基于软化模型的基坑开挖变形破坏特性研究
1绪论
随着社会的发展，城市化进程的不断加快，城市空间资源不足这一问题逐渐成为制约城市发展的限制性因素，而地下空间的开发，成为解决城市空间资源不足的有效解决方法。目前，世界上许多发达国家对城市地下空间的利用，已经达到相当高的水平，我国许多大中型城市，也己修建了大量的地铁、人防工程、地下商场和地下停车场、高层建筑地下室、地下管线综合廊道等，为城市的发展提供了更宽广的城市空间资源。为提高空间利用率，不管是向更高空间发展，建立多层次城市格局，还是充分利用地下空间，实现城市立体化发展，由于建筑物结构本身及其及使用要求，基坑开挖深度以及地下结构埋深都会随之不断加大。
城市基坑开挖过程中产生的地层变形效应，对周边建筑物、地下市政管线、城市道路等构成了不同程度的危害。由于采用的变形控制技术不当而发生的重大事故的案例也屡见不鲜，造成了巨大的经济损失，甚至危及到人的生命安全。因此，深入系统地对深基坑开挖产生的岩土体变形以及支护结构的变形进行研究，分析研究基坑开挖的稳定性，研究基坑失稳破坏的形式，对充分利用地下空间，施工过程中使用合理的支护形式，降低该类工程施工安全风险，实现城市和谐可持续发展，具有十分重要的理论意义和实用价值。
随着基坑工程的不断发展，为满足不同工程的要求，基坑的分类以及支护结构的种类呈现出多元化的特点。根据施工工艺不同，基坑工程可分为放坡开挖和支护开挖；支护结构类型有水泥土墙、土钉墙、锚杆、排桩以及地下连续墙等。根据国内外许多工程案例的分析与总结，基坑工程有危险性大、区域性强、综合性强等特点。
(1)基坑工程具有很大的区域性
岩土工程中的基坑工程有着很强的区域性。各地区之间，各城市之间，甚至邻近场地的工程地质及水文地质条件不同，都会导致基坑工程以及支护结构形式的多样性。除了受当地的工程地质条件和水文地质条件的影响，基坑工程还受其周围建筑物、构筑物及地下市政设施的影响，与它们的重要性、位置及周围场地条件密切相关。因此，基坑工程的设计与施工要因地制宜，根据本地具体情况具体问题具体分析，而不能简单地完全照搬外地的经验。
(2)基坑工程具有很强的综合性
基坑的开挖和支护是一个综合性的岩土工程问题，不仅涉及到土力学中的强度与稳定问题，还包括变形问题，渗流问题，涉及到土与支护结构的共同作用[3]。有的基坑工程主要问题是开挖引起的支护结构的稳定性问题，有的基坑工程面临的主要问题是土中渗流引起土破坏问题，还有的基坑工程要解决的主要问题是周围地面变形问题。同时，基坑工程是是多种复杂因素相互影响的系统工程，包含了岩土工程、结构工程及施工技术等学科，是理论上尚待发展和完善的综合技术学科。
(3)基坑工程具有较大的风险性
大多情况下基坑支护是临时措施，支护结构的安全储备较小，风险也大。由于深基坑工程技术复杂，施工过程中容易发生安全事故，因此随时进行施工监测就变的尤为重要，同时，应随时准备着安全应急措施。基坑工程施工成本较高，但是由于是临时性工程，施工投入时一般不愿投入过多资金，导致施工风险较大，出现安全问题，往往造成严重的经济损失和十分恶劣的社会影响。基坑兀-挖的区域也就是地下结构施工的区域，地下结构的好坏又直接影响地上结构，所以地下结构的质量安全必须保证。且深基坑工程施工周期长，从开挖到完成地面以下的全部隐蔽工程，常常经历多次降雨、周边堆载、振动等许多不利条件，，安全度的随机性较大，事故的发生往往具有突发性。另一方面，由于深基坑工程中的挖方量大，土体中原有天然应力的释放量也大，这就使基坑周围环境的不均匀沉降加大，使基坑周围的建筑物出现不利的拉应力，地下管线的某些部位出现应力集中等，因此，基坑工程的施工具有很高的风险。
从以上各方面综合看，目前我国基坑工程存在许多问题。基坑工程与其隶属的岩土工程学科一样，是实用性、经验性极强的学科，是随着工程实践不断提高的学科。近些年的工程实践已经证明，在基坑工程这一领域，我们取得了许多值得骄傲的成就，但是也必须承认同时发生了一些工程事故。造成基坑事故的原因很复杂，其所造成的经济损失也相当严重。目前基坑存在的问题大体可表现在两个方面：设计阶段存在的问题；施工阶段存在的问题。
2基坑变形及支护的基本理论
基坑围挖过程中，由于基坑开挖面及侧面的卸荷作用，使得基坑底部发生降起变形，支护结构在两侧土压力差的作用下发zk侧移。同时，在基坑底部隆起和支护结构侧移的共同作用下，坑外土体也将发生相应的变形，故基坑7T挖变形表现为坑外土体变形、支护结构变形以及基坑底部降起。在鞋坑变形控制方面，国内外的专家学者做过大量的研究工作，通过模型试验、工程实测以及理论计算，形成了诸多研究成果，工程实践中也积累了丰富的经验，为基坑设计理论、施工方法和安全监控等方面提供了理论和经验指导。
2.1.1基坑外部土体变形
基坑开挖后，坑外土体将发生竖向沉降和水平位移。这些变形对周边环境将产生较大影响，尤其是对于基坑周围的建筑物。当坑外h体变形较大时，可导致建筑物发生失稳和破坏，造成巨大的经济损失甚至是人员伤亡。因此，针对坑外土体的变形，国内外许多学者作了较为深入的分析和研究。
测数据的分析总结，Peck认为地表沉降曲线为三角形模式，并可根据不同的工程地质条件将支护结构外侧的地面沉降曲线分为I、II、III三个区域，如图2-2所示。对于砂土和软到硬點土，坑外地表沉降如I区域，最大沉降小于l%He(He为基坑开挖深度），影响范围为2He;对于软粘土，坑外地表沉降如II和III区域，最大沉降可达1%-3%He，影响范围为2-4He。其经验曲线及相关的经验计算方法较全面地反映了不同土层的工程特性、场地条件和施工质量对地面沉降的综合影响，得到了广泛的应用，尤其是作为基坑变形的初步计算。
三角形与凹構型这两种沉降模式的影响范围均可划分为两个区域：主影响区域和次影响区域。假定影响区域的宽度为4倍的开挖深度，其中主影响区域和次影响区域宽度的范均为2倍的围挖深度。在主影响区域的宽度范围内，沉降曲线较陆，沉降量较大，该范围内的建筑物会受很大影响，而次影响区域范围内的沉降曲线较缓和，沉降量较小，对建筑物的影响也比较小。对于三角形沉降，其预测曲线如图2-4 (a)所示，曲线在距离越坑边缘2倍的开挖深处发生转折，由主影响区域进入次影响区域，沉降比值为0.1。图2-4 (b)为凹槽型沉降预测曲线，曲线分为三段折线，主影响区内两条直线，次影响区域内的一条直线，最大沉降点出现在在距离墙后0.5He位置处，贴近墙体处的沉降值为最大沉降值的0.5倍，主次沉降区域转折点处的沉降比仍为0.1，其中He为开挖深度。
综上所述，可将坑外土体的竖向沉降模式归纳为三角形和凹槽型两种基本模式，如图2-5所示，两种形式的主要特点为：（1）三角形，即坑外土体的沉降最大值发生在围护结构边上，且随距离支护结构的距离的增加而减小，如图2-5 (a)。（2)凹槽型，坑外土体的沉降最大值并非在支护结构边上，而是发生在距离支护结构一定距离的位置处，如图2-5 (b).然而，许多基坑的坑外地表的沉降并非简单的某种模式，而是这两个基本模式的组合，需要根据具体情况具体分析。
2.2.1支护结构变形模式
支护结构的变形和位移主要表现为两个方面：支护结构的侧向变形和支护结构的竖向位移。对于悬臂支护基坑，开挖较浅，还未设支撑时，不论是刚性支撑还是柔性支撑，支护结构变形均表现为三角形分布，即墙顶位移最大，支护结构绕底部一下某一点向坑内旋转。有内支撑基坑加设内支撑以后，随着开挖深度的增加，侧向变形表现为墙顶位移不变，墙体中部向坑内突出。刚性支护结构的变形主要表现为平动和转动，转动包括绕支护结构顶部的转动和绕支护结构底部的转动；柔性支护结构的变形除了平动和转动外还有支护结构的挠曲变形。支护结构的竖向位移在实际工程中危害较小，所以常被忽略。由于开挖时释放了土体的自贯应力，支护结构一般在土体的带动下有一定的浮起，这给基坑稳定、地表沉降和支护结构自身的稳定带来了一定危害，在软土地基中表现的尤为突出。
国内外许多学者已经对围护结构的变形模式做了较多的研究，并通过对工程实例分析提出了相应的支护结构变形模式。Peck[48l认为，基坑开挖后，支护结构一般先处于悬臂状态，此时支护结构变形最大处一般发生在支护结构顶部；而随着开挖的进行以及支撑的架设，护结构的最大位移则逐渐下移。Clough等人认为内支掉和猫拉系统的基坑JI"?挖所引起的園护结构变形形式可分为三种，如图2-7所示，即，（a)悬臂式，在开挖初期闽护结构顶部尚未设支撑而发生类似悬臂梁变形的位移；（b)深槽向内位移，在支撑设置上之后，頃护结构顶部横向位移被限制，使围护结构中部产生向内凹陷的变形形态；（c)上述两形态的组合。
平面弹性地基梁法的原理为：假定支护结构处于平面应变受力状态，计算时采取单位宽度的支护结构作为研究对象，作为竖向放置的弹性地基梁，其支座均视为弹黃支座，其中，支撑与铺杆也简化为弹黃支座，坑内开挖面以下的土体亦采用弹簧进行模拟，而坑外土体的水压力则视为外部施加于地基梁上，从而通过系打?有限元的方法即可计算弹性地基梁的内里和变形。
在具体计算过程中，可将地基梁划分为若千个单元，分别对每个单元进行上述公式的计算，利用系杆有限元法进行求解。地基梁在进行单元划分的时候，应充分考虑开挖深度、地下水位线、地层的分布、内支撑的位置等因素。同时，为了保证支护结构在开挖的各个阶段都满足强度和刚度要求，需要计算开挖、架设内支撑等各个阶段的内力以及变形，计算中还要考虑到边界条件以及荷载形式的变化。
3.1三维快速拉格朗日法基本原理.................................27
3.2数值模拟本构模型讨论.................................33
3.3模型的建立及性状模拟.................................35
4软化速度对深基坑开挖失稳破坏的影响...............45
4.1不同软化速度的选取.................................45
4.2对无支护基坑失稳破坏的影响.................................46
5支护结构嵌固深度对基坑开挖失稳破坏的影响...............77
5. 1建模与计算.................................77
5.2计算结果对比分析.................................78
5. 3本章小结.............................................90
5支护结构嵌固深度对基坑开挖失稳破坏的影响。
将深基坑的开挖看作是平面应变问题进行分析。由于基坑的对称性，取一半模型进行模拟计算。模型尺寸为40mX50m。模型示意图见图5-1，基坑开挖部分为红色，开挖深度14m。绿色部分为支护结构，宽1m，嵌固深度分别取5m、8m、
支挡结构的嵌固深度不同，结构本身的稳定性也不一样，基坑开挖时，对基坑边坡提供的支护约束也不一样。由图5-2、图5-3可以看出不同嵌固深度的基坑模型边坡的破坏特点以及支护结构本身的破坏形式：支护结构的存在使基坑破坏时边坡出现多条近乎平行的滑移线，且主滑移线都延伸至基坑底部水平线以下，基坑底部由于支护结构的变形挤JJi,部分土体发生剪切破坏。在计算到10000步时，支护结构基底以上一段距离处出现第一个屈服破坏点，随着计算的进行，嵌固深度超过11米的支护结构会在基底以下一定距离处出现第二个屈服破坏点。支护结构嵌固深度小于8米时，由于支护结构失稳破坏时结构底部对土体的扰动，基坑边坡破坏范围一直扩展至支护结构底部，嵌固深度大于8米时，破坏范围的深度不再一直向下扩展至支护结构底部。为分析固嵌深度不同时，基坑边坡的破坏区域，统计5种固嵌深度情况下模型计算到20000步时，滑移线以上土体所占的面积以及破坏区域的水平范围以及深度，统计结果如表5-4所示。
图5-6为基坑边坡在支护结构嵌固深度不同的情况下的破坏深度，当支护结构嵌固深度小于8米时，由于支护结构身稳定性不够，基坑开挖后土体的滑移又使其对底端土体产牛.的扰动破坏，所以当嵌固深度由5米增加到8米后，边坡的破坏深度反而19.11米增加至21.19米。当嵌同深度增加到11米后，边坡破坏深度降至18.7米，随着嵌固深度的继续增加，破坏深度稳定在18.8米左右。
由于土体软化速度适中，在基坑开挖失稳破坏的过程中，滑移土体中存在完整土体粮体滑移的现象，监测点是否位于完整土体之上会导致沉降最差别较大，因此地表监测点的沉降规律不是很明显，从A3监测点仍可以看出嵌固深度越浅，沉降量越大的趋势。同样山于支护结构达到强度极限后发牛屈服破坏的原因，导致基坑边坡失稳后的支护结构变形更加复杂，没有了明显的规律。从阁5-10支护结构监测点C3的侧移过程和侧移速度还可以看出，嵌固深度为17米时，C3点的侧移值一直最小，嵌固深度为5米时，该点的侧移值越大。下一个小节将对支护结构的强度进行提高，以此来避免支护结构的屈服断裂影响其侧向变形规律。
6结论
1、软化速度对基坑变形破坏的影响
(1)软化速度对无支护基坑变形破坏的影响
①当软化速度较快时，基坑边坡失稳滑移范围较大，破坏形式为土体“破碎坍塌”；当软化速度较慢时，基坑边坡失稳破坏范围较小，滑移面以上存在未破碎的土体发生“整体滑移”。②软化速度较慢时，边坡的滑移线接近直线，滑移线最低点在基坑坡角处；软化速度较快时，边坡滑移线近似于圆滑的抛物线，滑移线最低点延伸至基坑底部水平线以下。③滑移范围内土体的应力路径在达到强度破坏线之后的过程中，随平均应力q的减小，软化速度越快，偏应力q降低的越快，即单元抗剪承载力降低的越快。
(2)软化速度对有支护基坑变形破坏的影响
①软化速度越快基坑边坡破坏范围越大，软化速度越慢基坑边坡破坏范围越小。基坑底部靠近支护结构的土体破坏范围也是随软化速度的降低而减小。②软化速度较快时，破坏形式为“破碎坊塌”，随着软化速度降低，破坏形式逐渐变成“整体滑移”。③支护结构的横向变形也明显受土体软化速度的影响，监测点水平变形值随土体软化速度的变慢而减小。
土体的软化速度快慢会直接影响基坑边坡破坏范围的大小以及破坏形式是属于“破碎坍塌”还是“整体滑移”。对于“破碎坍塌”，支护时要着重考虑支护体系的整体稳定性，防止破坏范围的扩大和支护结构的整体失稳。而对于“整体滑移”，在支护时要注意加强坡角处支护结构的强度，防止边坡整体滑移导致支护结构的剪切断裂，当采用锚索支护时，应注意滑移线处剪切面处的锚索是否能够承受滑移土体的剪切作用。设置足够的嵌固深度是保证支护结构和基坑的稳定的前提，合理的嵌固深度大约为一倍的开挖深度，再继续增加嵌固深度，只会造成材料的浪费和成本的提高。同时，在保证支护结构自身承载力和基坑稳定的前提下，尽量避免支护结构强度的过多富余，以防止基坑在特殊情况下失稳破坏时，由于支护结构的扰动，将破坏区域扩大到更深更大的范围。
参考文献（略）
本文编号：36395
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/lwfw/36395.html
