淺談深基坑支護結構內(nèi)力和變形研究探析

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1、淺談深基坑支護結構內(nèi)力和變形研究探析【摘要】深基坑工程是一門系統(tǒng)工程，支護結構類型多，目前主要有鉆孔灌注樁、土釘墻、鋼板樁和地下連接墻等。不同支護結構體系與巖土體的相互作用機制不同。深基坑開挖及支護不僅涉及巖土力學中典型的變形、強度和穩(wěn)定性問題，還涉及到支護結構與巖土體的相互作用問題。支護結構與巖土體的相互作用是影響支護結構內(nèi)力與變形的重要因素。本文從支護結構與巖土體的相互作用分析，提出了支護結構內(nèi)力與變形計算方法，并講述了深基坑支護結構內(nèi)力與變形的研究，展望了深基坑支護結構內(nèi)力與變形的未來研究方向?！娟P鍵詞】深基坑支

2、護結構內(nèi)力變形一、支護結構與巖土體的相互作用深基坑開挖及支護不僅涉及巖土力學中典型的變形、強度和穩(wěn)定性問題，還涉及到支護結構與巖土體的相互作用問題。支護結構與巖土體的相互作用是影響支護結構內(nèi)力與變形的重要因素。因此。深層坑支護結構計算要考慮坑周邊一定范闈內(nèi)巖土體與支護結構的協(xié)同作用。深基坑工程是一門系統(tǒng)工程，支護結構類型多，目前主要冇鉆孔灌注樁、土釘墻、鋼板樁和地下連接墻等。不同支護結構體系與巖土體的相互作用機制不同。1.土壓力土壓力問題是土與結構物相互作用的結果，是巖土工程的基本問題，也是巖土工程設計中首要確定的內(nèi)容

3、。傳統(tǒng)的支護結構設計理論僅考慮三種極限狀態(tài)下的土壓力，即主動、被動、靜止土壓力，這些古典土壓力理論的完全彈性、平面滑裂面和墻背光滑等架設導致計算結果與實際情況相差其遠。認識傳統(tǒng)土壓力理論的缺陷后，很多學者對土壓力計算方法進行了改進：用極限分析方法研究古典Coulomb直線破壞機理問題;考慮土拱效應的土壓力理論研究;考慮開挖卸荷影響的土壓力和考慮墻面摩擦效應的土壓力研究；考慮多種影響因素的土壓力研究；從地基強度理論方面研究土壓力系數(shù);考慮水壓力的土壓力以及關于水土壓力分算與合算問題研究；從概率角度研究巖土體參數(shù)対土壓力的

4、影響；被動土壓力理論研究等等。支護結構設計的靜力平衡法、等值梁法和丁系有限元數(shù)值模擬方法都是將土壓力視為外力形式作用于支護結構。2?接觸力學分析方法支護結構與巖上體的接觸面存在著非連續(xù)性，而在實際工程屮往往簡化為連續(xù)介質(zhì)問題，這種簡化處理必然帶來計算誤差。目前接觸行為的分析方法主要有兩種：一是經(jīng)典的接觸力學分析方法，二是數(shù)值分析方法。在接觸問題研究的初始階段，僅局限于接觸面規(guī)則剛體之間的彈性接觸，應用范圍非常有限。Hertz于1881年提出經(jīng)典的Hertz彈性接觸理論。在該理論的基礎上，許多學者系統(tǒng)研究了不同受力條件和

5、不同幾何形狀的接觸問題。Boussinesq給出了光滑剛體與均勻各向同性彈性半空間表面接觸的應力解，還根據(jù)勢能原理導出壓凸回轉體的軸線與彈性半空間變形前的邊界止交時軸對稱問題的解答。這個時期彈性接觸研究存在大量假設：如接觸剛體之間不發(fā)生剛體運動；接觸物理的變形是小變形，接觸點可以預先確定;應力應變關系為線性;接觸表面光滑等。這些假設導致理論研究與實際情況仍存在很大差異。Gladwell于1980年發(fā)表文章主要考慮集中的或大范圍的無摩擦接觸和粘著接觸oJohnson于1985年在專著屮討論彈槊性體和粘彈性接觸問題。由丁解

6、析方法研究接觸問題的復雜性，一些復雜接觸問題始終沒有得到接軍。3、數(shù)值分析方法隨著計算機技術的高速發(fā)展，20世紀60年代以后出現(xiàn)了以有限元為代農(nóng)的數(shù)值技術分析方法，未建立復朵接觸力學模型研究奠定基礎，并使接觸問題線性研究上升到高度非線性研究。目前，求解這類接觸問題主要有以下三種方法：(1)直接法；(2)接觸力學方法；(3)接觸面單元法。直接法又稱為數(shù)學規(guī)劃法，是基于勢能或余能原理，利用變分不等式等現(xiàn)代數(shù)學方法將接觸問題轉化為一個約束二次規(guī)劃問題進行求解。接觸力學方法是通過對接觸邊界約束問題的適當處理，將約束優(yōu)化問題轉化

7、為無約束優(yōu)化問題求解。根據(jù)無約束優(yōu)化方法的不同，一般分為Lagrange乘子法和罰函數(shù)法，Lagrange乘子法方法容易出現(xiàn)病態(tài)，罰函數(shù)法只能近似滿足接觸邊界條件，為此發(fā)展了修正的Lagrange乘子法。接觸面單元法在接觸問題的接觸邊界上引入接觸面單元，通過增量和迭代調(diào)整單元本構模型屮的參數(shù)，模擬其應力應變關系。長期以來，諸多學者提出各種接觸面木構模型和計算模型。目前，常用的接觸面單元有兩節(jié)點鏈桿單元，無厚度接觸I何單元(Goodman單元、無厚度等參接觸

8、僑單元)，有厚度薄層單元(Desai薄層單元)和摩擦接觸單元。

9、二、支護結構內(nèi)力與變形計算方法深基坑支護結構內(nèi)力與變形是支護結構與周圍巖土體相互作用的結果，支護結構變形是基坑變形的主要組成部分。一般情況下，深基坑支護結構可簡化為?個受側向土壓力作用的受力結構，目前對這種結構主要有三種基本算法：極限平衡法、彈性地基梁法和有限元方法。1.極限平衡法極限平衡法是基坑支護結構設計較早使用的方法，由于計