深基坑支护墙体受力变形分析的粘弹性地基厚板理论

 博士学位论文摘要　在软土地区进行深基坑开挖, 由于深基坑的三维结构性和地基的流变性, 使得围护结构的受力变形具有明显的时空效应。但在以往的设计和研究中, 人们常常将其简化为弹性地基梁或二维平面应变问题进行分析计算, 从而使得计算结果与实际情况有较大的差异。随着人们对基坑工程的空间效应和时间效应认识的不断深入, 基坑工程的时空效应日益受到人们的关注。为此, 本文拟从M indlin 厚板理论出发, 建立可用于软土深基坑围护结构变形的三维有限元分析模型, 完成的主要工作有:(1) 建立了深基坑支护墙体受力变形计算的三维有限元分析模型。文中将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。该模型可模拟基坑分步开挖过程和地基的流变性态, 可考虑支护墙体位移和内力的空间效应以及由地基流变引起的时间效应。(2) 将支护墙体视为厚板, 借助M indlin 厚板理论, 采用可考虑横向剪切变形的8 节点平板等参元, 建立了墙体的单元刚度矩阵。(3) 对非开挖侧水土压力的确定, 本文采用了土压力与位移相关联的计算方法, 并通过改变基床系数K h 值和应力转移对土压力的修正建立了计算过程。(4) 依据对现场监测资料的分析建立了可考虑土体间相互作用和流变性能的线性粘弹性地基模型, 并推导了相应的地基刚度矩阵。(5) 根据计算模型建立了基本方程, 对求解方法进行了讨论。根据高斯点应力为超收敛点、具有高精度的特点, 对应力的计算结果进行了局部应力光滑处理, 获得了较高精度的节点应力值。(6) 在建立三维有限元计算模型的基础上, 编制了相应的计算程序TSEF。并对计算程序和计算模型进行了验证。结果表明: 本程序解题的收敛性较好, 计算结果具有较高的精度。(7) 利用该程序, 对影响深基坑支护墙体受力变形的因素如支撑刚度、墙体刚度、支撑预加轴力、墙体入土深度及被动区土体加固作用等逐一进行了分析。此外, 本文还详细地探讨了基坑开挖过程中由边界约束、开挖深度和开挖宽度不同引起的支护墙体受力变形的空间效应, 以及由地基流变引起的时间效应, 并由此得出了许多有益的结论, 为深基坑支护的设计、施工及周围环境的保护提出了若干有实用价值的建议。(8) 用本文研制的计算程序对上海香港广场地下连续墙和珠江玫瑰花园深层搅拌桩墙体的位移和内力进行了分析, 并对珠江玫瑰花园深层搅拌桩东侧墙体裂缝的成因进行了探讨。通过上述研究, 获得了如下成果:1) 支撑刚度增大时, 墙体最大水平位称将减小, 而墙体的最大纵向弯矩M x、横向弯矩M y 和扭矩M x y 则增加。可见为使有效地控制墙体的水平位移, 又不致使墙体的内力明显增大, 增加支撑刚度的幅度应予控制。2) 在一定的范围内适当增加挡墙厚度, 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, 试图借助增加厚度来减小位移的做法并不合理。3) 增加支撑的预加轴力, 可以有效地减小墙体的水平位移, 而墙体的内力增加很少, 但第一道支撑的预加轴力要适当, 否则会引起墙体外倾。4) 坑内土体的弹性模量提高到原来的20 倍时, 墙体的水平位移与原来相比, 减少了36% , 说明被动区土体加固对减少墙体水平位移的作用非常显著。另一方面, 随着土体弹性模量的提高, 墙体的内力均减小, 可见这类措施对提高支护墙体的稳定性十分有利。5) 增加墙体的入土深度可有效地减少墙体的水平位移, 同时墙体的正向弯矩M x、M y 和正向扭矩M x y 将减小, 反向弯矩和扭矩则略有增加, 有利于墙体保持稳定。6) 沿墙体水平方向的横向弯矩M y 很小, 而沿墙体深度方向的竖向弯矩M x 很大, 且都是正弯矩的绝对值要> > 负弯矩的绝对值。因此, 设计中主要应考虑竖向钢筋布置。7) 由于挡墙两端受到相邻墙体的约束, 使墙体的水平位移沿走向上有中部的变形大, 两端变形小; 在深度方向上, 墙体的水平位移在中部大、上、下端部小。墙体水平位移等值线图近似为“船形”, 最大位移值出现在基坑开挖面附近。8) 随着基坑开挖宽度的增加, 墙体的位移值增大, 当基坑的开挖宽度增加一倍时, 最大纵向弯矩M x 显著增加。可见在实际工程中, 为保持墙体的稳定性, 应注意不使基坑开挖宽度过大。9) 考虑时空效应综合影响的墙体水平位移的分布规律:① 在各开挖步内, 墙体的水平位移随着时间的延长而增大, 故有必要尽量缩短各分步开挖占用的时间。② 下一工况开始时的位移曲线均在上一工况结束时的位移曲线的左侧, 两者互相紧靠, 表明下一工况新增加的支撑和预加轴力对位移的发展有限制作用, 使位移值略有减小。但随着时间的延长, 位移均逐渐增大, 并随即超过上一工况结束时的位移值。③ 随着开挖的进行, 位移最大值的位置逐渐下移, 但始终位于基坑开挖底面附近。10) 考虑时空效应综合影响的墙体内力分布规律:① 墙体的内力随着开挖的加深和时间的延长而增大。② 正向弯矩和扭矩的最大值均出现在基坑开挖底面附近, 而负值最大值出现在基坑非开挖侧开挖面以下约5m 处的位置。11) 珠江玫瑰花园地下车库基坑东侧深层搅拌桩墙体裂缝的成因: 基坑开始开挖和开挖结束后墙体的等效弯矩等值线图均形成一个弧顶朝上的弧形高等效弯矩集中带, 与墙体破裂面展布形状相似, 位置也基本相同。由此可以推断, 墙体东侧环球广场横向支撑附加力的作用是使墙体形成破裂面的主要原因, 由于土体开挖后墙体内存在等效弯矩集中带, 易于超过墙体的抗弯强度, 导致墙体出现弧形破裂。12) 本文建立计算模型和编制的程序适用于两类典型板状墙体的位移和内力分析。上述研究成果表明, 将M indlin 厚板理论和线性粘弹性地基模型应用于深基坑工程, 有助于深入认识和理解深基坑支护受力变形的时空效应, 同时也为软土深基坑支护受力变形时空效应的三维分析提供了一种有效的简便方法, 其结论对深基坑工程的设计与施工具有较为重要的参考价值。

THICK PLATE ANALYSIS ON VISCOELASTIC FOUNDATION FOR THE RETAINING WALL OF DEEP FOUNDATION PIT