某深基坑支護結構內力與變形的幾點思考

【摘 要】本文以某工程為實例，對深基坑支護結構的內力與變形進行了分析和討論，闡述了巖土體與支護結構的相互作用等。

【關鍵詞】相互作用；深基坑支護結構；變形；計算方法；內力

基坑支護結構的研究，隨著工程事故的不斷發(fā)生以及基坑開挖深度的不斷增加，越來越受到建筑工程界的重視，通過不斷的深入研究，深基坑支護結構的研究在理論與實踐方面都取得了長足的進展。

一、工程概況

在現(xiàn)有廠區(qū)內新建地下車庫，建筑面積11700平米，基坑長98米，寬124米 深7.5米。新建地下車庫基坑向北6米為4層框架結構辦公樓，向西側12米為6層磚混結構宿舍樓，東、南側均為廠區(qū)主干道，

二、勘測報告

（1）場地地形地貌

擬建場地地貌單元上屬于烏蘭木侖河Ⅰ級階地。地形起伏變化較小，現(xiàn)狀場地平坦，擬建場地人類活動較頻繁，地表大面積分布填土，主要為砂土堆積物，最大分布厚度1.8m。

（2）場地地層結構

根據(jù)鉆孔揭露，擬建場地地層較為簡單，地層分布自上而下依次為填土、細砂、卵石、強風化砂巖。

（3）場地地下水

據(jù)鉆孔揭露，在勘探期間，擬建場地地下水位埋深在0.8～1.2m，擬建場地地下水受上部綠化灌溉影響，勘察期間地下水水位高于穩(wěn)定的地下水水位約1m。擬建場地地下水類型為孔隙性潛水，主要含水層為砂層與卵石層。補給來源為大氣降水及地下徑流，排泄主要為大氣蒸發(fā)于地下徑流，地下徑流主要為向西排泄于烏蘭木侖河。根據(jù)區(qū)域地質資料場地地下水位變幅在1.0m左右。

（4）場地不良地質現(xiàn)象

根據(jù)區(qū)域性資料，擬建場地內及其附近無斷層及其它構造通過，擬建場地人類活動頻繁，主要表現(xiàn)為對場地進行的堆填整片，勘察期間見地下管網(wǎng)分布。無其他不良地質現(xiàn)象，適宜進行工程建設。

三、巖土體與支護結構的相互作用

深基坑的支護與開挖在涉及到巖土力學中典型的強度、變形以及穩(wěn)定性等問題的同時，還涉及到巖土體與支護結構的相互作用等問題。影響支護結構變形與內力的一個重要因素就是巖土體與支護結構的相互作用。所以，在計算深基坑支護結構時，基坑周邊一定范圍內支護結構與巖土體的協(xié)同作用是一定要考慮的。深基坑工程支護結構類型多，是一門系統(tǒng)工程，巖土體與不同的支護結構體系之間的相互作用是不同的，目前主要有土釘墻、地下連接墻、鉆孔灌注樁、鋼板樁等。

四、分析及討論

深基坑的開挖過程是典型的一類變形體系施工力學問題，每次開挖時都有可能施加新的構建，也有可能有土體被挖掉，支護結構體系不斷在發(fā)生變化。考慮逐次開挖不斷迭加與僅僅考慮最后一個狀態(tài)各次開挖的成果進行分析得到的結果是完全不同的。所以，本文主要對三個方面的相互聯(lián)系進行討論。深基坑支護和開挖的過程可以說是一個動態(tài)的系統(tǒng)工程，巖土體與支護結構之間的相互作用受到支護結構添加過程與巖土體開挖過程的影響，相互作用的改變，對于支護結構本身的變形與內力特征必然會造成影響，監(jiān)測前一個開挖到支護工況支護結構的變形與內力行為，對下一個開挖到支護工況支護結構變形與內力特征的計算是極為有利的，可以對設計方案進行進一步的優(yōu)化。

深基坑的開挖到支護過程通過分析表明其是一個動態(tài)的過程，但是，目前盛行的壓力理論的一些基本假設，對研究巖土體和支護結構的相互作用機制構成了一定的限制。例如：庫倫土壓力理論，墻背與土的相互作用雖然有考慮，但是卻只能應用于無粘性土；郎肯土壓力理論忽略了支護結構和土的相互作用，只是假設墻背的光滑和直立。并且，這兩個理論都與實際情況不相符，都要求在極限平衡狀態(tài)下的土壓力。動態(tài)施工過程是一種復雜的相互作用過程，必然會引起土壓力的動態(tài)調整，傳統(tǒng)的土壓力理論已經(jīng)無法適用。在計算深基坑支護結構計算的過程中，土壓力經(jīng)常會簡化為集中力或線性分布，但是實際情況土壓力應該是實時變化的非線性分布。作用于支護結構上的主要荷載就是土壓力，在這一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的土壓力理論存在著很多缺陷，當前基坑設計所面臨的一個關鍵問題就是如何合理地對土壓力進行計算。巖土體和支護結構相互接觸的問題涉及到物理與數(shù)學的雙重復雜性，這就讓接觸問題的研究大多局限于簡單的工況。摩擦問題的耗散性質與接觸問題的非線性性質決定了，在理論方面及數(shù)值方面實現(xiàn)三維非線性接觸仍然是比較困難的。

極限平衡法支護結構對土壓力的影響沒有進行考慮，其只是將超靜定問題轉化為靜定問題求解?？梢詫椥缘鼗悍醋魇菢O限平衡法的一種改進，但是其根本卻并沒有得到改變。上面所敘述的兩種方法，其都沒有將周圍環(huán)境與支護結構作為一個整體來進行系統(tǒng)研究，無法考慮深基坑的空間效應，巖土體和支護結構的相互作用也就無法反映。深基坑本身是一個三維空間結構，其具有長、寬、深尺寸，所以說，其支護體系的設計是一個非常復雜的受力三維空間問題。所以，深基坑的巖土體和支護結構之間在具有相互作用的同時還具有空間效應，對于支護結構的這種空間效應，二維有限元卻不能進行充分的體現(xiàn)。而對于不同工況下巖土體和支護結構整體系統(tǒng)的變形場及應力場特征，三維有限元方法卻能夠進行分布模擬，可以根據(jù)工況對整個系統(tǒng)的變形場與應力場特征的施工方法及施工方案進行不斷優(yōu)化，能夠確保整個基坑工程的合理、安全、有效進行。但是，該方法為了給下一工況計算提供基礎數(shù)據(jù)，要求巖土體與支護結構參數(shù)根據(jù)監(jiān)測的結構進行不斷反演，參數(shù)相對較為復雜，計算工作量也比較大，同時受到反演的限制，參數(shù)比較難以獲得。

深基坑支護結構的內力與變形檢測是進行施工及信息化設計的前提，是一項重要的確保基坑施工安全的措施。對深基坑支護結構變形與內力構成影響的因素有很多，因此對支護結構本身及其相鄰環(huán)境系統(tǒng)必要要進行檢測。當前，一些監(jiān)測方法，無法準確判斷出其未來的變形趨勢，無法客觀、全面地對結構的變形動態(tài)進行反映，并且由于價值不菲的測量儀器還額外增加了監(jiān)測成本。為了更好地知道現(xiàn)場信息化施工，進一步減少因試驗方法或者是選取試樣的差異而造成誤差，我們應該對監(jiān)測結構進行反演，以得出合理的巖土體與支護結構的物理力學參數(shù)。

總結：我們要對深基坑巖土體非線性和支護結構之間的相互作用進行充分的考慮，要不斷深入探討摩擦問題與非線性性質問題?；庸こ淌莿討B(tài)的一項系統(tǒng)工程，而巖土體和支護的接觸問題是非連續(xù)性的經(jīng)典接觸問題。所以，我們必須要從數(shù)值模擬與理論方面對相互作用問題、接觸問題以及土壓力分部規(guī)律進行研究，必須要考慮非線性與動態(tài)性。

參考文獻：

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