岩土工程数值分析课程论文周森.doc

研 究 生 课 程 论 文
(2009-2010学年第二学期)

岩土工程数值分析课程论文
研究生：周森
提交日期： 2010年7月1日 研究生签名：
学 号
200920105032
学 院
土木与交通学院
课程编号
S0814007
课程名称
岩土工程数值分析
学位类别
硕士
任课教师
刘庭金
教师评语：

成绩评定： 分 任课教师签名： 年 月 日

目 录

例案1基于Midas-GTS的条形、方形基础下附加应力及位移分析
………………………………… （3）

例案2基于强度折减法的Midas-GTS二维边坡稳定性分析…… （13）

例案3基于Midas-GTS的二维隧道衬砌模拟分析…………… （20）

例案4基于Midas-GTS的三维基坑施工阶段模拟…………… （27）

例案5 岩土工程实例介绍分析——广州陈家祠广场及周边环境综合整治地下空间工程基坑支护结构设计………………………… （31）

基于Midas-GTS的条形、方形基础下附加应力及位移分析
周 森
（华南理工大学土木与交通学院 09岩土工程）
摘 要：运用了Midas-GTS分别建立了条形基础和方形基础沉降及基底附加应力计算模型。条形基础考虑平面应变问题，采用二维坐标建模；方形基础考虑荷载的分布情况，则采用三维实体建模。通过程序分析计算，得到了两种基础下位移、附加应力的分布规律，得到了位移分布等值云图和“应力泡”分布，与《土力学》经典理论分析结果进行了对比，发现数值模拟分析结果与理论分析结果具有一致性，从而也验证了理论分析结果的正确性。
关键词：条形基础；方形基础；位移；附加应力；规律
1 引 言
地基内的附加应力是由基底附加压力引起的，建筑物荷载在地基中产生的应力为附加应力，其大小直接影响着地基的变形和稳定性，因此地基附加应力的计算也显得尤为重要。在地基附加应力的计算方面，目前采用弹性理论推导出的公式，并引入地基是半无限空间弹性体和地基土是均匀、连续、各向同性两方面的假设[1]。但是地基土的成层分布及应力历史等因素，使的地基土性参数呈现空间变异性[2]。基于问题的复杂性和不确定性，对于地基附加应力的计算并没有简单成熟的方法。大量试验表明，当地基土作用的荷载不是很大、土中塑性变形区很小时，荷载和变形之间近似成线性关系，基于弹性理论的计算结果与实测值相差不大。
在地基沉降位移的计算方面，也存在很大程度的不精确性，目前确定性的计算方法主要有分层总和法[3]和《建筑地基基础设计规范》法[4]。随着有限元分析技术的日益成熟，目前也有一批学者运用有限元方法对地基沉降进行了研究。
本文通过建立条形基础和方形基础下地基附加应力和位移计算模型，分析了各自附加应力分布规律及位移变形特点，与经典理论进行了对比，以更加生动、形象的方式验证了理论的正确性。
2 模型建立
2.1 条形基础模型
运用Midas-GTS二维建模，建立了条形基础下地基附加应力和位移计算的模型，边界条件采用平面应变。条形基础宽度B为2m，而边界距离取宽度的2～3倍，地基土深度取影响范围之内约6倍宽度[5]；不考虑地基土的空间变异性，取平均重度=20KN/m3，泊松比取为0.25，弹性模量E取5e3kpa，土体内摩擦角为15°，粘聚强度取25kpa；条形基础施加给地基的线荷载为200KN/m。条形基础下地基附加应力和位移计算模型、施加支撑及荷载后网格分别如图1、2和3所示。
2.2 方形基础模型
运用Midas-GTS建立了方形基础下地基附加应力和位移计算的三维实体模型，边界支撑分别在实体底部限制Z方向位移，左右两侧限制X方向位移，前后两侧限制Y方向位移。方形基础宽度B为4m，边界距离取宽度的2倍即8m，地基土深度取为20m；不考虑地基土的空间变异性，取平均重度=20KN/m3，泊松比取为0.25，弹性模量E取5e3kpa，土体内摩擦角为15°，粘聚强度取25kpa；方形基础施加给地基的均布面荷载为200KN/m2。
方形基础下地基附加应力和位移计算模型、施加支撑及载荷后网格分别如图4、5和6所示。

图1 条形基础计算模型 图2 施加支撑后条形基础模型

图3 施加载荷后条形基础计算模型 图4 方形基础计算模型

图5 方形基础计算模型 图6 方形基础计算模型（正立面）

3 分析结果查看
3.1 条形基础结果
运行Midas-GTS对条形基础下地基土的附加应力及位移进行分析计算，在结果表单中查看位移、内力和应力的各项分布，总结出一些特点和规律。位移分布、内力分布和应力分布分别如图7～12所示。

图7 条形基础下地基X方向位移

图8 条形基础下地基Y方向位移

从位移图可以看出，地基土在条形基础作用下，X方向产生向侧下方的挤压变形，呈蝶形分布类型；Y方向产生竖向位移，呈椭圆环形分布，在条形基础中心下较小土体范围内，沉降最大。

图9 条形基础下地基FX反力

图10 条形基础下地基FY反力

从内力分布可以看出，条形基础地基FX反力最大发生在地基土侧壁离地面约2/3位置，FY反力最大发生在正对条形基础下的地基土地面位置，大致呈现直线分布特征。

图11 条形基础下地基附加应力分布

图12 条形基础下地基附加应力分布

从应力分布图可以看到，条形基础下地基附加应力分布呈蝶形分布，应力分布等值线表明，最大应力分布在条形基础下侧一较小范围内，应力影响较明显区域大致分布在1.5倍基础宽度范围；条形基础下地基附加应力分布呈椭圆形分布，应力分布等值线表明，最大应力分布在条形基础下侧一较小范围内，应力从内到外按照从大到小环形扩散分布，应力影响较明显的区域大致分布在4倍基础宽度范围，与理论分析有一定出入，原因在于建模时没有考虑土体自重的影响。
3.2方形基础结果
运行Midas-GTS对方形基础下地基土的附加应力及位移进行分析计算，在结果表单中查看位移、内力和应力的各项分布，总结出一些特点和规律。位移分布、内力分布和应力分布分别如图13～20所示。

图13 方形基础下地基X方向位移

图14 方形基础下沿垂直Y剖切所得X方向位移

图14 方形基础下地基Y方向位移

图15 方形基础下沿垂直X剖切所得Y方向位移

图16 方形基础下地基Z方向位移

图17 方形基础下沿垂直X剖切所得Z方向位移

从X、Y和Z方向位移分布云图得知，X、Y方向位移分布基本相同，产生侧下方挤压变形，呈现蝶形分布特征；Z方向位移在方形基础下侧某一局部区域最大，而后按照环形递减的顺序向外扩散。

图18 方形基础下地基土分布

图19 方形基础下地基土分布

图20 方形基础下地基土分布

从X、Y和Z应力分布等值线得知，方形基础下地基附加应力在X和Y方向分布大致相同，大致呈曲线分布，蝶形特征逐渐消失；Z方向应力分布呈大致环形递减，但影响范围较浅。
4 结 论
运用Midas-GTS建立了条形基础和方形基础的地基附加应力和位移计算模型，条形基础采用二维建模，方形基础采用三维实体建模。通过程序，分析了两种基础下地基土附加应力和位移分布特征，得到了如下结论：
1）条形基础作用下地基土在X方向产生向侧向下的挤压变形，呈蝶形分布特征；Y方向产生竖向位移，呈椭圆环形分布，在条形基础中心下较小土体范围内，沉降最大。
2）条形基础下地基附加应力呈蝶形分布，最大应力分布在条形基础下侧一较小范围内，应力影响较明显区域大致分布在1.5倍基础宽度范围；附加应力分布呈椭圆形分布，最大应力分布在条形基础下侧一较小范围内，应力从内到外按照从大到小环形扩散分布，应力影响较明显的区域大致分布在4倍基础宽度范围。
3）方形基础下地基在X、Y方向位移分布基本相同，产生侧下方挤压变形，呈现蝶形分布特征；Z方向位移在方形基础下侧某一局部区域最大，而后按照环形递减的顺序向外扩散。
4）方形基础下地基在X和Y方向应力分布大致相同，大致呈曲线分布，蝶形特征逐渐消失；Z方向应力分布呈大致环形递减，但影响范围较浅。
参考文献
[1]～[5] 肖绍然.土力学[M].郑州：郑州大学出版社，2007，1.
[2] 包承钢，高大钊，张庆华.地基可靠度分析的一般理论［M］.武汉：武汉测绘科技大学出版社，1997，1-18.

基于强度折减法的Midas-GTS二维边坡稳定性分析
周 森
（华南理工大学土木与交通学院 09岩土工程）
摘 要：介绍了有限元强度折减法的基本原理，阐述了该方法建立模型的原则、分析边坡的优点、边坡整体失稳的依据。结合建立的二维边坡模型，基于有限元强度折减法，运用有限元软件 Midas/GTS对该边坡进行了数值分析，得到了边坡在自重作用下的水平位移等值云图、应力与应变云图及安全系数指标，依此确定了最危险滑面位置和形状以及整体失稳的安全系数。
关键词：有限元强度折减法；边坡；滑动面；安全系数
1 强度折减法的基本原理
极限平衡法和塑性极限分析法是土坡稳定分析中的传统方法，基于强度折减的有限元法用于边坡稳定分析是较新的方法。有限元强度折减法 (以下简称有限元法 )的基本原理是将坡体强度参数粘聚力和内摩擦角值同时除以一个折减系数F[1-2]，得到一组新的和值，即经过折减后的抗剪强度指标为
（1）
（2）
然后将和作为新的计算参数输入，再进行试算；当计算不收敛时，对应的F被称为坡体的最小稳定安全系数，此时坡体达到极限状态，发生剪切破坏，同时可以得到坡体的破坏滑动面。应用有限元法需满足以下条件[3]：1）要有一个成熟的有限元程序；2）选择可供实用的弹塑性模型和强度屈服准则；3）计算范围、边界条件、网格划分要满足计算要求。
强度折减法是基于有限元计算理论之上的边坡整体稳定分析方法，因此它具有有限元法的一切优点。与传统的极限平衡法相比，边坡稳定分析的有限元法的优点总结如下[4]。1)破坏面的形状或位置不需要事先假定，破坏自然地发生在土的抗剪强度不能抵抗剪应力的地带(或者称为岩土体剪切带)，在求解安全系数时，不需要假定滑动面的形状和位置，也无须进行条分，而是由程序自动求出滑动面，从而避免了人工划分滑动面过程中存在误差；2)由于有限元法全面满足了静力许可、应变相容和应力应变之间的本构关系，因此不必引入假定条件，保持了严密的理论体系；3)采用数值分析方法，可以不受边坡几何形状的不规则和材料的不均匀性的限制，因此是一种比较理想的分析边坡应力、 变形和稳定性态的手段，有限元解提供了应力变形的全部信息。
Midas-GTS在运用于岩土工程数值分析以来，其精度可以满足大多数工程分析需要，且提供了众多可供选择的强度准则。本文采用Mohr-coulomb强度准则。
2 Mohr-coulomb强度准则
Mohr-coulomb破坏准则表示如下
（3）
式中，为土体极限剪应力，土体为粘聚强度，土体为内摩擦角。其该强度具有简单而且准确的优点，至今被广泛应用于土质材料的分析中。
该强度准则用应力不变量I1、应力偏量不变量J2和罗德角表示为[5]
（4）

图1 Mohr-coulomb强度准则在主应力空间中的表示
莫尔－库仑破坏准则在土质材料的分析上有两个主要缺点。第一是没有考虑第二主应力对破的影响，这与试验结果不相符；第二是莫尔图形的子午线和破坏包络线是直线，内摩擦角不随约束压力(或者静水压力)变化。所以当约束压力在限制范围内时，该准则结果准确；但是当约束压力在限制范围以外时，准确性将会降低[5]。正因为该准则在实用的约束压力范围内具有较高的准确性，并且使用简单，所以在岩土分析中被广泛应用。
3 二维边坡模型
建立的二维边坡模型分两个界面。第一个界面为粘土层，弹性模量E取1.0e5 kpa，粘聚强度取50kpa，内摩擦角取36°，土体重度=20KN/m3，泊松比取0.3；第二个界面为软弱夹层，弹性模量E取1.0e4 kpa，粘聚强度取30kpa，内摩擦角取15°，土体重度=20KN/m3，泊松比取0.3。边坡总高度为20m，边坡模型示意如图2所示。

图2 边坡模型示意图

采用有限元软件进行边坡力学分析时，如果按照真实的边坡体模型进行分析，是一个三维力学问题，分析起来耗费时间和计算机资源，其分析结果未必很理想。根据弹性力学理论，将这种在纵向比较长的的边坡体结构简化为平面应变问题来代替三维模型，结果偏于安全[6]。位移边界条件的简化视实际约束的强弱可以简化为固定约束或者铰支约束等。边界条件为：下部边界固定，左右边界水平约束，采用四边形单元划分网格，可在坡肩与坡趾区域局部以及粘土层和软弱夹层交界面处加密网格尺寸，有利于提高有限元计算结果的精确度。Midas所建边坡模型及模型网格划分、归并分别见图3、4和5。

图3 Midas边坡模型示意图

图4 二维边坡网格划分

图5 二维边坡网格归并

在定义边坡支撑条件时，为方便期间，直接选择地面支撑，这样就在坡底施加了水平及竖向约束，在坡体两侧施加了水平方向约束。定义坡体土体自重方向沿Y轴负方向，即重力方向竖直向下。施加边界支撑及自重的网格划分如图6所示。

图6 施加边界支撑及自重的网格划分

4 分析结果查看
定义施工工况后，运行Midas-GTS分析按钮，则程序自动按照强度折减进行分析。分析历时约660.37s，合约12mins。首先可以从结果表单中，查得稳定安全系数Fs为1.9375，如图7所示。

图7 边坡安全系数Fs

4.1 坡体位移
由结果表单提取边坡在水平方向和在竖直方向上的位移。结果表明，边坡在水平方向上的最大位移发生在边坡坡趾位置，最大位移为0.061913m，方向水平向右；边坡在竖直方向上的最大位移发生在坡肩位置，最大位移为0.073278m，方向竖直向下。边坡水平方向上的位移分布及位移向量云图如图8、9所示，竖直方向上位移分布及位移向量云图如图10、11所示。

图8 边坡水平方向的位移

图9 边坡水平位移向量云图

图10 边坡竖直方向上的位移

图11 边坡竖直位移向量云图

4.2 坡体应力
由结果表单提取边坡在水平方向和在竖直方向上的应力。结果表明，边坡在水平方向和竖直方向上的最大应力均发生在边坡坡底脚部，出现应力集中现象。绝对值最大应力分别为1.665×102 kpa和3.897×102 kp。边坡水平和竖直方向上的应力如图10、11所示。

图10 边坡水平方向应力分布

图11 边坡竖直方向应力分布

4.3 坡体应变
边坡坡体水平、竖直方向和剪应变分布分别如图12、13和14所示，其中水平最大应变为=6.58×10-2，竖直方向最大应变为=5.77×10-2，最大剪应变为=0.151。

图12 边坡水平方向应变

图13 边坡竖直方向应变

图14 边坡剪应变分布

5 结 论
运用Midas-GTS对所建立的二维含软弱夹层边坡进行了强度折减分析，根据分析结果，得到如下结论。
1）运用Midas-GTS进行强度折减时，初始安全系数设为1.0，然后根据在边坡稳定性分析（SRM）设置选项中，定义折减步数，可运行程序自动得到安全系数指标，比Ansys等有限元软件分析过程智能化。本文所建模型，分析所得安全系数指标Fs为1.9375。
2）边坡水平最大位移发生在边坡坡趾位置，最大位移为0.061913m，方向水平向右；在竖直方向上的最大位移发生在坡肩位置，最大位移为0.073278m，方向竖直向下。
3）边坡水平和竖向最大应力均发生在边坡坡体脚部处，且出现应力集中现象。
参考文献
[1] 时卫民，郑颖人，张鲁渝.岩石高边坡的有限元分析及其简化分析方法 [ J ].地下空间，2001，21 (5) .
[2] 张彩双.有限元强度折减法的边坡稳定分析 [ J ].中国农村水利水电，2006 (5) ：99.
[3] 郑颖人，陈祖煜.边坡与滑坡工程治理 [M ].北京：人民交通出版社，2007，194 - 204.
[4] 郑颖人，赵尚毅.有限元强度折减法在土坡与岩坡中的应用[ J ].岩土力学与工程学报，2004， 23 (19) .
[5] 郑颖人，沈珠江，龚晓南.岩土塑性力学原理[ M].北京：中国建筑工业出版社，2004，2.
[6] 张永兴，贺永年.岩石力学[ M].北京：中国建筑工业出版社，2008，3.

基于Midas-GTS的二维隧道衬砌模拟分析
周 森
（华南理工大学土木与交通学院 09岩土工程）
摘 要：隧道开挖过程中，衬砌的设置对保证隧道的稳定性有至关重要的作用。在新奥法（NATM）隧道施工中，常将锚杆和喷射混凝土作为主要的支护手段，对隧道围岩进行支护，以便控制围岩的变形和松弛。因此，隧道衬砌的力学特性对隧道结构设计非常重要。在探讨围岩、衬砌共同作用的基础上，运用Midas-GTS建立了二维隧道衬砌模型，分析了其受力特性，对隧道结构设计具有一定的参考意义。
关键词：隧道开挖；衬砌；共同作用；受力特性
1 新奥法（NATM）的力学原理
20世纪60年代，奥地利工程师L.V.Rabcewicz在总结前人经验的基础上，提出了一种新的隧道设计施工方法，成为新奥地利隧道施工方法（New Austrian Tunneling Method），简称为（NATM），新奥法目前已成为地下工程的主要设计施工方法之一[1]。
新奥法是应用岩体力学原理，以维护和利用围岩的自稳能力为基础，将锚杆和喷射混凝土作为主要支护手段，及时对隧道围岩进行支护，以便控制围岩的变形与松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，形成了以锚杆、喷射混凝土和隧道围岩三位一体的承载结构，共同支撑山体的压力。
在实际施工过程中，常常采用二次支护，是因为洞室开挖后，尽可能及时进行初期支护和封闭，保证周边不产生松动和坍塌；塑性区内岩体保持一定的强度，让围岩在有控制的条件下变形。通过围岩变形监测，掌握洞室周边位移和岩体、支护变形情况，待位移和变形基本趋于稳定时，再进行二次支护。
2 围岩压力的计算方法
2.1 深埋地下工程围岩压力计算
围岩压力的计算对衬砌受力特点及衬砌力学参数的设计有决定作用。地下工程围岩压力的确定，目前直接测量法、工程模拟法和理论围岩压力估算法等。在围岩压力理论方面，国外常用普氏理论，即基于塌落拱的计算原理和K.Terzaghi理论；国内常按照公路铁路部门，推荐的围岩压力计算方法。
1）普氏理论[2]
作用在支护结构上竖直均布压力为
（1）
（2）
式中，为土体重度，为坑道高度，为水平均布围岩压力，为围岩的似摩擦角。按照普氏理论计算的竖向压力，对于软土质底层偏小，对于硬土质和坚硬层则偏大，一般适用于松散、破碎围岩中。
2）K.Terzaghi理论
K.Terzaghi理论把隧道围岩视为散粒体，坑道在开挖后上方围岩形成卸落拱，由距地面深度为h的土层水平条带的力的平衡条件列出微分方程，并由边界条件解得在竖向压应力的计算公式为
（3）
式中，为土体重度，为松动宽度之半，为侧压力系数，为围岩似摩擦角，h为隧道埋深。 随着埋深h的增大，趋近于
（4）
当取为1.0时，
（5）
3）我国有关部门推荐方法[3]
我国公路铁路部门，以工程模拟法为基础，统计分析了我国数百公路铁路隧道的塌方调查资料，统计出围岩竖直均匀压力的计算公式为
（6）
式中，为竖直均布压力，S为围岩级别，为围岩重度，为宽度影响系数，的取值按照规范规定。
2.2 浅埋地下工程围岩压力计算[4]
1）当埋深≤等效荷载高度时，侧向压力计算公式为
（7）
式中，为侧向均布压力，围岩重度，为隧道埋深，为隧道高度，为计算摩擦角。
2）当埋深>等效荷载高度时，作用在支护上侧压力为
（8）
因此，作用在支护上的侧压力为
（9）
（10）
侧压力视为均布应力时为
（11）
3 二维衬砌模型
模型选取隧道型式为二维衬砌，隧道埋深设为3.5m，上覆土体重度为=20KN/m3，内摩擦角为30°，土压系数；喷射混凝土重度=25KN/m3，设计标准强度为=2.7×106KN/m3，弹性系数=2.77×107KN/m3，泊松比取为0.18；隧道形状采用3心圆隧道，=6.0m，=4.5m，∠A1=∠A2=60°。运用Midas-GTS几何建模如图1、2所示。

图1 二维隧道衬砌模型图 图2 二维隧道衬砌单元坐标系

模型建立后，分别施加地基弹簧、侧向力梯形分布荷载及竖向荷载，并且对荷载进行组合。地基弹簧设置、荷载分布及组合如图3、4、5所示。

图3 施加弹簧地基后的隧道衬砌模型

图4 施加载荷后的隧道衬砌模型

图5 荷载组合后隧道衬砌模型

4 分析结果查看
分析过程结束后，进入Midas-GTS结果查询表单，可查得隧道衬砌在自重荷载、竖直荷载水平荷载及组合荷载下衬砌的位移、内力和应力分布。该软件提供的可视化的分析结果，可以仔细方便地查看和输出结果。
4.1 衬砌位移
根据显示的结果可知，组合荷载下隧道衬砌在水平方向上的最大位移发生在隧道侧壁位置，最大位移约为13.38mm；在竖直方向上的最大位移发生在隧道拱顶位置，最大位移约为43.75mm，方向向下；隧道底部发生向上的隆起变形，最大位移约为5.28mm，方向向上。组合荷载下隧道衬砌水平和竖直方向的位移如图6、7所示。

图6 组合荷载下隧道衬砌水平方向位移

图7 组合荷载下隧道衬砌竖直方向位移

4.2 衬砌内力
组合荷载下隧道衬砌对Y方向的弯矩在衬砌侧壁达到最大，最大绝对值弯矩为421.57KN·m，衬砌底部最大绝对值弯矩为352.24 KN·m。组合荷载下隧道衬砌My分布如图8所示。
组合荷载下隧道衬砌Z方向轴力在衬砌底部左右对称分布，最大绝对值轴力为648.67KN。X方向轴力在衬砌侧壁底部达到最大，最大绝对值轴力为947.37KN，在尖角部位容易出现应力集中现象。Z和X方向上的应力分布，与轴力分布规律相似。组合荷载下衬砌轴力分布如图9～12所示。

图8 组合荷载下隧道衬砌My分布

图9 组合荷载下隧道衬砌Z方向轴力

图10 组合荷载下隧道衬砌X方向轴力

图11 组合荷载下隧道衬砌X方向应力分布

图12 组合荷载下隧道衬砌Z方向应力分布

5 结论
运用Midas-GTS建立了二维隧道衬砌模型，在探讨围岩与衬砌相互作用的机理上，分析了隧道衬砌在围岩压力作用下的位移、内力和应力，得到了如下结论。
1）隧道二维衬砌在荷载作用下，最大水平位移发生在衬砌侧壁部分，最大竖直位移发生在衬砌拱顶部位。
2）隧道二维衬砌在荷载作用下，在隧道截面有尖角或突变的部分容易发生应力集中，因此在隧道截面形状选区中，截面平滑的隧道（像圆形、马蹄形等）受力较为均匀。
参考文献
[1] 张永兴，贺永年.岩石力学[ M].北京：中国建筑工业出版社，2008，3.
[2] E.Hoek and J .W. Bay著.岩石边坡工程[ M].北京：冶金工业出版社，1983.
[3] JTG D70—2004，《公路隧道设计规范》[ S].
[4] 徐干成，白洪才，郑颖人等著.地下工程支护结构[ M].北京：中国水利水电出版社，2002.

基于Midas-GTS的三维基坑施工阶段模拟
周 森
（华南理工大学土木与交通学院 09岩土工程）
摘 要：运用了Midas-GTS建立了三维基坑施工阶段分析模型，三维基坑模型采用连续墙+内支撑的支护方案。连续墙在深基坑开挖支护中是采用较多的支护形式，有其使用的范围和特点，安全性和稳定性较高。在对该三维基坑各工况下的应力、位移和内力分析的基础上，对基坑施工阶段的整体稳定性做了评估。
关键词：三维基坑；支护；有限元分析；稳定性
1 模型介绍
1.1 连续墙特点及适应范围
地下连续墙适用于软土或沙土等要求高的场地，最大的优点是防水效果好，结构安全性高[1]，可与地下室侧墙结合施工，整体性好，施工技术难度较难、速度较慢，对机械要求程度较高，占用场地较大[2]。
1.2 模型建立
本三维基坑支护体系选择地下连续墙+内支撑方案。基坑开挖深度为15m，基坑长20m，宽10m，为矩形基坑。在基坑四个角部采用角撑，在横向采用对撑，支撑梁截面B×H =800×600mm；土体分为粘土层和风化岩两种，其中粘土层弹性模量E取5e4 kpa，粘聚强度取40kpa，内摩擦角取10°，土体重度=19KN/m3，饱和重度=20KN/m3，泊松松比取0.3；第二个界面为风化岩，弹性模量E取3.0e45kpa，粘聚强度取60kpa，内摩擦角取35°，岩土体重度=21KN/m3，饱和重度=22KN/m3，泊松比取0.25。地下连续墙采用钢筋笼混凝土浇注，施工中按照地下连续墙施工工艺及工序，墙后为600mm。三维基坑模型如图1、2所示。

图1 施加地基支承后的三维基坑网格

图2 基坑地下连续墙+内支撑体系

2 各施工阶段结果查看
基坑开挖过程分为：初始地应力→地下连续墙施工→开挖1→施工第一道撑→开挖2→施工第二道撑→开挖3→地板浇注。在每个施工阶段完成后，其位移、内力和应力都相应地发生变化。
2.1 各工况位移变化
基坑施工中的变形监测与控制是信息化施工的重点内容。因此，施工中各工况结束后即使对位移变化进行监测是必要的。施工阶段基坑位移变化如图3～11所示。

图3 开挖1基坑X方向位移 图4 加撑1并开挖2基坑X方向位移

图5 加撑2并开挖3基坑X方向位移 图6 开挖1基坑Y方向位移

图7 加撑1开挖2基坑Y方向位移 图8 加撑2开挖3基坑Y方向位移

图9 开挖1基坑Z方向位移 图10 加撑1开挖2基坑Z方向位移

图11 加撑2开挖3基坑Z方向位移

从位移变化可以看出，设计过于保守，基坑在各施工阶段X与Y方向位移变化很小，几乎不到1mm，Z方向为也较小，最后施工阶段最大位移约为6.18mm。
2.2 支撑内力对比
由于各工况内力包括轴力、剪力和弯矩，结果选项较多，故选取代表性的Fy、My变化情况。结果表明，内力Fy在横向对撑端部左右两端力的方向发生变化，且值较大；My较大截面分布在对撑端部和跨中部位，端部承受较大的压应力，中部有向上的挠曲变形。如图12～13所示。

图12 加撑1开挖2时Fy分布 图13 加撑2开挖3时Fy分布

图14 加撑1开挖2时My分布 图15 加撑2开挖3时My分布

2.2 连续墙内力
连续墙在各个情况下的受力情况也较多，故选取X方向的内力做为参考对象。连续墙X内力如图16、17所示。

图16 加撑1开挖2连续墙X方向内力 图17 加撑2开挖3连续墙X方向内力

对比看出，连续墙X方向最大内力区发生在与横向支撑相交的局部区域，呈现抛物线行分布特征。
3 结 论
运用Midas-GTS建立了三维基坑施工阶段计算分析模型，该基坑采用地下连续墙+内支撑的支护体系，施工过程分为开挖1、 加撑1并开挖2、加撑2并开挖3共3个施工阶段。运行分析后，查看了各个施工阶段基坑在X、Y和Z方向上位移变化，内支撑内力和应力，地下连续墙内力和应力变化情况。由于分析工况下数据较多，仅选取各工矿下位移变化、内支撑Fy、My变化和地下连续墙X方向内力分布情况，得到了如下结论：
1）所建模型过去保守，基坑在各施工阶段X与Y方向位移变化很小，几乎不到1mm，Z方向为也较小，最后施工阶段最大位移约为6.18mm。
2）支撑内力Fy在横向对撑端部左右两端力的方向发生变化，且值较大；My较大截面分布在对撑端部和跨中部位，端部承受较大的压应力，中部有向上的挠曲变形。
3）连续墙X方向最大内力区发生在与横向支撑相交的局部区域，呈现抛物线行分布特征。
参考文献
[1] 杨光华.深基坑支护结构的实用计算方法及其应用[M].北京：地质出版社，2004，4.
[2] 黄仕香，潘健，刘红等.广州地铁五山站基坑围护结构设计探讨[J].2004海峡两岸地工技术/岩土工程交流研讨会.

广州陈家祠广场及周边环境综合整治地下空间工程基坑支护结构设计
周 森
（华南理工大学土木与交通学院 09岩土工程）
摘 要：作为广州亚运工程之一的陈家祠广场是陈家祠岭南文化广场扩建工程的首期工程，依据地质、水文和复杂的环境条件，本着安全、经济、保证工期的施工原则，提出了钻孔灌注桩加一道内支撑外加两排搅拌桩形成封闭止水帷幕的支护方案。在综合考虑工程施工对周围重要建筑物（构筑物）影响的基础上，提出了对基坑、地铁隧道设施结构安全进行监测的方案，可为类似工程基坑支护设计提供参考。
关键词：基坑支护；设计；影响；监测
0 引 言
随着城市中心地带用地紧张的加剧，城市建设向地下发展的力度也逐步加大。北京、上海、深圳、广州、武汉、重庆、天津等20余个大中城市相继开始或完成了以城市地铁、商业街等为主体的地下空间开发规划，并且也正在进行大型地下设施的建设[1]。在城市繁华闹市区进行地下空间基坑开挖往往会面临施工场地狭小，周边环境复杂等问题。例如，上海市黄浦区155#东街坊地块项目就位于闹市中心，周围既有地铁、旧式民宅和需要保护的建筑，又有众多管线分布在基地周围[2]。在这样的情况下，基坑开挖不仅要保证自身的安全性，更要在设计和施工阶段充分考虑基坑开挖对周围建筑物（构筑物）的影响，选择合理的基坑支护方案和制定详细的监测方案，以便在基坑开挖过程中实现“信息化施工”和“动态设计”，及时将施工信息加以反馈，从而可以根据反馈信息对施工工艺、设计参数进行调整并对突发情况进行处理。本文在对广州陈家祠广场及周边环境综合整治工程地质、水文和复杂的周边环境进行深入分析的基础上，提出了钻孔灌注桩加一道内支撑外加两排搅拌桩形成封闭止水帷幕的支护方案，并考虑基坑开挖对基坑本身以及对基坑南侧地铁一号线的影响，制定了详备的监测方案和应急措施，以确保施工安全、经济、合理。
1 工程概况
1.1 工程简介
该地下空间工程项目位于广州市荔湾区中山七路与康王北路交汇处，南侧紧邻中山七路，北侧毗邻陈家祠，西侧紧邻荔湾区人民政府。拟建场地东侧现为公园，西侧原为市三十二中学，现已经人工拆迁整平，地势较为平坦。场地拟建一层地下车库，占地面积约10 000m2，可提供约445个停车位。地下车库设计净高5.1m，车库建成后在其顶部回填土体，建成一个绿化率达80%的广场，并把陈家祠全貌凸现出来。作为荔湾区“四区一街”迎亚运工程项目之一，该工程预计亚运前完工，将与二、三期工程结合，建成一个具有岭南建筑特色和人文气息，集旅游、休闲、文化、娱乐于一体的陈家祠岭南文化广场。
地下空间基坑顶标高为﹣0.070m，基坑底标高为-8.270m，基坑开挖深度为8.20m，考虑到基底清淤换填的可能，在计算时将开挖深度增加1m。基坑设计等级为一级。北面与陈家祠相距约22m，基坑顶边线离用地红线约为4.80m；南面临近中山七路，基坑顶边线距离用地红线约23.9～32.0m，基坑南侧与地铁一号线相邻，基坑边线与地铁车站主体内边线距离为6.80m～20.05m；西面与荔湾区人民政府相距约22.6m，基坑顶边线距离用地红线约3.10m～5.50m；基坑东侧与地铁八号线相邻，基坑边线与地铁车站主体内边线距离约为2.2m～25.10m。由于周围管线均需迁移及重新架设，所以基坑设计可基本不考虑周围管线的影响。工程场地及周边环境如图1所示：

图1 陈家祠广场及周边综合整治地下空间工程场地及周边环境

1.2 工程地质条件
根据钻探揭露的情况，勘察场地地基土主要由人工填土（Qml）、沼泽沉积层（Qh）、第四系冲积层（Qal）及残积层（Qel）组成；基岩为白垩系上统（K2）泥质粉砂岩。各土层的分布及有关工程地质特征从上至下分述如下：
（1）人工填土层（Qml）：①混凝土层（Qml）：层厚0.20～0.80m，多为碎砖块、混凝土碎石块等，坚硬；②杂填土（Qml）：层厚0.90～5.70m，褐灰色、杂色，由碎砖块（含量约30%～50%）、粘性土（约30%～40%）及中粗砂组成，稍湿，松散；
（2）第四系淤积层（Qh）：③淤泥（Qh）：层厚为0.60～8.10m，层顶埋深0.80～5.70m，
褐黑色，以粘粒及粉粒为主，含腐殖质及少量有机质，局部间夹粉砂，腥臭、饱和、流塑；
（3）第四系残积层（Qel）④粉质粘土（Qel）：层厚为0.80～13.30m，层顶埋深3.40～12.60m，褐红色，以粘粒、粉粒为主，含少量风化岩块及粉细砂，湿，可塑；⑤含砂粉质粘土（Qel）：层厚为0.70～6.90