超级基础坑的保持结构力 - 变形分析模型外文翻译资料
2022-11-03 06:11
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超级基础坑的保持结构力 - 变形分析模型
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浙江杭州310014浙江工业大学工程与建筑学院
通讯作者：胡奇，中国人民大学学报（社会科学版）
收稿日期：2010年4月5日；修改日期：2013年9月17日;
学术编辑：Asier Ibeas
版权所有copy;2013 QiHu.这是根据知识共享署名许可分发的开放获取文章，其中规定了无限制使用，分发和重新制作，提供了原创性工作。
超深基坑是一个由挡土结构，地基和地下水组成的复杂系统。与过去相比，基坑的设计与施工比以往更加深入，需要不断改进设计方法和分析方法。 本文提出了一种基于超深基轴承模式分析的挡土结构荷载-变形分析模型，从理上得出了该模型的水平基础刚度系数计算方法，并且分析了空间尺寸，应力路径，荷载水平，渗流等因素对水平基础刚度系数的影响。介绍了杭州地铁一号线试验区超深基坑的数值实例和案例研究。发现结构变形和土压力的计算结果与弹塑性有限元分析结果和实测数据相似。 本研究的结果表明，所提出的分析模型充分反映了超深基坑的力 - 变形特征，并且该分析模型也适当考虑了各种因素的影响。
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介绍
在深基坑研究中已经有许多成就。 基础坑建设规范已经开发了无数国家，[1,2]和技术规范已经由地方政府制定。 已经报道了超深基坑设计和施工的宝贵经验。 由于挖掘深度的增加，新的支撑方法和施工技术得到应用，而且要求更严格的安全措施。这些进展需要持续改进保留结构的设计方法和分析理论。目前，深基坑的研究已经取得了很多成就。许多国家已经有了自己的基坑建造规范[1,2]，地方政府也制定了相关的技术规范， 积累了许多超深基坑设计和施工的宝贵经验。 随着挖掘深度的增加，新的支撑方法和施工技术得到了应用，同时要求更严格的安全措施。这些进展需要持续改进挡土结构的设计方法和分析理论。
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现行的基础设计基本原理和技术规范是解决静态设计问题的，如图1所示。设计过程的主要步骤可概括如下：首先考虑一个初始状态，其中外部土压力等于有效接地压力第二，初始内部土压力的一部分被外部土压力所抵消，内部土压力的变化由土体弹簧力表示。不考虑渗流对水土压力和水平基础刚度系数的影响。
这种基本设计方法已被证明适用于浅基坑开挖。
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图1：基坑现行设计方案示意图 图1：超深基坑系统示意图
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超深基坑是由支护结构、地基土和地下水组成的复杂系统。如图2所示，超深基坑的以下特征。
（1）支护结构上的水土压力大，柔性保持结构上的土压力与支护结构的变形密切相关，不能用单一模型进行描述。
（2）由于坑内土体的卸载量大，应力路径复杂，必须考虑应力水平和应力路径对土壤参数的影响。
（3）支护结构的变形模式由整个桩组的横向变形组成。坑内的土壤向支护结构提供的侧向支撑的大小不仅与土壤的性质有关，而且与开挖宽度
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（4）在地下水位较高的地区，坑内水位与坑外水位差异较大，渗水对水土压力和土壤参数的影响显着。在渗流的影响下，坑内有效土应力减小，保持结构变形增大。
许多研究人员研究了这些问题。 如图3所示，位移依赖的土压力理论假设土压力由主动土压力和被动土压力组成。 徐[3]使用三角函数来描述土压力和变形之间的关系。陈等[4]和赵等[5]使用指数函数来描述土压力和变形之间的关系。许多研究人员，例如拉德和Duncan,袁等，刘和候，刘和查尔斯和群等，对基坑进行了路径实验。目前用于确定水平基础刚度系数值的方法可以分为三类。第一类包括经验方法。基于土壤地质条件的分析以及类似项目和代码的经验，选择水平基础刚度系数的值[12,13]。这些方法有时候是任意的。第二类包括现场测试方法，包括水平静载荷试验，压力计量和平衡计量法[14]。第三类包括实验室测试方法。根据某些理论，水平基础刚度系数水平基础刚度系数K和土体模量Es和剪切强度，之间的关系可分别表示为。
图3：压力和变形之间的关系
虽然这三种类型的方法已经取得了有益的成果，但它们都没能反映超深基坑的力 - 变形行为，也没有考虑各种因素对该行为的影响。 本文提出了基于保留结构和土壤的力 - 变形行为的超深基坑分析模型。对该模型的水平基础刚度系数的理论计算方法进行了考察。考察了空间，应力路径，载荷水平和渗流对保持结构的力 - 变形行为的影响。 在杭州地铁一号线测试中，采用数字示例和超深基坑案例分析，对该方法进行了验证
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图4：超深基坑分析模型 图5：水平基础刚度系数概念的插图。
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深基坑分析模型
如图4显示了可以分解为下述过程的超深基坑的分析模型框架。
如果开挖后不会发生支护结构变形，坑外的土压力将保持静止状态。平衡土压力由支撑系统承受，该支撑系统由坑内外的土壤弹簧构成。由于坑内侧和外侧之间的不平衡土压力，坑内的土体弹簧被压缩，坑内的土压力增加，坑内的土壤弹簧被拉伸，坑外的土压力下降，直到实现和形成新的平衡状态。这种模型与现有分析模型之间有着三个显着差异：（1）初始载荷状态由没有主动土压力的静态土压力组成。（2）坑外土压力的变化应考虑使用坑外的土体弹性力;（3）土体弹性刚度或水平基础刚度系数不仅与土壤性质有关，而且与软土结构和土壤的加载模式有关.
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如图5所示，根据温克勒弹性基础的定义，土体弹簧上的力由表示，土壤弹簧的力、刚度和水平位移之间的关系由以下等式描述：
or （1）
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其中??表示水平条带载荷（以压力为单位），?表示计算的水平宽度，Delta;ℎ表示计算厚度。其中??表示水平条带载荷（以压力为单位），?表示计算的水平宽度，Delta;ℎ表示计算厚度。窗体底端
其中：表示水平条带载荷（以压力为单位）；w表示计算的水平宽度；Delta;ℎ表示计算厚度。
如图6所示，土体向保留结构施加横向压力和，并将结构应用于后期的压力和施加到土壤中。如果水平带载荷的变化与 建立水平位移，可以确定任何深度的水平基础刚度系数的值。
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图6：力结构和力学变形行为。
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梅兰提出了在深度上施加的线性水平载荷（如图7所示）在半无限弹性空间中的任何点产生的应力分量的解。均匀的水平条带载荷（如图8所示）在半无限弹性空间中任意一点处产生的应力解以及位移解和水平基础刚度系数都可以通过整合梅兰解得出 。这些用于均匀水平条带载荷的解决方案反映了超深基坑实际的荷载 - 变形模式。
如上所述，梅兰提出了在深度施加的线性水平载荷（图7中所示）在半无限弹性空间中任何一点处所产生的的应力分量的解决方案：
（2）
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图7：水平面的原理图 图8：水平线状图的示意图
其中：q表示线性负载；u表示泊松比；d表示在线性负载的深度；x表示半无限空间中点的水平坐标；z表示半无限空间中的垂直坐标。
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图9：分析模型的假设1
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图10：分析模型的假设2
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由均匀的水平条带载荷（如图8所示），在半无限弹性空间中的任何点的应力分量的解决方案可以过集成迈尔解决方案获得：
(3)
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图11：条带基坑的边界条件
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图12：坑内水平基础刚度系数的系数
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其中：q表示均匀条带载荷；表示均匀带状载荷的顶部的深度；表示均匀带状载荷的底部深度。
2.1分析模型的基本假设。 图6和图8的比较揭示了超深基坑的物理模型与半定义空间之间的某些差异。因此，可以做出某些假设。
假设1.条形基坑的物理模型通常在半无限空间中被描述为平面应变弹性问题，如图9所示。基坑平均分为左侧和右侧，不考虑左侧和右侧的相互作用（图9（a））。将支护结构作为边界，基坑内外的空间分为两个独立区域（图9（b）），两个区域在受到横向载荷时是不对称的，并且可以扩展成两个分开的半无限弹性空间（图9（c））。
假设2：基于刚性基础和柔性载荷的沉降因子规定[18]，如果水平带载荷的宽度足够小，刚性基座的水平变形等于柔性载荷变形的平均值，，如图10所示。
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假设3：为了计算应力，土壤被认为是单相、均匀的，具有恒定模量的各向异性的材料。
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2.2： 分析模型的水平基础刚度系数。 根据水平基础刚度系数的的定义，，各向同性平面应变问题的水平变形可以从以下公式计算：
or （4）
.
使用（3）中的应力解的积分，可以确定由于横向无负载的半无限空间中的位移如下：
装载区域内的平均位移表示如下：
（6）
根据Assumption1，由于对称映射的操作，四分之一空间中的实际负载为 当使用（4）和（5）求解水平变形方程时，必须确定图11所示的积分范围。在对称挖掘，坑内水平积分范围有限：水平积分范围在坑内是有限的：
（7）
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坑内土体弹簧的水平基础系数可以从装载区域内的平均位移得到：
（8）
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坑外无限大理论影响区域的确定与类似于条带基础之下土层厚度的确定。基于压实深度计算基础沉降的规定[18]，当附加应力减小到重力应力的10％时，取深度为压缩深度。当横向应力下降到水平荷载的10％时，假设横向土体变形的影响区域满足计算要求。根据（3）中应力解得到的结果，当额外的水平应力为水平荷载的10％时，相应的距离约为装载宽度的十倍。 因此，将基坑深度的十倍定义为坑外的影响区：
（9）
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坑外土壤弹簧的水平基础系数可以从平均位移获得：
（10）
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我们定义：
（11）
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图13：坑外水平基础刚度系数 图14：泊松比的影响系数（基坑宽度= 20m）
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其中alpha;表示水平基础刚度系数?的系数，与基坑空间尺寸和泊松比（m-1）有关，??表示土体的弹性模量。窗体底端
其中：alpha;表示水平基础刚度系数K的系数，与基坑空间尺寸和泊松比（m-1）有关；表示土体的弹性模量。
然后：
（12）
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其中：表示水平基础刚度系数，与基坑空间尺寸和泊松比（m-1）有关;表示土体的弹性模量。
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- 参数分析
如（8）和（10）所示，水平基础刚度系数可以描述为。影响的因素包括基坑的空间尺寸（基坑的宽度，基坑的深度以及坑外影响区域等因素）及土壤参数（弹性模量和泊松比）。
3.1.基坑空间尺寸的影响。 图12和13显示了各种地基宽度和深度的水平基础刚度系数，土壤的泊松比为0.3。 如图12和13所示，当基坑宽度或影响区域增加时，系数的值减小。由于表面积的限制 水平低，系数alpha;的值也较小。当土体深度为基坑宽度的一半时，系数接近常数值。
3.2 泊松比的影响 如图14所示，当泊松比增加时，系数降低。 当基坑为20米
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