同濟-地下工程概論-第三章-地下結構計算原理和設計方法3

第三章地下結構計算原理和設計方法案例分析同濟大學地下系謝雄耀副教授xiexiongyao@一基坑工程設計計算方法一基坑工程設計計算方法一基坑工程設計計算方法圍護結構穩(wěn)定性驗算通常應包括以下內容：

(1)基坑邊坡總體穩(wěn)定驗算。防止因為圍護墻插入深度不夠，使基坑邊坡沿著墻底地基中某一滑動面產生整體滑動。(2)圍護墻體抗傾覆穩(wěn)定驗算。防止開挖面以下地基水平抗力不足，使墻體產生繞前趾傾倒。(3)圍護墻底面抗滑移驗算。防止墻體底面與地基接觸面上的抗剪強度不足，使墻體底面產生滑移。(4)基坑圍護墻前抗隆起穩(wěn)定驗算。防止圍護墻底部地基強度不足，產生向基坑內涌土。(5)抗豎向滲流驗算。在地下水較高的地區(qū)，在基坑內外水頭差或者坑底以下可能存在的承壓水頭作用下，防止由于地下水豎向滲流使開挖面以下地基土的被動抗力和地基承載力失效。(6)基坑周圍地面沉降及其影響范圍的估計。

以上各項穩(wěn)定驗算內容都與圍護墻的插入深度有關，最后確定的圍護墻埋入深度應同時滿足以上各項驗算要求。以上第(2)、(3)項驗算主要針對重力式圍護墻，對于有支撐或錨拉的板式支護結構，也應驗算墻前被動拉力，防止墻體下部產生過大變形。圍護結構穩(wěn)定驗算是在變形極限狀態(tài)下的驗算，所以都用主動土壓力和被動土壓力值進行計算。影響支護結構穩(wěn)定的外界因素很多，各種變形現象往往不是完全獨立存在的。前一般都采取控制安全度的方法，用半經驗、半理論公式分項驗算，有時對同一個項目還要用多種方法進行驗算，以達到總體上的穩(wěn)定。一基坑工程設計計算方法一基坑工程設計計算方法支護結構設計與分析方法水平支撐系統分析方法剖面分析平面桿系有限元法豎向彈性地基梁法有限元法圍護結構內力和位移彈性支座反力圍護結構內力和位移支撐軸力土體的變形、基坑開挖對周邊環(huán)境的影響水平支撐構件的內力和位移平面豎向彈性地基梁法（1）彈性地基梁與地基連續(xù)接觸，梁所受的反力是連續(xù)分布的；（2）彈性地基梁與地基是共同變形的，梁的位移與地基的沉陷在每一點必須相等，二者須滿足變形連續(xù)條件。彈性地基梁模型（一）

基本假定計算簡圖彈性地基梁模型（二）

彈性地基梁模型（三）

平面豎向彈性地基梁法計算實例（常用分析軟件同濟啟明星）香格里拉段基坑順做法地下連續(xù)墻計算結果連續(xù)介質平面有限元法土體本構模型初始地應力的計算（1）自重應力1）有限元法自重地應力由有限元法計算，即將自重荷載轉化為等效結點荷載計算初始地應力場。2）設定水平側壓力系數法對軟土地層，初始地應力常與由有限元計算法得出的結果不符。需根據地質勘查報告給出水平側壓力系數K0，據以計算初始地應力。計算式為

式中，，分別為豎直向和水平向初始自重地應力，

i為計算點以上第i層土的容重，Hi為相應的厚度，Pw為計算點的孔隙水壓力。在不考慮地下水頭變化的條件下，Pw由計算點的靜水壓力確定，即Pw＝

w·Hw（

w為地下水的容重，Hw為地下水水位差）。（2）構造應力構造地應力可假設為均布或線性分布，并直接疊加在自重地應力上得到初始地應力，計算式為

式中，a1，a2，a3為常系數，z為縱向坐標。分步施工模擬

對各施工階段的狀態(tài)，有限元分析的表達式為：(i=1，L)（1）一般表達式式中L為施工步數；設為巖土體和結構(施工開始前存在時)的初始總剛度矩陣；（i≥1）為第i施工步巖土體和結構總剛度矩陣；為施工過程中，第λ施工步的巖土體和結構剛度的增量或減量，用以體現巖土體單元的挖除、填筑及結構單元的施作或拆除；為第i施工步開挖邊界上的釋放荷載的等效結點力；為第i施工步新增自重等的等效結點力；為第i施工步的結點位移增量。對每個施工步，增量加載過程的有限元分析的表達式為：（i=1，L；j=1，M）

式中M為各施工步增量加載的次數；

為第i施工步中施加第j增量步時的剛度矩陣；

為第i施工步第j增量步的開挖邊界釋放荷載系數，開挖邊界荷載完全釋放時有

為第i施工步第j增量步新增自重等的等效結點力；

為第i施工步第j增量步的結點位移增量為第i施工步第j增量步增量荷載的等效結點力。

（2）開挖

巖土工程開挖效應一般通過在開挖基坑、隧道或洞室內部邊界上設置釋放荷載，并將其轉化為等效結點力模擬。有限元表達式描述如下：式中為開挖前的系統剛度，為開挖部分的剛度為開挖釋放荷載的等效結點力。結構的施作與拆除

⑴結構的施作結構施作的力學模擬主要體現為整體剛度的增加以及施作結構自重對系統的影響，采用有限元計算公式可描述如下:式中

為結構施作前的系統剛度，為施作結構的剛度，為施作結構自重的等效結點荷載。⑵結構的拆除

結構的拆除的力學模擬包含兩個部分：其一為整體剛度的減小，其二為支撐內力的釋放，即通過施加一反向內力來實現。采用有限元計算公式可具體描述過程如下：式中為結構施作前的系統剛度，為拆除結構的剛度，為拆除結構內力的等效結點力。連續(xù)介質平面有限元法計算實例（常用軟件plaxis)香格里拉酒店處基坑斷面模型圖

香格里拉酒店處基坑剖面圖

地下連續(xù)墻剪力包絡圖（kN/m）

地下連續(xù)墻彎矩包絡圖（kN.m/m）

最終網格變形圖

免稅大廈處基坑中心島方案斷面模型圖

免稅大廈處基坑中心島方案剪力包絡圖彎矩包絡圖基坑水平位移矢量圖基坑工程三維有限元法計算（深圳福田站免稅大廈部分）免稅大廈段基坑整體模型圖免稅大廈建筑物及其樁基的單元網格

車站地下結構的單元網格

支撐系統的平面桿系有限元法計算實例蘇州星光大廈基坑彎矩剪力軸力案例分析一：環(huán)球金融中心裙房深基坑逆作法設計工程概況總體方案設想與結構設計計算成果與分析施工工序1.1工程地理位置

上海環(huán)球金融中心工程由日本的“上海環(huán)球金融中心投資株式會社”投資建設。建設地點位于上海市浦東新區(qū)陸家嘴金融貿易開發(fā)區(qū)Z4-1地塊，面積30,000m2。

擬建工程東側和南側為60~40米寬的規(guī)劃綠化帶，其外是銀城東路和銀城南路；西側為東泰路，相距40m是金茂大廈；北側為100米寬的世紀大道，其地面下距建筑紅線約40m有銀城路地道，距建筑紅線約50m有2號線地鐵隧道；東側和南側為60~40米寬的規(guī)劃綠化帶，其外是銀城東路和銀城南路。

本工程周邊地下管線眾多，包括路燈線、上水線、上煤線、上話線、電力線、有線電視、污水管等，基坑周邊管線分布情況以及與本工程的距離關系見工程環(huán)境條件圖。1工程概況工程環(huán)境條件圖1.2基坑圍護工程

地下室平面呈不規(guī)則長方形，基坑面積約22468m2，主體結構地下室外墻周長約603.5m，基坑土方工程量約40萬余方。其中：塔樓區(qū)基坑面積約7855m2，開挖深度約17.85~18.35m，電梯井、集水坑位置處的局部最大開挖深度約25.19~25.89m。裙房區(qū)基坑面積約14613m2，開挖深度約17.85m，電梯井、集水坑等設備深坑位置處的局部最大開挖深度約18.85~19.85m。地下室退紅線距離分別為10m(東)、10~30m(南)、10m(西)、3m(北)。場地絕對標高約3.31~4.04m左右（吳淞高程），基坑設計按現狀地面標高+4.00m考慮。本設計文件采用絕對標高系統，主體結構地面設計標高為+4.2m，塔樓首層設計標高為+5.2m

1.3地下室結構

地下3層，地下室外墻采用“二墻合一”的地下連續(xù)墻，樓板采用帶柱帽的鋼筋混凝土無梁樓蓋，頂板厚度為350mm，B1、B2層厚度為225mm.樓板由鋼骨混凝土柱子支撐，局部跨度較大時樓板則采用有梁體系，柱網間距一般為8.5×8.5m。中間型鋼為H400×400×13×21（SS440）。下段為鋼管樁Ф700×11(SK490)。地下室平面上主要分為以下幾塊區(qū)域：

1標準間樓層

2機電間樓層

3多功能廳處樓層地下室平面分區(qū)表分區(qū)位置地面層標高B1層標高B2層標高底層標高標準間東泰路側銀城東路側世紀大道東側3.5~5.2m-1.2m-5.55m－11.65m機電房銀城南路側3.5~5.2m-3.55m缺失－11.65m多功能廳世紀大道側3.5~5.2m缺失-5.55m－11.65m地下室平面分區(qū)示意圖標準間機電房塔樓區(qū)多功能廳3總體方案設想與結構設計

3.1總體方案

基坑采用臨時隔墻分為塔樓區(qū)和裙房區(qū)，先后采用順作法和逆作法施工。塔樓區(qū)先期順作法施工。裙房區(qū)采用“二墻合一”的地下連續(xù)墻作為基坑圍護結構、止水帷幕及使用期的地下室結構外墻。在塔樓區(qū)主體結構出地面層（±0.0）后，裙房區(qū)基坑再開始施工。裙房區(qū)基坑利用主體結構梁板作為水平支撐體系，采用逆作法施工，自地面層逆作施工后，開挖至地下相應樓層底面并澆筑樓板混凝土，依此向下逐層施工。結構柱、剪力墻采用順作法施工。3.2結構設計3.2.1圍護結構設計裙房區(qū)基坑圍護采用“二墻合一”的地下連續(xù)墻結構，即：地下墻不僅作為施工期的臨時圍護墻，在使用期還轉換為主體結構的永久性結構外墻。地下連續(xù)墻圍護結構平面周長約603.5m，一般厚1.0，局部樓層缺失處墻厚1.2m，深36.0m，底部插入⑦-1層砂質粉土中。槽段間采用鍥型鎖孔管接頭，或采用性能相同且符合設計要求的其他接頭形式。圍護結構平面圖3.2.2支撐體系設計1樓板支撐

基坑逆作法施工的特點就是利用地下室主體結構的樓板梁作為水平支撐。樓板與地下墻的連接擬通過在結構樓板周邊設置邊環(huán)梁，邊環(huán)梁通過地下墻內的預埋鋼筋與地下墻連接，樓板與邊環(huán)梁整體澆筑。在結構開口和樓板缺失處設置臨時支撐和加強圈梁，使其與結構梁板共同形成基坑的平面支撐體系。2臨時支撐

本工程地下三層層高較大，在上層樓板施工后，至坑底面的開挖高度達到8m，故仍需隨程支撐開挖。設計擬在-10.55m標高處增加第四道臨時支撐，在底板施工后拆除。根據基坑東西向空間較小，南北向空間較大的條件，考慮南北向裙房底板采用盆式挖土，同時先期施工與塔樓連接的部分群房樓板，將-10.55m標高處臨時鋼支撐的一端撐在底板上，可縮短臨時鋼支撐的長度；東西向臨時鋼支撐可直接撐在塔樓區(qū)底板上。在設備間、多功能廳、下沉式廣場和坡道及樓梯口等樓板開有大孔位置處，也須在逆作開挖前設置臨時支撐，標高與樓層相同。對撐采用2

609鋼管，角撐采用

609鋼管，聯系撐采用H400×400，圍令斷面為2H700×300；角撐間距約6m，對撐間距為8.5m。－10.55m處臨時支撐布置圖4.3立柱及立柱樁

裙房區(qū)立柱樁分已施工建筑立柱樁及新增立柱樁。根據計算，已施工的建筑立柱樁能滿足逆作法設計承載力的要求，但其H型鋼立柱的承載能力僅能滿足結構自重荷載的作用，不能增加任何施工荷載。鑒于此，應根據施工組織安排，劃分施工作業(yè)區(qū)和非施工作業(yè)區(qū)。在施工作業(yè)區(qū)需新增立柱樁。本次樁位布置僅為設計建議，需根據實際施工需要調整。新增立柱結構采用鋼格構柱4∠180×18，斷面為500×500mm，柱下設Ф850鉆孔灌注樁，樁長約27.95m，樁底持力層為7－2層。樁底采用壓漿技術，以最大程度減小立柱樁間的不均勻沉降，保證圍護體系的平面穩(wěn)定。

4.4節(jié)點構造

地下墻墻頂由頂圈梁結構連成一體，通過在地下墻頂圈梁內預埋插筋與其上主體結構墻體和地下室頂板連接；通過在地下墻墻內預埋鋼筋接駁器與結構樓底板和剪力墻連接。4.5地基加固

地基加固包括裙房區(qū)基坑坑底被動區(qū)土體的加固、電梯井等深坑的加固等4.6“二墻合一”地下連續(xù)墻防水設計

地下連續(xù)墻防水混凝土設計抗?jié)B等級S8，槽段接頭采用止水接頭。地下連續(xù)墻防水構造按地下工程防水等級二級要求執(zhí)行，并同時滿足主體結構的防水要求。5計算成果與分析6.1圍護結構內力變形計算⑴電算：用同濟啟明星深基坑支擋結構分析軟件FRWSv4.0進行計算。水土壓力采用水土分算，土壓力選擇矩形壓力模式。擋土墻結構的位移及內力采用有限元方法計算，考慮分布開挖施工各工況實際狀態(tài)下的位移變化，并按彈性情況考慮。其中，基坑以下土的作用用彈簧模擬，彈簧剛度按“m”法模式計算。支撐的作用用剛度為K的彈簧代替。地下連續(xù)墻與底板和樓板之間結合面按鉸接考慮。啟明星FRWS計算圖例

圍護結構內力計算成果匯總表

位置支撐最大軸力（kN/m）水平位移（mm）彎矩(kN*m/m)剪力(kN/m)頂板B1樓板B2樓板臨時支撐標準間樓層剖面1（1000mm連續(xù)墻）256.1721.8931.5817.439.3-1248~2314-619~791標準間樓層剖面2（1000mm連續(xù)墻）255.4674.2852.7793.141.3-1311~2381-6289~762機電間樓層剖面(1200mm連續(xù)墻）287.71082.7801.2624.338.6-1574~2997-750~821多功能廳樓層剖面（1200mm連續(xù)墻）287.3617.81220.3616.236-1547~2941-746~8076.2基坑穩(wěn)定性分析

（1）電算：用同濟啟明星深基坑支擋結構分析軟件FRWSv4.0進行基坑整體穩(wěn)定性驗算、墻底抗隆起驗算（墻底地基承載力驗算）、坑底抗隆起驗算、抗傾覆驗算、抗管涌驗算。

基坑穩(wěn)定分析計算成果匯總表

墻厚(m)Ho(m)D(m)地基承載力安全系數坑底抗隆起安全系數抗傾覆安全系數整體穩(wěn)定安全系數抗管涌安全系數規(guī)范允許值－－－2.52.51.21.31.5標準間樓層剖面1.017.8521.1512.743.522.62.681.88機電房樓層剖面1.217.8521.1512.743.522.62.681.88多功能廳樓層剖面1.217.8521.1511.883.222.172.391.886.3內支撐系統計算

包括-10.55m標高處與頂板結構開口處臨時鋼支撐的計算。由于該支撐體系平面形狀較為復雜，采用BSC支撐計算軟件分層按平面桿系模