浅谈深基坑支护结构内力和变形研究探析

【关键词】深基坑  支护  结构内力  变形 

　　一、支护结构与岩土体的相互作用 

　　深基坑开挖及支护不仅涉及岩土力学中典型的变形、强度和稳定性问题，还涉及到支护结构与岩土体的相互作用问题。支护结构与岩土体的相互作用是影响支护结构内力与变形的重要因素。因此。深层坑支护结构计算要考虑坑周边一定范围内岩土体与支护结构的协同作用。 

　　深基坑工程是一门系统工程，支护结构类型多，目前主要有钻孔灌注桩、土钉墙、钢板桩和地下连接墙等。不同支护结构体系与岩土体的相互作用机制不同。 

　　1.土压力 

　　土压力问题是土与结构物相互作用的结果，是岩土工程的基本问题，也是岩土工程设计中首要确定的内容。传统的支护结构设计理论仅考虑三种极限状态下的土压力，即主动、被动、静止土压力，这些古典土压力理论的完全弹性、平面滑裂面和墙背光滑等架设导致计算结果与实际情况相差甚远。认识传统土压力理论的缺陷后，很多学者对土压力计算方法进行了改进：用极限分析方法研究古典Coulomb直线破坏机理问题;考虑土拱效应的土压力理论研究;考虑开挖卸荷影响的土压力和考虑墙面摩擦效应的土压力研究;考虑多种影响因素的土压力研究;从地基强度理论方面研究土压力系数;考虑水压力的土压力以及关于水土压力分算与合算问题研究;从概率角度研究岩土体参数对土压力的影响;被动土压力理论研究等等。支护结构设计的静力平衡法、等值梁法和干系有限元数值模拟方法都是将土压力视为外力形式作用于支护结构。 

　　2.接触力学分析方法 

　　 支护结构与岩土体的接触面存在着非连续性，而在实际工程中往往简化为连续介质问题，这种简化处理必然带来计算误差。目前接触行为的分析方法主要有两种：一是经典的接触力学分析方法，二是数值分析方法。在接触问题研究的初始阶段，仅局限于接触面规则刚体之间的弹性接触，应用范围非常有限。Hertz于1881年提出经典的Hertz弹性接触理论。在该理论的基础上，许多学者系统研究了不同受力条件和不同几何形状的接触问题。Boussinesq给出了光滑刚体与均匀各向同性弹性半空间表面接触的应力解，还根据势能原理导出压凸回转体的轴线与弹性半空间变形前的边界正交时轴对称问题的解答。这个时期弹性接触研究存在大量假设：如接触刚体之间不发生刚体运动;接触物理的变形是小变形，接触点可以预先确定;应力应变关系为线性;接触表面光滑等。这些假设导致理论研究与实际情况仍存在很大差异。Gladwell于1980年发表文章主要考虑集中的或大范围的无摩擦接触和粘着接触。Johnson于1985年在专著中讨论弹塑性体和粘弹性接触问题。由于解析方法研究接触问题的复杂性，一些复杂接触问题始终没有得到接军。 

　　3、数值分析方法 

　　随着计算机技术的高速发展，20世纪60年代以后出现了以有限元为代表的数值技术分析方法，未建立复杂接触力学模型研究奠定基础，并使接触问题线性研究上升到高度非线性研究。目前，求解这类接触问题主要有以下三种方法：（1）直接法;（2）接触力学方法;（3）接触面单元法。 

　　直接法又称为数学规划法，是基于势能或余能原理，利用变分不等式等现代数学方法将接触问题转化为一个约束二次规划问题进行求解。接触力学方法是通过对接触边界约束问题的适当处理，将约束优化问题转化为无约束优化问题求解。根据无约束优化方法的不同，一般分为Lagrange乘子法和罚函数法，Lagrange乘子法方法容易出现病态，罚函数法只能近似满足接触边界条件，为此发展了修正的Lagrange乘子法。接触面单元法在接触问题的接触边界上引入接触面单元，通过增量和迭代调整单元本构模型中的参数，模拟其应力应变关系。长期以来，诸多学者提出各种接触面本构模型和计算模型。目前，常用的接触面单元有两节点链杆单元，无厚度接触面单元（Goodman单元、无厚度等参接触面单元），有厚度薄层单元（Desai薄层单元）和摩擦接触单元。 

　　二、支护结构内力与变形计算方法 

　　 深基坑支护结构内力与变形是支护结构与周围岩土体相互作用的结果，支护结构变形是基坑变形的主要组成部分。一般情况下，深基坑支护结构可简化为一个受侧向土压力作用的受力结构，目前对这种结构主要有三种基本算法：极限平衡法、弹性地基梁法和有限元方法。 

　　1.极限平衡法 

　　极限平衡法是基坑支护结构设计较早使用的方法，由于计算简单，可以手算，目前仍有采用。极限平衡法主要考虑力的平衡，取单位宽度受侧力荷载作用的梁系进行计算，如等质梁法、静力平衡法、二分之一分割法以及刚性支承连续梁法等。国内较多采用等值梁法和静力平衡法。极限平衡法考虑的土压力既有Terzaghi-Peck的经验表观土压力，也有经典的理论土压力方法，如郎肯土压力法等。 

　　2.弹性地基梁法 

　　 弹性地基梁法针对极限平衡法中挡墙内侧坑地被动土压力计算问题提出改进。其概念是由于挡土墙位移有控制要求，内侧土体不可能达到完全的被动状态，因此计算中引用承受水平荷载桩的横向抗力的概念，将外侧土压力作为施加在墙体上的水平荷载。土压力一般采用经典的土压力理论，如郎肯土压力理论或库仑土压力理论。基坑面以上的支撑可看作为以弹性支点，基坑以下的土层可用一系列的土弹簧的作用替代（图1）。把支护结构看作一个弹性支承的地基梁，对弹性地基梁的解法通常采用解析法、结构力学方法和有限元数值法等。 　　图1 弹性地基梁法 

　　弹性地基梁法计算简单，计算方法程序化实现容易，并可通过不同工况的前后衔接模拟基坑的开挖过程，因此成为现行规范的推荐方法。 

　　3.有限元方法 

　　基坑工程是一种系统工程，常规分析方法很难反映诸多因素的综合效应。近年来发展的有限元方法，可以分析深基坑的整体形状，即把包括地基土在内的整个深基坑作为一个空间结构体系，考虑开挖过程、支护结构与岩土体共同作用、渗流、时间等因素的影响，综合分析支护结构的内力和变形。有限元方法把墙、土都划分为单元，土体可以采用相应的本构模型。模拟可以采用平面有限元，也可以采用空间有限元。 

　　平面有限元分为竖直分析和水平面分析。竖直面分析是将基坑开挖影响范围内的各构件离散为有限元单元，根据施工工况逐次模拟地基的应力、应变和位移状态，求解过程与一般弹性力学有限元方法类似;水平面分析的主要对象是水平的撑锚体系，将竖直面分析求得的支撑反力作为外荷载，并利用支点位移作为边界条件进行计算。 

　　三、深基坑支护结构内力与变形的研究 

　　在深基坑开挖的过程中，支护结构体系在不断的变化，每次挖掘时不仅有土体被挖掉，还有新的构件添加，这是一种变形体系的施工力学问题。只考虑最后一个状态进行分析与考虑每次开挖不断迭加的成果进行分析，两者所得到的结果是不一样的。因此，深基坑和支护过程是一个动态的系统工程，岩土体开挖与支护结构添加的过程对支护结构和岩土体之间的相互作用有影响，这对相互作用的改变一定会影响支护结构的内力与变形特征，所以对前一个开挖的支护结构进行内力与变形行为的检测有利于计算下一个开挖支护的结构内力与变形特征，在此基础上可以完善设计方案。 

　　极限平衡法将超静定问题转化成为静定问题进行求解，没能考虑支护结构的变形影响土压力。弹性地基梁法仅仅对平衡法进行了改进，没能在根本上改变极限平衡法。以上两种方法都没有把支护结构和周围环境看成一个整体和岩土之间的相互作用，也考虑不到深基坑的空间效应。深基坑是一个具有长、宽和深尺度的三维空间结构，其支护体系的设计是一个极其复杂的三维空间受力问题。因此，深基坑支护结构的设计计算必须要考虑支护结构和岩土体之间的相互作用与空间效应。空间有限元方法可以模拟分析出支护结构和岩土体之间的相互作用与空间效应，三维有限元方法也可以分布模拟不同情况下支护结构和岩土体系统的应力场与变形场特征，根据这个情况，不断优化整个系统应力场与变形场特征的设计和施工方案，以此确保整个基坑工程可以安全、合理和有效地施工。深基坑支护结构变形与内力检测是为了保证基坑施工安全的主要措施，也是信息化设计与施工的前提。对深基坑支护结构内力与变形有影响的因素很多，必须对支护结构本身与相邻环境的系统进行监测。目前很多检测方法不能具体全面、客观地反映结构的变形动态，也不能准确地判断其未来的发展趋势。 

　　四、深基坑支护结构内力与变形的未来研究方向 

　　综上所述，提出了深基坑支护结构内力与变形的未来研究方向。 

　　1.根据深基坑支护结构的内力和变形时空的效应，把支护结构和周围的岩土体看为一个系统，进行三维计算方法的研究。伴随着城市化进程的快速发展，利用空间的程度较高，建筑物之间关系密切，在基坑工程施工时，必须重视基坑支护结构对相邻建筑的影响。 

　　2.根据深基坑支护结构和岩土体非线性之间的相互作用，进行研究土压力的非线性性质和摩擦问题的耗散性质。基坑工程是一项动态系统工程，支护和岩土体的接触性问题是经典的非连续接触问题。因此，必须要考虑动态性和非线性，从理论与数值模拟方面进行研究土压力分布规律与接触问题。 

　　3.对深基坑支护结构内力和变形三维系统的检测方法与计算参数非线性反演方法进行研究。对深基坑支护结构内力和变形进行实时检测，及时收集大量的岩土体信息，并通过反演方法和修正方法计算参数，预测下一个工况出现的新动态，为施工期间优化设计与合理组织施工提供科学可靠信息。成本低、准确、简单高效、对施工影响小的三维实时监测可以及时准确有效地检测出支护结构的三维动态，为支护结构的安全提供具体准确的变形信息已成为未来深基坑研究发展的一个方向。 

　　参考文献： 

　　[1]魏建文  地铁深基坑支护结构内力与变形研究[J]  山西建筑  2008（34） 

　　[2]王东北  深基坑支护结构内力与变形研究进展[J]  科技创业家  2003（18） 

　　[3]王晓楠  深基坑支护结构内力与变形研究进展[J]  科学技术与工程  2012