final研究報(bào)告數(shù)值模擬技術(shù)在基坑支護(hù)工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中的應(yīng)用研究

1、項(xiàng)目編號(hào)1012011004項(xiàng)目分類自然科學(xué)*社會(huì)科學(xué) 中國(guó)海洋大學(xué)本科生研究發(fā)展計(jì)劃（ouc-srdp）項(xiàng)目研究報(bào)告書項(xiàng)目名稱：數(shù)值模擬技術(shù)在基坑支護(hù)工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中的應(yīng)用研究負(fù) 責(zé) 人：馬悅 港口航道與海岸工程2008級(jí)項(xiàng)目成員：郭冠群 環(huán)境工程2008級(jí) 陶韜 土木工程2008級(jí)所在學(xué)院：環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院指導(dǎo)教師: 劉小麗起止年月：2010年 6月至 2011年 4月二一一年四月二十八日摘 要基坑開挖是基礎(chǔ)工程和地下工程施工中的一個(gè)傳統(tǒng)課題，又是一個(gè)綜合性的復(fù)雜課題。一方面，巖土材料本身的復(fù)雜性、非均質(zhì)、非連續(xù)性等特點(diǎn)，使得有些巖土力學(xué)問(wèn)題無(wú)法用解析方法簡(jiǎn)單的求解，或者計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)很大的

2、偏差。另一方面，基坑開挖集巖土工程和結(jié)構(gòu)工程等多學(xué)科于一體，既涉及到土的強(qiáng)度、穩(wěn)定和變形問(wèn)題，又涉及到土與結(jié)構(gòu)的相互作用問(wèn)題。由于基坑工程問(wèn)題的復(fù)雜性，有限元數(shù)值分析方法已成為進(jìn)行基坑工程設(shè)計(jì)計(jì)算分析的一個(gè)有力工具。巖土工程有限元分析軟件plaxis2d已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于基坑開挖的數(shù)值模擬計(jì)算中，但關(guān)于其模擬計(jì)算基坑開挖工程的適用性問(wèn)題，以及其與目前常用的基坑設(shè)計(jì)計(jì)算軟件計(jì)算結(jié)果之間的差別等問(wèn)題，目前還未見(jiàn)有相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行深入分析，鑒于此，開展本項(xiàng)目的研究工作。利用plaxis2d對(duì)3個(gè)實(shí)際深基坑開挖工程進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，通過(guò)計(jì)算結(jié)果與目前常用方法（理正深基坑計(jì)算軟件）的計(jì)算結(jié)果，以及實(shí)測(cè)結(jié)果的

3、對(duì)比，分析了plaxis2d在基坑開挖工程中的適用性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)應(yīng)用plaxis2d進(jìn)行基坑開挖數(shù)值模擬計(jì)算的適用條件進(jìn)行了探討，并運(yùn)用plaxis2d中的定量敏感性分析法和極差法，對(duì)基坑開挖過(guò)程中土體各參數(shù)對(duì)plaxis2d計(jì)算結(jié)果的敏感性進(jìn)行了分析。在上述研究?jī)?nèi)容的基礎(chǔ)上，得到了以下研究結(jié)論。(1) plaxis2d是基于水土分算理論來(lái)計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)上的水土壓力的（設(shè)置地下水位時(shí)），本研究中的工程實(shí)例取自軟土地區(qū)，采用水土合算較為合適，即不考慮地下水位，這已經(jīng)為實(shí)測(cè)結(jié)果所證實(shí)；對(duì)于以砂土為主要地層的基坑開挖工程，原則上應(yīng)采用水土分算，在利用plaxis2d進(jìn)行基坑開挖的模擬計(jì)算時(shí)，應(yīng)當(dāng)在

4、基坑外設(shè)置地下水位，分別考慮水土壓力的影響。由于影響基坑開挖的因素較多，當(dāng)采用水土分算時(shí)，如果所得結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相比偏大較多，則在排除其他因素后，宜將水壓力進(jìn)行適當(dāng)折減，具體折減系數(shù)宜根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。而對(duì)于主要地層既有砂層又有粘土層的基坑開挖工程，在利用plaxis2d進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，建議采用水土合算。(2) 利用有限元軟件(plaxis2d)模擬計(jì)算基坑支護(hù)工程時(shí)，對(duì)于土體的計(jì)算本構(gòu)模型而言，使用硬化土模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果符合較好；以摩爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則為代表的土體本構(gòu)模型得到的計(jì)算結(jié)果表明，支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移、內(nèi)力以及支撐軸力等數(shù)值與硬化土模型較為一致，但地表沉降量計(jì)算值較實(shí)測(cè)值偏小較多，

5、不能對(duì)沉降量進(jìn)行較好的預(yù)測(cè)。(3) 在使用plaxis2d模擬基坑開挖時(shí)，考慮基坑內(nèi)側(cè)土體的加固效應(yīng)，對(duì)減小支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和基坑周邊地表沉降的作用較為明顯。(4) 在利用plaxis2d模擬基坑開挖時(shí)，發(fā)現(xiàn)工況設(shè)置為超挖時(shí)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響較大，故對(duì)于實(shí)際工程而言，實(shí)際施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)禁超挖。(5) 相比傳統(tǒng)方法（理正深基坑計(jì)算軟件5.3），有限元計(jì)算方法（plaxis2d有限元計(jì)算軟件）在基坑開挖數(shù)值模擬中具有明顯優(yōu)勢(shì)。理正設(shè)計(jì)軟件雖然簡(jiǎn)便易用，但關(guān)鍵值基床比例系數(shù)m值的選取具有較大主觀性和經(jīng)驗(yàn)性，導(dǎo)致計(jì)算誤差相對(duì)較大；plaxis2d雖然計(jì)算過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，耗時(shí)相對(duì)較長(zhǎng)，但計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值相符

6、較好，對(duì)工程設(shè)計(jì)和施工安全更有利。(6) 利用plaxis2d中的定量敏感性分析法和基于正交設(shè)計(jì)的極差分析法分別對(duì)基坑開挖工程中的土體參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析，對(duì)于常用的軟土地區(qū)的基坑土體參數(shù)而言，各土體參數(shù)對(duì)基坑工程安全性的綜合影響的敏感性大小為：內(nèi)摩擦角> 割線模量> 粘聚力c > 重度，其中，和粘聚力的影響較為接近。對(duì)于界面折減系數(shù)rinter和剛度應(yīng)力水平相關(guān)冪指數(shù)power(m)，受到土體性質(zhì)的限制，對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響較小，屬于不顯著因素。(7) 基于plaxis2d的相對(duì)敏感性參數(shù)分析法具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，方法簡(jiǎn)明，計(jì)算簡(jiǎn)單，易于理解，且可以同時(shí)針對(duì)多個(gè)結(jié)果的影響進(jìn)行參數(shù)敏

7、感性分析，為實(shí)際的參數(shù)敏感性分析提供了一個(gè)有效的方法。上述研究結(jié)論對(duì)正確應(yīng)用plaxis2d進(jìn)行基坑開挖工程的數(shù)值模擬計(jì)算以及實(shí)際基坑支護(hù)工程的設(shè)計(jì)計(jì)算均具有較好的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：plaxis2d；有限元；基坑開挖；數(shù)值模擬；適用性；參數(shù)敏感性分析目 錄1引言12有限元分析軟件plaxis2d簡(jiǎn)介33有限元軟件（plaxis2d）計(jì)算基坑支護(hù)工程的結(jié)果分析53.1 計(jì)算所用工程實(shí)例簡(jiǎn)介53.1.1工程實(shí)例1介紹953.1.2工程實(shí)例2介紹1063.1.3工程實(shí)例3介紹111273.2 有限元計(jì)算模型的建立83.3 計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析103.3.1 實(shí)例1數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果及分析103

8、.3.2實(shí)例2數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果及分析113.3.3實(shí)例3數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果及分析113.3.4小結(jié)123.4 土體本構(gòu)模型的適用性分析133.4.1 實(shí)例1硬化土模型與摩爾-庫(kù)侖模型的適用性比較133.4.2 實(shí)例2硬化土模型與摩爾-庫(kù)侖模型的適用性比較153.4.3 實(shí)例3硬化土模型與摩爾-庫(kù)侖模型的適用性比較173.4.4小結(jié)193.5 基坑內(nèi)側(cè)有無(wú)加固區(qū)的影響分析203.5.1實(shí)例1基坑內(nèi)側(cè)有無(wú)加固區(qū)的模擬及影響分析203.5.2實(shí)例2基坑內(nèi)側(cè)有無(wú)加固區(qū)的模擬及影響分析213.5.3實(shí)例3基坑內(nèi)側(cè)有無(wú)加固區(qū)的模擬及影響分析223.5.4小結(jié)233.6 超開挖對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響233.6.1實(shí)

9、例1關(guān)于基坑超開挖的影響分析243.6.2實(shí)例2關(guān)于基坑超開挖的影響分析253.6.3實(shí)例3關(guān)于基坑超開挖的影響分析273.6.4 小結(jié)283.7 小 結(jié)284 plaxis2d與理正基坑設(shè)計(jì)軟件計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析294.1 理正基坑設(shè)計(jì)軟件簡(jiǎn)介294.2 理正基坑設(shè)計(jì)軟件的計(jì)算原理294.3 理正基坑設(shè)計(jì)軟件中參數(shù)的取值問(wèn)題294.3.1 m值的選取294.3.2 支錨剛度的計(jì)算304.4 理正基坑設(shè)計(jì)軟件與plaxis2d計(jì)算結(jié)果對(duì)比314.4.1 實(shí)例1的對(duì)比分析314.4.2 實(shí)例2的對(duì)比分析334.4.3 實(shí)例3的對(duì)比分析354.5 小 結(jié)375 基坑開挖工程的參數(shù)敏感性分析385.

10、1基坑開挖工程算例385.1.1 基本計(jì)算條件385.1.2 計(jì)算模型的建立395.2 相對(duì)敏感性參數(shù)分析方法的計(jì)算過(guò)程及應(yīng)用395.2.1 相對(duì)敏感性參數(shù)分析方法的計(jì)算過(guò)程395.2.2 在基坑開挖工程中的應(yīng)用415.3 相對(duì)敏感性參數(shù)分析方法的有效性驗(yàn)證445.3.1 基于正交設(shè)計(jì)的參數(shù)敏感性分析計(jì)算445.3.2 正交法試驗(yàn)結(jié)果分析455.4 小 結(jié)516 結(jié)論與建議526.1 結(jié) 論526.2 建 議53參考文獻(xiàn)54研究成果571引言隨著城市建設(shè)的發(fā)展，我國(guó)的高層、超高層建筑大批涌現(xiàn)。同時(shí)，地下空間的開拓和利用也方興未艾，高層建筑地下室、地下停車場(chǎng)、地下商場(chǎng)、地鐵車站等多種用途的地下建

11、筑物越來(lái)越多的出現(xiàn)己成為城市建筑發(fā)展的一大趨勢(shì)。并且，地下工程的規(guī)模越來(lái)越大，深度越來(lái)越探，深基坑工程及支護(hù)設(shè)計(jì)與基坑開挖出現(xiàn)的問(wèn)題也越來(lái)越多,深基坑支護(hù)工程引起了各方面的廣泛重視?；娱_挖是基礎(chǔ)和地下工程施工中的一個(gè)傳統(tǒng)課題，近十多年來(lái)，在我國(guó)科研、設(shè)計(jì)、施工人員的共同努力下，基坑工程的設(shè)計(jì)理論和施工工藝都有了較大發(fā)展。然而，基坑開挖問(wèn)題又是一個(gè)綜合性的復(fù)雜課題，它既涉及到土的強(qiáng)度和穩(wěn)定問(wèn)題，又包含了變形問(wèn)題，同時(shí)還涉及到土與圍護(hù)結(jié)構(gòu)、土與基坑內(nèi)的工程樁的相互作用等問(wèn)題。而對(duì)這些問(wèn)題的認(rèn)識(shí)和研究，有較于土力學(xué)理論、計(jì)算方法、測(cè)試手段及施工技術(shù)和設(shè)備的進(jìn)步和完普。由于工程經(jīng)驗(yàn)的不斷積累以及設(shè)計(jì)

12、計(jì)算理論的逐漸完善，基坑工程中以前經(jīng)常發(fā)生的由于強(qiáng)度和穩(wěn)定性不足而造成的事故目前已呈下降趨勢(shì)。然而，由于開挖引起的坑底土體隆起，圍護(hù)墻體側(cè)向變形和移動(dòng)，坑外土體的沉降，相鄰的建筑物開裂、沉降、傾斜，道路下陷、開裂，城市地下公用管線(煤氣、上水、污水、電力電纜、通訊電纜等)斷裂、泄漏、燃燒，地下鐵路隧道沉降、變形等事故頻頻發(fā)生?；庸こ逃梢郧暗膹?qiáng)度、穩(wěn)定問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)槟壳暗淖冃螁?wèn)題。對(duì)相鄰環(huán)境的影響是否能夠限定在一個(gè)安全的范圍內(nèi)已經(jīng)成為基坑開挖、圍護(hù)工程成功與否的重要，有時(shí)甚至是決定性的因素1。基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與分析已成為設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié),其目的是要確保結(jié)構(gòu)本身的強(qiáng)度、變形等滿足控制要求?；拥淖o(hù)壁,不僅

13、要保證基坑內(nèi)能正常作業(yè)安全,而且要防止基底及坑外土體移動(dòng),保證基坑附近建筑物、道路管線的正常運(yùn)行。眾所周知,基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)是一種橫向(水平)受荷結(jié)構(gòu),通常按橫向受荷來(lái)分析此類結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力,人們已提出了解析法、各種彈性地基系數(shù)法(如“k”法、“m”法、“c”法、“雙參數(shù)”法等)、有限單元法等2。有限元法的基本思想早在20世紀(jì)40年代就有人提出，真正的有限元技術(shù)是從1965年開始出現(xiàn)的，實(shí)至今日己有30多年的歷史。有限元方法簡(jiǎn)言之，它的的主要步驟是:建立數(shù)學(xué)模型、推導(dǎo)有限元方程列式，求解有限元方程組，數(shù)值結(jié)果表述，這樣可以解決很多實(shí)際工程需要解決而理論分析又無(wú)法解決的復(fù)雜問(wèn)題。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技

14、術(shù)的普及和計(jì)算速度的不斷提高，有限元分析在工程設(shè)計(jì)和分析中得到了越來(lái)越廣泛的重視，己經(jīng)成為解決復(fù)雜的工程分析計(jì)算問(wèn)題的有效途徑。它所涉及到的領(lǐng)域主要有鐵道，電子電器，國(guó)防軍工，船舶制造，建筑設(shè)計(jì)，巖土工程中等諸多方面。有限元的核心思想是將實(shí)體結(jié)構(gòu)的離散化，就是將實(shí)際結(jié)構(gòu)實(shí)體假想地離散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體，得出滿足工程精度的近似結(jié)果來(lái)替代對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的分析，最后通過(guò)和工程問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型(基本方法、邊界條件)等效的變分原理和加權(quán)余量法，建立求解的基本未知量的代數(shù)方程組或常微分方程組，應(yīng)用數(shù)值方法求解，從而得到問(wèn)題的解答。有限元法求解問(wèn)題的基本過(guò)程主要包括:分析對(duì)象的離散化、有限元求解、計(jì)算結(jié)果

15、的后處理三部分。從單元類型而言，最初為一維的桿單元、二維的平面單元逐漸發(fā)展到三維的空間單元、板殼單元、管單元等，從常應(yīng)變單元逐漸發(fā)展到高次單元。另外用有限元的求解過(guò)程已經(jīng)由求解線性問(wèn)題發(fā)展到求解非線性問(wèn)題，許多工程問(wèn)題如材料的破壞與失效、裂紋擴(kuò)展等僅靠線性理論根本不能解決，必須進(jìn)行非線性分析求解，例如薄板成形就要求同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)的大位移、大應(yīng)變(幾何非線性)和塑性(材料非線性)；而對(duì)塑料、橡膠、陶瓷、混凝土及巖土等材料進(jìn)行分析或需考慮材料的塑性、蠕變效應(yīng)時(shí)則必須考慮材料非線性。 巖土工程是將土力學(xué)及基礎(chǔ)工程、工程地質(zhì)學(xué)、巖體力學(xué)三者逐漸結(jié)合為一體并應(yīng)用于土木工程實(shí)際而形成的新學(xué)科，其涉及土木工程

16、建設(shè)中巖石與土的利用、整治或改造。其基本問(wèn)題是巖體或土體的穩(wěn)定、變形和滲流問(wèn)題。巖體在其形成和存在的整個(gè)地質(zhì)歷史過(guò)程中，經(jīng)受了各種復(fù)雜的地質(zhì)作用，因而有著復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和地應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境。正因?yàn)閹r土材料具有前面所說(shuō)的復(fù)雜性、非均質(zhì)、非連續(xù)性等特點(diǎn)，這使得有些巖土力學(xué)問(wèn)題無(wú)法用解析方法簡(jiǎn)單的求解，否則會(huì)使計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)很大的偏差，相比之下數(shù)值法具有較廣泛的適用性，它是解決巖上問(wèn)題的主要工具之一，而有限元方法3是數(shù)值分析方法的一個(gè)主要方法，它已成為巖土工程和結(jié)構(gòu)分析的一個(gè)有力工具。該法把一個(gè)實(shí)際的結(jié)構(gòu)物或連續(xù)體用一種由多個(gè)彼此聯(lián)系的單元體組成的近似等價(jià)物理模型來(lái)代替，通過(guò)連續(xù)體力學(xué)的基本原理求基本未知量，并

17、由此求各單元的應(yīng)力、應(yīng)變和其它量值?？梢怨?jié)點(diǎn)位移作為基本未知量，也可以節(jié)點(diǎn)力作為基本未知量。可分為位移型的、平衡型的和混合型的，對(duì)于位移型有限元法比其它有限元法應(yīng)用更為廣泛。與其他方法相比，有限元法有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：考慮樁、土相互作用，協(xié)調(diào)兩者的變形；可以模擬基坑開挖過(guò)程；通過(guò)計(jì)算可求得支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移4，從而對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)；可以計(jì)算一定區(qū)域內(nèi)土體的應(yīng)力和位移，由此可得此區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)；特別是對(duì)于開挖、支護(hù)交替進(jìn)行的介質(zhì)中的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的復(fù)雜變化過(guò)程，采用此法可以獲得近似解5-7。目前數(shù)值模擬技術(shù)還沒(méi)有廣泛應(yīng)用到實(shí)際的基坑支護(hù)工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中，除了數(shù)值模擬技術(shù)本身對(duì)工程技術(shù)人員

18、要求較高外，其計(jì)算結(jié)果和實(shí)際工程本身還存在一些差距，但關(guān)于這方面的研究報(bào)道較少，鑒于此，開展本項(xiàng)目的研究工作，通過(guò)與常規(guī)分析方法結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析，找出問(wèn)題并提出相應(yīng)的解決途徑，為工程設(shè)計(jì)實(shí)踐提供參考指導(dǎo)。2有限元分析軟件plaxis2d簡(jiǎn)介巖土工程有限元軟件plaxis的研制開始于1987年，由荷蘭的公共事業(yè)與水資源管理部委托delft technical university，初始目的是為了進(jìn)行建立在軟土上的河堤分析。此后，plaxis一直不斷發(fā)展，直到今天，已經(jīng)成為一種功能強(qiáng)大的專門針對(duì)巖土工程中變形與穩(wěn)定計(jì)算的有限元分析軟件。二維的plaxis（plaxis2d）程序能夠計(jì)算兩類

19、工程問(wèn)題，即平面應(yīng)變問(wèn)題和軸對(duì)稱問(wèn)題8。由于plaxis的不斷完善，其強(qiáng)大的功能可以模擬復(fù)雜的工程地質(zhì)條件，能夠模擬軟土地基上的基坑開挖問(wèn)題，并能耦合比奧固結(jié)理論，計(jì)算固結(jié)過(guò)程中的沉降、側(cè)向位移、有效應(yīng)力和超靜孔隙水壓力等，適合于變形和穩(wěn)定分析，其適用范圍相當(dāng)廣泛。plaxis2d具有如下重要的特性：1有限元分析模型的輸入土層、結(jié)構(gòu)、施工階段、荷載和邊界條件的輸入是基于便捷的cad圖形輸入形式，可以輸入很詳細(xì)的幾何圖形模型。根據(jù)輸入的幾何模型，可以很容易地得到二維有限元網(wǎng)格。2網(wǎng)格的自動(dòng)生成具有非結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格的自動(dòng)生成功能，并且可以根據(jù)需要選擇整體或局部網(wǎng)格細(xì)化。3模型單元模擬土體中的應(yīng)力和

20、變形，單元可采用6節(jié)點(diǎn)三角形單元和15節(jié)點(diǎn)三角形單元。此外，還可以進(jìn)行板單元、土與結(jié)構(gòu)的接觸面、土錨、土工織物和隧道等土工結(jié)構(gòu)的分析。4土的模型plaxis2d提供了mohr-coulomb模型、hardening-soil 模型、高級(jí)土體模型和自定義土的模型等。其中高級(jí)土體模型包括土的硬化模型、軟土模型和軟土流變模型等。5計(jì)算功能計(jì)算程序考慮變形分析、彈塑性分析、固結(jié)分析和修正網(wǎng)格分析。彈塑性計(jì)算采用荷載增量法。其特殊功能還在于能模擬施工過(guò)程。通過(guò)啟用和撤銷單元的方法可以模擬施工和開挖過(guò)程，這個(gè)方法可估算實(shí)際的應(yīng)力以及所引起的位移。6結(jié)果輸出功能plaxis2d的后處理功能很強(qiáng)大，使用幾何圖

21、形曲線顯示計(jì)算結(jié)果，精確的位移、應(yīng)力和結(jié)構(gòu)內(nèi)力可由輸出列表得到。有限元計(jì)算的基本步驟如下：建立基坑有限元模型設(shè)置邊界條件有限元網(wǎng)格劃分單元?jiǎng)偠染仃囉?jì)算整體剛度矩陣計(jì)算求解應(yīng)力、應(yīng)變、及變形3有限元軟件（plaxis2d）計(jì)算基坑支護(hù)工程的結(jié)果分析3.1 計(jì)算所用工程實(shí)例簡(jiǎn)介3.1.1工程實(shí)例1介紹9 上海軌道交通10號(hào)線某車站基坑工程，基坑寬度為18.0m，開挖深度為14.8m，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)采用700mm厚的地下連續(xù)墻，墻深28.0m。地下連續(xù)墻采用c30混凝土，容重25 kn/m3, 彈性模量e=30 gpa，泊松比v=0.2。設(shè)置4道內(nèi)支撐，第1道為鋼筋混凝土內(nèi)支撐，位于樁頂，混凝土標(biāo)號(hào)為

22、c30；其余均為鋼管支撐，采用609mm，厚度t=16mm的鋼管支撐，分別距樁頂5.0m，8.8m和11.8m，支撐水平間距為6.0m。基坑內(nèi)開挖面以下4m深、3m寬范圍內(nèi)進(jìn)行土體加固。文獻(xiàn)中未提供混凝土支撐截面尺寸，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算時(shí)取混凝土內(nèi)支撐構(gòu)件截面800mm×1000mm，支撐間距8.0m。由上至下基坑地層分布及其基本計(jì)算參數(shù)如表3-1所示，坑內(nèi)土體加固，相應(yīng)的力學(xué)性質(zhì)按提高2.5倍進(jìn)行考慮。表3-1 土層及模型計(jì)算參數(shù)土層名稱褐黃色粘土灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土灰色淤泥質(zhì)粘土灰色粘土灰色粉質(zhì)粘土夾砂土層厚度(m)3581220土體容重(kn/m3)17.817.316.717.217

23、.7粘聚力(kpa)1511111314內(nèi)摩擦角(°)18.5201214.522.5滲透系數(shù)(m/d)0.010.0030.020.030.001(mpa)8.046.424.66.288.8(mpa)8.046.424.66.288.8(mpa)24.1219.2613.818.8426.4m0.70.80.70.70.7rinter0.60.580.570.630.65說(shuō)明：rinter表示界面強(qiáng)度折減因子，m具體見(jiàn)后文所述。3.1.2工程實(shí)例2介紹10上海麗晶苑大廈基坑工程，基坑寬度42.0m，基坑開挖深度12.65m。該基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)采用l000mm，樁凈間距150mm，

24、長(zhǎng)27m鉆孔灌注樁擋土，水泥攪拌樁止水。設(shè)置三道混凝土水平支護(hù)，支撐寬1000mm，高800mm。三道水平支撐分別設(shè)置于地面下l.45m、5.25m、9.20m處。基坑內(nèi)側(cè)開挖面以下4m深度、6m寬度范圍內(nèi)進(jìn)行了土層加固。文獻(xiàn)未提及支撐間距及混凝土強(qiáng)度，計(jì)算時(shí)選用混凝土標(biāo)號(hào)c30，容重=25 kn/m3，彈性模量e=30 gpa，泊松比v=0.2，支撐間距設(shè)為8m。由上至下基坑地層分布及其基本計(jì)算參數(shù)如表3-2所示，其中土層的和值取自文獻(xiàn)，土體彈性模量根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值。土層加固區(qū)的力學(xué)性質(zhì)提高約2.5倍。表3-2 土層及模型計(jì)算參數(shù)土層名稱褐黃色粉質(zhì)粘土灰色淤泥質(zhì)粉土灰色粉土灰色粉粘土暗綠色粉質(zhì)粘

25、土土層厚度(m)673.5913土體容重(kn/m3)17.816.917.718.320.2粘聚力(kpa)863.5933內(nèi)摩擦角(°)14.757.257.51513滲透系數(shù)(m/d)0.0030.0020.0040.0050.001(mpa)7.06.05.07.59.0(mpa)7.06.05.07.59.0(mpa)21.018.015.022.527.0m0.70.70.80.70.6rinter0.580.600.570.610.653.1.3工程實(shí)例3介紹1112上海徐家匯基坑工程，基坑面積約9000m2，開挖深度13.4m?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻及鋼筋混凝土平

26、面框架支撐體系。地下連續(xù)墻厚0.8m，墻深26.0m，三道鋼筋混凝土支撐斷面分別為800mm×800mm，1200mm×l000mm，1200mm×l000mm，分別設(shè)置于地面下l.6m、6.0m、10.0m處。根據(jù)文獻(xiàn)12中平面簡(jiǎn)圖，支撐間距取15m。連續(xù)墻內(nèi)側(cè)開挖面以下3m深度、5m寬度范圍內(nèi)采用水泥攪拌樁加固。文獻(xiàn)未提及支撐間距及混凝土強(qiáng)度，計(jì)算時(shí)選用混凝土標(biāo)號(hào)c30，容重=25 kn/m3，彈性模量e=30 gpa，泊松比v=0.2。并且文獻(xiàn)中只提供了土層的內(nèi)摩擦角值、容重和土層厚度，滲透系數(shù)、粘聚力和土體彈性模量根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值。由上至下基坑地層分布及其基本

27、計(jì)算參數(shù)如表3-3所示，基坑內(nèi)側(cè)加固土層的相應(yīng)力學(xué)性質(zhì)提高約2.5倍。表3-3土層及模型計(jì)算參數(shù)土層名稱褐黃色粉質(zhì)粘土灰色淤泥質(zhì)粉粘土灰色粘土土層厚度(m)31730土體容重(kn/m3)18.717.518.6滲透系數(shù)(m/d)0.0030.0040.005內(nèi)摩擦角(°)2.51015.5粘聚力(kpa)435(mpa)5.54.56.5(mpa)5.54.56.5(mpa)16.513.519.5m0.70.70.7rinter0.570.600.633.2 有限元計(jì)算模型的建立基坑沿寬度方向幾何對(duì)稱，因此在數(shù)值計(jì)算時(shí)只需選取基坑寬度的1/2進(jìn)分析即可。采用平面應(yīng)變有限元模型，具

28、體如下所述。巖土體采用15節(jié)點(diǎn)三角形平面單元，本項(xiàng)目研究過(guò)程中使用了硬化土模型（hardening-soil 模型）。其中幾個(gè)表征土體剛度的參數(shù)，指標(biāo)準(zhǔn)排水三軸實(shí)驗(yàn)中的割線模量，軟土地區(qū)一般取壓縮模量的2倍13。指主固結(jié)儀加載中的切線模量，數(shù)值和相等。指卸載-重新加載剛度，數(shù)值上取的3倍。m表示剛度應(yīng)力水平相關(guān)冪指數(shù)，取值在0.51.0之間，土質(zhì)越軟，m越接近1.0。支護(hù)樁和內(nèi)支撐采用線彈性模型，根據(jù)剛度等效原則，支護(hù)樁和地下連續(xù)墻用等效厚度的板來(lái)模擬，plaxis2d中錨錠桿是具有一個(gè)節(jié)點(diǎn)的彈性彈簧單元，一端固定，彈簧剛度（軸向剛度）為定值，可用錨錠桿來(lái)模擬內(nèi)支撐。在plaxis2d中可以通

29、過(guò)界面來(lái)模擬結(jié)構(gòu)對(duì)象（板）和周圍土體之間的相互作用，通過(guò)合適的界面強(qiáng)度折減因子rinter對(duì)相應(yīng)土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角進(jìn)行折減，以此來(lái)考慮結(jié)構(gòu)與相鄰?fù)馏w之間的粘聚力和內(nèi)摩擦角14。界面強(qiáng)度折減因子rinter的具體數(shù)值如計(jì)算參數(shù)表所示。模型的邊界條件為：底部邊界施加完全固定約束，左側(cè)邊界施加水平約束，右側(cè)邊界施加對(duì)稱邊界條件。plaxis2d基于水土分算（設(shè)置地下水位時(shí)），工程實(shí)例為軟土地區(qū)，采用水土合算較為合適，故計(jì)算過(guò)程中將不考慮地下水位，即按水土合算。開挖施工是一個(gè)多階段過(guò)程。首先，建造地下連續(xù)墻到要求的深度，然后實(shí)行分步開挖，期間產(chǎn)生安裝錨桿或橫向支撐所需的空間，最后開挖至最終深度。p

30、laxis2d中分步施工計(jì)算選項(xiàng)使得有限元模型中被選組成部分的重量、剛度和強(qiáng)度可以被激活或凍結(jié)，從而對(duì)這些過(guò)程進(jìn)行模擬。具體數(shù)值計(jì)算模型見(jiàn)圖3-1，圖3-2，圖3-3。圖3-1 實(shí)例1基坑幾何模型(1/2基坑寬度)圖3-2實(shí)例2基坑幾何模型(1/2基坑寬度)圖3-3 實(shí)例3基坑幾何模型(1/2基坑寬度)3.3 計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析計(jì)算模型條件確定如下：土體選用硬化土模型，考慮坑內(nèi)土體加固，坑邊無(wú)超載，工況設(shè)置無(wú)超開挖。3.3.1 實(shí)例1數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果及分析工況為第一道鋼管加200kn預(yù)應(yīng)力，剩下2道鋼管預(yù)加480kn預(yù)加力，同時(shí)考慮坑內(nèi)土體的加固。開挖到基坑底面時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和

31、基坑周邊地表沉降計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的對(duì)比如圖3-4所示。(a) 支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移 (b) 基坑周邊地表沉降圖3-4 實(shí)例1數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比由圖3-4(a)可知，計(jì)算工況下，即第一道鋼管加200kn預(yù)應(yīng)力，剩下2道鋼管預(yù)加480kn預(yù)加力，考慮坑內(nèi)土體加固時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移計(jì)算最大值為43mm；發(fā)生在距樁頂16.0m的位置處，在基坑開挖面下約1.4m。實(shí)測(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值約為3941mm，最大值位置在開挖面附近。本例中與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果的對(duì)比可知，計(jì)算得到的支護(hù)樁水平位移最大值的位置較實(shí)測(cè)位置偏下，支護(hù)樁水平位移分布模式及其最大值與實(shí)測(cè)結(jié)果比較符合。根據(jù)圖3-4(b)，計(jì)算得到的基坑周

32、邊地表沉降最大值為18mm，實(shí)測(cè)地表沉降值約16mm25mm，計(jì)算結(jié)果在實(shí)測(cè)值范圍之內(nèi)。上述計(jì)算表明，plaxis2d的計(jì)算結(jié)果對(duì)本例有較好的適用性。3.3.2實(shí)例2數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果及分析(a) 支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移 (b) 基坑周邊地表沉降圖3-5 實(shí)例2數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比由圖3-5(a)可知，計(jì)算得支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移計(jì)算最大值43mm，最大值位置距樁頂約14.7m。實(shí)測(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值為37mm，距樁頂約13m。plaxis2d 計(jì)算結(jié)果稍偏保守。如圖3-5(b)計(jì)算得基坑周邊地表沉降最大計(jì)算值是24mm，由于文獻(xiàn)未提供基坑周邊地表沉降的實(shí)測(cè)值，故無(wú)法將計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較。

33、由上述各數(shù)值可知，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，表明本例plaxis2d有限元計(jì)算結(jié)果具有較好的適用性。3.3.3實(shí)例3數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果及分析標(biāo)準(zhǔn)模型條件下，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和基坑周邊地表沉降計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比如圖3-6中所示。(a) 支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移 (b) 基坑周邊地表沉降圖3-6 實(shí)例3數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比由圖3-6(a)，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移計(jì)算最大值為89mm，距樁頂約14.9m；實(shí)測(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值為103mm，發(fā)生在距樁頂約17m的位置。在該工程實(shí)例中，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移數(shù)值計(jì)算結(jié)果較實(shí)測(cè)值偏小，水平位移計(jì)算最大值的位置較相應(yīng)實(shí)測(cè)最大值的位置稍偏上。從圖3-6(b)可得，

34、地表沉降計(jì)算最大值為52mm，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中的地表沉降值最大值約為60mm。由于由于文獻(xiàn)1112中工程施工信息不夠全面，且地表沉降監(jiān)測(cè)也存在誤差，地表沉降監(jiān)測(cè)也存在誤差，根據(jù)已有測(cè)點(diǎn)的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)值與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比圖形，可以看出，地表沉降計(jì)算值和實(shí)測(cè)值也較為一致。從上述數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，在本例中，plaxis2d數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果符合較好，表明了plaxis2d有限元軟件在基坑開挖數(shù)值模擬中具有較好的適用性。3.3.4小結(jié)通過(guò)三個(gè)基坑開挖工程實(shí)例的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析可知，在所建立的有限元計(jì)算模型條件下（即此處所指的標(biāo)準(zhǔn)模型計(jì)算條件下），plaxis2d計(jì)算得到的支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值

35、與相應(yīng)的實(shí)測(cè)值相差不大，計(jì)算所得到的支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值位置與實(shí)測(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值位置有時(shí)存在一定的差異，實(shí)例1中較實(shí)測(cè)值偏下約1.5m，實(shí)例2中計(jì)算值位置與實(shí)測(cè)值位置基本相同，實(shí)例3中計(jì)算值位置較實(shí)測(cè)值位置偏上約2m，可見(jiàn)計(jì)算水平位移最大值的發(fā)生位置在相應(yīng)實(shí)測(cè)值位置的上下約2m的范圍內(nèi)。從三個(gè)工程實(shí)例計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比圖還可看出，地表沉降量的計(jì)算結(jié)果也較符合實(shí)測(cè)結(jié)果。綜合三個(gè)工程實(shí)例計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析可知，plaxis2d有限元軟件在基坑開挖數(shù)值模擬中具有較好的適用性。3.4 土體本構(gòu)模型的適用性分析硬化土模型(hs模型)和摩爾-庫(kù)侖模型（mc模型）是使用plaxis

36、2d模擬巖土力學(xué)行為的兩個(gè)常用模型，它們精度不同。摩爾-庫(kù)倫模型總共包含5個(gè)參數(shù)，這些參數(shù)對(duì)于大多數(shù)巖土工程師來(lái)說(shuō)都是熟悉的，并且它們能夠通過(guò)土樣常規(guī)試驗(yàn)來(lái)獲得15 。摩爾-庫(kù)侖模型中的極限應(yīng)力狀態(tài)是由摩擦角，粘聚力，以及剪脹角來(lái)描述的。而硬化土模型中考慮了土體回彈，是一種改進(jìn)了的模擬巖土行為的模型。 計(jì)算條件確定如下：考慮坑內(nèi)土體加固，坑邊無(wú)超載，工況設(shè)置無(wú)超開挖，巖土體分別使用硬化土模型和摩爾庫(kù)侖模型。3.4.1 實(shí)例1硬化土模型與摩爾-庫(kù)侖模型的適用性比較工況為第一道鋼管加200kn預(yù)應(yīng)力，剩下2道鋼管預(yù)加480kn預(yù)加力，同時(shí)考慮坑內(nèi)土體的加固。支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和基坑周邊地表沉降計(jì)算結(jié)

37、果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比和支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力對(duì)比如圖3-7所示。(a) 支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移 (b) 基坑周邊地表沉降（c）連續(xù)墻剪力 （d）連續(xù)墻彎矩圖3-7 實(shí)例1兩種數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比和支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的對(duì)比由圖3-7（a）可知，土體本構(gòu)模型為硬化土模型（hs模型）時(shí)，計(jì)算出支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值為43mm；發(fā)生在距樁頂16.0m的位置處，在基坑開挖面下約1.4m。土體本構(gòu)模型為摩爾-庫(kù)侖模型（mc模型）時(shí)，計(jì)算出支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值為41mm；發(fā)生在距樁頂17.3m的位置處，在基坑開挖面下約2.7m。實(shí)測(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值約為3941mm，最大值位置在開挖面附近。本例中與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果的對(duì)比可

38、知，使用摩爾-庫(kù)侖模型和硬化土模型計(jì)算得支護(hù)樁水平位移最大值均與實(shí)測(cè)值符合較好。使用摩爾-庫(kù)侖模型計(jì)算得到的支護(hù)樁水平位移最大值的位置，較硬化土模型計(jì)算的結(jié)果，比實(shí)測(cè)位置更加偏下。根據(jù)圖3-7（b）使用硬化土模型計(jì)算得到的基坑周邊地表沉降最大值為18mm，實(shí)測(cè)地表沉降值約16mm25mm，計(jì)算結(jié)果在實(shí)測(cè)值范圍之內(nèi)。用摩爾-庫(kù)侖模型計(jì)算得到沉降量最大值為6mm，且坑邊20m范圍內(nèi)土體有過(guò)大隆起，該結(jié)果完全不符合實(shí)測(cè)值。圖3-7(c)(d)為分別使用兩種本構(gòu)模型得到的連續(xù)墻的內(nèi)力大小和分布。硬化土模型的由上到下的四個(gè)支撐軸力最大值分別為 n1= -98.920kn n2= -488.200kn n

39、3= -490.100kn n4= -585.600kn。支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大剪力為490.27kn （11.7m深度處），最大彎矩是 854.30kn·m （17.3m深度處）。摩爾-庫(kù)侖模型的四個(gè)支撐的軸力最大值分別為 n1= -79.490 kn n2= -433.400 kn n3= -412.400 kn n4= -510.200 kn，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大剪力為401.88 kn （11.7m深度處），最大彎矩是597.80 kn·m （14.6m深度處）。由此可得，使用硬化土模型計(jì)算得到的連續(xù)墻內(nèi)力值大于摩爾-庫(kù)侖模型計(jì)算得到的支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力值，內(nèi)力分布情況一致。3.4.2

40、實(shí)例2硬化土模型與摩爾-庫(kù)侖模型的適用性比較本例使用兩種模型模擬土的力學(xué)行為，得到支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和基坑周邊地表沉降計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，以及兩種本構(gòu)模型得到的支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的對(duì)比，如圖3-8所示。(a) 支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移 (b) 基坑周邊地表沉降（c）連續(xù)墻剪力 （d）連續(xù)墻彎矩圖3-8 實(shí)例2兩種數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比和支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的對(duì)比由圖3-8(a)可知，土體本構(gòu)模型為硬化土模型（hs模型）時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移計(jì)算最大值43mm，最大值位置距樁頂約14.7m，在基坑開挖面下約2m。土體本構(gòu)模型為摩爾-庫(kù)侖模型（mc模型）時(shí)，計(jì)算出支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值為49.3mm；發(fā)生在距樁頂

41、15.6m的位置處，在基坑開挖面下約3m。實(shí)測(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值為37mm，距樁頂約13m。由上述各數(shù)值可知，相比使用摩爾-庫(kù)侖模型，使用硬化土模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果更符合。如圖3-8(b)所示，硬化土模型計(jì)算得基坑周邊地表沉降最大計(jì)算值是24mm，而摩爾-庫(kù)侖模型計(jì)算結(jié)果為8.6mm，且坑邊10m范圍內(nèi)土體有較大隆起。由于文獻(xiàn)未提供基坑周邊地表沉降的實(shí)測(cè)值，無(wú)法將計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，但根據(jù)經(jīng)驗(yàn)硬化土模型的沉降結(jié)果更優(yōu)。圖3-8(c)(d)為分別使用兩種本構(gòu)模型得到的連續(xù)墻的內(nèi)力大小和分布。硬化土模型計(jì)算得到的由上到下三個(gè)支撐的軸力最大值分別為 n1= -204.500kn n2

42、= -653.900 kn n3= -603.700 kn，支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大剪力是570.72 kn （9.2m深度處），最大彎矩是 1342.25 kn·m （13.875m深度處）。摩爾-庫(kù)侖模型計(jì)算的三個(gè)支撐軸力最大值分別為 n1= -231.10 kn n2= -654.900 kn n3= -446.900 kn，支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大剪力是469.11 kn （9.2m深度處），最大彎矩是1243.76 kn·m （13m深度處）。由此可得，使用硬化土模型計(jì)算得到的連續(xù)墻內(nèi)力值大于摩爾-庫(kù)侖模型計(jì)算得到的支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力值，內(nèi)力分布一致。3.4.3 實(shí)例3硬化土模型與摩爾-庫(kù)

43、侖模型的適用性比較本例使用兩種模型模擬土的力學(xué)行為，得到支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和基坑周邊地表沉降計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，以及兩種本構(gòu)模型得到的支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的對(duì)比，如圖3-9所示。(a) 支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移 (b) 基坑周邊地表沉降(c) 連續(xù)墻剪力 （d）連續(xù)墻彎矩圖3-9 實(shí)例3兩種數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比和支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的對(duì)比由圖3-9(a)，土體本構(gòu)模型為硬化土模型（hs模型）時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移計(jì)算最大值為89mm，距樁頂約14.9m，在基坑開挖面下1.5m；土體本構(gòu)模型為摩爾-庫(kù)侖模型（mc模型）時(shí)，計(jì)算出支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值為99mm；發(fā)生在距樁頂17.3m的位置處，在基坑開挖面下3.

44、9m。實(shí)測(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值為103mm，發(fā)生在距樁頂約17.8m的位置。本例中與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果的對(duì)比可知，使用摩爾-庫(kù)侖模型和硬化土模型計(jì)算得支護(hù)樁水平位移最大值均與實(shí)測(cè)值符合較好。使用摩爾-庫(kù)侖模型計(jì)算得到的支護(hù)樁水平位移最大值的位置，較硬化土模型計(jì)算的結(jié)果，比實(shí)測(cè)位置更加偏下。如圖3-9(b)所示，硬化土模型得出的地表沉降計(jì)算最大值為53mm，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中的地表沉降值最大值約為60mm。用摩爾-庫(kù)侖模型計(jì)算得到沉降量最大值為15.7mm，且坑邊15m范圍內(nèi)土體有過(guò)大隆起，最大可達(dá)60mm。該結(jié)果完全不符合實(shí)測(cè)值。由此，硬化土模型在本例中比摩爾-庫(kù)侖模型具有更好的適用性。圖3-9(c)(d

45、)為分別使用兩種本構(gòu)模型得到的連續(xù)墻的內(nèi)力大小和分布。硬化土模型計(jì)算的由上到下的三個(gè)支撐軸力最大值分別為 n1= -281.7kn n2= -733.7 kn n3= -634.7 kn；支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大剪力是639.00kn （10m深度處），最大彎矩是 1540.19 kn·m （14.9m深度處）。摩爾-庫(kù)侖模型計(jì)算的三個(gè)支撐軸力最大值分別為 n1= -250.3kn n2= -592.2kn n3= -530.7kn；支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大剪力是511.38kn （10m深度處），最大彎矩是1243.76 kn·m （13m深度處）。使用硬化土模型計(jì)算得到的連續(xù)墻剪力和彎矩比

46、使用摩爾-庫(kù)侖得到的結(jié)果偏大，二者分布情況一致。3.4.4小結(jié)通過(guò)三個(gè)基坑開挖工程實(shí)例分別使用硬化土模型和摩爾-庫(kù)侖模型兩種本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算，再與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，可以得到如下結(jié)論。分別利用兩種土體模型計(jì)算得到的支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和內(nèi)力（包括彎矩和剪力）較為一致，且支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移與實(shí)測(cè)值也符合較好；但兩種土體模型得到的基坑周邊地表沉降相差較大，其中硬化土模型得到的地表沉降與實(shí)測(cè)值符合較好，而摩爾庫(kù)倫模型計(jì)算得到的地表沉降明顯偏小，與實(shí)測(cè)值相差較大，不能對(duì)沉降量進(jìn)行較好的預(yù)測(cè)。由于摩爾-庫(kù)侖模型需要的土體參數(shù)較少，所以如果要對(duì)所考慮的問(wèn)題進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單迅速的初步分析，可以使用摩爾-庫(kù)侖模型，但

47、其周圍地表沉降結(jié)果不能參考。硬化土模型的參數(shù)雖較摩爾-庫(kù)倫偏多，但利用常規(guī)室內(nèi)試驗(yàn)依舊可以得到各參數(shù)值，因此，在對(duì)土體參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)試驗(yàn)研究并積累有較好經(jīng)驗(yàn)的條件下，建議優(yōu)先選用硬化土模型。3.5 基坑內(nèi)側(cè)有無(wú)加固區(qū)的影響分析計(jì)算條件：土體使用硬化土模型，坑邊無(wú)超載，工況設(shè)置無(wú)超開挖。計(jì)算1為考慮基坑內(nèi)側(cè)加固區(qū)，計(jì)算2不設(shè)置加固區(qū)。3.5.1實(shí)例1基坑內(nèi)側(cè)有無(wú)加固區(qū)的模擬及影響分析工況為第一道鋼管加200kn預(yù)應(yīng)力，剩下2道鋼管預(yù)加480kn預(yù)加力，同時(shí)考慮坑內(nèi)土體的加固。相應(yīng)支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和基坑周邊地表沉降計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖3-10所示。(a) 支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移 (b) 基坑周邊地表

48、沉降圖3-10 實(shí)例1兩種數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比由圖3-10（a）可知，計(jì)算1考慮基坑內(nèi)側(cè)加固，計(jì)算出支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值為43mm；發(fā)生在距樁頂16.0m的位置處，在基坑開挖面下約1.4m。而計(jì)算2不考慮基坑內(nèi)側(cè)加固時(shí)，計(jì)算出支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值為52mm；發(fā)生在距樁頂約16.8m的位置處，在基坑開挖面下約2.2m。實(shí)測(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值約為3941mm，最大值位置在開挖面附近。本例中與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果的對(duì)比可知，計(jì)算1考慮基坑內(nèi)側(cè)加固影響計(jì)算得的支護(hù)樁水平位移最大值均與實(shí)測(cè)值符合較好，而計(jì)算2不考慮加固的計(jì)算結(jié)果比實(shí)測(cè)值偏大10mm。計(jì)算2不考慮加固得到的支護(hù)樁水平位移最大值的位

49、置，較計(jì)算1考慮加固得到的結(jié)果，比實(shí)測(cè)位置更加偏下。根據(jù)圖3-7（b）計(jì)算1考慮加固得到的基坑周邊地表沉降最大值為18mm，實(shí)測(cè)地表沉降值約16mm25mm，計(jì)算結(jié)果在實(shí)測(cè)值范圍之內(nèi)偏小。計(jì)算2不考慮加固得到的沉降量最大值約為25mm，計(jì)算結(jié)果在實(shí)測(cè)值范圍之內(nèi)偏大。綜上，不考慮基坑內(nèi)側(cè)加固區(qū)的影響計(jì)算得到的結(jié)果過(guò)保守?？紤]基坑內(nèi)側(cè)土體的加固效應(yīng)，對(duì)減小支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和基坑周邊地表沉降的作用明顯，更加符合實(shí)測(cè)值。3.5.2實(shí)例2基坑內(nèi)側(cè)有無(wú)加固區(qū)的模擬及影響分析本例加固與不加固的支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和基坑周邊地表沉降計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖3-11所示。(a) 支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移 (b) 基坑周邊

50、地表沉降圖3-11 實(shí)例2兩種數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比由圖3-11（a）可知，計(jì)算1考慮基坑內(nèi)側(cè)加固，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值為43mm；發(fā)生在距樁頂14.7m的位置處，在基坑開挖面下約2.1m。而計(jì)算2不考慮基坑內(nèi)側(cè)加固時(shí)，計(jì)算出支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值為51mm；發(fā)生在距樁頂約14.7m的位置處，與計(jì)算1位置相同。實(shí)測(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值為37mm，距樁頂約13m。計(jì)算1考慮基坑內(nèi)側(cè)加固得到的支護(hù)水平位移與實(shí)測(cè)值符合較好。計(jì)算1得基坑周邊地表沉降最大計(jì)算值是24mm，計(jì)算2得地表沉降量最大值是30mm。由于文獻(xiàn)未提供基坑周邊地表沉降的實(shí)測(cè)值，故無(wú)法將計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較。由上述各數(shù)

51、值可知，計(jì)算1考慮加固影響的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，計(jì)算2不考慮加固影響計(jì)算結(jié)果過(guò)于保守。考慮基坑內(nèi)側(cè)土體的加固效應(yīng)，對(duì)減小支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和基坑周邊地表沉降的作用明顯。3.5.3實(shí)例3基坑內(nèi)側(cè)有無(wú)加固區(qū)的模擬及影響分析本例加固與不加固的支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和基坑周邊地表沉降計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖3-12所示。(a) 支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移 (b) 基坑周邊地表沉降圖3-12 實(shí)例3兩種數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比由圖3-12(a)可知，計(jì)算1考慮基坑內(nèi)側(cè)加固，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值為89mm；發(fā)生在距樁頂14.9m的位置處，在基坑開挖面下約1.5m。而計(jì)算2不考慮基坑內(nèi)側(cè)加固時(shí)，計(jì)算出支護(hù)結(jié)構(gòu)

52、水平位移最大值為98mm；發(fā)生在距樁頂約11.5m的位置處。實(shí)測(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值為103mm，發(fā)生在距樁頂約17.8m的位置。計(jì)算1支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移數(shù)值計(jì)算結(jié)果較實(shí)測(cè)值偏小，水平位移計(jì)算最大值的位置較相應(yīng)實(shí)測(cè)最大值的位置稍偏上。計(jì)算2得到支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值與實(shí)測(cè)值接近，位置比計(jì)算1的結(jié)果還要偏上。從圖3-12(b)可得，計(jì)算1考慮基坑內(nèi)側(cè)加固區(qū)影響計(jì)算的地表沉降計(jì)算最大值為52mm，計(jì)算2不考慮加固得到的地表沉降最大值為61mm，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中的地表沉降值最大值約為60mm。相對(duì)3.5.1和3.5.2，本例計(jì)算2不考慮加固計(jì)算得到支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值和地表沉降量更符合實(shí)測(cè)值，表明實(shí)例3

53、中的計(jì)算存在著更多的不確定因素，如實(shí)際工程的施工中有可能基坑內(nèi)加固土體的施工質(zhì)量存在問(wèn)題，沒(méi)有達(dá)到相應(yīng)的加固效果，亦或?qū)嶋H施工坑邊有較大荷載，或者施工過(guò)程中有超挖等，這些因素均會(huì)導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)位移和基坑周邊的地表沉降量過(guò)大。3.5.4小結(jié)從上述數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，考慮基坑內(nèi)側(cè)土體的加固效應(yīng)，對(duì)減小支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和基坑周邊地表沉降的作用較為明顯。實(shí)例1與實(shí)例2的數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，考慮基坑內(nèi)側(cè)加固區(qū)的影響得到的結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果符合較好，也更符合工程實(shí)際，而不考慮基坑內(nèi)側(cè)加固土計(jì)算得到的支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和地表沉降均比實(shí)測(cè)值偏大很多，過(guò)于保守。實(shí)例3的數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，不考慮基坑內(nèi)側(cè)土體加固區(qū)的影響，其計(jì)

54、算結(jié)果更接近實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，表明在實(shí)例3的計(jì)算中存在著更多的不確定性因素，實(shí)際施工中加固區(qū)的質(zhì)量以及施工過(guò)程中的超挖和坑邊堆載都有可能導(dǎo)致上述結(jié)果的發(fā)生。綜合所有計(jì)算結(jié)果，如果坑內(nèi)土體進(jìn)行了加固，建議在實(shí)際計(jì)算中應(yīng)適當(dāng)考慮基坑內(nèi)側(cè)加固區(qū)的影響。3.6 超開挖對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響土體使用硬化土模型，考慮基坑內(nèi)側(cè)加固區(qū)，坑邊無(wú)超載，計(jì)算1工況設(shè)置無(wú)超開挖，計(jì)算2工況設(shè)置超開挖，即分步施工中激活支撐前開挖到該支撐以下0.5m位置處，討論相應(yīng)支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和基坑周邊地表沉降計(jì)算結(jié)果和內(nèi)力對(duì)比分析。3.6.1實(shí)例1關(guān)于基坑超開挖的影響分析(a) 支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移 (b) 基坑周邊地表沉降(c)連續(xù)墻剪力 (

55、d)連續(xù)墻彎矩圖3-13 實(shí)例1兩種數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比和支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的對(duì)比圖3-13(a)所示，計(jì)算1無(wú)超挖工況得到的支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移計(jì)算最大值為43mm；發(fā)生在距樁頂16.0m的位置處，在基坑開挖面下約1.4m。計(jì)算2超挖0.5m計(jì)算的支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值為48mm；位置與計(jì)算1的結(jié)果相同。實(shí)測(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值約為3941mm，最大值位置在開挖面附近。根據(jù)圖3-13(b)，計(jì)算1得到的基坑周邊地表沉降最大值為18mm，計(jì)算2則為20mm，而實(shí)測(cè)地表沉降值約16mm25mm。圖3-13(c) (d)，計(jì)算1無(wú)超挖計(jì)算得由上到下四個(gè)支撐的軸力最大值分別為 n1= -98.920kn n2= -488.200kn n3= -490.100kn n4= -585.600kn。支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大剪力為490.27 kn（11.7m深度處），最大彎矩是 854.30 kn·m （17.3m深度處）。計(jì)算2 設(shè)置超挖后，支撐軸力最大值 n1= -122.200kn n2= -515.700 n3= -513.800 n4= -518.600，支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大剪力是459.16kn （11.7m深度處），最大彎矩是887.46 kn&#