浅谈深基坑支护结构内力和变形研究探析

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1、浅谈深基坑支护结构内力和变形研究探析【摘要】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。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。本文从支护结构与岩土体的相互作用分析，提出了支护结构内力与变形计算方法，并讲述了深基坑支护结构内力与变形的研究，展望了深基坑支护结构内力与变形的未来研究方向。【关键词】深基坑支

2、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闱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，目前主要冇钻孔灌注桩、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

3、。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其远。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対土压力的

4、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、等值梁法和丁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上体的接触面存在着非连续性，而在实际工程屮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

5、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止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oJohnson于1985年在专著屮讨论弹槊性体和粘弹性接触问题。由丁解

6、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农的数值技术分析方法，未建立复朵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

7、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屮的参数，模拟其应力应变关系。长期以来，诸多学者提出各种接触面木构模型和计算模型。目前，常用的接触面单元有两节点链杆单元，无厚度接触I何单元(Goodman单元、无厚度等参接触

8、侨单元)，有厚度薄层单元(Desai薄层单元)和摩擦接触单元。

9、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•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