩，上部发育呈冲洪积层，依次分别为淤泥及淤泥质土层、粘性土层、粉细砂层、中粗砂层、原砾层及卵石层。地面上多被建筑物、道路覆盖，原始地貌基本不复存在或者变得极为模糊。地下水的分类主要分为两种基本类型，分别是基岩裂缝水以及松散岩类孔隙水。对于文锦站周边建筑物来讲，由于大部分基础为桩基础，因此将采用以“检测为主，加固为辅”的保护方针。在盾构机下穿建筑物桩基时，如果处理不当可能产生严重的后果，因此可以建立有限元模型，通过数值分析来验证处理措施是否安全可靠。有限元数值的具体模型如图2所示：

图2 盾构机下穿建筑物桩基有限元模型

桩基承载力主要包括竖向承载力和水平承载力两种形式。两者均是桩基与周围地层通过相互之间复杂的应力及变形传递共同作用的结果。但在通常情况下，桩基竖向承载力既是控制安全的基本因素，也是控制变形性态和变形量的基本条件，因此，提到桩基承载力，首先必须要满足竖向承载力的要求[35-42]。
桩基的极限状态可分为两类，即承载能力极限状态与正常使用极限状态，前者强调桩基的破坏，后者则为桩基使用过程中超过变形或耐久性的某项限值而又碍于正常使用的情况
（1）桩基承载力能力极限状态：是指桩基在竖向及横向荷载作用下，发生失稳破坏时所能达到的承载能力或桩基发生不适于继续承载的变形，按结构物所能承受的最大变形所确定的极限承载力。
（2）桩基正常使用极限状态：通常情况下，桩基不会达到破坏状态，近视在竖向荷载下产生沉降，横向荷载下发生水平位移、转角，或者在特殊条件下出现桩身裂缝，桩基在上述状态下依旧可以正常使用，即指桩基达到建筑物正常使用所规定的变形限值或达到耐久性要求的某项限值。
（3）桩基的容许承载力一般情况下是将桩基的极限承载力除以一个安全系数

而得到的，但是实际上还与桩基的容许沉降值密切相关。
3.2.2桩基承载力
（1）桩基竖向承载力及计算方法
1）桩基竖向承载力概念
竖向承载桩是将竖向荷载传递到深部土层，以满足上部结构物对于基础的承载力和变形的要求。竖向承载桩可以分为单桩与群桩。
由桩基竖向承载力基本概念可知，对于摩擦桩而言，桩侧摩阻力起决定性作用。桩侧阻力得以发挥的前提是装土逐渐产生相对位移。同样地，要使桩端阻力得以发挥，也必须使其产生一定的相对位移。一般说来，桩侧阻力发挥所需要的位移量要远小于桩端阻力发挥所需要的位移量。
2）桩基竖向承载力计算
常规计算方法[43]
我国现有的各项有关规范均是采用将桩侧阻力和桩端阻力简单迭加的方法来计算桩基的极限承载力的。即一般是由总的极限侧阻力和总极限端阻力组成的，并忽略两者之间的相互影响，可表示为：
（3-1）
本公式中：
：桩身范围内各土层的极限侧阻力；
：桩侧表面积；
：桩端单位面积极限承载力；
：桩端面积。
考虑荷载传递的桩基承载力计算
常规计算方法认为桩基承载力由桩侧阻力和桩端阻力组成并能同时达到极限，而且两者与桩土相互作用体系变形无关，这与实际不符，实际上桩的竖向承载力和桩的变形密切相关。因此，应利用荷载传递法基本思路来分析桩基的承载能力，以得到桩基的荷载-沉降关系曲线来分析竖向荷载作用下桩基的承载特性和受力特征。
摩擦桩荷载传递模式如图3.2所示。佐藤悟在1965年提出了桩侧双折线和桩端三折线荷载传递模型，并导出桩侧与桩端土体变形与桩基承载力之间的关系如下： (3-2)

根据桩基位移的协调性可以得出以下两个式子：
(3-3)
式中分别为桩侧土层的力学性能；表示桩土表面接触面性质；表示桩端土的力学性质；分别表示桩端土体刚度系数；表示桩周围分层土层的厚度。通过计算式(3-2)与（3-3）可以得出桩顶荷载与桩基沉降变形之间的关系，为后续建立桩基沉降与承载力损失之间的关系奠定基础。

图3.2摩擦桩荷载传递模式
(2)桩基水平承载力及计算方法
1）桩基水平承载力概念
桩基在收到弯矩作用后，产生能够满足桩材允许强度的盈利，此时相对应的水平荷载就成为单桩的水平承载力。
在水平荷载作用下，桩作为受弯构件，桩身产生水平位移和弯曲应力。外力的一部分由桩的本身承担，另一

部分则是传递到桩侧的土层中，随着水平荷载的不断增加，桩的水平位移和弯矩也不断增大。当桩顶与地面之间的变位过大时，将会引起上部结构的破坏，当弯矩过大的时候，会引起桩身的断裂。
2）桩基水平承载力的计算
极限平衡法
作为岩土体稳定性分析方法之一的极限平衡法，通常根据作用于岩土体中潜在破坏面商块体沿破坏面的抗剪力与该块体沿破坏面的剪切力之比，求该块体的稳定性系数。
该方法将地基的抗力简化为已知的分布形式，根据桩侧土体达到极限平衡状态的条件求解。这种方法适用于刚性大、埋深浅的短桩。
弹性曲线法
此方法是将桩作为一根弹性的地基梁。将水平荷载作用下的桩的挠度曲线作为建筑物主动桩的基本扰动微分方程：
（3-4）
式3-4中：EI为桩身抗弯刚度
为土体反力
弹塑性分析法
弹塑性分析法是在上部的塑性区范围内采取极限平衡法，并在上部以下区域仍然采用弹性曲线法。由于进行精确分析的难度系数较高，因此目前应用较少。
3.3 桩基的破坏模式
桩基的破坏，是在竖向荷载的作用下，桩与隧洞之间形成一个桩—岩土层—结构之间相互共同作用的复杂过程，施加的桩基的荷载以及桩的施工都将会引起周围的岩土体之间的应力—应变的变化，从而影响到隧洞的安全性。隧道施工对于桩基来说，一般达不到破坏的程度，但是会在一定程度上使桩基产生部分甚至较大的变形，是上部结构在一定程度上的使用功能降低。研究桩基的传统破坏模式以及其形成的过程，可以为隧道施工中的桩基变形模式的提出提供有力的理论基础[44][45]。
在竖向荷载作用下，单桩的破坏主要是桩身材料强度和地基土强度两方面的破坏状态决定的。一般桩的破坏是由地基土强度的破坏引起的。此外，由于桩侧阻力先于桩端阻力所制约的。当然，纯摩擦桩除外。根据以上对于桩基的基本分类及分析来看，赵明华[9-10]指出桩基的主要破坏模式分为三种，即为屈曲破坏、整体剪切破坏和刺入破坏。沈保汉[11]则指出应分为四种模式：端承摩擦桩整体的剪切破坏、摩擦桩的整体剪切破坏、摩擦桩端承桩的刺入剪切破坏、端承桩的屈曲破坏。
（1）对于桩端无坚硬持力层的摩擦桩以及桩端有较厚淤泥的摩擦桩，桩端阻力占得比例相对较小，在竖向荷载的作用下，由于桩端土的强度较低，桩端一般呈刺入破坏状态，一般桩基在软土中比较容易发生桩端刺入破坏。
（2）纯摩擦桩仅靠桩侧摩阻力承受荷载，桩底

土十分软弱，基本不能提供有效的承载力，桩基会沿着桩身的侧面纯剪切破坏。对于均质土层中的摩擦桩，桩周以及桩端以下均为具有中等强度的均质土层，没有明确的破坏荷载，只有继续加载才能使桩再度下沉，桩基的破坏模式为刺入剪切破坏，即桩端发生刺入破坏而桩身发生剪切破坏。
（3）桩端所在的持力层为粉土、砂土以及粘性土的摩擦桩，极限端阻力发挥需要的位移比较大，桩端阻力所占的比例也比较大，桩基一般呈现整体剪切破坏状态。对于孔底有虚土而桩端位于砂层的摩擦桩来说，由于桩端的砂性虚土经过压缩，承载能力得到提高，桩端最终在较大的沉降下会呈现出局部剪切破坏状态。
（4）端承桩在桩侧的摩阻力尚未得到充分发挥的情况之下，桩身就会由于材料的强度遭到破坏而发生屈曲破坏。
3.4 桩基承载力影响因素
桩基的竖向承载力主要是体现在桩侧和桩端阻力的发挥程度大小。因此，研究桩基承载能力变化的关键就在于关注桩侧和桩端阻力之间的变化规律。而桩侧和桩端阻力的发挥不仅仅是与构造尺寸、桩身材料，而且是与桩顶的荷载、土体力学参数以及桩土之间的相对位移及土体的相对位置密切相关。
在本文中提到的桩基承载力的影响因素主要划分为外部因素和内部因素两个大方面。外部影响因素主要包括有土体、桩顶荷载以及地下水，内部因素包括有桩基几何尺寸、桩身材料以及桩身完整性等。在隧道施工的过程中，既有桩基内部因素是不可以改变的，所以在考虑隧道施工盾构机掘进的过程中，桩基的承载能力的改变只需考虑桩基的外部影响因素足矣[46]。
影响桩基承载力的外部因素主要有以下几个方面：
3.4.1土体的影响。
桩周围的土体是影响桩基承载力大小的关键因素，在评估桩基的承载力的过程中，起着决定性的作用。以下内容主要就从土体的力学参数、桩土相对位移以及桩土接触面的性质等三个方面对桩周围土体的影响进行分析。
（1）土体力学参数
通常情况下，桩侧以及桩端的土体强度相对越高，那么对应的桩侧以及桩端阻力就越大。在粘性土和砂土中，桩侧阻力会随着深度的不断增加呈抛物线状分布。桩端的持力层的变形模量是变量，会随着沉降的不断增大而减小。桩端不同的土体具有的破坏也各不相同，所以其具有的桩端阻力也不同。因此在隧道的施工过程中，受扰动的地层将变形不断传递到桩基，桩周的土体力学参数发生了改变，使沿着桩身不同深度的土体强度也随之改变，桩侧的阻力和桩端受到影响，进而影响到桩基的承

载力。同时由于不同位置的土体变形大小、方向的不同，处于隧道不同的空间位置的桩基产生了不同的力学效应。
1）桩土相对位移及桩端沉降
桩土发生的相对位移是桩侧摩阻力发挥的前提条件。随着桩土之间的相对位移不断增大，桩侧的摩阻力的发挥程度也不断增大。目前已有关于以双曲线函数来模拟桩端阻力随着刺入变形的发挥的研究。

（ 3-5 ）
式（3-5）中表达的是实验室所确定的桩端阻力与桩基变形之间的双曲函数关系。m、n是待定的 经验系数，s表示桩基的沉降，d表示桩基直径。此函数规律说明桩端阻力与桩基沉降和桩径之比呈抛物线关系。在同样的桩侧土的条件下，桩端持力层强度高的桩，它的侧摩阻力要比桩端持力层强度低的桩高。
2）岩土工程领域中一个非常重要的研究内容就是桩土之间的相互作用。桩土接触面既能够传递法向应力，又能够传递剪应力。研究桩基承载力激励的过程中，如果离开了桩土之间的相互作用，那么就不可能非常深入的了解到桩侧阻力的发挥机理，也就不可能从根本上把握桩基承载以及变形性状的实质。
3.4.2地下水的影响
地下水对于桩周土体起到软化的作用，这会从根本上改变土体的力学参数，降低桩侧以及桩端土体的强度，从而导致桩基的承载力大幅度下降。如果在桩周进行降水施工的话，有效应力就会随着土层中空隙水压力因地下水位变化引起的改变而发生变化，桩周的土体也会发生相应的固结沉降，严重时可能出现桩侧土体的沉降大于桩基的沉降，令桩侧出现负摩阻力，从而导致桩基的承载力降低。
3.4.3桩顶荷载影响
桩基因受到桩顶荷载的作用而发生沉降，桩土相对位移随着桩顶荷载的增大而增大，因而使桩侧和桩端的阻力逐渐发挥直达极限状态。对于摩擦桩和端承摩擦桩来说，桩顶的荷载主要是有桩侧阻力来承担。而对于端承桩和摩擦型端承桩而言，桩顶荷载主要是由桩端阻力来承担。两者在桩顶合作作用下桩基受力过程的不同则影响到桩基承载力达到极限状态的原因不相同。由桩侧阻力承担桩顶荷载的摩擦桩以及端承摩擦桩，随着桩顶荷载的不断增大，桩侧的剪应力也随之增大，桩侧阻力逐渐发挥，当荷载加载到一定值之后，剪应力增大的速率也开始增大，桩侧土体开始破坏，桩侧向上的摩擦力达到极限值桩基承载力达到极限状态。而由桩端阻力承载桩顶荷载的端承桩以及摩擦型端承桩则是随着桩顶荷载的增大，桩端阻力逐渐发挥作用，当荷载增大到一定值之后，桩端土体开始被破坏，因此桩基承载力达

到极限状态。
由桩顶荷载作用下的桩基受力情况的差异过程可以看出，不同位置的桩基在隧道施工的影响下，桩顶荷载对于桩基承载力的影响也不相同，如果桩端达到极限状态，桩基就会开始出现破坏，因此，当桩顶的的荷载达到一定的水平时，就应及时的对桩基进行加固，以防事故的发生。

第4章盾构下穿建筑物桩基的数值模拟
岩土工程的多样性和复杂性一直是岩土工程研究的重点课题，可以说是岩土工程研究进程中的“拦路虎”，运用有限元分析软件可以非常直观的建立以简单物理模型代替的实际工程实况模型。本章主要介绍MidasGTS 软件适用领域及工程应用，结合深圳地铁9号线的一段盾构机下穿建筑物桩基的工程实例建立实例模型，讲述 MidasGTS 软件在操作过程中需要注意的关键问题，并进行简单分析。通过对于MidasGTS 软件的熟悉和操作，对于以后工程实例中运用 MidasGTS 软件研究有一定的参考价值。
地铁车站深基坑与一般的深基坑工程相比所具有的特点体现为以下几点：
（1）地铁车站的深基坑属于条形的深基坑：在我国，地铁车站的结构大部分为两层地下结构，基坑的深度大约为14~19m，基坑的宽度多数大约在19~22m之间，长度在200m~600m之间。
（2）地铁车站大多数都采用的事灌孔桩或者使用地下连续墙的多撑式围护结构：为了能够确保基坑变形对于周围环境影响处于相对安全状态和基坑工程处于相对稳定状态，车站施工时的基坑工程大部分则使用以地下连续墙或者是灌孔桩为主要支撑围护结构的多撑式围护结构体系，并且将围护结构使用为主体侧墙的一部分。深圳地铁9号线在施工中也是使用地下连续墙来作为围护结构进行的。
（3）围护结构变形与开挖的步序、施工措施及方法是紧密联系在一起的：车站深基坑施工具有空间和时间效应，施工步序及方法对围护结构的受力状态有较大的影响。
（4）对于环境保护的要求严格：地铁车站常设置在比较繁华的地段，需要对已有的建筑物进行保护，因此要严格控制车站的基坑工程导致的变形，以确保周围建筑物以及周围环境的安全。
（5）要求工期短：因地铁施工会给附近居民的出行以及生活环境造成不便，加上地铁施工又常在繁华地段，因此，为了减少对城市环境的影响，地铁车站的建设工期一般要求尽量短。
正是因为地铁车站基坑工程的这些特殊性，如何让隐蔽的地下工程实现既安全可靠又经济合理，成为让建设单位和设计工作人员十分关注的课题。采用有限元法等手段对于基坑稳定性进行分析，研究地铁车站

深基坑的变形规律，可以供类似的基坑工程设计借鉴，具有必要的科研价值。
4.1 Midas GTS软件的基本介绍
Midas GTS 是由韩国的建设公司MIDAS IT公司自主开发研制的一套关于三维岩土有限元模型分析软件。此款软件把岩土隧道结构的专业性要求与通用的有限元的分析内核有机地结合在一起，集合了目前常用的岩土隧道分析软件的优点。这款软件包括了非稳定渗流分析、施工阶段分析、非线性弹塑性分析、渗流—应力耦合分析、固结分析、动力分析以及地震等。在岩土分析以及隧道设计计算等方面，Midas GTS软件都是解决方案的最佳选择之一，此款软件不仅是具有软件分析岩土隧道设计计算等需要具备的最基本分析功能，而且为使用者提供了许多最新最全面的分析理论在内的强大分析功能[48]。
4.1.1 MIDAS GTS 的主要功能特点
MIDAS GTS软件的主要功能特点如表4.1所示
表4.1MIDAS GTS 的主要功能特点
分类 主项 备注
建模 自动划分网格 几何建模，自动划分网格，面/体划分网格
隧道建模助手 3D建模
分析模式 2D，3D，轴对称
单元 线单元 桁架单元，植入式桁架单元，梁单元，只受拉/（钩）单元，只受压（间隙）单元
面单元 板单元（喷射混凝土、衬砌），平面应力单元，平面应变单元，轴对称单元
实体单元 四面体单元，六面体单元
接触单元 体—体接触单元
边界 一般弹簧，接触（三维）弹性连接，刚性连接
材料 线性 Elastic,Isotropic Elastic,Transversely Isotropic
非线性 Mohr-Coulomb,Von Mises,Tresca,Druker-Prager,Hoek-Brown,Cam-Clay,Modified Cam-Clay.Jointed Rock,Strain Softening Duncan-Chang
荷载 自重，内力、弯矩，强制位移，连续梁单元荷载，梁单元荷载，压力，节点/单元温度，温度梯度，初始应力，节点质量，反应谱分析数据 多种反应谱设计库
时程分析数据 时程荷载函数，地面加速度，时变静力荷载，节点动力荷载，面动力荷载，时程结果函数
边界 支撑，节点水头，节点流量，曲面流量，渗流边界函数，非饱和特征函数，释放梁端约束，释放板端约束，修改单元属性，修改施工单元属性
分析 静力分析 线性/非线性弹性分析，弹塑性分析，应力—渗流耦合分析，施工阶段分析，排水/不排水分析，固结分析
地下水渗流分析 稳定流分析，非稳定流分析
动力分析 特征值分析，反应谱分析，时程分析
后处理 等值线，计算书，修改单元属性，修改施工单元属性，流程
4.1.2 MIDAS GTS 适用领域及工程应用
MIDAS GTS 软件，以其舒适的全中文的操作界面、前处理直观亲和、分析功能的多样性、材料本构模型的丰富性、后处理的简洁全面，在世界众

多大型岩土工程以及隧道工程上得到广泛的应用。[49]
其主要适用领域见表4.2
表4.2MIDAS GTS软件的主要适用领域
序号 主项 说明
1 地下水渗流分析
可以考虑复杂地层和地表面形状，还可以进行高难度隧道连接位置的分析。
具有隧道、大坝、边坡的稳定流和非稳定流分析功能；可以将达西法则从饱和区域扩展到非饱和区域；除了可使用van Genuchten 、Gardner的非饱和特性曲线外，用户还可自定义非饱和特性曲线。
2 应力—渗流耦合有效应力分析 可以进行考虑最终稳定状态或考虑时间效果的渗流分析,也可以将渗流分析得到的空隙水压与应力耦合进行有效的应力分析

3 软弱地基的填土和固结分析 可进行非排水条件下的填土分析，计算结果可以输出各阶段的孔隙水压力和固结沉降量

4 基坑开挖支护分析和临设结构拆除分析 高层建筑的深基坑开挖施工阶段分析；基坑开挖时对地铁、埋设管道等已建结构的影响；临时设施的拆除分析等

5 衬砌分析 利用只受压单元连接衬砌和围岩；利用曲面弹簧功能可以方便地定义弹簧系数
6 地震、爆破、移动荷载分析 可进行各种动力分析，如，特征值分析、反应谱分析、时程分析；内含地震波数据库，自动生成地震波，用户也可自定义；动力分析结果可与静力分析结果相结合。
7 桥台、桥墩基础的分析 可分析填土对桥台侧向位移的影响以及不均匀沉降对安全性的影响；建立短桩、群桩模型，进行桩土协同分析
8 边坡稳定分析
采用强度折减法对边坡稳定性进行分析，即通过不断减小岩土的抗剪强度进行分析，边坡破坏时的强度折减系数为安全系数，可整体分析边坡的破坏，为现场检测提供准确的数据。

4.1.3 MIDAS GTS分析求解的基本组成部分
Midas GTS的一般分析求解流程总体上大致可以分为三大基本组成部分，即建立分析模型部分、定义施工阶段求解部分和输出计算结果部分。
Midas GTS是一个很大的应用软件，要全面掌握并且熟练应用它是非常困难的。事实上，也没有必要必须对它进行全面掌握，学习Midas GTS软件最重要的是学会如何在所研究的学科中应用好Midas GTS，如何在Midas GTS中准确的获取自己所需要的信息。
4.2 Midas GTS建模求解中遇到的关键问题
4.2.1建立实体模型
建立可以直观的反映工程实际情况的实体模型是建立正确的有限元模型的前提。实体模型的组成主要分为两个部分：几何模型和材料的本构模型。这两者的正确选取对于整个结果的影响是十分重要的，同时也成为一个模型建立成功与否的关键所在。通常在建立有限元模型之前，首先要建立基坑的几何模型，

因为所建立的几何模型必须是十分确切地反映出工程的实际情况，与此同时应充分考虑到将会影响基坑的多种因素，从而尽可能地确定真实情况下的边界条件和外部超载，以确保建立正确的模型。建模方法主要可以分为直接法和间接法两种。直接法是根据工程的外形直接建立节点和单元建立简单的实体模型，间接法则是先建立几何模型，然后划分网格，建立有限元模型，适用于几何外形比较复杂的实体模型。
4.2.2初始状态问题
通常情况下，施工前的位移是经过长期的固结沉降产生的，在研究中不关心，而是只关注施工后的位移变化，所以，初始地应力场下所有网格节点的位移应该全部清零。
Midas GTS软件运用软件中的“位移清零”功能代替了其他很多分析软件在分析时将初始应力等效成荷载，然后施加到模型上进行计算分析，再分析计算出来的内力与变形然后减去由初始应力所引起的内力与变形。不仅避免了操作繁琐，在很大程度上，模型计算的精确性也大大的提高了。如图4.1和图4.2所示。

图4.1初始地应力场下位移为零

图4.2初始地应力场
在施工阶段中采用了置换单元材料属性的方法：管片位置处的单元最初为土体材料属性，随着掘进施工的推进逐渐置换为管片材料属性并加上接触单元。对盾构掘进过程中施工阶段的模拟，有助于对施工过程安全性的预判，可以得到不同施工阶段中土体、管片、桩基及建筑物的变形和受力，本次模拟分析包括18个施工阶段：一个初始阶段（计算初始地应力场）和17个盾构掘进阶段。
4.2.3单元的激活与钝化
在基坑开挖复杂的施工过程中，通常需要使用到必要的围护结构，用来保证基坑的稳定性。常用有限元软件中的单元对围护结构进行仿真数值模拟，常用到的单元有：杆梁线单元、板壳面单元以及最常在工程实例中见到的实体单元。在使用之前，先要使围护单元处于“空单元”状态，完成后在合适的施工工况中来恢复其单元属性，从而实现对基坑的围护。通常在运用Midas GTS软件中的“激活”与“钝化”命令来重新赋予材料属性。
4.3 地铁车站深基坑工程模拟
地基基础的稳定性能够地直接影响着地上建筑物的安全运行。地基基础一旦不稳定就有可能会造成建筑物发生十分严重的质量事故。小则墙体开裂，大则建筑物倾斜等，严重的时候甚至有可能会发生倒塌事故。尤其是当建筑物的位置刚好处于斜坡上时，地基有可能会因发生整体或者局部的剪切破坏而丧失稳定性，因此要想要保证建筑物的安全，首先必须要保证建筑物地基基础的安全性。所以，对建筑物地

基基础的稳定性分析具有重要的理论意义和实用价值。[50]在实际的工程运用中，通常会首先将地基的基础视作共同的工作系统，通过观测地基基础的整体和局部的变形或者观测其上部结构反应，来判定基础和桩的使用状态，并结合以往的工程经验来评定基础以及桩的安全性。有时会利用MIDAS GTS 软件从分析地基应力场和应变场的分布，桩基的位移和变形，边坡稳定性等几个方面对于人工地基的稳定性进行评估，然后再综合进行评定。建立高嘉花园和向贵楼位置处复合地层模型，研究具有建筑物基础的复合地层中盾构掘进对建筑物的影响，研究盾构穿越复合地层时如何对建筑的保护以及如果利用有效措施控制复杂地质情况下盾构施工的地层沉降。大致工程概况模型如图4.3所示。



图4.3高嘉花园和向贵楼位置处复合地层模型
4.3.1有限模型建立的基本假定
（1）土体：土体：通常在工程应用中，研究土体问题常采用的模拟模型为“莫尔—库伦”模型，不仅因为其在各种屈服准则中的简单实用性，而且其能较为全面精准的反映出土体对于静水压力的敏感性，以及抗压强度不同的S-D效应(Strength Differential Effect)，所以“莫尔—库伦”模型在工程实践中有着重要的作用和地位，得到了广泛的应用。因此在构建数值模型时，选取的本构模型时选用“莫尔—库伦”模型。
土体采用“莫尔—库伦”本构模型。模拟的土体模型如图4.4所示。

图4.4土体模型

（2）地下连续墙在模拟中采用实体单元弹性模型模拟，其结构内支撑以及系梁则采用梁单元弹性模型，内部格构筑和立柱桩也采用梁单元弹性模型，在模拟中模拟构件单元的材料属性及特性参数的选取见表4.3
表4.3 构件单元的材料属性及特性参数
编号 1 2 3 4 5 6
名称 周围土体 开挖土体 管片 盾壳 水泥浆衬砌 筏板

单元数量 8619 3210 4320 1600 1600 7029

单元类型 实体单元 实体单元 实体单元 壳单元 壳单元 实体单元
材料类型 摩尔库伦 摩尔库伦 弹性 弹性 弹性 弹性
弹性模量(Mpa) 1275 1275 2.01E+04
2.45E+05
9.81E+03
2.50E+04

泊松比 0.3 0.3 0.3 0.2 0.3 0.3
密度(Kg/m3) 1900 1900 2400 7800 2240 2350

粘聚力(Kpa) 14.71 14.71
摩擦角 30 30

（3）该位置基坑的地表平坦，其地层呈均匀分布，且无交错现象呈现，因此使用实体单元来模拟各类地层，其对应参数的选取依据甲方提供的地址勘探报告确定。初始状态下的土体应力以及位移场的变化均不予考虑，为简化计算模型，其地下水的影响也不予考虑。
4.3.2模拟模型工程地质概况
深圳地铁9号线文锦站总长度为500.7m，站台宽11.2m，车

站标准段总宽度为19.93m，底板埋深约18.16m，顶板覆土约4.2m。
本站所在地区原始地貌为河谷冲洪积平原，现经过人工回填，场地地势平坦，标高为5.434～7.369m。下伏基岩为侏罗系变质砂岩，上部发育冲洪积层，分别为淤泥及淤泥质土层、粘性土层、粉细砂层、中粗砂层、圆砾层及卵石层。经过现场工程地质调查，测绘，钻探，原位测试以及室内试验，得出车站所在位置地层自上而下依次为素填土，杂填土，粘性土，粉细砂，淤泥质粘土，中粗砂，卵石，硬塑状残积砂质粘性土，全风化变质砂岩，强风化变质砂岩，中风化变质砂岩等。地面被建筑物、道路覆盖，原始地貌不复存在或变得极为模糊，全风化变质砂岩，强风化变质砂岩，中风化变质砂岩强度高，压缩性低，可以作为持力层。
岩土体的物理力学参数的徐安全直接影响数值分析的结果。经过现场勘探试验，结合场地地质条件以及地方经验。其弹性模量取其压缩模量的5倍，最后得到主要的力学参数如表3-3.
根据施工方案，本标段文锦站～春风站区间端头土体加固共计2处，即文锦站西端盾构进洞门；春风路站东端盾构出洞门。在盾构机进出洞时，工作面将处于开放状态，如果处理不当，将会有涌水、涌泥等现象，严重情况下会引起洞门塌方。为了确保盾构始发和接收时的施工安全以及地层的稳定，必须对端头的土体进行加固处理。
1、加固的原则和要求
（1）盾构端头土体加固的原则
1）根据隧道埋深及盾构隧道穿越地层情况，确定加固方法和范围。
2）在充分考虑洞门破除时间和方法，选择合适的加固方法和范围，确保盾构机进出洞的安全和洞门破除的安全。
（2）加固要求
加固土体28天单轴极限抗压强度≥1.0Mpa。
2、端头加固设计
根据工程地质情况和目前盾构始发、接收端头土体加固的常用方法比较，选择适合本标段中各个端头加固的施工方法，参见表3-4、表3-5。
表3-4 文锦站盾构始发端头土体岩性分析
部 位 洞门上、下、左、右各3m范围内地质 隧道覆土
右线始发洞门（出洞门） 1.5厚<3-1>淤泥、淤泥质土（洞顶）
1.1厚的<3-6>卵石（洞顶）
平均2.4m厚<6-2>硬塑状砾（砂）粘土（洞身）
4.3m厚<8-1>全风化变质砂岩（洞身）
约16m厚<8-2>强风化变质砂岩（洞底） 11.76m
左线始发洞门（出洞门） 平均6m厚<3-4>中粗砂（洞顶）
4.4m厚<6-2>硬塑状砾（砂）粘土（洞身）
平均16m厚<8-2>强风化变质砂岩（洞身、洞底） 12.1m



表3-5 春风站东端盾构接收端头

土体岩性分析
部 位 洞门上、下、左、右各3m范围内地质 隧道覆土
右线接收洞门（进洞门） 8.4m厚<6-2>硬塑状砾（砂）粘土（洞顶、洞身）
10.1m厚<8-2>强风化变质砂岩（洞身、洞底） 18.7m
左线接收洞门（进洞门） 4.7m厚<3-4>中粗砂（洞顶）
4.3m厚<3-6>卵石（洞身）
4.2厚<6-2>硬塑状砾（砂）粘土（洞身、洞底） 9.85m

文锦站西端头右线始发洞门加固形式为14排φ800双重管旋喷桩，加固宽度12m，加固长度10m，加固范围为隧道上下左右各3.0m范围内的强风化层；隧道左线接收洞门采用φ800双重管旋喷桩，共计14排，排内间距650mm、排与排间距650mm，咬合150mm布置。左线加固体为长×宽×高=10m×12m×15.95m，加固范围为洞门上、下、左、右各3m。
为了盾构接收安全考虑，春风站建意改为地面旋喷加固，东端头右线接收洞门加固形式为14排φ800双重管旋喷桩，排内间距650mm、排与排间距650mm，咬合150mm布置。左线加固体为长×宽×高=10m×12m×23.139m，加固范围为隧道上下左右各3.0m；隧道左线始发洞门采用14排φ800双重管旋喷桩，排内间距650mm、排与排间距650mm，咬合150mm布置。左线加固体为长×宽×高=10m×12m×23.139m,加固范围为隧道上下左右各3.0m。考虑春风路站端头加固深达23m,旋喷加固可能达不到预期的效果，在洞门范围内进行水平注浆加固，洞门周边成30度角向外围加加固。
4.3.3有限元模型的网格划分及边界条件
（1）有限元模型中的网格划分
在使用有限元软件建立模型时，是否具有精密性以及构建均匀性的网格划分，在建模能否成功中起到关键性的作用，在Midas GTS 软件中常常使用K-线命令由建立几何形状直接生产网格，在建立高嘉花园和向贵楼位置处复合地层模型时土体单元尺寸为1.5m，支护结构尺寸1m。为了使建立的地下连续墙网格以及土体网格相耦合，使用软件中的命令——“析取单元”来建立摩擦面单元。
（2）模型中的边界条件
因为实际工程中，基坑在2倍基坑的最终开挖深度处的岩层为中风化泥质砂岩，由于该土层属于砂岩，故在所建立的三维模型中，底部节点的边界条件就采用了约束Z方向的位移铰支边界条件，同时，模型的左右两侧边界条件跟前后两侧都是选用滑动类型边界条件，所不同的是，前后两侧约束Y方向，左右两侧约束X方向。模型中的边界条件见图4.5.同时图4.5里的边界模型也是基于高嘉花园和向贵楼位置处复合地层模型所建立的研究模型。

图4.5模型边界条件

4.4小结
岩土工程的复杂性和多样性加大了岩土工程问题研究的难度。运用有限元软件可以运用简化的物理模型去描述

较为复杂的工程问题，分析了解整个结构的应力场以及位移场，以达到科学合理的进行结构设计的目的。希望随着工程技术的不断发展，类似MIDAS GTS的岩土分析软件能够不断优化，更加便捷的为岩土工程所运用。
第5章MIDAS GTS软件模拟结果分析
5.1不同施工阶段不同位置处地表沉降
根据填土工期、打桩时间、挖填还有上部结构工期的不同假设，选取了9个位置点，如图3.6所示。经过分析，不同施工阶段不同位置处地表沉降的曲线如图3.7所示。


图3.6 选取的分析位置点


图3.7 不同施工阶段不同位置处地表沉降
现如今，越来越多的一线城市在修建地铁，而且绝大部分采用的是盾构法施工，盾构推进过程中可能要穿越建筑物桩基等障碍物，如处理不当可能产生严重后果，所以可以通过数值分析来验证处理措施是否安全可靠。由于实际情况的复杂性，盾构的动态施工又要考虑施工阶段，对周边的影响也是动态的。多种荷载的共同作用，加之土体材料及接触问题的高度非线性，导致数值分析的难度较大。在盾构施工的初期，因盾构机的不断运作，对于其土层的扰动较大，土体结构不断受到影响，因此从图3.7中可知6-14阶段其地表沉降量不断加大，当施工阶段进入15阶段的时候，因其盾构隧道结构的支撑和加固措施等因素，其上部地表的沉降趋于稳定。


5.2在施工各阶段应力应变的变化情况
在盾构掘进过程中，桩基的内力会不断变化，最大桩基剪力不超过7.5KN/m。盾构隧道施工中，发生位移和变形的地层波及到既有建筑物的桩基，由于盾构施工对围岩产生扰动， 受扰动的围岩土体产生塑性变形、松动或破坏，引起的地层位移和变形将对桩侧和桩端产生作用， 会引起桩基承载力和沉降量的变化，从而导致桩基的沉降和变形。盾构隧道在掘进的过程中，分析研究桩基的沉降和变形对于是否设置隔离桩来降低既有桩基的最大弯矩和剪力有着十分必要的参考作用。
如果基础地层底部发生的沉降量小，桩基础周围的地层移动和变形不会对建筑物产生影响；如果沉降量过大，桩基础周围的岩土体发生移动和变形时，基础底部受到土层变形的影响，同时还受到基础四周地层变形的影响。由于桩基础埋深较深，当沉降过大时，土的侧向变形易引起桩基的侧向变形和内力变化，从而引起上部建筑物的变形和内力变化，这时候就需要采取必要合理的加固措施来减小因盾构机掘进，盾构隧道近距离侧穿建筑物对于建筑物桩基所造成的影响。各阶段桩基剪切力变化以及模型应力应变变化结果见以下不同施工阶段桩基剪切力的变

化各组图所示。