增量法在深基坑支护结构计算中的应用
增量法和总量法在深基坑支护结构中的应用
文章编号:1004—5716(2003)05—01—04中图分类号:TU470+13 文献标识码:B・岩土工程・增量法和总量法在深基坑支护结构中的应用吴江滨,张顶立,王梦恕(北方交通大学隧道及地下工程试验研究中心,北京100044)摘 要:针对一个深基坑支护的工程实例,分别应用增量法和总量法的原理,采用Super SAP 程序进行计算,并对计算结果进行分析比较,据此提出了增量法和总量法原理在深基坑支护结构计算中的适用范围。
关键词:深基坑支护;增量法;总量法 近年来,随着城市高层建筑和地下空间开发的迅速发展,建筑深基坑的应用也日益广泛。
由于深基坑的位置多是在城市中较繁华的地段,基坑失稳的危害较大。
而且深基坑支护结构设计中的可变因素也较多,因此,它是一个工程设计的难点,也往往是一个工程成败的关键。
在深基坑支护工程中,施工的不同阶段,围护结构、支撑和土体所形成的结构体系不断变化,土压力也随着开挖的进行而不断变化,如何能确切模拟分步开挖过程的受力状况和变形特点,并考虑各个施工阶段之间受力的连续性,其基本方法有增量法和总量法两种。
本文通过一个工程实例,分别采用增量法和总量法的原理进行计算,并对两种计算结果进行分析比较,据此探讨了两种计算方法的应用范围。
1 计算原理与方法1.1 结构分析的基本假定图1 支撑连杆的弹塑性模式(1)采用工程上惯用的平面杆系矩阵位移法。
(2)为了反映地层与结构的相互作用,可用水平弹性支承链杆模拟地层对侧墙水平位移的约束作用;用竖向弹性支承链杆模拟对底板、侧墙底部垂直位移的约束作用;用切向弹性支撑链杆模拟地层摩阻力对中间柱底部垂直位移的约束作用。
(3)为了反映土体的非线性特性,支撑链杆的等效刚度采用最简单的理想弹塑性模式,当反力R ≤R 0时,支撑链杆刚度为常数k ;当R >R 0时,k =0。
如图1所示。
其中R 0为地基的极限承载力。
(4)为了能确切模拟分步开挖过程及使用阶段不同的受力状况,将结构受力的变化过程划分为若干个相对独立的阶段进行计算。
建筑工程中深基坑支护施工技术的应用
建筑工程中深基坑支护施工技术的应用
深基坑是指建筑工程中所挖掘的深度较大的坑洞，用于埋设地下结构或地下设备。
由于深基坑的特殊性，需要进行支护施工以确保施工安全和坑壁稳定。
以下是深基坑支护施工技术在建筑工程中的应用。
深基坑支护施工技术主要有以下几种：
1.明挖法：将深基坑分段进行挖掘，每一段挖掘后即进行支护工作，常用的支护结构有预制混凝土梁、拱形支护层和垂直支撑体系等。
明挖法适用于较小的基坑。
2. 土工布法：这种方法适用于软土地质条件下的基坑支护。
在挖掘基坑前，先布设土工布，然后将土方挖掘出来，再进行土工布的固定和加固工作，以达到支护的目的。
这种方法具有操作简便、周期短的特点。
3. 嵌围法：这种方法适用于地下水位高的基坑。
先在基坑的四周安装一道遮水板，防止地下水进入基坑，然后进行挖掘施工。
在挖掘完成后，再加固遮水板和土方，确保基坑的稳定性和密封性。
4. 桩墙法：这种方法适用于岩石地质条件下的基坑支护。
在挖掘基坑前，先在基坑周边挖掘桩孔，然后灌注混凝土形成桩墙。
桩墙具有较强的抗震和抗滑性能，能够有效地支撑基坑的土方。
5. 地下连续墙：地下连续墙是一种常用的基坑支护结构，适用于各种地质条件。
地下连续墙是在基坑周边挖掘后，再进行连续灌注混凝土，形成一个围护体。
地下连续墙能够有效地抵抗土压力，在保证基坑稳定性的还可以同时承受荷载。
基于ANSYS深基坑工程增量法计算的二次开发技术研究
第2期(总第97期)中国市政工程2002年6月25日 基于ANSY S深基坑工程增量法计算的二次开发技术研究陈卫军(同济大学地下建筑与工程系,上海 200092)崔 勤 宁佐利(上海市城市建设设计研究院,上海 200011) 摘 要:针对采用通用有限元程序进行深基坑工程计算中存在的问题,以ANSY S为平台,采用APD L语言,对增量法计算程序二次开发中的一些关键性技术进行了研究。
同时将其应用于上海市轨道交通杨浦线(M8线)工程陆家浜路车站的支护结构设计,取得满意的结果且劳动生产率有较大幅度的提高。
关键词:深基坑工程 增量法 ANSY S 二次开发技术Study on the Development Technique of the Incremental Methodology for the Deep Excavation Work Based on the ANSYS SystemChen Weijun,Cui Qin&Ning Zuoli Abstract:In view of the situation on the calculation of deep excavation w ork by enterprise FE M program, s ome key techniques to develop the program in APD L language for the Incremental Methodology based on the ANSY S system are studied in this paper.These techniques are als o applied to design the deep excavation w ork of the Lujiabang R oad Subway Station in the shanghai rail transit yangpu line(M8)project,and the perfect reliability and the high efficiency are proved by the design results. K ey Words:deep excavation w ork;incremental methodology;ANSYS;development technique1 引言深基坑工程施工的每一阶段,结构体系与外荷载都在变化,因此采用增量法进行支护结构的变形及内力计算能充分模拟施工过程。
深基坑支护的增量计算方法研究及其应用
２ 、 深 基坑 支护 结构 计算 理论 描述
本文研究的深基坑支护仅指用于支护垂直岩土坡的桩 、墙及支撑或锚杆
用。土压力一般采用经典的土压力理论， 如朗肯土压力理论或库仑土压力理 万 ， 总建筑面积约４ ４ ． ８ 万 。拟建配套用房和住宅楼均设一层地下室 ， 根 论 。基 坑 面 以上 的支 撑可 看作 一 弹性 支 点 ， 基坑 以下 的土 层 可用 一 系 列 的土 据 设 计 要 求 配 套用 房 地下 室 底 板埋 深 为６ ． ７ ５ ｍ（ ±０ ． ０ ０ 以下 ， 底 板砌 置 标 高 为 弹 簧 的作 用代 替 ， 如图２ 所示。 这样， 可 把 支护 结 构看 作一 弹性 支 承 的地基 梁 。 ２ ． ８ ５ ｍ） ， 住 宅 楼地 下 室 和独 立地 下 车 库底 板 埋 深均 为６ ． ２ ５ ｍ（ ±０ ． ０ ０ 以下 ， 底 对 弹性 地 基 梁的解 法 通常 有解 析 法 、 结 构力 学法 或 有 限元方 法 。 板 砌 置标 高 为 一 ２ ． ３ ５ ｍ） ， 按 自然 地 面标 高 ２ ． ５ ０ ｍ考 虑 ， 住 宅 楼 和地 下 车 库 基 坑 开挖 深 度一 般 约５ ． ０ ｍ， 配套 用 房基 坑 开挖 深度 为５ ． ５ ｍ。 据 勘探 揭露 ， 在地 表 下 摹 位 ５ ５ ． ５ ｍ 深度范围内除填土外 。 其余均为第四纪滨海 、 河湖相沉积物 ， 由粘性土 、
等 组成 的支 护结 构 。 如图 １ 所示 。 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 的计算 方 法 主要可 分 为三类 。
全量法与增量法在深基坑中的应用
（ 具体计算公式详见 （ 筑基坑支护技术规翟 ２ ） 健
（ Ｊ１０ ９ ） 附 录 Ｂ弹性 支点法 。 Ｊ ２ — ９ Ｇ
（） ３外荷载是 各施 工 阶段 实 际作 用在墙 体上 的有效 土压 力或其他 荷载 ，支撑 由支撑 弹性作 用和地 层弹性
作用组成。在支撑处应输入设置支撑前该点墙体已产
用组成。②支锚过程 ： 荷载增量为加在该支撑上的预
加力 ，支撑 由其他 支撑 弹性作 用 、开挖面 以下土体 弹
性作用以及主动侧土体弹性作用组成。
（） 算过程 中考 虑基坑 开挖后 的荷 载增量 作用 ４在计 到 整个支 护结构 ，开挖 与支锚 分别 运算 。 １ 两种 计算 方法 的对 比分析 ． ４ 增 量法 充 分 考 虑 上 一 步 开 挖 对 下 一 步施 工 的影
力 ；支撑 由支撑 弹性作用 和开 挖面 以下 的土体弹性 作 （） 点 的侧 向位 移不 可逆转 ，即每 一工况计 算 １ 支锚 的支锚点 位移不 能小 于前一 阶段计算 结果 ，也不 能 出 现反 向位 移 ； （） 挖面受 到扰动 的土层 不会 改变其 物理性 质 ； ２ 开 （） ３整个受力 过程 中墙体 刚度不 发生变 化 。 １ 全量 法计算原理 ． ２
开 挖过 程得 出的结 果对 比 ，第 １ 页 图 １ 利用 这两 １ 为 种 方 法 得 出 的在 基 坑 开 挖 过 程 中桩 顶 位 移 、最 大位
量，支撑 由支撑弹性作用和地层弹性作用组成 ， 求得
的 围护结 构位 移和 内力相 当于前一 个施工 阶段完 成后
的增量 ，与前一个施工阶段完成后的墙体 已产生的位 移和内力叠加 ，得到当前施工阶段完成后体系的实际
表 ２ 桩顶位移监测终值
基坑支护土钉力的简化增量计算法
其实，由文献[5]的研究成果可知，所谓的经 验土压力是由于施工过程与支撑顺序的影响而造成 的，土体产生的侧向土压力实际上仍应是传统的三
第1期
杨光华：基坑支护土钉力的简化增量计算法
17
5(c) 所示，第三层的土方开挖产生了新的侧向不平 衡土压力增量△P2, △P2 应由土钉 1 和土钉 2 共同 分担。第三层土方开挖完后施工土钉 3，在图 5(c) 时土钉 3 是不受力的。然后，进行第 4 层土方开 挖，此时增加的侧向土压力增量为△P3，显然△P3 是由已经存在的土钉 1, 2, 3 共同分担的，第四层土 方开挖完后施工第四层土钉 4，由于土钉 4 是在变 形完成后再加上去的，因此，理论上土钉 4 此时是 不受力的，只有进一步往下开挖时，土钉 4 才参与 受力，这也是符合实际的。
2 土钉力的增量计算法
作用于土钉上的土压力分布，许多工程实践证 明，图 2(b)的分布形式较图 2(a)的形式合理，而图
收稿日期：2002-10-30. 基金项目：上海市重点学科建设项目资助。 作者简介：杨光华，男，1962 年出生，博士，教授级高工，广东省水利水电科学研究院副院长兼总工程师，同济大学访问教授，主要从事土的本构 理论、基坑工程、软土工程及高层建筑基础工程等的科研和设计工作。
1 前 言
深基坑支护中土钉支护由于其经济性已成为目 前较主要的一种支护形式。但土钉支护的理论研究 远落后于工程应用，土钉的长度设计，土钉力的计 算目前还缺乏充分的理论依据，以致目前土钉长度 沿深度的分布形式也是五花八门，有上短下长、上 长下短及等长度分布的形式，如图 1 所示。 对土钉力的计算，各种不同的规范采用的方法 也有所不同，故计算得到的土钉力自然也不同。一 些基坑规程计算土钉力时仍采用传统的三角形土压 力分布模式 [1]，如图 2(a)所示，土钉规程则采用一 种经验土压力[2]，如图 2(b)所示。两种规程计算的 土钉力是不同的。显然，以上的一些不一致之处， 关键在于对土钉支护的设计理论还缺乏深入地研 究，缺乏一个合理的计算模型。
增量法在深基坑围护结构变形预测中的应用
文章编号:100926825(2008)2920134203增量法在深基坑围护结构变形预测中的应用收稿日期:2008205219作者简介:于少辉(19792),男,工程师,中铁隧道集团科研所,河南洛阳 471009屈兴兵(19832),男,助理工程师,中铁隧道集团科研所,河南洛阳 471009于少辉 屈兴兵摘 要:介绍了增量法的计算原理及方法,以某地下车站基坑施工为例,对基坑开挖施工进行了模拟分析,预测了基坑围护结构的变形,通过与实测数据的比较,可较为准确的预测基坑围护结构的变形模式及位移值,从而检验了计算预测的可行性。
关键词:基坑工程,围护结构,变形预测,增量法,数值模拟中图分类号:TU463文献标识码:A0 引言基坑工程主要包括基坑围护体系设计与施工和土方开挖,是一项综合性很强的系统工程。
在城市建筑物和市政设施密集区进行深基坑开挖,由于挡土结构变形不能有效控制在允许范围内,将给周围环境造成恶劣影响,导致巨大的经济损失和社会影响。
本文通过应用增量法原理,在工程设计阶段,模拟施工过程,预测围护结构的变形模式及幅度。
并将实测数据与计算结果进行比较,以检验模拟预测的准确性。
1 计算原理及方法1.1 计算模式增量法计算,即在施工过程中某个阶段的外荷载相当于前一个施工阶段完成后的荷载增量,支承由支撑弹性作用和地层弹性作用组成,以此来模拟基坑开挖的全过程。
求得的围护结构位移和内力相当于前一个施工阶段完成后的增量,当墙体刚度不发生变化时,与前一个施工阶段完成后的墙体已产生的位移和内力叠加,可得到当前施工阶段完成后体系的实际位移和内力。
混凝土时,壁厚不小于250mm 。
规范规定:设备基础底板中受拉钢筋最小配筋率不应小于0.15%;基础厚度大于2m 时,除应沿上下表面布置纵、横方向的钢筋外,尚宜沿厚度方向间距不超过1m 设与板面平行的构造钢筋网片,直径不宜小于12mm,间距不宜大于200mm 。
为避免设备基础的不均匀沉降,规范规定:长度大于6m 小于11m 的基础顶、底面;基础内坑、槽、洞口的边缘或基础断面变化悬殊部位;支承点较少,集中力较大的部位;基础受力不均匀或局部受冲击力的部位,宜配置直径8mm~14mm,间距150mm~250mm 的钢筋网。
中铁五院 理正软件应用问题答案
中铁五院 理正软件应用问题一、参数选取1. 排桩中冠梁的水平侧向刚度如何取值？在理正提供的冠梁刚度计算中L 和a 具体指的是什么？比如地铁狭长基坑采用平面计算围护桩结构桩间距1.2m ，第一道支撑水平间距6m ；地连墙结构，6m 墙幅，第一道支撑水平间距6m ，L 和a 如何取值？答：冠梁水平侧向刚度可根据经验交互，也可通过近似计算方法估算。
近似计算：冠梁侧向刚度估算简图：冠梁侧向刚度估算公式：()223a L a EI L K -⨯=式中： K —— 冠梁刚度估算值（MN/m ）；a —— 桩、墙位置（m ）；一般取L 长度的一半（最不利位置）。
L —— 冠梁长度（m ）；如有内支撑，取内支撑间距；如无内支撑，取该边基坑边长。
EI —— 冠梁截面刚度（MN.m 2）；其中I 表示截面对Z 轴的惯性矩。
公式中L指冠梁长度，如有内撑，取内撑间距，如无内撑，取该边基坑边长，a指桩、墙的位置，取1/2L（最不利位置）。
如例第一种采用平面计算围护桩结构桩间距1.2m，第一道支撑水平间距6m，计算冠梁工具：支护L=6m，a=3m（最不利位置），第二种地连墙结构，6m墙幅，第一道支撑水平间距6m，计算冠梁工具：支护L=6m，a=3m（最不利位置）。
2.明挖基坑围护结构计算中采用的力学参数如何考虑实际施工工况合理取用？水下粘聚力和水下内摩擦角地堪报告上没有时，如何取值？是采用直剪（固结快剪）还是三轴固结不排水剪（CU）。
答：软件采用拟静力法，不考虑施工过程的某些变化值。
至于在参数上做些许调整以达到上述目的，使用者可以尝试，软件不做规定。
因为不同的土在的水下参数也不尽相同，软件在水下部分取用水下参数值，因此在考虑水作用的情况下，必须要知道该实际参数值。
（至于采用直剪实验还还是三轴实验99规程中有注明）。
3.计算钢支撑支锚刚度及材料抗力时，如基坑设有临时立柱，钢支撑长度如何取值（按总长还是分段长度）？答：如果中间只有一个立柱，那可以取1/2L长算，如果有多个立柱，只能大概取分段长度计算。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
地下空间
UNDERGROUND SPACE
1999年第19卷第1期 Vol.19 No.1
1999
增量法在深基坑支护结构计算中的应用
周运斌
摘要：通过应用增量法的原理，用SAP84程序对深基坑支护结构进行内力分析，说明增量法的使用方法和其科学性、合理性、安全性，并希望该法的应用能编入《深基坑支护技术规程（送审稿）》和进入相关的应用程序，以期该法能够在更大的范围内推广应用。
关键词：深基坑支护增量法总量法
A Talk on Application of Incremental Method in Calculation
of Support Structure of Deep Foundation
Zhou Yunbin
Abstract：Based on principles of increment with application of SAP 84 program,the analysis of internal forces for supporting structures of deep foundation was carried out.It demonstrates the scientific nature,rationality and safety of this method.It is hoped that this method can be included into“Technical Rules for Deep Foundation S upports” and related programs for its wider application.
Keywords：Supporting for deep foundation, incremental method, totalizing method
1 引言
随着经济的发展，城市用地日渐紧张，城市上天（高层建筑）入地（地下空间开发）的发展逐渐加快，使建筑深基坑的应用也日益广泛。
由于深基坑的位置大多是在城市中较繁华的地段，基坑失稳的危害较大，而深基坑的支护结构设计中的可变因素较多，往往是一个工程设计的难点，也往往成为一个工程成败的关键。
我院从1992年起总承包广州地铁一号线工程的设计工作，并承担了其中芳村站、公园前站、陈家祠站、西门口站、农讲所站等工点的设计，在各车站的深基坑支护设计中，均采用了增量法的原理进行支护结构的内力分析，未发生一起因支护结构失稳或位移过大而造成的工程事故，取得了良好的社会效益和经济效益。
在此，将我们应用的方法介绍如下。
2 增量法的应用方法
在建筑深基坑的支护设计中，往往需要多道支撑方能保证围护结构的合理受力和稳定，而支撑的设置一般是在开挖到相应的位置后及时施设，以利基坑的稳定。
在施工的不同阶段，围护结构、支撑体系和土体所形成的结构体系不断变化，土压力也随着开挖的进行而不断变化，怎样真实的模拟基坑开挖的全过程，就是我们所要研究的课题。
所谓增量法计算，就是在施工的各个阶段，对该阶段形成的结构体系施加相应的增量荷载，该增量荷载对该体系内各构件产生的内力与构件在以前各阶段中产生的内力叠加，作为构件在该施工阶段的内力，这样就能基本上真实的模拟基坑开挖的全过程。
以下举例说明该法的应用。
[某工程]基坑深15m，800mm厚地下连续墙围护，竖向3道支撑，支撑水平间距1m，第一道钢管支撑距地面3m，第二、三道支撑距上道支撑的距离均为4m,基坑置于均质粉土层中，土的物理力学指标为：
γ=18kN/m3,c=10kPa,φ=15°,k=10MN/m3，地下水位于地表以下2m，地面超载为0，用水土分算法计算水土压力，连续墙插入深度取13m。
开挖各阶段计算简图见图1：
图1 开挖各阶段计算简图
采用SAP84根据“增量法”原理进行施工阶段围护结构受力分析：（1）第一步基坑开挖至第一道支撑处，被动侧基坑以下为土体弹性支点。
内力变形分析得出本开挖阶段所产生的计算内力和变形值。
（2）第二步安装第一道支撑，开挖基坑至第二道支撑处，墙背施加本开挖阶段的水土压力增量及开挖土体部分卸载（拆掉土体弹簧反加抗力模拟），被动侧基坑以下为土体弹性支点。
将本阶段内力变形值与第一阶段所产生的内力变形值叠加后即得本阶段的计算内力和变形值。
（3）第三步安装第二道支撑，开挖基坑至第三道支撑处，内力变形值与第一、二阶段所产生的内力变形值叠加后即得本阶段的计算内力和变形值。
（4）第四阶段安装第三道支撑，开挖基坑至设计基坑底面，分析计算原理同第二步，将本阶段内力变形值与第一、二、三阶段所产生的内力变形值叠加后即得本阶段的计算内力和变形值。
计算结果见图2：
图2 增量法计算各阶段弯矩剪力图(含支撑轴力)
从以上的算例分析可以看出，增量法计算真实的模拟了施工开挖各阶段的结构受力型式，对变化了的结构型式施加相应开挖阶段的增量荷
载，并计算由增量荷载所产生的增量内力和变形，与前阶段已经产生的内力和变形叠加形成各阶段计算内力和变形值。
这样的计算模式符合实际的开挖进程，比较科学合理，在广州地铁一号线工程的实际应用中也经受住了实践的检验。
3 应用软件的计算结果
在应用增量法进行工程设计的同时，我们也接触了一些深基坑支护设计方面的应用软件，例如由北京理正软件设计研究所开发的理正深基坑支护结构软件(F－SPW2.22版)，并对其进行了一定的研究和考证，发现采用该软件计算和用增量法计算的结果相差较大。
现用理正软件对以上工程按同样施工步骤进行计算。
采用理正软件，用K法，基坑以下土压力按矩形分布模式（与增量法相同）计算。
计算结果结果见图3～图6：
图3 开挖第一阶段计算图示
图4 开挖第二阶段计算图示
图5 开挖第三阶段计算图示
图6 开挖第四阶段计算图示
从以上两种方法计算的结果可知，两者计算结果相差较大。
为了探明理正软件的计算模式和思路，用总量法对该基坑进行分析。
以比较三种计算模型的差别和适用范围。
4 总量法的计算结果
用总量法按同样施工步骤分析上述基坑。
开挖各阶段计算简图见图7：
图7 开挖各阶段计算简图总量法各施工步骤计算结果见图8：
图8 总量法计算弯距剪力图(含支撑轴力) 5 三种计算方法的结果比较
三种计算方法所得出的结果比较见表1：
从上表可以看出，理正软件的计算结果同增量法的计算结果差异较大，而同总量法的计算结果则基本一致。
由于缺乏理正软件程序编制所依据的力学模型的详细说明，对理正软件进行更深入的研究是比较困难的。
虽理正软件和总量法的计算仍有一些差别，但从以上分析可以初步推断，理正软件的计算应该是建立在总量法的原理之上的。
6 结论
根据理正软件用户手册和广告介绍，该软件是根据中华人民共和国行业标准《建筑基坑支护技术规程（送审稿）》（以下简称《规程》）进行编制，且于1997年6月25日通过了建设部科技发展促进中心组织的专家鉴定，说明总量法计算的思路目前还在建筑基坑中比较普遍应用。
在《规程》中第4.2.2条规定：“结构内力与变形值、支点力计算值应根据基坑开挖及地下结构施工过程的不同工况按下列规定计算：1 宜按本规程附录B的弹性支点法计算，……” ，其中也没有增量法的概念。
因此，为了在更大的范围内推广和应用增量法这一科学的计算原理，建议有关部门及工程设计和施工单位对增量法的计算原理在工程实践中的应用给予足够的重视，进行更深入的研究，并以此为依据考虑对《规程》提出修正意见，进而促进以《规程》为依据的相关软件的改进和发展。
作者单位：铁道部第二勘测设计院
参考文献
1 建筑基坑支护技术规程（送审稿），中华人民共和国行业标准， 1997
2 刘启峰等主编，广州地铁一号线工程结构及防水设计总结，铁二院、广州地铁总公司，1998。