（岩土工程专业论文）贵州山区深基坑变形特性研究.pdf

贵州山区深基坑变形特性研究 摘要 本文通过对贵州山区深基坑工程的三维有限元数值模拟计算，研究了在不同 基坑几何尺寸及不同土体力学参数时深基坑的变形，主要考虑影响基坑变形的因 素：岩层和土层( 红粘土层) 的厚度以及变形模量、基坑的开挖宽度及深度以及 无支护与有支护形式等。并得出结论：力学性质的变化对基坑变形影响较大。基 坑尺寸越小，其三维空间效应越显著。无论是非均质土还是均质土，在无支护型 式下，基坑开挖完毕后，基坑长边、短边中点各深度处的水平位移变化规律均为 向基坑内倾，先由小变大，到基坑底处再变小。有支护型式下，无论是非均质土 还是均质土，在基坑开挖完毕后，基坑各深度处的水平位移变化规律是在锚索( 即 支护点) 以上基坑向内倾，变形值先由小变大，支护后，由小变大直到基坑底处 再变小。 关键词：深基坑三维有限元红粘土变形特性空间效应 s t u d yo nt h ed e f o r m a t i o nb e h a v i o ro fd e e p e x c a v a t i o ni ng u i z h o u s m m a f y n l ep 印e rs t u d i e dm ed e f 0 n a t i o no fd e e pe x c a v a t i o no nd i 丘b r e n tp i ts i z ea n d d i 岱：r e m s o i lm e c h a m c a l p a r a m c t e r s ，t h r o u g h c a l c u l a t c d t h er e s u l t s b y t l l r e e d i m c n s i o nf i n i t ee l e m e n tm e t l l o d ( f e m ) t h em 匈o ri n n u e n tf 配t o r so nm e d e f o 肌a t i o no fe x c a v a t i o n 盯et 1 1 ed 印t l lo fr o c kl a y e r ，s o i ll a ) 吧“r e dc l a y1 a y e r ) a i l d m o d i l l l l so f d e f b 珊撕o n ，t l l e 、v i d ma 1 1 d 血ed 印mo f p i t ，、i 吐l o u tb r a c ea n db r a c e da 1 1 d s oo n ig o tt l l ec o n c l u s i o nt l l a tt h e 枷u e n c et 1 1 a tt h ed e f b 姗a t i o no fe x c a v a t i o nb ym e c l l a n g eo ft h em e c h a n i c a ic h a r a c t e ro fs o i l ( r e dc l a y ) i sg r e a t t h ep i t sd i m e n s i o n g o t t e n 锄a l l ，“ss p a c ee 船c tg o t t e no b v i o u s a f t e rt h ed e 印p i tc x c a v a t e d ，b o 血也e h o m o g e n e o u ss o i la n dt t l en o n h o m o g e n e o l l ss o i l ，w i t l l o u tb r a c e ，t h ec h a i l g er e g 讧i a 血y o fh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to fp i t s1 0 n g 】e n g ma 1 1 ds h o r tj c n g t l li sn l a tp i tc l i n et o i n s i d e ，也ed e f 0 衄a t i o nn 删c a lc h a n g e 如ms m a l lt ol a r g e ，t l l e nc h a l l g et os m a l l t i l l 廿1 ed e 印e x c a v a t i o n b a s e a 船r 也ed e 印p i te x c a v a t e d ，b o mt h eh o m o g e n e o u ss o i l a 1 1 d 廿l en o n h o m o g e n e o u ss o i l ，w i 廿1b r a c e ，t h ec h a i l g er c g u l 撕t yo fh o r i z o m a l d i s p l a c e m e n to fp i t sl o n gl e n g t 王ia i i ds h o r tl e n g t l li st 1 1 a tp i tc 土i n et oi n s i d e ，也c d e f o r m a t i o nm 瑚e r i c a lc h 眦g e 舶m 跚1 a l lt 0l a r g e ，k rb m c e d ，t h 衄m mt 01 a 增e a g a i nt i nt l l ed e e pe x c a v a t i o n b a s e k e y w o r d s ： d e e pe x c a v a t i o n ：t h r e e d i m e n s i o nf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) r e dc l a y ：d e f o r m a t i o nb e h a v i o r ： s p a c ee f f e c t 1 1 引言 第1 章绪论 在1 9 9 6 年1 1 月中国工程院环境委员会成立大会上，工程院院士钱七虎就指 出，在土木工程界，1 9 世纪是桥的世纪，2 0 世纪是高层建筑的世纪，而2 l 世纪 应该是地下空间开发利用的世纪。随着我国经济的迅速发展、人口的急剧增加 以及城市现代化进程的加速推进，城市中有限的地面空间己不能满足人们日益增 长的生活和工作的需求。如何有效地开发利用地下空间随之成为了国家和工程界 重视的研究课题。近年来，高层建筑地下室、地下商场与地下车库、城市地下铁 道、地下市政设施等地下工程的不断涌现，使得深基坑工程不仅数量上增多，而 且建设规模向着更大、更深的方向发展。在国外，圆形基坑的深度己达到7 4 m ( 日 本) ，而非圆形基坑的深度已达到地下9 层( 法国) “1 。国内的高层建筑基坑最 大平面尺寸己达2 7 4 m 1 8 7 m ，最深达3 2 m ；地铁车站基坑平面尺寸最大也达到 6 0 0 m 2 2m ，最深达2 0 m “3 。此外，采矿、军事、交通等基础设施建设领域的一 些大中型基坑工程也日益增多。 现今深基坑建造多在城市中，场地狭窄，施工技术难度大，且由于影响因素 的多样性，发生了许多重大工程事故，造成基坑塌方或引起附近建( 构) 筑物偏 斜、道路管线错位变形、开裂等严重后果。基坑工程的成功率普遍低下是目前建 筑工程界异常突出的问题，有的地区基坑工程的成功率大体为1 3 ，另有2 3 的 是出了工程事故或有工程隐患的“3 。例如：天津无缝钢管厂基坑深一9 米，钢筋 混凝土桩支护，由于打桩时土中孔隙水未及时消散即开挖基坑，土中侧推力大， 引起基坑外相邻桩与支护桩均向基坑内侧倾斜，位移值达4 0 0 m 1 2 0 0 m ，从而 造成支护失效。又如，某高层住宅基坑深一1 1 5 m ，巾7 0 0 钢筋混凝土灌注桩，桩 距1 4 m ，挖到1 1 5 m 时，粉质粘土基坑变形严重，造成1 0 0 0 一的塌方、经济损失 1 0 0 万元”1 。因此，深入研究基坑工程中的各种理论和实际问题，为设计施工提 供更有力的指导，是工程建设对工程界提出的迫切要求。 基坑工程是一个古老而又具有时代特色的综合性岩土工程难题，既涉及到土 力学中典型强度问题，又包含了基坑的变形问题，同时还涉及到土与支护结构的 共同作用问题。对于这些问题的认识及其对策的研究，是随着土力学理论、计算 技术、测试仪器以及施工机械、施工工艺的进步而逐步完善的。经过多年来各国 学者的努力，基坑的土压力理论、稳定计算理论和土与结构相互作用研究都取得 了很大进展。然而，研究人员发现如今在城市密集区中开挖的基坑变形及地层沉 降常常导致邻近建筑物倾斜、开裂和地下管线断裂等严重后果，其损失往往比工 程自身的损失大得多，在城市建设中发生事故率也较高。因而，深基坑工程设计 必须按变形控制设计已列入规范中。在中华人民共和国冶金工业部编制的建筑 基坑工程技术规范( j g j l 2 0 一9 9 ) 中明文规定：在密集建筑群中间开挖基坑，其 变形必须满足坑内、坑外周边环境两方面的控制要求。现在对于在复杂环境状况 下，基坑支护结构、土体和周边建筑物及其它构筑物之间的共同作用进行的研究 还较少。因此，深入研究基坑开挖过程中的变形问题，总结基坑在外界条件影响 下变形规律是很有意义的，这也是本文研究的主要目的。 1 2 国内外研究现状 自从上世纪四十年代始，t e r z a g h i 、p e c k 等人提出了预估挖方稳定程度和支 撑荷载大小的总应力法，至今国内外的许多学者致力于岩土工程领域的研究，并 取得丰硕的成果。从早期的放坡开挖，发展到了悬臂围护、内撑( 或拉锚) 围护 以及组合型围护：迄今为止，围护型式已发展至数十种。除了传统的几种支护型 式，例如：重力式挡土墙，钢板桩，地下连续墙，排桩外，近年来还出现了几种 新型的基坑工法：s m i v ( s o i lm i x i n gw a l l ) 工法、咬合桩、土锚及复合土钉墙 等。s m w 工法在日本、美国、法国以及东南亚和台湾等许多地方得到广泛应用， 现在上海地铁中等深度基坑( 8 m 1 3 m ) 中得到推广使用。在我国北方和南方硬土 地层普遍采用锚拉排桩方式进行基坑支护。 目前，对基坑的支护结构、开挖技术以及沿海地区的软土基坑工程研究比较 充分”“。在我国软土地区应用较为广泛的支护型式有：重力式水泥搅拌桩挡土 墙、灌注桩与水泥搅拌桩加支撑以及地下连续墙加支撑等，由于这些地区的地基 土土质几乎是淤泥及淤泥质土，工程性质差；加之地下水丰富，地下水位高，使 得深基坑开挖经常会遇到很多严峻的实际问题。如支护结构的选型，支护桩墙的 入土深度，分步开挖深度及基坑降排水等问题，无一不影响到支护结构本身及周 围建筑和地下设施的安全，而成本的经济、方案的合理性又是在考虑安全可靠时 所面临的又一实际问题。对这些问题的解决又推动了多种形式的深基坑支护理论 与技术的发展。因此深基坑开挖与支护技术和理论在沿海软土地区的发展更为成 熟一些。而一些科学的开挖技术，例如盾构法、信息化施工等也得到了大力的提 倡。孙钧教授于1 9 9 9 年，就环境士力学原理以及“时空效应”，对基坑问题作 了分析探讨，并对土层沉降、变形进行理论预测。基坑工程中时空效应原理的施 工方法有别于常规的施工技术，它强调支撑架设的及时性和挖土工艺( 分层、分 段、对称、平衡等) 。“时空效应”设计方法在硬土地层的隧道开挖采用收敛反 馈的变形控制法，做到经济有效的支护；在软土地层中，隧道的开挖则一般采用 盾构机械，以控制其变形。但在明开挖的软土深基坑工程中，地层变形的控制往 往是按照传统的强度控制进行设计的，很难满足变形控制要求，因此产生了利用 新奥法时空效应理念的施工法来达到变形控制的目的。但在空问尺寸复杂的基坑 工程中，这一问题就要复杂得多。墨西哥齐法特教授曾将此法应用到基坑工程中， 但仅能定性，无法做到定量。在上海，基于大量软土基坑实践，提出了考虑时空 效应控制基坑结构变形及周围地层位移的基坑设计计算方法。在己试行的深基坑 工程中，均取得了显著的效果”3 。 1 2 1 深基坑的空间效应研究现状 深基坑本身是一个具有长、宽和深尺寸的三维空间结构，它的长和宽尺寸越 小、坑深越大，则其三维的空间效应越显著。由于基坑和围护结构的最大变形通 常发生在基坑中部的剖面上，在基坑拐角处基坑的变形多多少少受到与之垂直的 基坑壁的约束，但对于基坑边坡失稳的最危险面来看，其应该在基坑壁平面；方 向中点处与z 方向垂直成x y 平面。由于深基坑工程开挖面积一般很大，故在该 平面上受两侧坑壁的约束非常小，以至于可以认为不受相邻坑壁的约束，所以在 分析边坡稳定时按平面应变问题考虑也是可行的，而且这样又简化了计算，仍被 广泛应用于分析基坑施工过程的动态反演与变形预测问题。通过大量实践证明， 二维分析由于未考虑空间约束作用，算得的位移一般比三维分析所得结果大，计 算结果偏于安全“”；而三维数值分析可以得出基坑外侧空间位移场，可全面了解 和处理基坑开挖引起的环境问题。因此，对基坑的分析采用三维模型更合理。 我国许多学者致力于有关基坑的空间效应这一方面的研究，并取得了一定的 成果。 1 9 9 8 年，杨雪强，刘祖德、何世秀在论深基坑支护的空间效应“2 1 文中通 过对基坑的三维模型和二维模型的比较分析，得出两者的变形和土压力的分布性 态基本一致；三维土压力数值大一些，变形数值则小一些，当基坑的长宽比大于 4 时，二维计算结果与三维计算结果表明在分布性态上和数值上基本一致。 1 9 9 9 年，俞建霖，龚晓南发表的深基坑工程的空间性状分析。”一文中得 出基坑边角附近的空间作用较强，而中部较目玑基坑边角处围护结构的水平位移 和被动土压力较小，随后逐步增大，至基坑中部达到最大值，而主动土压力的变 化规律则反之。以及随着基坑长宽比的增大，围护结构短边的最大水平位移与基 坑长宽比亦呈线性增长关系。 1 9 9 9 年，蒋洪胜，刘国彬，刘建航指出目前的基坑设计中主、被动土压力 计算多采用朗肯或库仑理论，实质上这两种理论仅适用于平面问题，即长高比 b h 5 的基坑情况。对一般基坑而言，基坑内壁土体的破裂形状明显地呈三维 的空间状，土压力对基坑长高比表现出明显的相关性。大量的实测基坑主动土压 力结果表明，当基坑长高比b h 5 时，坑后破裂体中存在明显的成拱效应，使 作用在墙上的主动土压力及倾覆力矩都得到不同程度的折减，b h 值越小，则 折减越大州。 2 0 0 1 年，高文华，杨林德，沈蒲生采用m i n d l i n 厚板理论，通过编制的计 算程序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“”。 从维护深基坑的经济和环境保护的角度出发，空间效应研究是很必要的。 1 2 2 基坑工程数值分析现状 由于岩土材料有别于一般的固体力学分析对象，它具有非线性，结构复杂、 受力状况多样、影响因素众多的特点；仅依靠固体力学中常用的数值分析方法已 不能满足现代岩土力学数值分析的要求。近年来，随着计算机技术的飞速发展， 数值计算也逐渐成为岩土工程模拟分析的重要手段。由于更能有效地反映岩土工 程较为复杂的力学行为，它已被广泛地应用于岩土体稳定性、岩土工程设计和岩 土工程基本问题分析中同时还可减少对室内实验及昂贵的现场原位实验的依赖。 在岩土有关领域的数值分析应用中，可大致分为连续变形分析方法和非连续 变形分析方法两大类。连续变形分析方法重点在于分析岩土介质的连续变形特 性，主要有：有限差分法( f d m ，一般限于渗流、固结、污染运移等问题) 、有 限单元法( f e m ，使用最为广泛) 、边界单元法( b e m ) 、有限分析法( f a m ) 、 半解析法( h a e m ) 和离散单元法( d e m ，适于连续介质，无裂隙节理) 。非连 续变形分析方法主要有：界面单元有限元法，刚体弹簧模型或刚体有限单元法， 基于块体理论的非连续变形方法、无单元方法及耦合方法等。所有这些岩土工程 数值分析方法中，以有限单元法最为成熟，应用也最为广泛。 有限元法的优点在于：它适用分析复杂几何形状的连续介质问题；能成功 的反映各种复杂的材料性质及其不均匀性。只要给出岩土材料的本构表达式，有 限元法则能表达出来；它对复杂的边界条件的反映比其他数值方法有较大的优 势。已经开发的不同类型的单元，可以适合不同情况的模拟( 如板壳单元模拟板 壳的作用、界面单元模拟各种界面的特性) ；它经过多年的开发应用，已有较 为成熟的方法、计算程序和大量宝贵的工程计算经验“”。 有限元法被广泛应用于目前国内外的高层建筑深基坑开挖与支护的工程实 例。其数值分析已从早年沿用线弹性理论计算过渡到采用弹塑性理论计算。由于 线弹性分析方法既不能体现土体的非线性特性，也没有考虑土体的流变性，所以 分析结果与实际工程情况相差很大，目前已较少采用；而多采用的是弹塑性和粘 弹塑性有限元法用于深基坑工程的分析中。 应用有限元方法求解实际工程问题己有3 0 多年的历史，己经从理论和应用 两方面积累了相当多的经验。纵观已有的研究，有限单元法在土力学的发展大致 有以下三个方向：有限单元法计算中的土体本构关系模型的发展、改进；有限单 元法计算方法本身的改进；计算程序面向工程界，向通用化、规范化发展。 岩土工程问题区别于其它工程问题的特点之一就是由于不断地开挖或建筑 ( 回填、支护、筑坝等) ，而使起始所界定的模型在几何上发生不断地变化。因 此，岩土力学的数值模拟问题比其他工程力学问题复杂得多。正是由于深基坑 丌挖的复杂性和有限单元法的广泛通用性及其灵活性等特点( 如有限元可以模拟 复杂的施工过程) ，许多学者都采用有限元方法分析基坑开挖问题。这方面的 程序主要有两大类：一是不考虑土单元的杆系有限元，即把支护结构作为梁，利 用土压力，从而计算挠度和内力；二是利用有限元进行弹性、弹塑性、粘塑性的 二维或三维分析，取一定的计算区域，用增量法进行计算。 2 0 0 2 年，俞建霖，龚晓南在基坑工程变形性状研究“”一文中就用空间有 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，并通过工程实例验证了有限元分析 模式的合理性。 陆新征，宋二祥等人发表的某特深基坑考虑支护结构与土体共同作用的三 维有限元分析，采用a n s y s 大型有限元计算软件对某深基坑工程进行施工全过 程的三维有限元弹塑性分析和模拟，其中考虑了支护结构和土体之间的相互作用 问题以及各种开挖方案对基坑变形的影响。对比各种分析结果得出，考虑结构与 土体共同作用更接近真实情况“。 2 0 0 3 年，高文华，杨林德，沈蒲生提出了深基坑支护结构内力与变形时空效 应分析的三维有限元模型，模拟基坑分步开挖过程、支撑方式的变化、地基的流 变效应，可计算挡墙上任意时刻、任意位置的内力与变形。可为深基坑支护、丌 挖设计及施工参数的选取提供依据“。 在岩土工程数值技术模拟中的每一种方法都有其适用的范围和局限。主要是 由于岩土条件的复杂性，没有一种模型能够完全预测不同工况条件下所有岩土体 的工程特性。此外，模糊分析计算方法( s o f tc o m p u t i n g ) 被开发研究用于岩土 工程问题的分析判断中，并取得了有益的进展，如仿生计算方法、神经网络方法 等新兴的信息技术。 1 3 本文的研究方法及主要工作内容 一、本文研究方法 本文拟采用三维有限元数值分析方法根据工程实际的基坑开挖方体系的演 变情况，模拟分析其呈现的变形性状的变化规律，对基坑变形进行较为详细的研 究。并借助工程软件使基坑应力及变形的计算结果可视化。在有限元模拟中，为 简化问题，本文拟不考虑土体的固结和流变特性。 二、本文的主要工作 6 1 影响基坑变形的几种主要因素。 2 有限元法求解基坑变形的具体办法，包括结构的简化、本构关系的采用、 具体结构和岩土单元的选用等。 3 利用有限元分析软件a n s y s 建立其三维的力学模型，模拟出基坑土体开 挖卸荷全过程。通过对空间问题的解答，分析此过程中的基坑的空问效 应、土体性状变化和基坑周边位移发展过程及规律。再将有限元分析结 果与工程实测资料进行比较分析。 4 应用有限元法这一方法，研究红粘土物理力学参数、基坑空间尺寸对基 坑变形的影响。诸如：均匀土层与非均匀土层对基坑变形的影响； 有无支护条件对基坑的变形影响。 5 通过对长、。宽、深不同尺寸的基坑的模拟，通过比较分析基坑的尺寸效 应，并总结其规律。 第2 章贵州山区的影响基坑变形因素 2 1 贵州山区地基基本特性 2 1 1 工程地质情况 贵州省是中国西南地区的一个内陆省份，地势上处于云贵高原向东面过渡的 斜坡地带，西面高，北、东、南三面低，总体呈由西向东逐渐由高至低的地势， 并朝南、北方向倾斜，以山地地形为主。地貌特征上呈典型的喀斯特地貌景象。 碳酸盐岩红土即我国岩土工程界称为“红粘土”，属于特殊土。它在红土化 过程中形成的游离氧化铁联结的水稳性好的骨架，孑l 隙比虽高，但却具有低压缩 性和高强度。红粘土需在适宜的气候、水文地质、地形、岩性等条件下才能产生 发育，其中气候条件起着决定性的作用；适宜的温度和降水量以及蒸发和降雨的 干湿季节交替明显也是其发育的重要条件。贵州省气候潮湿温暖，降雨量充沛， 年降雨量“o o 1 2 0 0 毫米；岩溶中低山及缓丘等山地地形常见。由于贵州地区 的外部发育条件充分，因此红粘土在贵州分布广泛，在有些地方甚至几乎是唯一 的土类，红粘土理所当然的成为贵州省工程建设中的主要土类。贵州省的几个主 要城市均建设在由红粘土构成的岩溶盆地中。虽然它的分布面积不像黄土高原上 的黄土类土那样广大，那么连续，厚度也远远小于黄土类土的分布厚度，却是喀 斯特地貌区的宝贵资源和财富。 2 1 2 红粘土的物理力学性质 红粘土是贵州省工程建设中涉及的主要土类，所产生的一些工程问题，也大 都与其特殊工程性质有关。 一、基本物理性质： 最突出的地质特征是土的界限含水量、孔隙比；天然含水量、饱和度等物 理性指标很高。般土天然重度的常见值在1 6 o 2 2 9 k n m 3 之间，而红粘土的 天然重度常见值在1 6 o 1 7 ，2k n m l 之间“，与一般土类对比，天然重度处在 一般土常见值的下限范围，属于低密度的土。它的饱和重度与天然重度的差值 不大，这是因为天然状态下，它的饱和度一般均大于9 0 ，孔隙中基本被水充 满所致。它的干重度值较小，天然状态下的干重度值常见值在1 0 5 1 2 o k n m 之间，这是因为其高孔隙比所致。可见，红粘土天然结构状态下是处于低密程 度的，土的干重度及天然重度都比一般普通土的重度值要小。比重常见值为 2 7 0 2 8 2 之间，处于一般粘性土比重常见值的高限，即比重略高于一般粘性 土的比重值。 二、力学性质 除少数溶沟、溶槽等低洼地貌部分上的软塑和流塑状态的软土以外，大多 数的天然土体具有中等的压缩性和较高的抗剪强度，具有很弱的透水性。在文 献 1 9 中，文中作者对红粘土进行大量试验后得到红粘土的抗剪强度指标范围： 内聚力常见值在2 0 6 0 k p a ，内摩擦角常见值在9 。1 5 。 除此，贵州红粘土的物理力学性质还具有以下基本特征： 1 液限较大，含水较多，饱和度一般都大于8 0 ，土常处于硬塑至可塑状态： 2 孑l 隙比一般均较大，其变化范围也大，常超过0 9 ，最大者可接近2 o ；前期 固结压力和超固结比较大，均为超固结土，一般常具有中等至偏低的压缩性； 3 浸水后强度会显著降低，尤其是反复浸水后再失水后，会破坏土的结构“。 2 1 3 红粘土地基常见工程地质问题 1 厚度不均匀土层形成岩土混合地基的变形破坏： 红粘土由于下伏基岩面是起伏不定的岩溶不整合面，导致上覆土层厚度极不 均匀，石芽还常常出鼯于地表，与溶沟、溶槽等一起组成岩土混合地基。 基岩和红粘土的力学性质存在很大的差异，厚度不均匀的土层常使得地基的 强度和变形性能产生不均匀的现象。土层的变形量大，而基岩的变形量很小，会 导致地基产生较大的不均匀沉降，危害建筑物的安全。 2 基坑开挖或边坡的变形破坏 在红粘土地基中开挖基坑，若暴露在大气中的时间较长，尤其是在干旱的季 节中突然降雨，容易引起基坑变形或坍塌破坏，在工程实践中的经验表明，基坑 丌挖后若能及时浇注混凝土，则可以避免变形的发展和避免坍塌破坏。这说明埋 藏地表下的土层暴露后，因环境条件改变引起土体中含水量较大幅度的改变，使 红粘土产生胀、缩变形。由于土的结构发生改变或破坏，就产生工程地质问题。 9 裸露的红粘土边坡在干湿交替明显的年份也常会产生开裂和破坏。 贵州红粘土不同于其它类型的红土，显著特征表现为它有着很差的物理性质 指标，但同时它却具有较好的力学性质，这在其它土类中是不可能出现的。通常， 具有一定成分结构的土，具有相应的物理力学性质，物理性质差的土，孔隙比越 大，含水量越高，土的力学性质就越差。物理性质差引起土的力学性质差是工程 土中存在的一般规律和普遍规律。贵州红粘土有着其特殊性，不服从普遍规律而 遵循特殊的规律。因而，有必要针对红粘土特殊的工程性质，进行贵州山区的基 坑变形研究，分析并总结贵州地区有关红粘土地基中基坑变形规律。 2 。2 影响基坑变形的因素 影响深基坑稳定及其环境变形的因素比较复杂，大致可归纳为三大类： 1 环境地质条件：包括地基土的各种物理力学指标以及基坑形状、基坑宽度、 开挖深度等几何尺寸； 2 基坑围护结构的特性参数：包括围护结构类型、支撑类型、桩墙厚度、桩墙 入土深度、桩墙材料、预应力水平等； 3 施工技术条件：包括基坑分步开挖深度与宽度、支撑架设时间、支撑间距等 施工参数和施工速度、施工技术措施等。 对于贵州山区的特殊地形地貌以及红粘土的特殊物理力学性能，本文仅对于 贵州的环境地质条件进行分析基坑的稳定及变形问题。 2 2 1 几何尺寸 基坑的几何尺寸包括开挖形状、开挖宽度、开挖深度。 基坑工程与地面结构不同之处在于其周围都被土层包围着，在外部主动荷载 作用下，开挖卸荷的土层会发生变形，同时还会受到来自地层的抵抗力。这种抵 抗力称为地层弹性抗力，属于被动性质，其数值大小和分布规律与基坑变形有关。 与其他主动荷载不同，弹性抗力限制了结构的变形，故改善了结构的受力情况。 拱形的弹性抗力作用显著，而矩形结构的抗力作用较小；故基坑的几何尺寸多选 用矩形。 丌挖宽度和深度对基坑的变形也是有影响的。杨雪强“通过对深基坑坑壁土 o 体的三维破坏模式的分析研究后，总结出： ( 1 ) 把坑壁中间区域看成平面问题来分析，计算主动土压力和进行支护设 计，适合于较长的基坑坑壁，其深基坑的空间效应对坑壁中间区域的屏蔽作用很 弱。 ( 2 ) 基坑坑壁的边长越短，其空间效应越明显，从而使坑壁土体越易呈较 浅层的三维失稳破坏。越靠近深基坑的边角，其空间效应的影响越大。 ( 3 ) 深基坑坑壁中央范围的土压力和位移值均大于两坑壁一定范围的土压 力和位移值。因为在深基坑两端壁处存在显著的空间效应，抑制了其附近区域的 土压力和位移的发展。 2 2 2 支护方式 就支护结构面言，可分为自立式支护结构和有撑锚的支护结构。支护结构体 系还可分为刚性和柔性两种。刚性支护在基坑开挖过程中变形很小( 但位移可能 并不小) ，如重力式水泥搅拌桩支护；柔性支护在基坑开挖过程中的变形较大， 如地下连续墙支护和排桩支护等。随着城市环境、变形控制要求的提高以及节约 造价方面的需求，近年来出现了以下几种新型工法。 1 s m w s m w 工法的施工时无大量的排出土需要处理，其可通过减磨剂基本上可以 做到将型钢全部回收，被称为无公害工法。 2 土钉支护 土钉支护是一种用于土体开挖后边坡稳定的新型挡土技术。由于土钉一般是 通过钻孑l 、插筋、注浆来完成的，因此也被国内外工程界称为砂浆锚杆或者锚钉 支护，在国外又被称为原位加筋横向支撑系统：又由于其类似于加筋土挡土墙， 困此土钉支护还常被称为土钉墙，其挡土机理与重力式挡土墙相类似。 此外，设置的支护结构的预应力大小、支撑的道数及其位置对基坑变形都有很大 的影响。 3 锚杆( 索) 支护 锚杆( 索) 支护是种岩土主动加固和稳定技术，作为其技术主体的锚杆 ( 索) ，一端锚入稳定的土( 岩) 体中，另一端与各种形式的支护结构联结，通 过杆体的受拉作用，调用深部地层的潜能，达到基坑和建筑物稳定的目的。锚杆 ( 索) 适应性强，基本不受基坑深度的限制；机动灵活，可与多种其它支护型式 配套使用，这是锚固支护的两大特点。因此，锚固技术在深基坑中的应用具有显 著的技术经济效益。根据目前国内外深基坑锚固支护工程应用的实践经验，锚杆 可与各种支挡桩( 钢板桩，人工挖孔灌往桩，钻孔灌注桩等) 组成桩锚体系，也 可与各种墙( 地下连续墙，土钉墙，钢筋混凝土挡墙等) 组成锚杆挡墙。 3 1 概述 第3 章空间有限元分析法的基本概论 用一些离散的单元代表一个给定的区域，并不是有限元法的新概念。人们发 现古代数学家早已经将圆看作一个有限个边长的多边形，并将这内接于圆的多边 形来逼近圆周长的真实值，预测值可精确到4 0 位数。1 9 4 1 年，柯朗在他的一篇 数学讲稿中( 该讲稿于1 9 4 3 年发表) 建议在三角形子区域内用分段多项式内插 法作为近似数值解的方法。他把这种方法称为变分问题的瑞利一里兹解法，这就 是我们今天所称作有限单元法的雏形。直至1 9 5 3 年，由于有了计算机作为媒介， j 程师们爿将刚度方程用矩阵符号表示，并利用计算机解这些方程。1 9 5 6 年特 纳、克拉夫、马丁和道浦的经典性论文开始了工程领域中有限单元法的突破性发 展。在1 9 6 0 年，这种处理问题的思路被广泛用于求解弹性力学的平面应力问题， 并开始使用“有限单元法”这一术语。2 0 世纪5 0 年代中期至6 0 年代末，有限 元法逐渐普及成为土建工程强有力的分析工具。随着电子计算机的飞速发展，使 有限元法在许多实际问题中的应用变成现实，并且有广阔的应用前景1 。 在岩土工程问题中，由于研究对象岩土主要是非均质的( 涉及不同的岩 土层) ，显著的结构面对岩土地应力状态及稳定性都有很大的影响。加之，实际 工程的情况又是十分复杂多样的，传统的解析方法往往难以得到满意的解答。用 传统力学方法解决岩土工程问题时，通常会遇到以下几点困难： 1 岩土体是一个多相、非均质、各向异性的孔隙体，影响岩土工程问题的因素 是复杂多样的，需要处理的信息量很大，而所获得的数据又很有限，不仅是 输入给模型的基本参数没有很好的定义，而且很少测量数据是有效的。也正 是由于参数的取值不准确，所以无法获得足够的数据用于理论分析和数值模 拟。 2 岩土体的变形破坏特征及其复杂，而且多半是高度非线性的，尤其是人类对 岩土体在复杂条件下的变形破坏机理的理解可以说是知之甚少，无法建立能 反映真实的本构模型，不得不再特定条件下进行假设，套用已有的理论和定 理进行处理，致使分析结果常常与实际出入很大。 3 岩土体是一种不确定系统，岩土工程中既有客观上的不确定性，也有主观上 的不确定性。这种不确定性包括随机性、模糊性、信息的不完整性和信息处 理的不确定性。由于客观上的这些不确定性，加上对岩土体变形破坏机理认 识不清楚，导致了理论分析和模拟主观上的非确定性，如计算模型、计算参 数的选取、计算的假定、简化、信息描述、测量精度、测点的布置和方案以 及设计施工数据与信息不足等。 而采用有限元数值模拟方法则可以较好的解决这几方面的问题。1 9 6 6 年， 美国克拉夫( c l o u g h ) 和伍德沃德( w o o d w a r d ) 首先将有限元法应用于土力学， 作了土坝的非线性分析。1 9 7 3 年，河海大学和南京水科院就开始研究有限元法 在岩土工程的应用，接着发表了我国最早的有关论文“。而且，在很多情况下， 有限元法可以取代复杂费工的模拟试验，取得更为详尽、准确的资料和经济效果 ”“。因此，本论文采用有限单元法对基坑变形进行数值分析。 3 2 有限单元法的基本原理 有限单元法实质上是一种在力学模型上进行近似的数值计算方法。有限单元 法理论基础是变分原理，它的基本方程一般由变分原理的能量原理来建立，对位 移法的有限元方程，通常可由最小势能原理或与之等价的虚位移原理来建立。它 的基本思想是把连续体假想地离散为小单元的等价系统，这些单元的集合体就代 表原来的结构。再建立每个节点的平衡方程，并把方程结合起来，引入边界条件， 求解整体平衡方程组，最终得到原结构在离散单点处的位移或应力等的解答。 本文按位移有限元法进行分折。按照处理问题的不同，有限元法可分为平面 问题和空间问题，相应的单元称为平面单元和空间单元。常见的平面单元有三角 形、四边形和任意四边形单元，空间离散化模型的常用单元有四面体单元、长 方体单元、直边六面体单元、曲边六面体单元等。本文采用简单的八节点六面体 单元。 囝 空间有限元 1 4 3 3 岩土体的本构关系模型 岩土体在受力时，在应力较小时，变形往往是线弹性的；一旦应力超过了某 个限度，应力应变关系往往不再是线弹性的，而成为非线性弹性或塑性力学问题。 不同的材料引起塑性变形和塑性破坏的机理是不同的。对于金属一致认为是晶体 位移和错位所致，而对于混凝土、石材、土等岩土类材料，其内部发生的现象与 金属材料的微观现象有着很大的区别。因此了解岩土体的变形特性是很必要的。 土体的变形规律是很复杂的，在静荷载作用下不随时问变化的特性有以下几 点1 ： l _ 土体变形有十分明显的非线性特性。无论压缩试验测得的e p 曲线、三轴 试验测得到应力应变曲线，还是现场荷载试验测得到荷载沉降曲线，都是如 此。而且，加载一开始就呈非线性，基本没有什么直线变形阶段。因为这种非线 性存在较大的塑性变形。 2 土体不仅有显著的塑性体积变形，而且剪应力会引起塑性体积变形，称为剪 胀性：另一方面，球应力又会产生剪应变。 3 土体的应力应变关系曲线有硬化和软化两种型式。所谓硬化，就是变形随 应力而不断增加；所谓软化，就是应力应变曲线存在着峰值，过了峰值以后， 应力虽然减小，变形仍在增加。贵州山区的正常固结红粘土就呈硬化型，而紧密 砂土和超固结粘土则呈软化型。 4 应力路径、应力历史、中主应力和固结压力等对变形均有显著影响。 5 土体的变形是各向异性的、不仅存在原生的由土体结构的各向异性所带来的 变形各向异性，而且对于结构上各向同性的重塑土，在各向受力不同时，也会产 生新的变形各向异性。 土体本构关系 弹性 、 塑性 线弹性 非线性弹性 i 传统塑性 广义塑性 c 塑性内时理论 l 粘弹性 粘性 粘塑性 i 粘弹塑性 如今，一般将土体本构模型分为：非线性理论和弹塑性理论两种。 二、本构方程( 物理方程) ： 本构方程可分为弹性本构方程和塑性本构方程两种。 1 弹性本构方程 对于各向同性材料，独立的只有2 个。 q = 寺吒一肿，坦) 】，= 去 q = 寺q 一( 吒+ 吒) 】，= 壶k ( 3 1 ) = 击 巳一( 吒+ q ) 】，屯= 去k 2 塑性本构方程 建立塑性本构方程，首先要确定其屈服准则、流动规则和硬化规律。 由屈服条件判断出物体内某点处于塑性状态后，再用加载条件判断此点在一 时间段内的变化过程是加载过程，这时应力的各个分量与应变的各个分量间服从 塑性本构方程。塑性本构方程有两种，即增量理论本构方程和全量理论本构方程。 全量理论只适用于简单加载的情况，增量理论适用于任何加载条件，能充分反映 加载的历程。 3 3 1 弹塑性模型 在岩土力学的非线性分析中，常采用邓肯一张( d u n c a n c h a n g ) 弹性非线性 模型，它假定岩土的全部变形都是弹性的，通过不断修改弹性模量( 切线弹性模 量) 矩阵进行弹性非线性模拟，近似反映岩土的塑性变形。但在有限元分析中， 该模型不能很好地反映岩上开挖后工作面周围塑性区的发展变化情况。由于岩土 体是弹塑性介质，在加载与卸载过程中的变形是完全不同的，其应力一应变关系 呈现了明显的非弹性性状。工程实践表明，在岩土工程施工过程中，工作面周围 岩一卜体会表现出一定的塑性屈服，为了能够较实际地反映这种塑性屈服特性，本 文采用岩土体材料的弹塑性模型。 建立弹塑性本构关系应包含以下内容： 1 ) 材料进入塑性屈服的应力条件屈服准则或塑性条件： 2 ) 进入塑性屈服后的变形规律及加载条件流动法则及硬化定律； 3 ) 材料所处受载状态的确定加载卸载准则： 4 ) 弹塑性应力应变关系。 1 屈服准则 屈服准则是判断材料进入塑性受力阶段的标志。没有屈服就没有塑性。岩土 类材料不同于金属材料的屈服与破坏特性主要有以下几点“： 1 一般的岩土类材料都具有应变硬化或软化特性： 2 三个主应力或三个应力不变量都对屈服和破坏有影响。不仅代表剪应力 的影响着屈服与破坏，而且静水压力及中间主压力或偏应力第三不变量 对屈服与破坏都有影响。 3 单纯的静水压力也可以产生屈服； 4 具有s d 效应，即拉压的屈服与破坏强度不同： 5 高压下，屈服及破坏与静水压力呈非线性关系； 6 除坚硬的岩块，一般的岩土破坏都属于剪切破坏： 7 初始各向异性与应力导致的各向异性。 对于理想的弹塑性材料，在单轴应力状态下，当应力。小于屈服极限o 。时， 材料处于弹性阶段。无论加载或卸载，应力与应变都呈线性关系，本构关系符合 虎克定律一= fr 。当o o 。时，材料即进入塑性状态。在这一阶段，卸载过程 仍服从弹性本构关系，即使卸载为零时，还有残余变形( 塑性变形) 。在加载过 程中，有新的塑性变形产生，要求服从塑性本构关系。 当o = o 。即为单向受力时的屈服条件。而在复杂应力状态下，物体内的一点 开始产生塑性变形时，应力也必须满足一定的条件，它就是复杂应力条件下的屈 服条件。此时，屈服条件在应力空间( 由三个主应力为坐标轴建立的坐标系) 中 代表一条曲线、一个面或超曲面，称为屈服曲面，它是弹、塑性状态的分界面。 屈服函数一般可表示如下： f t o ，。，d 。t 。t m 。k ) = o 嫱一裔 f 称为屈服函数。把物体内一点的六个应力分量代入屈服函数中，若f o ， 则表明该点尚处于弹性状态：若f = o ，则表示该点处于塑性状态。 列于各向同性材料，屈服准则与坐标轴方向的旋转无关。用主应力表示屈服 函数： 。吖。 。3 口= d( 3 3 ) 还可以将屈服函数用应力偏张量的三个不变量表示： f ( j f j 2 j 毋= o0 - 当应力的组合使材料达到屈服状态时，就可以认为是破坏了，即材料进入无 限塑性变形的状态。因此屈服条件和破坏条件是相同的，屈服面也就与破坏面重 合了。 对于金属材料，t r e s c a 屈服准则和m i s e s 屈服准则两类在工程实践上得到 广泛的应用。而与静水压力相关的岩土类材料，工程实践上用得较多的则为m o h r c o u l o m b 屈服准则和d r u c k e r p r a g e r 屈服准则。 1 1m o h r c 0 u l o m b 准则2 2 ”1 m c 准则的形式为： f = 哟p + c ( 3 5 ) 或 旦： 导s 却+ c c o s 妒 22 式中，c 为粘结力，为内摩擦角，为剪切面上的法向应力。 等边不等角的六角锥面，如图： ( 3 6 ) 它在主应力空间为一 1 2d p 准则“ d r u c k e r 与p r a g e r 于1 9 5 2 年提出了广义m i s e s 屈服与破坏准则，简称为d p 屈服或破坏准则。它不仅考虑了静水压力对屈服的影响，还克服了m o h r c o u l o m b 屈服面的六边形角锥面上尖角导致的数学计算困难。而且，d p 准则可 以通过调整圆锥的大小来适应m o h r c 。u o m b 准则，使其符合岩土类材料屈服与 破坏的特性。 d p 准则( 广义m i s e s 准则) 的屈服函数为： 厂( ，2 ) = ，2 一嘲一= o ( 3 7 ) ，( p ，g ) = g 一3 3 ( 驴一3 七= o ( 3 8 ) 厂( 盯，f 。) = o 一6 印。一2 i = o ( 3 9 ) 式中a ，k 为准则材料常数，按照平面应变条件下的应力和塑性变形条件， d r u c k e r 与p r a g e r 导得了，k 与c m 准则的材料常数1 l ，c 之间的关系为： 口：! ! ! 竺 一竺竺 ( 3 1 0 ) 拈司翥而2 面袁忑 q 。1 w 屉：! ! ! ! ! ! 竺：。： 丝 ( 3 一1 1 ) 3 + s i n2 妒9 + 1 2 t a n2 p d p 屈服准则的材料参数少，且易于实验测定或由c m 准则材料常数换算。 2 加、卸载准则 加、卸载准则是判断材料处于塑性加载或弹性加、卸载的条件。由屈服准则 判断出受力物体中某点处于塑性状态后，还无法进一步判断出这一时间段内是加 1 9 ，ol “ 载过程还是卸载过程。应力状态只有知道材料处于塑性加载条件或弹性加、卸载 条件下，才能分别按塑性或弹性本构关系进行应力与应变分析。对于理想弹塑性 材料，它的屈服条件是不变的，即加载面和屈服面是样的。因为不存在屈服曲 面外的点，所以不会出现屈服函数值增加的现象，如图所示。当从a 点向屈服 曲面内的a 点移动时，屈服函数值减小，序o ，表示卸载过程；当从a 点在 屈服曲面上移动时，屈服函数值不变，厶厂_ 0 ，表示加载过程； 3 流动法则”l 流动规则也称为正交定律，是确定塑性应变增量方向的一条规定。描述塑性 应变增量与当前应力状态的关系并以此形成弹塑性本构关系表达式。根据m i s e s 在1 9 2 8 年所提出的塑性位势理论，材料中任意一点的塑性应变增量方向总是与 塑性势面正交，设塑性势面函数为： 口f 口。 p = 口( 3 1 2 ) 则塑性应变增量与应力存在着下