深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)用計(jì)算方法及其應(yīng)用

1、合理確定支護(hù)結(jié)構(gòu)入土并應(yīng)用提出的增量法， 首次較完整 對(duì)巖土的變形模量 這一系列的研究深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)用計(jì)算方法及其應(yīng)用 楊光華 （廣東省水利水電科學(xué)研究院 .廣東廣州 SI0610） 摘要 :對(duì)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形計(jì)算提出了一套系統(tǒng)的實(shí)用計(jì)算方法，較好地解決了 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、 計(jì)算的關(guān)鍵問(wèn)題， 并在廣州地鐵和許多重大基坑工程應(yīng)用中取得了較好 的效果。 該方法把支護(hù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為一豎放的彈性地基梁， 支撐、 錨桿及巖土體用彈簧系統(tǒng)來(lái) 代替，巖土的彈簧剛度可用巖土的變形模盒來(lái)計(jì)算，針對(duì)基坑工程施工和結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)， 提出了一套系統(tǒng)的計(jì)算方法， 其中包括考慮施工過(guò)程的增量計(jì)算法、 深度的計(jì)

2、算法、 支撐加預(yù)應(yīng)力及支撐拆除的計(jì)算方法等，地對(duì)國(guó)際上著名的支護(hù)土壓力Terzaghi-Peck表觀土壓力給出了理論解釋，較好地解決了墓坑支護(hù)結(jié)構(gòu)Terzaghi和Peck根據(jù)地鐵支護(hù) 1-3，并為國(guó)際上基坑支護(hù)設(shè)80 年代開始興起，由于地鐵和高層建筑地下室的建設(shè)提出采用承載力反算的經(jīng)驗(yàn)方法， 為巖土參數(shù)的確定提供了更簡(jiǎn)便的方法。 成果為深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了一套新穎的實(shí)用計(jì)算方法， 中的一系列設(shè)計(jì)計(jì)算難題，已在工程實(shí)踐中成功應(yīng)用。 關(guān)鍵詞 :深基坑 :增量法 :共同作用 中圖分類號(hào) :TU 473 文獻(xiàn)壇識(shí)碼 :A 1 引言基坑支護(hù)在國(guó)外已有較多的實(shí)踐， 早在 20世紀(jì) 60 年代， 結(jié)

3、構(gòu)的實(shí)測(cè)資料，提出了著名的Terzaghi-Peck表觀土壓力理論 計(jì)所廣泛采用。在國(guó)內(nèi)，基坑工程從由 隨著 世紀(jì)需要， 出現(xiàn)了大量的基坑工程。 但一直未形成較系統(tǒng)的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力計(jì)算和理論。 于基坑工程涉及巖土和結(jié)構(gòu)工程，在許多情況下， 又屬臨時(shí)工程， 最初并未受到重視， 基坑開挖深度的增加，以及工程事故的發(fā)生，工程界才開始重視深基坑工程問(wèn)題，20199990 年代國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了相當(dāng)規(guī)模的基坑工程熱潮。 相繼出版了許多深基坑工程方面的著作， 年國(guó)家建設(shè)部頒布了建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程 4，上海、廣州、深圳等城市也編制了有 關(guān)的技術(shù)規(guī)程，為基坑工程的設(shè)計(jì)和施工提供了可依據(jù)的規(guī)定。20 世紀(jì) 80

4、年代的末期，在廣州己出現(xiàn)了較大的基坑工程，如廣州華僑大廈的地下連續(xù)墻基坑工程，開挖深度為 11.7 m，是廣州市第一個(gè)地下連續(xù)墻基坑工程。1988-1989年設(shè)計(jì)的珠江隧道黃沙段深基坑支護(hù)地下連續(xù)墻，基坑深度達(dá)17.8 m，是廣州當(dāng)時(shí)最大深的基坑工程。針對(duì)該工程多支撐的情況和這種結(jié)構(gòu)存在先位移后支撐的特點(diǎn)，作者提出了考慮施工過(guò)程的增量法， 解決了一系列深基坑工程設(shè)計(jì)中的技術(shù)難題。 隨后， 該方法在工程實(shí)踐中得到 了豐富和完善， 成為一套較為系統(tǒng)和完整的深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)用計(jì)算方法，與此同時(shí)， 通過(guò)對(duì)廣東地區(qū)的巖土變形模量進(jìn)行大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，總結(jié)出一套參數(shù)確定的經(jīng)驗(yàn)方法等， 從而為深基坑支護(hù)結(jié)

5、構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算提供了一套先進(jìn)和實(shí)用的計(jì)算方法。目前，增量法已成為4-5 層地下室， 廣東省內(nèi)曾出現(xiàn)過(guò)的 15m） 、祖國(guó)大廈 （基坑廣州地鐵基坑的設(shè)計(jì)計(jì)算方法 5-7，并己在超深基坑工程中（開挖深度約 20 m）得到了應(yīng)用 8-10隨著城市建設(shè)的發(fā)展，高層建筑設(shè)置地下室已較為普遍，部分建筑設(shè)有 如何對(duì)其基坑支護(hù)進(jìn)行合理和安全的設(shè)計(jì)， 己是一個(gè)重要的工程問(wèn)題。 重大基坑工程事故， 如065工程（基坑約深17 m）、京光廣場(chǎng)（基坑約深 約深17 m），每個(gè)工程僅經(jīng)濟(jì)損失就在千萬(wàn)元以上。因此，要使設(shè)計(jì)做到既安全又合理，就 必須要有一套合理的設(shè)計(jì)理論，提供科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)方法。與此同時(shí)，城市地鐵工程也正

6、在不斷發(fā)展，北京、上海、廣州等地地鐵線路不斷增加。 據(jù)報(bào)道，“十五”期間，我國(guó)將斥資 2000 億元用子地鐵建設(shè)。因此，地鐵建設(shè)在不久的將來(lái) 在國(guó)內(nèi)將有一個(gè)大的發(fā)展，而其中涉及大量的基坑工程，迫切需要合理而實(shí)用的設(shè)計(jì)理論。本文介紹的一套實(shí)用計(jì)算方法， 能較好地解決基坑設(shè)計(jì)過(guò)程中的一些關(guān)鍵性和主要的技術(shù)難題，使基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)能達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、合理的效果。2深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算理論概述墻及支撐或錨桿等組成的支護(hù)結(jié)本文研究的深基坑支護(hù)是指用于支護(hù)垂直巖土坡的樁、 構(gòu)，如圖1所示FigJ支護(hù)結(jié)構(gòu) Retaining structure目前對(duì)這種一般情況下，深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化為一個(gè)受側(cè)向土壓力作用的受力

7、結(jié)構(gòu)， 結(jié)構(gòu)的計(jì)算的基本方法主要可分為三類。 2.1經(jīng)典方法經(jīng)典方法主要是考慮力的平衡方法，取單位寬度受側(cè)向荷載作用的梁系，如經(jīng)典的1/2分割法、等值梁法以及剛性支承連續(xù)梁法等，如圖2-4所示。土壓力既有 Tenaghi-Peck的經(jīng)驗(yàn)表觀土壓力，也有經(jīng)典的理論土壓力方法，如朗肯土壓力法等。這些方法的優(yōu)點(diǎn)是可以手 算，計(jì)算較簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是不能計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移，同時(shí)，計(jì)算的支點(diǎn)力與實(shí)際的差距也較 大，因支點(diǎn)是邊挖邊撐的，這樣，支點(diǎn)力是與施工過(guò)程有關(guān)的，經(jīng)典方法不能很好地考慮施 工過(guò)程的影響。2.2彈性地基梁法彈性地基梁法把支護(hù)結(jié)構(gòu)看作為一豎放的彈性地基梁受側(cè) 向土壓力的作用。土壓力一般采用經(jīng)典的

8、土壓力理論，如朗肯土壓力理論或庫(kù)侖土壓力理論?；用嬉陨系闹慰煽醋鳛橐粡椥?支點(diǎn)，基坑以下的土層可用一系列的土彈簧的作用代替，如圖i 2 taiMttt所示。這樣，可把支護(hù)結(jié)構(gòu)看作為一彈性支承的地基梁。對(duì)彈性 地基梁的解法通常有解析法、結(jié)構(gòu)力學(xué)方法和有限元數(shù)值法等。 通常的方法，如日本的山肩邦男法，彈性法及彈塑性法等，是把 基坑面以上的支撐力作一定的簡(jiǎn)化，如下道支撐設(shè)置后，上道支n J msitJututKa申*HlfcHUW撐軸力不變等，以便于簡(jiǎn)化。對(duì)入土段也可假定達(dá)到極限被動(dòng)土 壓力，這樣可用力的平衡條件求解。也可以假定入土段的土抗力 與變形有關(guān)，這樣就要分別建立入土段以上以及入土段的彈

9、性地 基梁微分方程，根據(jù)兩段微分方程的解，并考慮兩段墻在基坑底 面處的連續(xù)條件進(jìn)行求解。這種方法對(duì)于入土段是多層土?xí)r，還 要根據(jù)每一層土再分段，因此，對(duì)多層土較為復(fù)雜。目前，國(guó)家基坑規(guī)程中的彈性支點(diǎn)法 （圖6）把支撐作為一個(gè)彈 性支點(diǎn)，對(duì)彈性地基梁的微分方程進(jìn)行求解，地基土抗力按m法計(jì)算，建立的微分方程如下。（1）基坑面以上02圖5彈性地基梁法FigtS Method of beam on clastic foundation(2) 基坑面以下El w® (才- 0.$氏=0 (zMH、(2) dz4ffi6規(guī)范計(jì)算方法簡(jiǎn)圖Fig.6 Dhgram of calculation me

10、thod of natl&nal standard對(duì)于分層土情況，每一層土的m值不同，這樣，分段微分方程更加復(fù)雜，因此，一般采用桿系有限元數(shù)值解法求解。2.3有限元法這種方法把墻、土都劃分為單元，土體可以采用相應(yīng)的本構(gòu)模型，既可以采用平面有限元，也可以采用空間有限元。該方法在理論上較為完善，但由于本構(gòu)模型參數(shù)不易確定，有限元程序較為復(fù)雜，使得計(jì)算工作量較大，因此，該方法在工程實(shí)踐中尚未得到普遍應(yīng)用。另一種簡(jiǎn)化的有限元法則是把支護(hù)結(jié)構(gòu)體系作為一平面或空間結(jié)構(gòu)，采用有限元法求解,而周圍土體則分別用土壓力和土彈簧代替。從總的情況來(lái)看，目前，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力計(jì)算普遍應(yīng)用彈性地基梁的數(shù)值方法，與經(jīng)典

11、方法和有限元法相比，其計(jì)算簡(jiǎn)便，結(jié)果更為理想。因此，彈性地基梁經(jīng)過(guò)完善后，可望成為 一個(gè)既簡(jiǎn)便實(shí)用，又能較好地解決工程問(wèn)題的實(shí)用方法。在這一思想指導(dǎo)下，本文基于一種新的彈性地基梁簡(jiǎn)化計(jì)算方法11，考慮先開挖、變形后支撐的這種基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)所特有的施工受力過(guò)程，提出了可模擬復(fù)雜施工過(guò)程的增量計(jì)算法，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步應(yīng)用增量法， 解決了支護(hù)結(jié)構(gòu)的入土深度的確定問(wèn)題，支撐或錨桿施加預(yù)應(yīng)力及支撐拆除過(guò)程的計(jì)算等一系列的難題，并進(jìn)一步應(yīng)用增量法，對(duì)著名的 Terzaghi-Peck表觀土壓力和經(jīng)典的理論土壓力的差異問(wèn)題給出了理論解釋，由這些一系列的工作而形成了深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的一個(gè)系統(tǒng)的實(shí)用計(jì)算方法.3支

12、護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算的結(jié)構(gòu)力學(xué)簡(jiǎn)化方法11提出的一種新的簡(jiǎn)化 支撐或錨桿以及土體 Xi作用下，各彈簧支承點(diǎn)處的目前，基于winkle假設(shè)基礎(chǔ)上求解彈性地基梁的方法仍較為復(fù)雜，對(duì)于分層土情況下， 一般要求采用桿系有限元法，本文對(duì)彈性地基梁的解法采用文獻(xiàn)【 方法。如圖7所示，把擋土結(jié)構(gòu)取單位寬度作為一豎放的彈性地基梁， 對(duì)地基梁的作用由一系列彈簧ki代替，對(duì)地基梁在各彈簧力Cb>(c)位移協(xié)調(diào)方程為u>W化方法計(jì)算簡(jiǎn)fflFig*7 Dkgrsiiii of 對(duì)1»卩l(xiāng)ifud calculjilion method庇1耳i瓦fTA"坊I 22雖”1 一旳4 I*«

13、»I- K斗4rAo-KJtan®。b1-式中sij表示在xj=1作用下ki處地基梁的位移，為柔度系數(shù)：。為0點(diǎn)處梁的水平位移； phio為。點(diǎn)處梁的轉(zhuǎn)角； ip為梁在外力，如彎矩 M,為水平力H作用下ki處梁的位移，各 系數(shù)可據(jù)圖7 (b)(d)按結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)算。其中【此處參照PDF】(4W廠著住)俘-%臚=- d)a 吉(7)式中a=yi/c;E為地基梁的彈模；1為其截面慣性矩：EI為地基梁的彎曲剛度。式(3)中有n+2個(gè)未知數(shù)，但只有 n個(gè)方程。因此，求解時(shí)，還需補(bǔ)充2個(gè)力的平衡方程：輕 mQ ； p 1 0 恥=H(8)0 =>!夕丁 片 0 ox =(9)

14、式(8) (9)可簡(jiǎn)寫為(10)Ski(11)結(jié)合變形協(xié)調(diào)方程，可得求解方程如下(12)由此可解出x1, x2 xn, 。及tan rpo，則地基梁任一截面處的彎矩M，剪力Q可由截面法求得。任一彈簧處地基梁的位移為與連桿法不同，對(duì)于土彈簧剛度 的力為X.面積為bXd; b為土彈簧間距K的確定，簡(jiǎn)化為 Bouss in esq解來(lái)確定。任一土彈簧 :d為地基梁寬度。土彈簧集中力X變成分布力為(14)則近似用Bouss in esq求得的土彈簧處土的變形為(15)式中卩s , Es分別為該土彈簧處土的泊松比和變形模量?；蛴校?16)則土彈簧的剛度可根據(jù)彈簧剛度的定義為(17)式中w為與b/d有關(guān)的

15、形狀系數(shù)，當(dāng) b/d=1.0時(shí)，w=0.88。這樣，土彈簧剛度可近似由 土的變形模量Es和泊松比卩s來(lái)計(jì)算;b, w均為幾何參數(shù)，而 Es,卩s參數(shù)的物理和力學(xué)意 義明確，其確定可近似通過(guò)壓板試驗(yàn)等確定，比通常的m法中的地基參數(shù)采用樁的水平載荷試驗(yàn)來(lái)確定的方法更方便，且對(duì)分層土可以由不同土層中的Es,卩s來(lái)反映，而要對(duì)不同土層試驗(yàn)確定 m值較為復(fù)雜，故對(duì)目前土層通常為分層情況的地質(zhì)條件是較合適的。支撐或錨桿的彈簧剛度以材料力學(xué)方法，按受壓或受拉桿件的彈簧剛度定義來(lái)計(jì)算。4考慮施工過(guò)程的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的增量計(jì)算法在一些較深的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)中，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)還要采用支撐或錨桿支承，甚至是多層的， 如廣州珠

16、江隧道基坑黃沙段基坑開挖17.8 m,采用了地下連續(xù)墻支護(hù)加3層鋼支撐；廣東亞洲國(guó)際大酒店開挖1 9.2 m,采用人工挖孔的密排樁擋土，局部采用了 34層的預(yù)應(yīng)力錨桿，而有支撐或錨桿的擋土支護(hù)結(jié)構(gòu)一般作為剛性支承的連續(xù)梁來(lái)計(jì)算，或作為彈性支承的連續(xù)梁結(jié)構(gòu)來(lái)計(jì)算，但未合理考慮施工過(guò)程。由于在實(shí)際工程施工中各支撐或錨桿的受力先后是不同的，支撐或錨桿是在基坑開挖到一定深度后才加上的，亦即在支撐或錨桿加上前，墻體已產(chǎn)生了內(nèi)力和位移，支撐或錨桿是在墻體產(chǎn)生了一定的位移后才加上的，如圖8所示。1、r<a)(bJ(c)00 8開16過(guò)程中.文»«與*<4穆關(guān)系Fig-S Re

17、lation between bracing nettingsod wait displacement而對(duì)多層支撐或多層錨桿的情況，則先加上的支撐或錨桿較早參與了共同作用，而后加上的則較遲產(chǎn)生作用，它們都不是預(yù)先加上的， 各支撐或錨桿發(fā)揮作用的時(shí)刻是不同的，為考慮這一種設(shè)置支撐和開挖的施工過(guò)程，文獻(xiàn)12提出了一種增量計(jì)算法，增量法計(jì)算過(guò)程如圖9所示，把每一施工過(guò)程所增加的荷載作為外荷載，稱為增量荷載，作用于每一施工過(guò)程的 支護(hù)結(jié)構(gòu)，每一施工過(guò)程的結(jié)構(gòu)由于支撐及土彈簧均發(fā)生了變化，因而其計(jì)算體系是不同的。增量荷載一般包括兩部分， 土壓力增量和在上一過(guò)程已受力的土彈簧，本次施工將其挖掉時(shí)，應(yīng)將其所

18、受的力作為本次的荷載增量，反向作用于結(jié)構(gòu)上。每一施工過(guò)程支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形為前面增量計(jì)算結(jié)果的迭加。增量法計(jì)算多撐和多錨式支護(hù)結(jié)構(gòu)，與通常把其作為一彈性支承連續(xù)梁結(jié)構(gòu)而不考慮施工過(guò)程的計(jì)算方法的結(jié)果有較大的差別，這種方法的計(jì)算如圖10所示，稱其為連續(xù)梁法。圖11為通常的彈性支承連續(xù)梁方法的彎矩及支撐力情況。圖12為珠江隧道黃沙段有 3層支撐的地下連續(xù)墻開挖到最后時(shí)增量法計(jì)算的彎矩及支撐力情況。無(wú)論連續(xù)梁的彎矩還是各支撐反力， 兩者都有較大區(qū)別。 不考慮施工過(guò)程方法計(jì)算出的彎矩 是偏小的，不安全的，而增量法中下部支撐的受力相應(yīng)較小，這些都是施工過(guò)程的影響，故對(duì)多撐或多錨式支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算，應(yīng)考慮

19、施工過(guò)程的影響，即用增量法來(lái)進(jìn)行計(jì)算。CLfeAB9 法計(jì)算過(guò)fiFig.9 ConpuUag procedure of iMrciMstil mHbod不考虔施工過(guò)的連埃梁法圖10PigJO Continuous beam method withoutconsidcringconstructing procedure1 670kN<in2-62660kNmT T#】血AXTfiOOtN*<=5365l»*a jr-490hMKSOQ x»-123lcN珪線se法彎矩及支辰力圖uPigJl Monte nt and bracing force forcontiD

20、UOUS bemmetliodLioI-IVJ-14mil増量法«矩及支擔(dān)反力Fig* 13 Momertt md btXciMg 8曲 for jMrcmotal method5支護(hù)結(jié)構(gòu)入土深度的計(jì)算如何合理確定支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)入基坑底以下的入土深度，是一個(gè)較為重要的問(wèn)題， 入土深度過(guò)深將增加投資及施工難度，使工期增長(zhǎng)；而入土深度過(guò)淺，又難以保證安全。過(guò)去，主要是采用考慮樁前土體被動(dòng)土壓力的平衡的方法，確定入土深度。而實(shí)際上樁前土體未必能達(dá)到被動(dòng)土壓力值，因樁前土體抗力是與樁的位移有關(guān)的。另一方面，若樁前土體達(dá)到被動(dòng)土壓力，可能會(huì)出現(xiàn)較大的位移。因此，常用的方法是在主、被動(dòng)土壓力達(dá)到平衡

21、后，再加 20%的經(jīng)驗(yàn)值，或者取被動(dòng)土壓力的一個(gè)折減值，這些方法缺乏完善的理論依據(jù)。文獻(xiàn)13提出了一個(gè)較為完善的解決方法，即應(yīng)力轉(zhuǎn)移法，主要是根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移及樁前土體反力分布情況來(lái)確定結(jié)構(gòu)的合理入土深度，其思想是：以被動(dòng)土壓力作為樁前土體反力的極限值，超過(guò)部分則轉(zhuǎn)移給未超過(guò)被動(dòng)土壓力的土體承擔(dān)，其迭代計(jì)算過(guò)程如圖13所示，凡是土體抗力超過(guò)被動(dòng)土壓力的， 將通過(guò)迭代計(jì)算把超過(guò)部分轉(zhuǎn)移給未超過(guò)被動(dòng)土壓力的土體承 擔(dān)，直到所有抗力都在被動(dòng)土壓力包絡(luò)線范圍內(nèi)。由此，即可以得到樁前土體真實(shí)的彈塑性抗力分布情況，如圖13( e)所示，當(dāng)土體抗力全部達(dá)到或超過(guò)被動(dòng)土壓力時(shí)，則支護(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)不穩(wěn)定，迭代也不收

22、斂，支護(hù)結(jié)構(gòu)位移將很大；當(dāng)采用懸臂結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)傾倒現(xiàn)象；當(dāng)有支撐時(shí)，則將出現(xiàn)通常的“踢腳”現(xiàn)象。因此，通過(guò)計(jì)算分析，我們不但可以得到樁前土體 彈塑性抗力的真實(shí)分布情況， 同時(shí)還可以得到反映樁前土體處于彈塑性狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的支護(hù)結(jié) 構(gòu)的變形情況，從抗力分布情況可判別其穩(wěn)定性；從支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移及基坑附近建筑物的情況可控制支護(hù)結(jié)構(gòu)變形，從而調(diào)整確定其入土深度。因此，這是一個(gè)較為完善的分析方法。/ / / ?¥ 1:= 亠' '4_一4k 一f f/ /1 - 1L一！罷11L .eaijCwapvtInK aadri of bedding depthCel6預(yù)應(yīng)力錨桿或預(yù)應(yīng)力

23、支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)及支撐拆除的計(jì)算在一些較深的基坑支護(hù)中，經(jīng)常采用預(yù)應(yīng)力錨桿或在支撐中加預(yù)應(yīng)力的方法，以控制支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移。而實(shí)際上支護(hù)結(jié)構(gòu)受預(yù)應(yīng)力的作用，其受力和變形與未加預(yù)應(yīng)力時(shí)的情況是不同的，而對(duì)預(yù)應(yīng)力的設(shè)計(jì)計(jì)算，通常缺乏合理的方法，對(duì)預(yù)應(yīng)力作用的分析通常也不夠深入。預(yù)應(yīng)力錨桿等支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算，完全可用以上增量法進(jìn)行14預(yù)應(yīng)力的作用主要有 3個(gè)，一是減少支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移：二是可以調(diào)整支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力；三是對(duì)于剛度小，強(qiáng)度大的錨桿可以充分發(fā)揮錨桿的作用。對(duì)預(yù)應(yīng)力作用的計(jì)算采用增 量法計(jì)算時(shí)，可用圖14 (a)有一層錨桿的情況來(lái)說(shuō)明，計(jì)算預(yù)應(yīng)力作用時(shí)，只要把加預(yù)應(yīng)力 的過(guò)程作為一增量步來(lái)計(jì)算即

24、可，荷載增量為預(yù)應(yīng)力Fn,此時(shí)相當(dāng)于擋土側(cè)的土彈簧在支承預(yù)應(yīng)力，該增量計(jì)算如圖 14 (b)所示，把這一增量步的結(jié)果迭加到前面的計(jì)算結(jié)果，即可 以得到考慮預(yù)應(yīng)力作用后支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的真正結(jié)果。同理，只需把拆除支撐作為一增量步來(lái)計(jì)算，而其增量荷載則為被拆除支撐的支撐力的反力，增加的樓板等則作為新增加的支撐，增量計(jì)算過(guò)程如圖 15所示，把這一增量步的計(jì)算結(jié)果迭加上前面的計(jì)算結(jié)果，即可 得到支撐拆除后支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力變化的結(jié)果。以預(yù)應(yīng)力錨桿為例，圖1617所示為某工程的計(jì)算結(jié)果比較，在擋土樁頂用一層錨桿，圖16為施加120 kN水平預(yù)應(yīng)力的結(jié)果，樁頂水平位移為36 mm。圖17為不加預(yù)應(yīng)力的結(jié)果，

25、樁頂水平位移為90 mm，可見預(yù)應(yīng)力可減少樁頂位移。樁頂錨桿的反力為未迭加預(yù)應(yīng)力的結(jié)果，也即是由于開挖過(guò)程而新增加的反力。a 14 M加預(yù)應(yīng)力時(shí)增法計(jì)算M圖FisJ4 Conputins diagram of incrcmenUIethod with preload(b)圖15拆除支揮時(shí)増童法計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)圖Fig.lS Computing diagnun of incrementalmethod for bracings dismantled14240 tfiO «0 0 SO ri0 240fflU加預(yù)應(yīng)力后開掄的位移及反力Fig.l4 Displacement and farce

26、of excBvation with prtlond反力/IcN朮平fit移Zmn917不加應(yīng)力后開挖we移及反力Fl. 17 Dfapbcencatt Md rwwtfvt force* ofexe*v«tloii without p rclaftd18. 19分別為某工程采用預(yù)應(yīng)力與無(wú)預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)下?lián)跬翗兜膹澗赜?jì)算情況，當(dāng)無(wú)預(yù)應(yīng)力時(shí)，樁身最大彎矩為1 630 kNm，在第二、三層錨桿分別加 150 kN和250 kN水平預(yù)應(yīng)力后計(jì)算的最大彎矩為1 210 kNm，故加預(yù)應(yīng)力后可改善樁身彎矩。尤其是對(duì)于下層錨桿，由于其施工較遲，產(chǎn)生的拉力較小，未能充分發(fā)揮其抗拉能力，通過(guò)施加預(yù)應(yīng)

27、力后，既可充分發(fā)揮其材料強(qiáng)度，又可以改善擋土結(jié)構(gòu)的彎矩和變形。預(yù)應(yīng)力的合理設(shè)計(jì)應(yīng)通過(guò)計(jì)算分析來(lái)選擇，一般而言，在離開挖面越高的位置加預(yù)應(yīng)力，對(duì)減少支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移的效果越明顯，而要改善彎矩，則應(yīng)在彎矩最大處（開挖側(cè)）加預(yù)應(yīng)力。料1200 器鋼 1200J4E24 i圖W不加s應(yīng)力開時(shí)樁身彎矩憂剪力Fi'g.18 Moment and Jhar of priestor fxcAvation without preload反力AN圖丹 加預(yù)應(yīng)力開挖時(shí)粧身專短及剪力Fig, 19 Momenta and shear (brccs of pilesfor ezcavotion with prelo

28、ad拆除支撐也是工程中經(jīng)常遇到的，因支撐都是臨時(shí)的，施工過(guò)程中地下室側(cè)墻是要拆除的，而支撐的拆除會(huì)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力產(chǎn)生影響，為模擬這一過(guò)程，可以用增量法把支撐拆除作為一增量步，而此時(shí)的增量荷載則為被拆除的支撐力的反力，由此可計(jì)算出支撐拆除所產(chǎn)生內(nèi)力及位移增量， 與拆撐前的結(jié)果迭加而得到拆撐后的結(jié)果。計(jì)算時(shí)，注意已施工的樓板是新的支撐點(diǎn)。由此可見，增量計(jì)算方法可以模擬支撐或錨桿預(yù)應(yīng)力以及支撐拆除等對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力和 變形的影響。但這種擋土結(jié)構(gòu)的 來(lái)驗(yàn)算其抗滑和抗傾 通常穩(wěn)定和變形是分開計(jì) 有效的方7深層攪拌樁等嵌入式重力擋土結(jié)構(gòu)的計(jì)算 深層攪拌樁擋土結(jié)構(gòu)在軟土地基的基坑支護(hù)中已逐步得到推廣應(yīng)用，

29、計(jì)算理論還不很成熟， 目前的計(jì)算通常是將其作為一重力式擋土結(jié)構(gòu)， 穩(wěn)定性，而對(duì)其變形的計(jì)算則不夠重視，也缺乏適用的計(jì)算方法，算的，將穩(wěn)定和變形統(tǒng)一起來(lái)進(jìn)行計(jì)算的方法還較少見到。尤其是對(duì)變形的計(jì)算，m法來(lái)進(jìn)行計(jì)算15，但均未考慮開挖側(cè)樁前土的屈服及其對(duì)變形 16，計(jì)算簡(jiǎn)圈如硯 20所示。考慮墻體K0,通過(guò)計(jì)算可算出基坑一側(cè)土彈簧的抗法不多。也有一些文獻(xiàn)用 的影響。本研究中亦把其看作為一豎放的彈性地基 重量W,底部抗剪力Q及底部的抗轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧剛度力，當(dāng)某些土彈簧的抗力達(dá)到被動(dòng)土壓力時(shí)，則采用前面的增量應(yīng)力轉(zhuǎn)移法進(jìn)行迭代，轉(zhuǎn)移土彈簧抗力中超過(guò)被動(dòng)土壓力部分的抗力，這樣，擋土樁的位移將進(jìn)一步增加。當(dāng)?shù)?/p>

30、到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，土彈簧并沒有全部破壞， 則擋土結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的， 而相應(yīng)于一定土體屈服條件下?lián)?土墻的位移已算得，當(dāng)土彈簧全部破壞時(shí)，則位移會(huì)不斷增大，顯然是不穩(wěn)定的。因此，用 這樣的方法可以計(jì)算出此種擋土結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定，而在穩(wěn)定情況下，由于基坑側(cè)土彈簧屈服的程度不同，相應(yīng)的位移也不同。 這樣可以同時(shí)得到擋土樁是否穩(wěn)定或在穩(wěn)定條件下的位移是 多少的結(jié)果，從而可判斷設(shè)計(jì)是否合理，與通常計(jì)算位移的m法不能考慮基坑側(cè)土體屈服的方法相比，本方法則顯得更為合理。1'aX X X X'/VWI JfcJLFT JC'TVVA,/ F h圏M計(jì)算簡(jiǎn)圖Pig. 20 C«kvlDti

31、ion scheme目前，應(yīng)用較多的是基于經(jīng)典的21所示另一種是國(guó)際上較為流根8 Terzaghi-Peck表觀土壓力理論問(wèn)題 深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的土壓力問(wèn)題是人們較為關(guān)注的問(wèn)題， 朗肯土壓力或庫(kù)侖土壓力理論，沿深度呈三角形分布，如圖 行的Terzaghi-Peck的表觀土壓力理論， 是根據(jù)工程實(shí)測(cè)的結(jié)果而提出的經(jīng)驗(yàn)表觀土壓力， 據(jù)不同的土類，其分布如圖22所示1-3。同一結(jié)構(gòu)，同一問(wèn)題，存在兩種不同的土壓力圖， 顯然是不合理的。目前，還有一些觀點(diǎn)認(rèn)為，經(jīng)典土壓力理論不適用于基坑工程，而一些實(shí)測(cè)的支撐力與按經(jīng)典理論計(jì)算的結(jié)果認(rèn)為差距較大17。而在國(guó)外Terzaghi-Peck表觀土壓力理論應(yīng)用較為

32、普遍，因此，這兩種土壓力到底哪一種是正確的，或它們是否存在一定聯(lián)系， 仍是一個(gè)未很好解決的問(wèn)題。S9* 土圧力FigJl RaQUactartfa preiaiirv31-壘K, -tan (45 -*若極樁»動(dòng)小且16工期疽劇用TaTeraiahi-P«k 的表31 土壓力Fi誓22apparent earth prc&snrc為對(duì)Terzaghi-Peck的表觀土壓力給出一個(gè)理論解釋，同時(shí)分析其與經(jīng)典的土壓力理論的關(guān)系，本研究采用增量法對(duì)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析18。為說(shuō)明問(wèn)題，采用圖23所示的施工過(guò)程進(jìn)行計(jì)算分析。圖M計(jì)jr簡(jiǎn)ffl t單也< m)Fig.2

33、3 Calculation Hchemein)為便于比較，采用均質(zhì)土來(lái)分析，施工過(guò)程也如圖23所示，施工過(guò)程為：逐步開挖到支撐位置以下0.5m處，開始加該層支撐，計(jì)算采用增量法，土壓力采用朗肯土壓力理論，計(jì) 算出開挖到底以后各層支撐的支撐力，然后，把支撐力按支撐上、下1/2支撐間距范圍內(nèi)變成平均分布力，稱其為支撐分布力，將其與朗肯土壓力、Terzaghi-Peck的表觀土壓力以及日本規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)土壓力進(jìn)行比較，不同土質(zhì)情況下的比較結(jié)果如圖24所示。由圖24可見，各種土質(zhì)情況下計(jì)算出的支撐分布力均在Terzaghi-Peck及日本規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)土壓力范圍內(nèi)，且與這些經(jīng)驗(yàn)土壓力的分布規(guī)律較一致，面與經(jīng)典

34、土壓力理論不同，主要表現(xiàn)在其上部的支撐分布力均大于經(jīng)典理論土壓力， 下部支撐分布力小于經(jīng)典理論土壓力。但這些支撐分布力均是在采用增量法考慮施工過(guò)程， 而土壓力是采用經(jīng)典理論土壓力計(jì)算出來(lái)的，其與經(jīng)驗(yàn)土壓力較一致，說(shuō)明通常的經(jīng)驗(yàn)土壓力并不是作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)的土壓力，而是支撐力，而支撐力是與施工過(guò)程有關(guān)，亦即與支撐設(shè)置的先后有關(guān)的。 由于上部支撐先設(shè)置，較早開始承擔(dān)荷載， 其分擔(dān)了部分下部支撐的力，因此，上部支撐力的分布力大于理論土壓力的分布力，而下部支撐力則小于理論分布力，這是由于下部支撐遲施加，部分荷載被早施加的上部支撐分擔(dān)， 因而下部支撐力小， 這完全是由于受施工過(guò)程對(duì)支撐力的影響，而不是真正

35、的土壓力， 真正作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力仍應(yīng)是理論土壓力。從而把理論土壓力、經(jīng)驗(yàn)土壓力及其對(duì)施工過(guò)程的影響通過(guò)增量法給出了理論上的解釋。iOm W> m(fl)«站土的計(jì)KtS力lllkN/m(b>中特土的計(jì)»±ffi力co力、<d)力、R 、. 、 X 亠2 kw/ni*圖M訐算土圧力E各種土圧力的比較PifJ4 CooipAritMi b«twe<A gOipitUd Xttli pr«Ubrtr««todt Md tb<r Mrtb prutttra*但由于實(shí)際的土質(zhì)是分層的，施工過(guò)程也是

36、復(fù)雜的，有時(shí)還存在支撐預(yù)應(yīng)力，經(jīng)驗(yàn)土壓力不能較好地反映這些復(fù)雜因素對(duì)支撐力的影響，而采用增量法則可以給予合理的計(jì)算，因此，通過(guò)增量 法計(jì)算表明：作用于支護(hù) 結(jié)構(gòu)上的土壓力應(yīng)仍是 經(jīng)典的理論土壓力，Terzaghi-Peck的表觀土壓力其實(shí)是一種支撐分布力的經(jīng)驗(yàn)值，而不是真正作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力，這也進(jìn)一步從理論上對(duì) Terzaghi-Peck的表觀土壓力進(jìn)行了解釋，也說(shuō)明了其與經(jīng) 典理論的土壓力的關(guān)系。9 土的參數(shù)問(wèn)題本項(xiàng)研究中土的彈簧剛度是采用土的變形模量E和泊松比卩來(lái)計(jì)算的，對(duì)于一般土體，卩可取0.3 -0.4，巖石可取0.2-0.3,對(duì)結(jié)果影響不大，關(guān)鍵是 E的確定。確定E的合理方法

37、 應(yīng)是對(duì)不同土層進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)壓板或旁壓試驗(yàn)等確定，顯然這種試驗(yàn)要比通常用樁進(jìn)行側(cè)向荷載試驗(yàn)確定的m值要簡(jiǎn)便一些.再者，用E來(lái)考慮土的非線性要比用m值法易于實(shí)現(xiàn)，且E具有更明確的物理及力學(xué)意義，更易于從經(jīng)驗(yàn)上判斷其取值的合理性。因此，用E來(lái)表征土的變形特性具有更好的效果。對(duì)于廣東地區(qū)E的確定，根據(jù)大量的壓板試驗(yàn)和許多工程實(shí)測(cè)的反分析， 形模量范圍為：軟土，淤泥質(zhì)土 :E=1-10 MPa;(2) 軟可塑土 :E =10-20 MPa;(3) 硬塑-堅(jiān)硬土 :E =20-60 MPa:強(qiáng)風(fēng)化巖:E =100-200 MPa;(5)中微風(fēng)化軟巖：E =800-2000 MPa;對(duì)于殘積土，原廣東地基規(guī)范

38、提供了根據(jù)標(biāo)貫擊數(shù)一般巖土的變£=227VN確定E的經(jīng)驗(yàn)公式19:(18)文獻(xiàn)20通過(guò)統(tǒng)計(jì)一些壓板試驗(yàn)的結(jié)果，提出了另一經(jīng)驗(yàn)關(guān)系E = 2.11KN(19)式中 KE=0.7-0.9.式(19)與廣東省地基基礎(chǔ)規(guī)范建議值是接近的。顯然，由于確的物理意義，因而從經(jīng)驗(yàn)上更易于判斷取值的合理性。目前，定的E值經(jīng)驗(yàn).除以上的參考值以外，也可以采用一種經(jīng)驗(yàn)的近似方法計(jì)算易于工程計(jì)算時(shí)取值。按國(guó)家地基規(guī)范22，地基修正后的承載力特征值為：E比通常的m值法具有更明 已對(duì)廣東各種巖土積累了一E值21，這樣更人=幾- 十P幾9 -此)(20)式中fak為從載荷試驗(yàn)或其他原位測(cè)試、經(jīng)驗(yàn)值等方法確定的地基

39、承載力特征值。當(dāng)采用淺層土壓板試驗(yàn)和沉降確定fak時(shí)，其沉降s與壓板直徑b的比值為s/b=0.01 -0.015，當(dāng)壓板面積A=0.5m2時(shí)，相應(yīng)的壓板直徑b約為79 cm，則壓板相應(yīng)的沉降 s=0.8-1.2 cm。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ):b= 3 m，當(dāng)埋深d=0.5m時(shí)，則相應(yīng)的沉降量s約為3-4.6 cm。實(shí)際上，s值對(duì)不同土層是不同的，硬土的 s值小，軟土的s值大。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)尺寸，參考以上分析，并結(jié) 合廣東地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)沉降經(jīng)驗(yàn)值可取表1所示數(shù)值21.表1變矗量£驗(yàn)取值衰TiW* 1 Evpcrunti&l vtluci of dtforrnMidot/tPa>

40、;500400300300ISO100SOJt/cml.O1,42.233201206S.6402t.»120.6因此，若一般地質(zhì)報(bào)告提供fa值或通過(guò)其他經(jīng)驗(yàn)及理論計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)尺寸下的fa值時(shí)，可以按彈性力學(xué)公式近似計(jì)算出土的變形模量經(jīng)驗(yàn)值：(21>近似取w=0.88. b=3 m, Sk值根據(jù) 形模量提供了一種經(jīng)驗(yàn)的定量計(jì)算方法， 可行的。10工程應(yīng)用本項(xiàng)成果目前已為國(guó)內(nèi)同行所關(guān)注，fa由表1確定或插值得到。由此，為經(jīng)驗(yàn)確定土的變經(jīng)不同巖土類的計(jì)算與經(jīng)驗(yàn)值比較，說(shuō)明本方法是其中增量法已被編入多本專著 坑工程中規(guī)定支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算要用增量法進(jìn)行計(jì)算 地區(qū)增量法已被許多工程所采用，應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)、連續(xù)墻、擋土樁、鋼板樁等，實(shí)踐證明本項(xiàng)成果是科學(xué)、 應(yīng)用也取得了顯著的效益。限于篇幅，僅列出兩例(1) 1994年施工的廣東亞洲國(guó)際大酒店基坑工程 是當(dāng)時(shí)廣州最深的基坑工程，經(jīng)咨詢優(yōu)化后，采用 計(jì)算與實(shí)測(cè)位移結(jié)果比較如圖25, 26所示。23-26。廣州地鐵基5-7，并經(jīng)受了實(shí)踐檢驗(yàn)。此外，在廣州咨詢的達(dá)100多項(xiàng)，支護(hù)形式包括地下 合理的，具有較好的實(shí)用性，實(shí)際8 , 4層地下室，開挖深度約20 m，也1-4層錨桿，節(jié)省工程投資400多萬(wàn)元，3140,卩2 9計(jì)90*(73)S8*(79) 86X101) 77