搜索
淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第1页共27页1绪论1.1问题的提出伴随着我国改革开发以来经济的高速发展，城镇化也加快了脚步，众多的人口涌入城镇，低层建筑以其容量小、地上地下空间没有充分利用而无法满足人们日益增长的需求；一般的路面公共交通因其破坏坏境、噪声和振动的影响而很难让人接受。为解决城镇化带来的住房难、交通难等问题，建筑业也发生了巨大变革，城市高层建筑不断涌现，而且向着更高、更复杂的趋势发展；对于交通发展高效地下有轨公共交通，形成四通八达的地下交通网已成为出现在各大城市的规划蓝图上[1]。无论是高层建筑还是地下交通系统都涉及到一个重要的问题，那就是基坑。大大小小由于基坑失稳造成的事故出现在各大新闻媒体上，轻则财产损失，重则人身伤害，一起起建筑事故敲响了警钟，给了我们警示，让我们不得不重视起基坑基坑稳定性对建筑的影响。在基坑开挖中，影响其安全的因数众多。内因有土壤类别、土湿化程度、支护施工、开挖速率等，外因有气候、临近建筑、坡度、坑壁形式、地表水等[18]，其中开挖速率可操作性较大，合理的开挖速率可以保证基坑的稳定性，同时充分发挥人、材、机等作用。所以研究开挖速率对基坑稳定性的意义重大。1.2基坑稳定性研究现状1.2.1国外基坑稳定性研究现状（1)起步阶段起步阶段，滑坡研究开始于20世纪20年代的瑞典，瑞典人彼得森最早提出了条分法。但之后的20年左右的时间里世界各国对滑坡的研究也只是零星的和片段的。大多数国家都是由单独的研究人员进行小规模的滑坡研究，只有瑞典、挪威、前苏联是由国立土工研究所进行滑坡研究，并发表过一些著作和论文，其中瑞典人取得的成果最大。原苏联曾于1934年和1946年召开过两次全国性的滑坡会议。瑞典条分法同时考虑了粘聚力和摩擦力，缺点是原理粗浅而且它的基本假定脱离了实际情况是一个肤浅的理论，还有待进一步完善。（2）初步发展阶段初步发展阶段(20世纪50年代)，人们开始考虑岩体的结构面和材料特性，并且随着理论的研究，出现了极限平衡论和弹塑性理论，这些新角度新方法的出现显然推动了基坑稳定性研究的进步。接着索柯夫斯基在1954的时候提出了松散介质极限平淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第2页共27页衡原理，但是这种方法存在着一些缺陷，会发现计算的结果与实际不符，其原因是没有考虑到岩体的力学状态和结构面，后来其他人在他的基础上完善了他的理论并提出一种基坑稳定性的方法，完善了这个时期基坑稳定性分析的发展。（3）深入发展阶段深入发展阶段(20世纪60年代)，这个阶段比较清晰明朗，人们对稳定性分析的角度主要是两个方面。一是考虑岩体中的结构面，以极限平衡理论为基础，运用图解法和计算分析法求出安全系数来判断其稳定性。1.2.2国内基坑稳定性研究现状由于长时间的封建社会以及战争，新中国解放以前在基坑稳定性分析这方面几乎没有什么研究，要远远地落后于欧美等国。但中国那些可敬的研究人员们奋发图强使新中国成立以后基坑稳定性分析取得了很大的进步。总的来说，可分为以下四个阶段：(1)起步阶段起步阶段（20世纪50年代），主要以地质灾害为着眼点，通过工程地质类比法与极限平衡法等定性的分析方法，初步实现一些基本的基坑稳定性分析和防护设计。(2)进步阶段进步阶段（20世纪60年代）当时使用的主要方法是实体比例投影法，既通过赤平极射投影，来实现对基坑岩体的结构类型的划分，同时提出了岩体结构与控制的观点，用该方法对块体的破坏进行计算更快捷准确，并开展了许多大型的野外岩体力学实验为进一步基坑稳定性研究打下了基础。(3)进一步发展阶段进一步发展阶段(20世纪70年代)，这个阶段已经开始了研究基坑的变形破坏机理工作。并开始运用弹塑性力学极限平衡理论等方法来分析和评价基坑的稳定性。潘家铮提出了滑坡极限分析的极大值原理和极小值原理两条基本原理进一步扩充了关于基坑稳定性研究的理论知识。随着科技的不断进步，理论知识和硬实力的提高也使得有限单元法、边界元法、离散元法等更前沿的方法进入评价基坑的稳定性、分析基坑变形破坏的条件的这个领域中。(4)逐渐成熟阶段逐渐成熟阶段（20世纪80年代），人们开始从整体上认识基坑稳定性的发展趋势以及基坑的变形破坏机理。诸如块体理论、DDA法、灰色理论、模糊数学、数据库与专家系统、计算机仿真技术、损伤断裂力学理论、神经网络模型和遗传算法等一些新淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第3页共27页理论、新技术、新方法开始出现并被运用到基坑稳定性研究，这些方法的出现为预测基坑的稳定性开创了更为广阔的前景[2-4,16-17]。1.3选题的意义基坑工程是土力学基础工程中一个古老的传统课程同时又是一个综合性的岩土工程问题，它几乎涉及到岩土力学与工程的各个方面：包括土力学、工程地质学、水文地质学、结构力学以及监理、监测、施工方法等多个领域[5-6]。基坑越挖越深带来一个突出问题,即基坑的设计和施工已成为地下工程领域的热点。如何设计合理的深基坑支护和施工方案，做到既经济合理又安全可靠是岩土工程界的重要研究课题之一。基坑工程是整个建筑物建造过程中的关键的一步，而已造价也占了总造价的将近三分之一。可以说基坑施工的成败关系到整个工程的成败。基坑综合防护设计日益引起社会的重视。基坑设计不仅仅需要因地制宜地选择实用、合理、经济、美观的工程措施，确保人民的生命安全和财产，同时达到与周围环境的相对协调与平衡，以及美化社会的效果。不同的开挖速率影响着基坑的稳定性，因此，找出合适的开挖速率可以消除安全隐患，对于保证工程的顺利进行，减少工程投资，保护人民群众的生命财产安全都有着重要的意义。2研究方法2.1基本思路针对现实中的基坑稳定性问题，在研究思路与方法上以FLAC3D软件模拟实验和计算为主，最后实验数据分析或实测数据与计算结果进行对比。并结合相关的图例进行说明，最后对设计成果加以检验的方法。2.2FLAC程序简介FLAC是快速拉格朗日差分分析（FlacLagranglanAnalysisofContinua）的简写，渊源于流体动力学，最早由Willkins用于固体力学领域。FLAC3D程序自美国ITASCA咨询集团公司推出后，已成为目前岩土力学计算中的重要数值方法之一。该程序是FLAC二维计算程序在三维空间的扩展，用于模拟三维土体、岩体或其他材料体力学特性，尤其是达到屈服极限时的塑性流变特性，广泛应用于边坡稳定性评价、支护设计及评价、地下洞室、施工设计（开挖、填筑等）、河谷演化进程再现、拱坝稳定分淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第4页共27页析、隧道工程、矿山工程等多个领域[7-9]。2.3FLAC3D的特点FLAC3D包含11种材料本构模型、5种计算模式、多种边界条件、多种结构形式：1.11种材料本构模型：(1)空单元模型(2)三种弹性模型：各向同性、正交各向异性和横向各向同性(3)七种塑性模型：Drucker_Prager模型、摩尔—库仑模型、应变硬化/软化模型、多节理模型、双线性应变硬化/软化多节理模型、D-Y模型、修正的剑桥模型2.5种计算模式:静力模式、动力模式、蠕变模式、渗流模式、温度模式。3.多种边界条件边界方位可以随意变化边界条件可以是速度边界、应力边界，单元内部可以给定初始应力，节点可以给定初始位移、速度等，还可以给定地下水位以计算有效应力、所有给定量都可以具有空间梯度分布。4.多种结构形式(1)对于通常的岩体、土体或其他实体，用八节点六面体单元模拟。(2)FLAC3D的网格中可以有分界面，这种分界面将计算网格分割为若干部分，分界面两边的网格可以分离，也可以发生滑动，因此，分界面以模拟节理、断层或虚拟的物理边界。(3)FLAC3D包含有四种结构单元：梁单元、锚单元、桩单元、壳单元，可用来模拟岩土工程中的人工结构，如支护、衬砌、锚索、岩栓、土工织物、摩擦桩和板桩等。2.4FLAC3D的基本原理拉格朗日法是一种利用拖带坐标系分析大变形问题的数值方法，并采用差分格式按时步积分求解，随着构形的不断变化，不断更新坐标，允许介质有较大的变形模型经过网格划分，物理网格映射成数学网格，数学网格上的某个结点就与物理网格上相应的结点坐标相对应。对于某一个结点而言，在每一时刻它受到来自其周围区域的合力的影响。如果合力不等于零，结点就具有了失稳力，就要产生运动。假定结点上集中有临接该结点的质量，于是在失稳力的作用下，根据牛顿定律，结点就要产生加速淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第5页共27页度，进而可以在一个时步中求得速度和位移的增量。对于每一个区域而言，可以根据其周围结点的运动速度求得它的应变率，然后根据材料的本构关系求得应力的增量。由应力增量求出t和tt时刻各个结点的不平衡力和各个结点在tt时的加速度。对加速度进行积分，即可得结点的新的位移值，由此可以求得各结点新的坐标值。同时，由于物体的变形，单元要发生局部的平均整旋或整旋，只要计算相应的应力改正值，最后通过应力叠加就可得到新的应力值。到此计算为一个循环，然后按时进行下一轮的计算，如此一直进行到问题收敛。FLAC3D以最大不平衡力来刻划FLAC计算的收敛过程。如果单元的最大不平衡力随着时步增加而逐渐趋于极小值，则计算是稳定的；否则计算就是不稳定的。图2.4（1）2.5FLAC3D处理问题的步骤FLAC3D软件处理问题的步骤：（1）建立模型，产生网格，确定材料性质、边界条件和初始条件；（2）运行程序，建立原始平衡；（3）根据实际工况改变模型的相关条件，比如进行开挖或者改变其他边界条件，重新运行程序达到新的平衡或出现某种形式的变形与破环；（4）根据研究问题的要求，对运行结果进行评价。淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第6页共27页图2.5（1）3基坑稳定性FLAC3D分析3.1基坑开挖FLAC3D分析理论3.1.1基坑开挖模拟的方法在城市地区进行深基坑工程开挖，初始应力场为重力场，使用有限差分法进行模拟时，一般使用空单元法。空单元法的开挖效果是通过被挖单元的“空单元化”，即将要挖掉单元的刚度矩阵乘以一个很小的比例因子，使其刚度贡献变得很小可忽略不计，同时使其质量、荷载等效果的值也设为零来实现的，故称为空单元法。在重力作淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第7页共27页用下，运用空单元法模拟开挖过程时，所求的应力场为该步开挖后的土体实际应力场，所求得的实际位移场需减去初始应力场才为该步开挖后的土体实际位移场。在FLAC3D中，开挖时通过NULL单元实现的。NULL单元是用力模拟从模型中挖去的那部分单元[10]。3.1.2土体模拟FLAC3D中内嵌了11种主要本构模型，本文使用空模型模拟土方开挖过程，使用摩尔-库仑模型模拟土体，这里对这两种模型作简单介绍。空模型代表从岩体或土体模型中移去或开挖的部分，空模型内部的应力将被自动变为零，在这些区域中也没有重力作用；摩尔-库仑模型通常用于描述土体和岩石的剪切破坏，模型的破坏包络线和剪切屈服函数以及拉屈服函数相对应。3.2模型计算分析3.2.1生成网格FLAC3D的网格生成器不但定义网格中单元体的数量，而且还定义网格的形状以与实际问题的几何体相匹配。既可以生成简单的、规则的网格，还可以变形成任意的、复杂的三维几何网格。是由GENERATE通过关键字来完成网格生成的。本文模型尺寸为60m×40m×2m(长×高×宽)，开挖尺寸为20m×12m×2m(长×高×宽)。3.2.2定义本构模型，赋予材料参数值如上文所述，使用空模型模拟土方开挖过程，使用摩尔-库仑模型模拟土体。在FLAC3D中需要的材料参数有两组，一组为弹性变形参数，另一组为强度参数。不同的模型需要定义不同的材料参数值，因为本文采用摩尔-库仑模型，摩尔-库仑模型需淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第8页共27页要定义材料参数及数值,具体运行代码如下：;选取土体本构模型modelmohr;设定土体属性propbulk=1.667e7,shear=5.56e6,cohesion=5e6,friction=26.0rangez=38.3,40.0;土层1Propbulk=3.367e8,shear=1.554e7,cohe