润扬长江大桥北锚特深基坑支护方案安全系数及破坏模式分析 岩石力学与工程学报，Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，23(11), 2004，1906~1911 陆新征1 娄鹏11                                        眭峰2 吉林2 (1 清华大学土木工程系，北京，100084                            2润扬长江大桥指挥部，镇江，212002)  下载全文/Download PDF version 本文被8篇文献引用 摘要 润扬长江大桥北锚特深基坑设计尺寸达到69×50×50m，支护方案为嵌岩地连墙加内支撑结构形式。为了深入了解该基坑支护方案的安全储备情况，并预测其可能的破坏形式，在模拟施工过程的三维非线性有限元分析的基础上，通过人为加大土体自重直至支护结构破坏的方法，对该基坑进行了破坏模拟分析。分析结果说明，该基坑的破坏都始于支撑的压坏，进而使地连墙屈服或折断。而在不同开挖深度下，基坑的破坏形式有所不同。开挖深度越深，破坏造成的危害也越大。 关键词 深基坑，三维有限元分析，破坏模式； 分类号 TU473   Analysis on the Safety Margin and Failure Model for the Excavation Support Structure of the North Anchor Deep Pit of Runyang Bridge LU Xinzheng1  LOU Peng1   SONG Erxiang1  SUI Feng2  JI Lin2 (1 Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084) (2 Headquarters of the Runyang Road Bridge, Zhenjiang, 212002) Abstract: The size of the north anchor deep pit of Runyang Bridge is about 69×50×50m. The excavation support structure in this pit is concrete diaphragm wall with internal support structure, and the diaphragm wall is embedded into rocks. In order to know the safety margin and the failure process of this pit, 3-D nonlinear finite element analysis with excavation simulation is carried out with the finite element analysis software of ANSYS. The excavation process is simulated with the “Element Die/Active” function of ANSYS. The self-weight of soil in the finite element model is increased hypothetically until the support structure is destroyed, so that the failure process of support structures can be simulated. Comparing the assumed self-weight of soil to the real one, the safety margin of the pit can be obtained. The numerical results show that all the failures of the pit begin with the collapse of the internal support and the failure models are different in various excavation depths. This method also can be applied to other pits if their support structure is relatively stiff. Keywords: deep pit, spatial finite element analysis, failure model.

1 研究背景

1、土的力学参数

Table 1 Parameters for the soil

 土层编号 土体性质 土体自重 （KN/m3） 弹性模量 （kPa） 泊松比 c （kPa） (º) 深度 (m) 1 淤泥质土 18100 3000 0.35 13 5 0～-12 2 淤泥质土 17900 8000 0.3 10 9 -12～-16 3 砂土 19000 15000 0.3 5 27 -16～-35 4 砂土 19000 30000 0.25 2 30 -35～-48 5 基岩 22000 2×106 0.25

2 研究方法

2.1 计算模型

2.2 岩土参数

2.3 混凝土参数

由于是进行安全系数分析，故材料强度不再乘以分项系数，而直接使用强度标准值。

地连墙混凝土采用弹塑性材料模型，根据施工图，地连墙的屈服弯矩为5762kN·m，采用等效屈服弯矩的方法，设定地连墙材料的屈服强度为25MPa；支撑采用弹性－断裂模型，即当支撑应力高于极限值的时候，认为该支撑断裂，退出工作。实际支撑杆件混凝土强度普遍超过C40，考虑到受压失稳问题，支撑的平均长细比为17，根据《混凝土结构设计规范》GBJ10-89[10]，将支撑极限压应力降低至26MPa

2.4 施工过程模拟

2.5 基准荷载作用下支护结构的变形和内力

我们以土体的真实重度为基准荷载，在该荷载作用下，计算得到支撑的最大应力为13.4Mpa；地连墙最大位移为8.26cm，Δ/H=1.65,地连墙最大应变为1.04，未出现塑性。可见在基准荷载下整个支护结构都是安全的。

3 虚拟荷载工况A计算结果

4 虚拟荷载工况B计算结果

2.3节中提到的方法让支撑破坏，并逐步记录下其轴力、位移和应变，便可以得到在该情况下整个支护体系破坏的过程。模型中支撑逐步破坏的过程如图4.14.4所示，为了清晰起见，只显示1/4模型，破坏的支撑不再显示。

长边与短边中点的位移发展如图5.15.2所示，最大位移（长边）达到了60cm，且此后有限元分析不再收敛。在实际工程中，达到这样大的位移时土体已经彻底坍塌了，说明计算已经达到了预定的“破坏分析”的要求。这里我们需要注意的是，因为最先破坏的是斜撑，对撑仍然完好，所以长边的位移一开始增加得并不显著，而且，由于短边位移的迅速增加使得长边位移还出现了短暂的减小。但是，当对撑开始破坏以后，长边的位移就急剧增大并最终超越短边，而此时短边位移反因受到长边位移的影响而增长趋缓。

土体塑性区分布随破坏过程变化如图7a~(d) 所示，我们注意到，在破坏发生以前，塑性区基本集中在坑底回弹区，而后塑性区在基坑中部迅速发展，先出现在短边，而后在长边。最后在接近破坏时，在长边形成了一个由基坑中部至地表的塑性滑移带，长边中部以上土体整体失稳破坏。综合整个变形破坏分析，在本工况下，整个基坑破坏的全过程是：

1：支撑首先压溃或失稳；

2：由于大量支撑破坏，地连墙中部变形不断增大，最终在中部折断；

3：基坑中部以上土体整体滑动破坏；

此外，基坑外侧地表部分土体也因为变形过大而出现塑性区。

5 虚拟荷载工况C计算结果

在本工况中，当开挖至第七层时，支撑就因为超过极限应力而发生破坏，破坏首先发生在第五层单侧的小斜撑上，随后向相邻层发展并使得该侧几乎所有的大斜撑和小斜撑都破坏。但是，由于开挖深度不是很深，加上斜撑破坏释放了土应力，所以最后变形稳定时，另一侧的斜撑只有少数破坏，而对撑几乎完好无损。

随着支撑逐个退出工作，基坑变形也一直在增加。斜撑破坏严重的短边位移从14.3cm增大至24cm。而长边因为对撑未被破坏，位移一直在15.617cm左右。长、短边位移发展参见图8.18.2

在破坏发生前，地连墙的最大应变为1.59，位于嵌岩段，塑性应变为非常小。支撑破坏后变形稳定时，最大应变为2.25，塑性应变约为1，仍然小于混凝土最大压应变3.3。所以这时地连墙并没有折断，仍然可以发挥挡土作用。

在本工况下，土体内部塑性区始终位于基底的土壤回弹区内，没有像工况B那样形成整体滑移带，这也是变形能够最后稳定下来的重要原因。

对比虚拟荷载工况B和虚拟荷载工况C，我们可以看出，当破坏出现较早的时候，因为坑内还有较多的土体存在，内外压力差不是很大。在部分支撑破坏、土体应力得到释放后，依靠剩余的支撑和地连墙共同作用，位移最后可能趋于稳定；同时也从另一个侧面说明，随着基坑开挖工作的进行，越往下，发生工况B那种支撑连续破坏最终导致基坑整体破坏的可能性就越大，风险也越大。

6 结论

1、 由计算分析可以得到，该支护体系的安全系数大约在2.02.2之间；

2、 由于该支护体系刚度较大，基坑整体变形相对较小，因此，破坏均首先发生在支撑上，而且基本都是从短边的小斜撑开始。

3、 由虚拟荷载工况B和虚拟荷载工况C可知，基坑破坏形式可能有两种。在较浅深度时破坏将主要集中在支撑上，地连墙有可能幸免；而在较深深度的破坏因为内外土压力差过大，足以使地连墙折断，基坑周围土体整体滑动，最终整个基坑彻底毁坏；

4、 由于地连墙底部嵌岩，因此破坏时坑外土体整体滑动的塑性滑移带将位于基坑的中部；

5、 该支撑杆件体系设计基本没有赘余杆件，任何一个支撑杆件的破坏都可能引起其他支撑杆件的连锁破坏，并可能导致整个支护体系的失效，支撑的施工应该尽量仔细；

6、 基坑施工至接近底部时，发生基坑整体破坏的可能性大大增加，因此，施工越往下，应越小心谨慎。

2、     王国强主编，实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践[M]，西安：西北工业大学出版社，2000: 77-114

5、     龚晓南，高有潮，深基坑工程设计施工手册[M]，北京：建筑工业出版社，1998

6、     孙钧，汪炳鑑，地下结构有限元法分析[M]，上海：同济大学出版社，1988

7、     龚晓南主编，土工计算机分析[M]，北京，建筑工业出版社，2000

9、     陈惠发, A. F. 萨里普著; 余天庆, 王勋文译，土木工程材料的本构方程[M]，武汉：华中科技大学出版社, 2001

10、  混凝土结构设计规范，GBJ10-89[S]，北京：中国建筑工业出版社，1989

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