考虑土—结构相互作用的深基坑弹性地基有限元分析
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摘要
深基坑工程是建筑工程的一部分，其发展与建筑业的发展密切相关。随着高层建筑的大批出现，对深基坑工程的要求越来越高，即对深基坑稳定和位移控制的要求很高。因此，就深基坑工程而言，既涉及土力学典型的强度与稳定问题，又包含了变形问题，同时还涉及到土与支护结构的相互作用。
本论文详细介绍了目前深基坑支护工程的理论研究现状，并且着重分析杆系有限元法的基本计算过程及其在深基坑支护结构中的计算步骤。同时，本文论述了弹性地基梁的计算理论和分析方法，深入讨论了弹性地基梁的各种计算模型，其中包括弹性理论模型、文克尔理论模型、用弹性柔线联结的弹簧系模型、双基床系数模型等。通过详实地分析建立在文克尔理论模型基础之上的弹性地基有限元法计算原理和实施过程，指出当前深基坑支护体系弹性地基有限元法的不足。及目前深基坑计算中普遍存在的土压力计算及分布问题，提出了考虑土-结构共同作用的分析方法，并以此建立了相应的土压力模式。在此基础之上总结出此模式与弹性地基有限元法相结合的计算方法，同时利用Fortran Power Station编写了实用的SJK程序，用于计算支护结构的内力与变形。以具体的工程地质条件为依据，对不同的支护条件下的计算结果进行分析，分别讨论了不同的基坑开挖深度、支护结构刚度、支撑位置及支撑刚度对内力和变形的影响，得出了较为符合实际的分析结果。同时，本文也针对多支撑支护结构施工时，存在的分步开挖的情况，结合本论文所提考虑土-结构共同作用的分析方法及荷载增量法理论，对多支撑支护结构在开挖过程中各工况进行了简要分析，并与实测结果进行了比较分析。
通过分析计算可以得出，在基坑支护过程中，土压力的大小在静止土压力值的基础上随支护结构向坑内侧位移增大而减小；土压力的分布由静止土压力的三角形分布随支护结构位移变化成其它分布；由土-结构共同作用模式引入随土体位移变化的水平向基床系数，使支护结构在开挖面以上部分同以下部分一样，均可采用弹性地基有限元法进行计算，得出更为合理的计算结果。
Deep excavation engineering is part of the civil engineering, whose development is interrelated to the building industry closely. With the large quantities of high-rise buildings, the demand to the deep excavation engineering is higher and higher, i.e. the demand to the stability of deep excavation and displacement control is much higher. Thus, deep excavation engineering deals with not only typical strength and stability problems of soil mechanics but also the deformation problems and the interaction between soil and timbering structure.
The thesis introduces particularly the theoretical investigation status of the timbering engineering for deep excavation and analyses both basic calculation process of the bar-system finite element and calculation steps used in the deep excavation timbering structure. Simultaneously, the thesis discusses the calculation theory and analysis method for beam on elastic foundation, and gives an in-depth discussion on each calculation model of beam on elastic foundation, including elastic theory model, Wenker theory model, spring-system connected with flexible line model and double-foundation-bed coefficient model etc. The deficiency of elastic foundation finite element method of deep excavation timbering system presently is pointed out via the detailed investigation to the elastic foundation finite element method calculation theory and implement process based on Wenker theory model. Analysis method of soil-structure interaction is put forward and relevant soil pressure model is established for soil pressure calc
ulation and distribution problems which is ubiquitous in the deep excavation calculation. Then the calculation method is summarized combining the model and elastic foundation finite element method. And an applied SJK programme is written using Fortran Power Station to calculate internal force and deformation of the timbering structure. Through investigation to the calculation results on different timbering conditions according to idiographic engineering geology conditions, the thesis discusses on how internal force and deformation is influenced by different depth of the excavation, the rigidity of the timbering structure, the position of the bracing and rigidity of the bracing and educes practical analysis result. And because the excavation is often processed in steps during
the multi-timbering structure construction, the thesis also analyses briefly to the multi-timbering structure on each working condition during the process of excavation and compares it with the actual measurement combining with the analysis method considering soil-structure and load increment method which is put forward in the thesis.
Through the analysis and calculation the conclusion can be made that during the process of the timbering of excavation, the magnitude of soil stress decreases with the increase of the displacement on the base of the still earth pressure, and the earth pressure distribution varies from the triangular distribution of the still earth pressure to other distribution with the displacement of the timbering structure. The thesis introduces the bedding coefficient in the horizontal direction varying with the soil displacement from soil-structure interaction mode, therefore calculation can be made to get more rational calculation result using elastic foundation finite element method which is the same to timbering structure both upwards and under excavation surface.
本论文详细介绍了目前深基坑支护工程的理论研究现状，并且着重分析杆系有限元法的基本计算过程及其在深基坑支护结构中的计算步骤。同时，本文论述了弹性地基梁的计算理论和分析方法，深入讨论了弹性地基梁的各种计算模型，其中包括弹性理论模型、文克尔理论模型、用弹性柔线联结的弹簧系模型、双基床系数模型等。通过详实地分析建立在文克尔理论模型基础之上的弹性地基有限元法计算原理和实施过程，指出当前深基坑支护体系弹性地基有限元法的不足。及目前深基坑计算中普遍存在的土压力计算及分布问题，提出了考虑土-结构共同作用的分析方法，并以此建立了相应的土压力模式。在此基础之上总结出此模式与弹性地基有限元法相结合的计算方法，同时利用Fortran Power Station编写了实用的SJK程序，用于计算支护结构的内力与变形。以具体的工程地质条件为依据，对不同的支护条件下的计算结果进行分析，分别讨论了不同的基坑开挖深度、支护结构刚度、支撑位置及支撑刚度对内力和变形的影响，得出了较为符合实际的分析结果。同时，本文也针对多支撑支护结构施工时，存在的分步开挖的情况，结合本论文所提考虑土-结构共同作用的分析方法及荷载增量法理论，对多支撑支护结构在开挖过程中各工况进行了简要分析，并与实测结果进行了比较分析。
通过分析计算可以得出，在基坑支护过程中，土压力的大小在静止土压力值的基础上随支护结构向坑内侧位移增大而减小；土压力的分布由静止土压力的三角形分布随支护结构位移变化成其它分布；由土-结构共同作用模式引入随土体位移变化的水平向基床系数，使支护结构在开挖面以上部分同以下部分一样，均可采用弹性地基有限元法进行计算，得出更为合理的计算结果。
Deep excavation engineering is part of the civil engineering, whose development is interrelated to the building industry closely. With the large quantities of high-rise buildings, the demand to the deep excavation engineering is higher and higher, i.e. the demand to the stability of deep excavation and displacement control is much higher. Thus, deep excavation engineering deals with not only typical strength and stability problems of soil mechanics but also the deformation problems and the interaction between soil and timbering structure.
The thesis introduces particularly the theoretical investigation status of the timbering engineering for deep excavation and analyses both basic calculation process of the bar-system finite element and calculation steps used in the deep excavation timbering structure. Simultaneously, the thesis discusses the calculation theory and analysis method for beam on elastic foundation, and gives an in-depth discussion on each calculation model of beam on elastic foundation, including elastic theory model, Wenker theory model, spring-system connected with flexible line model and double-foundation-bed coefficient model etc. The deficiency of elastic foundation finite element method of deep excavation timbering system presently is pointed out via the detailed investigation to the elastic foundation finite element method calculation theory and implement process based on Wenker theory model. Analysis method of soil-structure interaction is put forward and relevant soil pressure model is established for soil pressure calc
ulation and distribution problems which is ubiquitous in the deep excavation calculation. Then the calculation method is summarized combining the model and elastic foundation finite element method. And an applied SJK programme is written using Fortran Power Station to calculate internal force and deformation of the timbering structure. Through investigation to the calculation results on different timbering conditions according to idiographic engineering geology conditions, the thesis discusses on how internal force and deformation is influenced by different depth of the excavation, the rigidity of the timbering structure, the position of the bracing and rigidity of the bracing and educes practical analysis result. And because the excavation is often processed in steps during
the multi-timbering structure construction, the thesis also analyses briefly to the multi-timbering structure on each working condition during the process of excavation and compares it with the actual measurement combining with the analysis method considering soil-structure and load increment method which is put forward in the thesis.
Through the analysis and calculation the conclusion can be made that during the process of the timbering of excavation, the magnitude of soil stress decreases with the increase of the displacement on the base of the still earth pressure, and the earth pressure distribution varies from the triangular distribution of the still earth pressure to other distribution with the displacement of the timbering structure. The thesis introduces the bedding coefficient in the horizontal direction varying with the soil displacement from soil-structure interaction mode, therefore calculation can be made to get more rational calculation result using elastic foundation finite element method which is the same to timbering structure both upwards and under excavation surface.
引文
[1]建筑基坑工程技术规范(YB9258-97)北京：冶金工业出版社，1998年
[2]建筑基坑支护设计规范(JCJ120-99)北京：中国建筑工业出版社，1999年
[3]刘建航，侯学渊主编：基坑工程手册，北京：中国建筑工业出版社，1997年
[4]桩基工程手册编写委员会编：桩基工程手册，北京：中国建筑工业出版社，1995年
[5]龚晓南主编：深基坑工程设计施工手册，北京：中国建筑工业出版社，1999年
[6]华南理工大学、东南大学、浙江大学、湖南大学编：地基与基础，中国建筑工业出版社，1998年
[7]潘弘、曹华先、吴世明、骆雯：深基坑开挖中圆形支护结构性状分析，工业建筑，1999，Vol．29，No．5
[8]潘弘、吴世明：支护结构内支撑内力、变形的分析，工业建筑，1999，Vol．29，No．5
[9]吴宏伟、施群：深基坑开挖的应力路径，土木工程学报，Vol．32，No．6，1999
[10]崔自治、张长领：支护结构杆系有限元法计算的新模式，建筑结构，2002，6
[11]彭明祥、毛艳荣：深基坑桩墙支护结构数值分析实用方法，建筑结构，2001，4
[12]龙通讯、王宪章：预应力锚杆和地下连续墙联合支护在长城春风花园工程中的应用，建筑结构，2001，4
[13]郭玉荣、王兆军、邹银生：基坑支护结构的非线性土抗力分析法，建筑结构，2001，4
[14]陈页开、徐日庆、任超、龚晓南：基坑开挖的空间效应分析，建筑结构，2001，10
[15]钱建固、黄茂松、吴世明：软土地基基坑挡墙土压力变化的动态分析，建筑结构，2001，10
[16]孟秋英、王铁宏、陈耀光：对基坑支护结构土压力问题的探讨，建筑结构学报，Vol．19，No．5，1998
[17]刘兴旺、施祖元、益德清、吴世明：基坑支护结构全过程内力及变形分析，建筑结构学报，Vol．19，No．5，1998
[18]杨雪强、刘祖德、何世秀：深基坑支护的杆系有限元分析，湖北工学院学报，Vol．15，No，2000
[19]徐方京、谭敬慧：地下连续墙深基坑开挖综合特性研究，岩土工程学报，Vol．15，No．6，1993
[20]谭志勇、王余庆、周根寿：软土地层中考虑土与结构共同作用的支护结构设计计算方法，工业建筑，Vol．29，No．5，1999
[21]胡昌华、唐忠德：支撑体系竖向布置的一些优化，工业建筑，Vol．29，No．5，1999
[22]李广信：基坑支护结构上水土压力的分算与合算，岩土工程学报，Vol．22，No．3，2000
[23]刘之葵：深基坑支护设计计算方法中的几个问题，广西地质，Vol．13，No．3，2000
[24]陈晓平、闫军：深基坑支护结构的三维杆系有限元分析，岩土力学，Vol．22，No．3，2001
[25]郑虹、王成华：水泥搅拌桩挡土墙墙顶位移的修正算法，岩土力学，Vol．21，No．4，2000
[26]杨素春：深基坑支护技术及实例分析，低下空间，Vol．21，No．5，2001
[27]高永贵、刘宗洲：西安地区深基坑边坡支护设计探讨，西安建筑科技大学学报，Vol．30，No．3，1998
[28]马飞、艾智勇：考虑接触摩擦效应时的弹性地基杆系有限元法，岩土力学，Vol．23，No．1，2002
[29]肖宏彬、张亦静：多支撑挡土结构考虑开挖过程计算的若干问题，建筑结构，2000，11
[30]张吾渝、徐日庆、龚晓南：土压力的位移和时间效应，建筑结构，2000，11
[31]黄宏伟、任臻、钱伟：深基坑内加固与墙体侧向位移的相互影响实测分析，建筑结构，2000，11
[32]武亚军、卢文阁等：深基坑支护结构优化设计探讨，建筑结构，2000，11
[33]李钟：深基坑支护技术现状及发展趋势，基坑与边坡工程，2001，1
[34]黄宗愈：深基坑支护的的实用计算方法，施工技术，1997，9
[35]金亚兵：有限线单元法用于锚杆桩支护系统的计算分析，工程勘察，1997，(3)．1—6
[36]杨德林：基坑支护结构位移和安全性监测的动态预报，土木工程学报，1999，32(2)
[37]顾平：悬臂式基坑围护工程设计与施工，建筑结构，1997，9
[38]高印立：考虑圈梁空间效应支护桩的简化计算，建筑结构，1998，11
[39]熊巨华、李建华：基坑围护工程中土体水平抗力系数m值的分析与确定，建筑结构，1998，6
[40]张继红、王国体：基坑支护的静力反算模式，建筑结构，1999，5
[41]杨学林、施祖元、益德清：带撑支护结构受力计算，建筑结构，2000，5
[42]桂国庆、涂铿：深基坑工程的研究现状与发展趋势，工程力学增刊，2000年
[43]丁文胜：基坑支护结构空间效应的监测与研究，工程力学增刊，2001年
[44]陈雪文：深基坑支护体系的整体变形法分析，工程力学增刊，1999年
[45]黄强、惠永宁：深基坑支护工程实例集，北京：中国建筑工业出版社，1997年
[46]谭浩强、田淑清编：FORTRAN语言，北京：清华大学出版社，1995年
[47]桂良进、王军、董波编：Fortran Power Station 4.0使用与编程，北京：北京航空航天大学出版社，1999年
[48]李云鹏、王芝银编：固体力学有限单元法及程序设计，陕西：西安地图出版社，1994年
[49]王焕定、吴德伦编：有限单元法及及计算程序，北京：中国建筑工业出版社，1997年
[50]黄文熙：土的工程性质，北京：水利电力出版社，1981年
[51]王勖成、邵敏编：有限元基本原理与数值方法，北京：清华大学出版社，1995年
[52]杨泮池等：计算方法，西安：陕西科学技术出版社，1996年
[53]余志成、施文华编：深基坑支护设计与施工，北京：中国建筑工业出版社，2000年
[54]黄强：深基坑支护工程技术
[55]徐芝纶：弹性力学(上册)，北京：高等教育出版社，1982年
[56]宰金珉、宰金璋：高层建筑基础分析与设计，——土力结构物共同作用的理论与应用，北京：中国建筑工业出版社，1993年
[57]秦四清：深基坑工程优化设计，北京：地震出版社，1998年
[58]丁大钧、刘忠德：弹性地基梁计算理论和方法，南京：南京工学院出版社，1986年
[2]建筑基坑支护设计规范(JCJ120-99)北京：中国建筑工业出版社，1999年
[3]刘建航，侯学渊主编：基坑工程手册，北京：中国建筑工业出版社，1997年
[4]桩基工程手册编写委员会编：桩基工程手册，北京：中国建筑工业出版社，1995年
[5]龚晓南主编：深基坑工程设计施工手册，北京：中国建筑工业出版社，1999年
[6]华南理工大学、东南大学、浙江大学、湖南大学编：地基与基础，中国建筑工业出版社，1998年
[7]潘弘、曹华先、吴世明、骆雯：深基坑开挖中圆形支护结构性状分析，工业建筑，1999，Vol．29，No．5
[8]潘弘、吴世明：支护结构内支撑内力、变形的分析，工业建筑，1999，Vol．29，No．5
[9]吴宏伟、施群：深基坑开挖的应力路径，土木工程学报，Vol．32，No．6，1999
[10]崔自治、张长领：支护结构杆系有限元法计算的新模式，建筑结构，2002，6
[11]彭明祥、毛艳荣：深基坑桩墙支护结构数值分析实用方法，建筑结构，2001，4
[12]龙通讯、王宪章：预应力锚杆和地下连续墙联合支护在长城春风花园工程中的应用，建筑结构，2001，4
[13]郭玉荣、王兆军、邹银生：基坑支护结构的非线性土抗力分析法，建筑结构，2001，4
[14]陈页开、徐日庆、任超、龚晓南：基坑开挖的空间效应分析，建筑结构，2001，10
[15]钱建固、黄茂松、吴世明：软土地基基坑挡墙土压力变化的动态分析，建筑结构，2001，10
[16]孟秋英、王铁宏、陈耀光：对基坑支护结构土压力问题的探讨，建筑结构学报，Vol．19，No．5，1998
[17]刘兴旺、施祖元、益德清、吴世明：基坑支护结构全过程内力及变形分析，建筑结构学报，Vol．19，No．5，1998
[18]杨雪强、刘祖德、何世秀：深基坑支护的杆系有限元分析，湖北工学院学报，Vol．15，No，2000
[19]徐方京、谭敬慧：地下连续墙深基坑开挖综合特性研究，岩土工程学报，Vol．15，No．6，1993
[20]谭志勇、王余庆、周根寿：软土地层中考虑土与结构共同作用的支护结构设计计算方法，工业建筑，Vol．29，No．5，1999
[21]胡昌华、唐忠德：支撑体系竖向布置的一些优化，工业建筑，Vol．29，No．5，1999
[22]李广信：基坑支护结构上水土压力的分算与合算，岩土工程学报，Vol．22，No．3，2000
[23]刘之葵：深基坑支护设计计算方法中的几个问题，广西地质，Vol．13，No．3，2000
[24]陈晓平、闫军：深基坑支护结构的三维杆系有限元分析，岩土力学，Vol．22，No．3，2001
[25]郑虹、王成华：水泥搅拌桩挡土墙墙顶位移的修正算法，岩土力学，Vol．21，No．4，2000
[26]杨素春：深基坑支护技术及实例分析，低下空间，Vol．21，No．5，2001
[27]高永贵、刘宗洲：西安地区深基坑边坡支护设计探讨，西安建筑科技大学学报，Vol．30，No．3，1998
[28]马飞、艾智勇：考虑接触摩擦效应时的弹性地基杆系有限元法，岩土力学，Vol．23，No．1，2002
[29]肖宏彬、张亦静：多支撑挡土结构考虑开挖过程计算的若干问题，建筑结构，2000，11
[30]张吾渝、徐日庆、龚晓南：土压力的位移和时间效应，建筑结构，2000，11
[31]黄宏伟、任臻、钱伟：深基坑内加固与墙体侧向位移的相互影响实测分析，建筑结构，2000，11
[32]武亚军、卢文阁等：深基坑支护结构优化设计探讨，建筑结构，2000，11
[33]李钟：深基坑支护技术现状及发展趋势，基坑与边坡工程，2001，1
[34]黄宗愈：深基坑支护的的实用计算方法，施工技术，1997，9
[35]金亚兵：有限线单元法用于锚杆桩支护系统的计算分析，工程勘察，1997，(3)．1—6
[36]杨德林：基坑支护结构位移和安全性监测的动态预报，土木工程学报，1999，32(2)
[37]顾平：悬臂式基坑围护工程设计与施工，建筑结构，1997，9
[38]高印立：考虑圈梁空间效应支护桩的简化计算，建筑结构，1998，11
[39]熊巨华、李建华：基坑围护工程中土体水平抗力系数m值的分析与确定，建筑结构，1998，6
[40]张继红、王国体：基坑支护的静力反算模式，建筑结构，1999，5
[41]杨学林、施祖元、益德清：带撑支护结构受力计算，建筑结构，2000，5
[42]桂国庆、涂铿：深基坑工程的研究现状与发展趋势，工程力学增刊，2000年
[43]丁文胜：基坑支护结构空间效应的监测与研究，工程力学增刊，2001年
[44]陈雪文：深基坑支护体系的整体变形法分析，工程力学增刊，1999年
[45]黄强、惠永宁：深基坑支护工程实例集，北京：中国建筑工业出版社，1997年
[46]谭浩强、田淑清编：FORTRAN语言，北京：清华大学出版社，1995年
[47]桂良进、王军、董波编：Fortran Power Station 4.0使用与编程，北京：北京航空航天大学出版社，1999年
[48]李云鹏、王芝银编：固体力学有限单元法及程序设计，陕西：西安地图出版社，1994年
[49]王焕定、吴德伦编：有限单元法及及计算程序，北京：中国建筑工业出版社，1997年
[50]黄文熙：土的工程性质，北京：水利电力出版社，1981年
[51]王勖成、邵敏编：有限元基本原理与数值方法，北京：清华大学出版社，1995年
[52]杨泮池等：计算方法，西安：陕西科学技术出版社，1996年
[53]余志成、施文华编：深基坑支护设计与施工，北京：中国建筑工业出版社，2000年
[54]黄强：深基坑支护工程技术
[55]徐芝纶：弹性力学(上册)，北京：高等教育出版社，1982年
[56]宰金珉、宰金璋：高层建筑基础分析与设计，——土力结构物共同作用的理论与应用，北京：中国建筑工业出版社，1993年
[57]秦四清：深基坑工程优化设计，北京：地震出版社，1998年
[58]丁大钧、刘忠德：弹性地基梁计算理论和方法，南京：南京工学院出版社，1986年