【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 件，諸如 FLAC、 ANSYS、 ABAQUS、 SAP202 MIDAS 等。有限元法在基坑支護(hù)工程中，根據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求和支護(hù)工程難易程度，又可選用平面有限元法，空間有限元法和桿系有限元法中的一種或多種進(jìn)行有限元分析。 平面和空間有限元法首先需要建立支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體的力學(xué)模型。支護(hù)結(jié)構(gòu)一般用梁?jiǎn)卧Ｐ瓦M(jìn)行模擬，土體根據(jù)本構(gòu)關(guān)系的不同可采用線彈性模型，非線彈性模型，彈塑性模型等進(jìn)行模擬。這種方法將支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體看作是整體協(xié)同變形，能夠反映出基坑開挖對(duì)周圍環(huán)境的影響。 桿系有限元法中支護(hù)樁，圈梁和腰梁一般采用梁?jiǎn)卧Ｐ湍M，支撐采用彈簧模型 ，二力桿件模型或者梁?jiǎn)卧Ｐ湍M。樁端支撐端單元可根據(jù)情況選用固端，鉸接，自由等約束，圈梁，腰梁兩端單元一般采用固端約束形式。支護(hù)模型建立之后，將單元?jiǎng)偠染仃嚰煽倓偠染仃嚕詈笠胪夂奢d求解平衡方程得到節(jié)點(diǎn)位移進(jìn)而求得單元內(nèi)力。桿系有限單元法具有靈活，多樣可考慮分級(jí)開挖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響等優(yōu)點(diǎn)，但隨著單元化分?jǐn)?shù)量增多，計(jì)算量也會(huì)大大增加。 由于采用有限元法模擬基坑支護(hù)開挖過(guò)程具有省時(shí)省力經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)在一定程度上可以發(fā)現(xiàn)基坑支護(hù)所存在的缺陷，因此許多學(xué)者都采用進(jìn)行了大量的基坑工程模擬 . 李明偉等 [13]利用 ANSYS 軟件，通過(guò)建立優(yōu)化的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)流程與基坑模型，模擬了基坑施工整個(gè)過(guò)程中土壓力及支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化情況，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)所達(dá)不到的優(yōu)化效果。 山東科技大學(xué)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 滿聰 [14]采用 ABAQUS 軟件，數(shù)值模擬了某基坑坑底的隆起破壞，建立了基坑抗隆起破壞的有限元分析模型，得出了有限元在分析基坑穩(wěn)定性上具有優(yōu)越性的結(jié)論。 李巍 [15]利用 FLAC3D 軟件，通過(guò)基坑三維可視化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了層狀巖質(zhì)地區(qū)某基坑的三維開挖和支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算。 縱觀整個(gè)發(fā)展過(guò)程可以看到基坑工程的支護(hù)設(shè)計(jì)是朝著更加高效、更加經(jīng)濟(jì)、更加安全的方向發(fā)展。 土壓力計(jì)算方法研究現(xiàn)狀與發(fā)展 坑外土壓力是支護(hù)結(jié)構(gòu)的主要外荷載，坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)土體的土壓力是作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的抗力。能準(zhǔn)確計(jì)算作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力，是合理設(shè)計(jì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的重要前提之一。目前常用的土壓力計(jì)算方法有： (1) 經(jīng)典土壓力 理論 經(jīng)典土壓力理論包括 Rankine 土壓力理論和 Coulomb 土壓力理論。在這兩種土壓力理論中，利用 Rankine 土壓力理論計(jì)算的主動(dòng)土壓力偏大，被動(dòng)土壓力偏?。欢?Coulomb 土壓力理論在計(jì)算內(nèi)摩擦角較大土體的被動(dòng)土壓力時(shí)則偏于過(guò)大。之后部分學(xué)者根據(jù)具體工程實(shí)際將傳統(tǒng)土壓力理論進(jìn)行了修正和發(fā)展。 Terzaghi 和 Peck 等人給出了在有支撐作用時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)所受土壓力的分布示意圖，并對(duì)土拱效應(yīng)進(jìn)行了研究，認(rèn)為土拱效應(yīng)只有當(dāng)支撐剛度大圍護(hù)剛度小，土體之間產(chǎn)生不均勻位移時(shí)才會(huì)發(fā)生。此時(shí)支撐處可視為拱腳；楊光華 (2021)基于地基強(qiáng)度理論，提出了一種新的主動(dòng)與被動(dòng)土壓力計(jì)算的方法； Nakamura Hyoji 等人則根據(jù)大量工程實(shí)例總結(jié)了土壓力沿深度方向的分布規(guī)律。雖然經(jīng)典土壓力在計(jì)算時(shí)簡(jiǎn)單方便，但也存在許多問(wèn)題：首先基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)土壓力往往與用經(jīng)典土壓力公式計(jì)算結(jié)果差別較大，李廣信分析了造成上述問(wèn)題的原因；其次，對(duì)于處于地下水位以下的土體，尤其是粘性土體，土壓力究竟是采用水土分算還是山東科技大學(xué)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 水土合算一直以來(lái)爭(zhēng)議很大。相對(duì)于水土合算，水土分算的概念更清楚，但如何確定孔隙水壓力在某些情況下卻是比較困難；最后經(jīng)典土壓力理論是基于 墻后土體處于極限平衡狀態(tài)這一前提條件下得出的，在工程實(shí)際中，很少會(huì)出現(xiàn)墻后土體達(dá)到極限平衡狀態(tài)的情況，同時(shí)這種方法也不能考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移與作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上土壓力大小的相關(guān)性，這從根本上決定了該方法的局限性。 (2) 彈性地基梁法 與傳統(tǒng)土壓力理論比較，彈性地基梁法考慮了支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移對(duì)坑底被動(dòng)土壓力大小的影響。楊學(xué)祥分別采用 Rankine 土壓力法與彈性地基梁法對(duì)同一個(gè)基坑進(jìn)行了支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)彈性地基梁法可以更好的模擬樁土之間的相互作用，計(jì)算結(jié)果更接近于工程實(shí)際，其中彈性地基梁法中傳統(tǒng)的 m 法 是較為常用且被規(guī)范所推薦使用的方法。在 m 法中，作用在支護(hù)樁上的坑外土壓力荷載 q(z)由經(jīng)典土壓力理論確定，坑內(nèi)土壓力荷載則由下式確定 : 0( , )P x z b mzx? 式中： m—地基水平抗力系數(shù)的比例系數(shù) (kN/m4) x—支護(hù)樁在深度 z 處的水平撓度 (m) b0—抗力計(jì)算寬度 (m) z—計(jì)算點(diǎn)深度 (m) 可以看出，彈性地基梁 m 法僅僅是對(duì)坑底被動(dòng)區(qū)土體的計(jì)算模式進(jìn)行了改進(jìn)，坑外主動(dòng)區(qū)土體的土壓力計(jì)算仍是采用經(jīng)典土壓力理論計(jì)算。由于 經(jīng)典理論計(jì)算與實(shí)際差值較大，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候往往會(huì)綜合工程經(jīng)驗(yàn)與理論計(jì)算共同參考。一般采用的是在開挖面以上采用 Rankine 土壓力理論計(jì)算，在開挖面一下主動(dòng)土壓力為一定值，其大小與坑底主動(dòng)土壓力相等。 山東科技大學(xué)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 (3) 共同變形法 日本的森田龍馬提出的共同變形理論，較全面的考慮了支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移對(duì)主動(dòng)，被動(dòng)土壓力大小的影響，土壓力 E 按下式計(jì)算： 0E E kv??? ?0paE E E?? 式中， E0， Ea， Ep 分別為靜止 、 主 動(dòng)和被動(dòng)土壓力； k 為土體的水平抗力系數(shù)，不隨位移變化； v 為支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移。 共同變形法充分考慮了支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體之間的相互作用，即支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移對(duì)主被動(dòng)土壓力大小的影響，對(duì)經(jīng)典土壓力進(jìn)行了一次較全面的發(fā)展。利用該法計(jì)算土壓力時(shí)，無(wú)需再假定土壓力狀態(tài)按照經(jīng)典土壓力理論進(jìn)行套公式計(jì)算，只需根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的實(shí)際位移大小與方向判斷土體哪部分處于主動(dòng)狀態(tài)哪部分處于被動(dòng)狀態(tài)以及土壓力大小。 可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng) m 法和共同變形法都假定的支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移與土壓力成線性相關(guān)，而實(shí)際工程中兩者的關(guān)系卻是非線性的。部分學(xué)者對(duì)這種非線 性土壓力理論也進(jìn)行了一些研究，如陸瑞明認(rèn)為土壓力增量與支護(hù)結(jié)構(gòu)位移之間是雙曲線型對(duì)應(yīng)關(guān)系，較好的反映了土的非線性特征。 由于共同變形法中主被動(dòng)土壓力均與支護(hù)結(jié)構(gòu)位移有關(guān)，而支護(hù)結(jié)構(gòu)位移又不能預(yù)先得知，只能在計(jì)算過(guò)程中通過(guò)迭代法確定，這就大大增加了計(jì)算工作量，不利于在工程中方便應(yīng)用。非線性土壓力理論本身不成熟完善，需要在工程實(shí)踐中進(jìn)一步檢驗(yàn)完善。傳統(tǒng)的 m 法作為一種簡(jiǎn)便可靠的方法，被相關(guān)規(guī)范推薦并在工程實(shí)際中廣泛應(yīng)用，所以本文采用傳統(tǒng)的m 法理論計(jì)算相關(guān)土壓力。 基坑支護(hù)形式的研究現(xiàn)狀與發(fā)展 隨著施工技 術(shù)不斷進(jìn)步，施工機(jī)械的不斷完善，根據(jù)實(shí)際需要，基坑支護(hù)的形式也在幾種傳統(tǒng)支護(hù)形式的基礎(chǔ)上不斷修改演變，出現(xiàn)了多種創(chuàng)新高效的新型支護(hù)形式： 山東科技大學(xué)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 閉合擋土拱圈、拱形水泥土槽壁結(jié)構(gòu)、連拱式支護(hù)結(jié)構(gòu)、樁拱圍護(hù)體系等一系列含有拱結(jié)構(gòu)的圍護(hù)體系，這種圍護(hù)體系充分利用了拱形結(jié)構(gòu)良好的傳力特性，改善了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力性能，使其剛度大大增加降低了支撐體系承受的荷載，進(jìn)而一定程度上降低了支撐體系的費(fèi)用。 支撐體系設(shè)計(jì)由單一形式的支撐向根據(jù)不同的基坑形狀、平面尺寸、開挖深度、施工方法等靈活設(shè)計(jì)組合使用多種形式的支撐轉(zhuǎn)變。如近幾年在開挖 深大基坑時(shí)采用的大直徑環(huán)梁與輻射狀支撐或與周邊桁架梁相結(jié)合的支撐體系，這種支撐體系能將不均勻的徑向土水壓力轉(zhuǎn)化為環(huán)向壓應(yīng)力，充分利用混凝土抗壓性能好的材料特點(diǎn)，使支護(hù)結(jié)構(gòu)處于最佳受力狀態(tài)，同時(shí)為基坑土體開挖內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工提供了較大施工空間。 將圍護(hù)結(jié)構(gòu)與止水帷幕相結(jié)合的 SMW 工法圍護(hù)體系是一種在連續(xù)套接的三軸水泥土攪拌樁內(nèi)插入型鋼形成的復(fù)合擋土隔水結(jié)構(gòu)。該工法是基于深層攪拌樁施工工藝發(fā)展起來(lái)的，充分發(fā)揮了水泥土混合體和型鋼的力學(xué)特性，具有經(jīng)濟(jì)、工期短、隔水性強(qiáng)、對(duì)周圍環(huán)境影響小等特點(diǎn)。在地下結(jié)構(gòu)施工完成土體回 填之后，可以將 H 型鋼從水泥土攪拌樁中拔出，達(dá)到回收和再次利用的目的。為適應(yīng)近幾年逐漸增多的超深基坑支護(hù)，并加強(qiáng)三軸水泥土攪拌樁的均勻性和隔水效果， TRD 工法等更為先進(jìn)的施工機(jī)械和施工工藝也開始出現(xiàn)。在提倡建設(shè)節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)，實(shí)施可持續(xù)發(fā)展的今天， SMW 工法將具有廣闊的應(yīng)用前景。 在 SMW 工法的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步增強(qiáng)圍護(hù)剛度，基于現(xiàn)有基坑支護(hù)形式，尤其是咬合樁和 SMW 工法的思路，形成了一種針對(duì)軟土地區(qū)深基坑支護(hù)特點(diǎn)的新型支護(hù)形式 預(yù)應(yīng)力管樁水泥土復(fù)合擋墻 (PCMW)，在該支護(hù)形式中，水泥攪拌樁用做止水 帷幕并為管樁的沉樁提供條件；具有較高承載力的預(yù)應(yīng)力管樁則起到受力和擋土作用，因此其綜合了高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力管樁和 SMW 工法的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，具有節(jié)能降耗、環(huán)保安全的特點(diǎn)。是一山東科技大學(xué)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 種將擋土承力與止水相結(jié)合、工廠化預(yù)制與機(jī)械化施工相結(jié)合的新型基坑支護(hù)技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。 基坑施工組織與管理的研究現(xiàn)狀與發(fā)展 隨著社會(huì)發(fā)展，工程施工的組織與管理日益科學(xué)完善，文明施工，綠色施工，規(guī)范施工等理念也逐漸被各大建筑公司所提倡推廣。但施工中的風(fēng)險(xiǎn)控制與安全管理問(wèn)題始終是貫穿整個(gè)工程項(xiàng)目最為重要的部分。據(jù)有關(guān)資料顯示統(tǒng)計(jì)，目前 我國(guó)基坑工程事故的發(fā)生率達(dá) %，有些地區(qū)甚至高達(dá) 30%[16]。造成基坑事故的原因是多方面的，不僅僅是施工技術(shù)的問(wèn)題，更多的是施工組織與管理體系不健全不科學(xué)的問(wèn)題。有研究表明，在基坑事故中，有 70%以上的事故是由現(xiàn)場(chǎng)管理不善和施工人員不安全行為造成的 [17]。因此，如何科學(xué)的進(jìn)行施工組織與管理，降低施工風(fēng)險(xiǎn)成為許多專家學(xué)者研 究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。 Soren Degn Eskesen[18]通過(guò)對(duì)隧道工程施工過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)管理控制的研究，形成了隧道風(fēng)險(xiǎn)管理原則，在深基坑風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與管理中具有很強(qiáng)的借鑒意義，通過(guò)對(duì)施工中各個(gè)工序可能存在的隱患進(jìn)行描述管理，為基坑的施工風(fēng)險(xiǎn)管理提供了一個(gè)系統(tǒng)計(jì)劃。 Ibrahim A. Motawa[19]為了實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程中動(dòng)態(tài)風(fēng) 險(xiǎn)的提前預(yù)測(cè)與預(yù)警，借助模糊系統(tǒng)，模擬工程項(xiàng)目施工中不同因素變化對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的影響程度，從而讓風(fēng)險(xiǎn)的管理更具預(yù)見性。 Alan N. Beard[20]為幫助歐盟提高隧道安全，總結(jié)研究出了一套可供基坑工程借鑒的隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和預(yù)測(cè)系統(tǒng)。 國(guó)內(nèi)方面，基坑工程的施工風(fēng)險(xiǎn)研究始于上世紀(jì) 70 年代末。在近半個(gè)世紀(jì)的研究中，國(guó)內(nèi)學(xué)者做了大量基坑工程事故原因的統(tǒng)計(jì)調(diào)查，為基坑施工風(fēng)險(xiǎn)管理早日完善成熟做了諸多貢獻(xiàn)。李立新等通過(guò)模糊綜合評(píng)價(jià)方法 對(duì)建筑基坑的安全性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，將基坑風(fēng)險(xiǎn)歸為 4 大方面：建設(shè)山東科技大學(xué)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 單位管理問(wèn)題，勘察問(wèn)題，設(shè)計(jì)問(wèn)題和施工問(wèn)題。 為了進(jìn)一步降低由施工過(guò)程中組織管理不善導(dǎo)致的基坑工程事故發(fā)生頻率，近幾年，一些專家學(xué)者也開始注意到 BIM 技術(shù)，并認(rèn)為將 BIM 技術(shù)引進(jìn)到基坑工程中會(huì)顯著降低施工隱患，防止工程事故的發(fā)生 [21]。其中代表性學(xué)者楊敏 [22]對(duì) BIM 在基坑工程施工中的應(yīng)用進(jìn)行了一些設(shè)想，認(rèn)為BIM 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)工程從設(shè)計(jì)階段到施工監(jiān)測(cè)階段的可視化、參數(shù)化，其具有的信息資源共享特性會(huì)成為各項(xiàng)目參與方最佳的溝通交流平臺(tái)。BIM 技術(shù)將為基坑設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)等參與方及時(shí)根據(jù)項(xiàng)目施工動(dòng)態(tài)反饋相關(guān)信息，提高施工效率、質(zhì)量和安全性，會(huì)大大縮短突發(fā)情況下的響應(yīng)時(shí)間。其次， BIM 具有智能模擬的特點(diǎn)，當(dāng)儲(chǔ)存有一定監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之后， BIM技術(shù)會(huì)自動(dòng)分析數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)基坑變形的預(yù)測(cè)，未雨綢繆，同時(shí) BIM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)建筑全生命周期的信息化管理，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)項(xiàng)目成本、質(zhì)量、 進(jìn)度的全面控制，具有很大的應(yīng)用前景。 通過(guò)查閱大量關(guān)于施工組織與管理的相關(guān)文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，整個(gè)土建施工正朝著以施工安全為核心，爭(zhēng)取綠色施工，文明施工，科學(xué)規(guī)范施工的方向發(fā)展。 在發(fā)展過(guò)程中，計(jì)算機(jī)技術(shù)也逐漸由傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域 設(shè)計(jì)階段擴(kuò)展到施工階段，信息化施工、 BIM 技術(shù)即是顯著表現(xiàn)。通過(guò) BIM 等計(jì)算機(jī)技術(shù)將設(shè)計(jì)階段與施工階段有效聯(lián)系起來(lái)，顯現(xiàn)出動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)施工，設(shè)計(jì)即施工，施工即設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容 基于以上研究背景與研究目的，擬利用畢業(yè)設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)對(duì)南京河西新城軟土地區(qū)的格林廣場(chǎng)基坑進(jìn)行系統(tǒng)的支護(hù) 設(shè)計(jì)與施工組織。在設(shè)計(jì)前期查閱了大量文獻(xiàn)，熟悉了解了在軟土地區(qū)開挖深大基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與施工組織的難點(diǎn)、關(guān)鍵點(diǎn)以及設(shè)計(jì)流程。擬分八章完成格林廣場(chǎng)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與施山東科技大學(xué)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 工組織，主要的研究?jī)?nèi)容有： (1) 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)選型與設(shè)計(jì) 主要介紹目前常用的基坑支護(hù)體系，比較每種支護(hù)體系的適用范圍以及優(yōu)缺點(diǎn)，分析超大面積基坑支撐的難點(diǎn)與關(guān)鍵點(diǎn)，指出在軟土地區(qū)深大基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所面臨的主要問(wèn)題，最后在經(jīng)過(guò)多種方案利弊對(duì)比分析之后確定本基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)類型。 (2) 確定支護(hù)體系的支護(hù)參數(shù) 通過(guò)綜合考慮所采用的支護(hù)結(jié)構(gòu)、作用在支護(hù)結(jié)構(gòu) 上的水土壓力大小、基坑周邊環(huán)境保護(hù)要求以及工程造價(jià)等因素，確定支護(hù)體系的支護(hù)參數(shù)。采用不同的支護(hù)體系要根據(jù)各支護(hù)體系特點(diǎn)確定不同的支護(hù)參數(shù)，例如當(dāng)采用樁錨支護(hù)體系時(shí)需要確定支護(hù)樁的嵌固深度、樁徑、樁間距，鋼筋籠的鋼筋型號(hào)與平面布置，錨桿的排數(shù)、密度、打入角度、預(yù)拉力大小等參數(shù)?？傊ёo(hù)體系的參數(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)多方