深基坑开挖数值模拟的可靠性研究分析汇总.docx
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深基坑开挖数值模拟的可靠性研究分析汇总
工程硕士学位论文
深基坑开挖数值模拟的可靠性研究分析
作者姓名
李均
学科专业
建筑与土木工程
校内指导教师
谷任国副教授
校外指导老师
徐劲高工
所在学院
土木与交通学院
论文提交日期
2015年10月
ReliabilityAnalysisofNumericalSimulationofDeepFoundationPitExcavationEnormous
ADissertationSubmittedfortheDegreeofMaster
Candidate：
LiJun
Supervisor：
GuRenguo
XuJin
SouthChinaUniversityofTechnology
Guangzhou,China
分类号：
TU4学校代号：
10561
学号：
201220207990
华南理工大学硕士学位论文
深基坑开挖数值模拟的
可靠性研究分析
作者姓名：
李均指导教师姓名、职称：
谷任国副教授
徐劲高工
申请学位级别：
工程硕士学科专业名称：
建筑与土木工程
研究方向：
岩土工程
论文提交日期：
年月日论文答辩日期：
年月日
学位授予单位：
华南理工大学学位授予日期：
年月日
答辩委员会成员：
主席：
委员：
华南理工大学
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：
研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。
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本学位论文属于：
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（请在以上相应方框内打“√”）
作者签名：
日期：
指导教师签名：
日期：
作者联系电话：
电子邮箱：
联系地址（含邮编）：
摘要
随着我国城市化进程快速发展，城市地下空间的开发和利用已成为目前城市基本建设的热点之一。
在有限的土地资源下深基坑的发展最为显著。
而在建筑群林立、地下隧道与管线纵横交错的复杂城市环境中，进行深基坑的施工，必然会对周围已有建筑物的受力和变形产生不利影响，必须严格控制基坑施工工程中围护结构的变形和位移，确保基坑施工和周边建筑物的安全。
工程中常用有限元法分析基坑施工过程中围护结构的内力和变形，为基坑设计和施工提供指导。
本文在总结了深基坑开挖数值模拟的可靠性研究分析的发展现状的基础上，依托广州某一深基坑工程开挖实例，运用MIDAS/GTS和理正设计软件分别模拟分析了该深基坑工程开挖过程中围护结构内力和变形的变化特征，并用现场监测数据对模拟结果进行了对比分析，从而验证和评价MIDAS/GTS和理正设计软件深基坑开挖过程模拟的可靠性。
本文的主要工作如下：
（1）基于实际工程的地质资料，采用MIDAS/GTS对基坑进行了二维建模模拟，分析基坑变形的规律。
（2）对基坑用MIDAS/GTS进行了开挖数值模拟，并将模拟数据与实际监测数据进行了对比研究分析。
（3）通过理正深基坑软件、MIDAS/GTS有限元软件对同一实例工程模拟结果与实际监测结果的对比分析，验证了MIDAS/GTS有限元软件具有更高的可靠性。
对基坑用MIDAS/GTS进行了开挖数值模拟，并将模拟数据与实际监测数据进行了对比研究分析，研究表明数值分析得到的计算结果是可行的。
本文的研究具有一定实用价值，可为今后相关工程的设计与施工提供借鉴。
关键词：
深基坑；基坑监测；可靠性；基坑设计；数值模拟
Abstract
WiththerapiddevelopmentofChina'surbanizationprocess,thedevelopmentandutilizationofurbanundergroundspacehasbecomeoneofthehotspotsoftheformercapitalcity.Inthelimitedlandresourcesfordevelopmentofdeepexcavationmostsignificant.Inbuildingseverywhere,undergroundtunnelsandpipelinescrisscrossingthecomplexurbanenvironment,theconstructionofdeepexcavation,inevitablyadverselyaffectthesurroundingbuildingsandtheexistingforcestructureandthefoundationpitdeformation.Therefore,wemustpitconstructionprojectsindisplacementanddeformationtest.Foundationpitdeformationmonitoringdatatogetthelawtoprovideatheoreticalbasisforpitdesignandconstruction,butalsoonlong-termsafetypitpredictionandanalysis.Thispaperdiscussesthestatusofthedevelopmentofdeepexcavationreliabilityofnumericalsimulationanalysisbyelasticfoundationbeammethod,finiteelementmethodofcontinuousmediaandnumericalanalysisoftheinternalforcesanddeformationoffoundationpitstructure.Inaddition,withspecificprojectexamplesGuangzhou,getreal-timemonitoringdataproceedfromtheearthexcavationengineering,theuseoffiniteelementsoftwareMADISpitmodeladjustmentsandnumericalsimulationanalysisoftheexcavation.Themainworkisasfollows:
（1）Basedonactualengineeringgeologicaldata,usingMIDAS/GTS-dimensionalmodelingoftheexcavationweresimulatedpitdeformationanalysisofthelaw.
（2）FoundationwithMIDAS/GTSexcavationcarriedoutnumericalsimulation,andthesimulationdataandactualmonitoringdataanalysiswerecompared.
（3）Thereasonfordeepexcavationsoftware,MIDAS/GTSfiniteelementsoftwarecomparedwiththeactualmonitoringresultsforthesameinstanceofengineeringsimulationresultsanalysis,toverifytheMIDAS/GTSfiniteelementsoftwarewithhigherreliability.
TopitwithMIDAS/GTSexcavationcarriedoutnumericalsimulation,andthesimulationdataandactualmonitoringdatawerecomparedanalysis,studiesshowthattheresultsobtainedbythenumericalanalysisisfeasible.Thisstudyhassomepracticalvalue,canprovideareferenceforfuturedesignandconstructionofrelatedprojects.
Keyword:
deepfoundationpit,pitmonitoring,reliability,pitdesign,numericalsimulation
目录
摘要I
AbstractII
目录IV
第一章绪论1
1.1研究背景、目的和意义1
1.2深基坑国内外研究现状2
1.2.1国外研究现状2
1.2.2国内研究现状3
1.2.3研究方法及目标4
1.3本文主要工作4
第二章基坑围护结构的内力和变形分析方法1
2.1引言1
2.2弹性地基梁法1
2.2.1弹性地基梁法的基本原理1
2.2.2弹性地基梁法的优缺点分析概述2
2.3数值分析方法3
2.3.1有限元分析的步骤3
2.3.2土体本构模型的选取4
第三章基于MIDAS-GTS的深基坑开挖过程分析6
3.1引言6
3.2MIDAS/GTS软件简介6
3.3Mohr-Coulomb模型简介8
3.4工程实例概况9
3.4.1工程概况9
3.4.2工程地质和水文地质条件10
3.4.3基坑支护设计及施工11
3.5MIDAS/GTS有限元模型建立14
3.5.1模型简化和基本假定15
3.5.2模型简化和基本假定15
3.6数值计算结果分析23
3.7本章小结24
第四章深基坑开挖数值模拟的可靠性分析25
4.1基坑工程简介25
4.2监测目的及意义25
4.3基坑监测分析25
4.3.1基坑监测特点、难点及要点25
4.3.2监测内容与测点布设26
4.3.3监测频率28
4.3.4报警指标29
4.4监测结果分析29
4.4.1周边沉降监测31
4.4.2连续墙变形监测（测斜）32
4.4.3水位监测41
4.5基坑变形模拟值与实测值对比分析42
4.5.1连续墙水平位移模拟时程曲线与实测曲线对比分析42
4.5.2沉降、基坑底隆起模拟曲线与实测曲线对比分析43
4.6本章小结44
第五章基于理正设计软件的深基坑开挖过程分析及评价46
5.1理正软件简介46
5.2理正软件实例模拟46
5.3理正深基坑设计模拟结果49
5.4理正深基坑设计模拟与MIDAS/GTS模拟结果对比分析50
5.5本章小节51
第六章结论与展望52
6.1结论52
6.2展望52
参考文献54
攻读硕士学位期间取得的研究成果57
致谢58
第一章绪论
1.1研究背景、目的和意义
基坑工程是指在建筑地下工程施工时，支护结构施工、降水、土方开挖回填等工程的总称，其包括勘察、设计、施工、监测和检测等，是一项综合的系统工程。
自新中国成立以来，中国政治日益开明、文化日益开化、社会日益和谐、经济日益发达。
三十余年的改革开放给中国经济带来了生机，让战后山河破碎、满目苍夷的中国经济得到了飞速地复苏。
进入21世纪后，中国城市化进程随着经济的飞跃亦是加速推进，至2014年我国的城市化水平已达到54.77%。
在城市化进程中，房地产成为了中国经济的龙头产业，是中国基础性设施的重要组成部分。
近年来，高层超高层逐渐成为了房屋建设的主流趋势，使得高层抗震、抗风成为了土木工程的重要研究课题，而深基坑研究亦是举足轻重。
深基坑的研究与发展能地下空间得到高效利用，缓解城市化过程中凸显出来的用地紧张的矛盾，是城市建设的重要规划方向。
同时深基础作为建筑最基本的受力部分，对上部结构的整体稳定性起着决定性的作用。
因此，深基坑施工也成为土木工程建设中必须掌握的技术。
深基坑所涉及的范围甚广、专业课题甚多，包括地质灾害、地基处理、地质勘探、基坑设计、基坑监测、工程检测工程地质、土力学、基础工程、原位测试技术、环境岩土工程以及施工技术等，涉及强度问题、稳定性问题、变形问题、渗流问题等诸多问题[1]。
其中，研究施工过程中深基坑变形及稳定性问题，对提升深基坑施工的速度、保证深基坑的质量甚至上部结构的质量有着重大意义。
而基坑的支护结构体系，它关系到基坑施工的安全和基坑周边建筑物及其他附属设施的安全。
本论文便以基坑支护体系作为对象，主要研究基坑开挖过程中基坑维护结构的变形，根据实际基坑监测结果验证数值模拟的准确性，为基坑涉及和施工提供理论依据。
有限元数值模拟在深基坑设计施工及课题研究中得到了广泛应用。
有限元分析具有成本低、分析结果理想、影响因素表达清楚等优点，能够有效模拟、事前预测深基坑开挖过程中的变形、位移问题，对深基坑的施工具有重要的指导意义。
有限元类软件分为三类：
一、通用类如ANSYS、ABAQUS，适用范围大，但不够具体，没有针对性，也没内嵌规范，不便规范校核；二、设计类如PKPM、STAAD等，具体、针对性强，内嵌规范，可进行规范校核；三、介于前二者之间，如SAP,MIDAS。
使用频率设计类最高、中间类次之、通用类最少。
然而，有限元软件数值模拟虽在基坑应用广泛，但其对工程实际工程进行了简化而构造出来的简单模型分析，有时仅仅考虑了影响工程的主要因素，从而导致模拟分析的结果与实际变形位移及内力存在一定的差异。
因此，研究数值模拟和实际监测结果之间存在的差异性，验证数值模拟深基坑开挖的可靠性，为指导有限元分析的参数优化及基坑设计以及施工方面有着重要的研究意义。
研究表明，支护结构的内力、基坑稳定性及周围地层的位移与变形对周边建筑物及地下管线的影响，现在尚不能准确地得出定量结果，将来需要通过实施更加周密的监测工作来解决。
其次，数值模拟深基坑开挖的基坑变形、支护结构体系内力实质只是实现基坑的静态预测和控制，而深基坑监测能够实现基坑开挖过程中对深基坑变形与稳定性的动态控制。
综上所述，深基坑监测和实测分析将越来越受到各方面的重视[1]。
数值模拟分析、实验与工程实际监测三者各有用途。
数值模拟分析主要用于工程设计和课题理论研究。
用于工程设计的有PKPM结构设计、理正基坑设计等，用于课题理论研究的有Midas、Ansys、Abaqus、Plaxis等软件。
数值模拟分析的应用属于事前静态控制。
实验主要用于确定材料参数，为数值模拟和理论研究提供依据和模型参数。
而监测主要是实现对工程的动态控制，以保证工程的施工安全和施工质量。
三者用途不一，但服务于同一项目，终需归于统一。
若数值模拟的结果与实际的监测结果相差甚远甚至存在数据或结论上的矛盾，数值模拟将失去其应用价值。
数值模拟为监测提供预测信息，而监测结果为数值模拟提供反馈信息，二者协同工作，形成优势互补，共同实现工程的安全施工，保证工程质量[2]。
因此，分析数值模拟与实际监测结果间的差异性有着极其重要的研究价值。
1.2深基坑国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
20世纪30年代，国外学者也开始研究基坑开挖可靠性这一问题。
后来，世界各地的许多学者纷纷投入研究，并继续在这一领域做出了巨大成就。
并不断地在这一领域取得巨大成就[2]。
20世纪40年代，提出了基坑开挖问题的总应力法来计算基坑的稳定性和支撑负载的大小，这个原则至今仍在使用，但该方法后来有很大的改进和完善[2]。
到20世纪50年代提出深基坑地面隆起法的分析方法。
20世纪60年代检测技术开始在奥斯陆和墨西哥城土深基坑中使用。
Peck（1969）总结了总结了地面下沉，墙体侧向位移和水泥桩墙以及支撑轴力的工程实测值。
从那以后，工程中监测得到大量的数据，以提高基坑变形预测的准确性，并自1970年代以来提出开挖法准则以指导基坑开挖。
Mana和Clough（1981）指出，使用有限元分析，并通过有限元分析的计算结果和实验结果对比分析，得到基坑刚度与最大侧移的关系，进一步提出基坑壁简化计算的位移的模型[3]。
Potts等（1984）认为传统的挡土墙极限平衡设计理论没有不充分考虑支护种类的缺点，其通过有限元分析了两种支撑形式的受力和变形，结果表明，挡土墙极限平衡理论，虽然具有一定的安全系数，但它并没有严格的控制土体容许位移[4]。
Wong和Broms（1989）基于有限元法，研究了粘土的侧壁中的支撑或锚杆变形的影响。
Hashash和Whittle（1996）分析了一系列二维非线性有限元方法的例子。
在过去的20年里，中国城市高层建筑拔地而起的，同时，这些超高层建筑基坑的深度达到10米、20米以上[5]；同时许多基坑工程进行了二维和三维有限元分析。
由于大型工程的实施，深基坑工程的设计和施工技术已取得了很大进步。
1.2.2国内研究现状
在中国，虽然基坑变形研究的技术开始的比较晚，而大量的专业人士和研究人员的深入研究，得到了比较多的基坑理论。
陈永福、刘国彬都引入基于比奥理论对开挖基坑过程进行有限元法数值模拟。
周瑞忠等推出S形函数改善朗肯土压力理论，使其更适用于非极限平衡状态。
许晴认为，土体中的主动和被动方一般处于非平衡状态，采用极限平衡状态的土压力土压力理论，势必造成错误，应使用一个正弦函数来描述土压力和位移的关系，通过随着时间的指数函数来描述土压力变化[[2]。
陈页开提出指数模型来描述土压力和位移之间的关系。
宰金氓、梅国雄基于位移的考虑，提出了的土压力模型。
尚文红、安桂香和李守涛等人进行了动态仿真、逆作法等分析其受力特性。
胡明军提出“拱”效应，分析得出支撑结构的位移与土压力的计算公式，凌俊峰以索非亚排水项目为研究背景，采用数值方法，研究基坑附近的地基沉降的影响，周围的建筑基坑水降水影响[4]。
总之，在与国内外基坑变形的理论和方法的发展过程可以看出，基坑变形理论主要经历了从早期的土压力理论，板桩理论，二维，三维有限元分析，逆分析方法等。
朱合华等结合施工控制的具体工程，通过增加，减少地下连续墙刚度和内支撑刚度大小，采用二维有限元法施工模拟，探讨上述刚度对变形以及支撑结构两者的影响程度[5]。
俞建霖，龚晓南（1998）等表明随着基坑长宽比的增加，基坑中的横截面的主动土压力会将继续下降，而被动土压力将会不断增大，与二维平面应变的结果接近。
研究分析表明随着基坑开挖的长宽比的增加，空间效应减弱，最大水位移已经接近二维平面应变问题[6]。
目前，应用于实际工程的方法很多，由于数值分析方法具有特别的优势，一个大型复杂的地下工程，大多是采用数值方法。
1.2.3研究方法及目标
本文对实际基坑工程进行二维模拟，对于支护结构的位移、周边地表沉降和基坑隆起随基坑开挖施工时的变化特征进行了描述。
并对工程实际监测数据结果进行分析，与数值模拟得到变形的位移和内力结果进行针对性的对比，结果表明：
数值模拟具有准确性以及可靠性，并简略概述偏差原因。
为工程数值模拟的参数优化提供理论依据。
对开挖过程中基坑变形监测和数值模拟分析需要解决的关键问题：
有限元模型的建立，其中包括模型尺寸，材料，本构模型等的选用，粘弹性人工边界的概念以及在有限元软件中具体如何的实现，结构的模态具体分析，变形结果与实测数据的一一对比分析并得出结论。
本文拟采用有限元软件建立土-结构相互作用的分析模型，应用整体分析方法，结构模型自主假设确定，参考前人的研究成果，得出自己的研究结论。
研究的工作基础为大量相关方面的文献资料以及实际工程中的问题。
最后，论文结合工程实测数据进行对比分析。
1.3本文主要工作
本文以广州XXX基坑支护工程位于广州市海珠区。
以此基坑支护工程为研究对象，采用MIDAS/GTS对基坑进行了二维建模模拟，并用MIDAS/GTS进行了开挖数值模拟，将模拟数据与实际监测数据进行了对比研究，分析了基坑开挖的可靠性。
本文的主要工作如下：
（1）分析基坑变形的规律，了解基坑监测的重要性并对基坑变形问题进行总结。
（2）基于实际工程的地质资料，采用MIDAS/GTS对基坑进行了二维建模模拟，分析基坑开挖过程。
（3）对基坑用MIDAS/GTS进行了开挖数值模拟，并将模拟数据与实际监测数据进行了对比研究分析，验证了数值模拟对基坑开挖可靠性分析是可行的。
（4）采用理正深基坑软件、MIDAS/GTS有限元软件对同一实例工程模拟结果与实际监测结果的对比分析，验证了MIDAS/GTS有限元软件具有更高的可靠性。
第二章基坑围护结构的内力和变形分析方法
2.1引言
内力及变形分析基坑支护结构设计的一个重要组成部分。
早期古典分析方法如平衡法、法国的自由端、等效束法、塑性铰方法、分析方法。
例如三个肩邦雄法、弹性和弹塑性法的方法。
由于其自身的局限性在理论上存在但难以满足挖掘复杂的设计要求，因此现在已经应用得很少。
最常用的分析方法弹性地基梁法和连续有限元法。
2.2弹性地基梁法
2.2.1弹性地基梁法的基本原理
板桩墙、地下围护桩墙等柔性挡土围护结构在基坑开挖中比较常用，所谓柔性支护结构是指其主要以基底以上的支撑和嵌入土的固体部分抗力来抵抗墙背土压和水压的结构，这主要取决于自重和摩擦阻力来保持挡土墙稳定，而刚性挡土墙围护结构的变形和受力差异很大。
弹性地基梁法主要用在柔性支护结构的分析和计算。
图2-1弹性地基梁法的计算简图
将围护结构单位宽度作为垂直于土中弹性地基梁，连续分布的弹簧被抽象为嵌固端的土抗力，土压力为理论恒定值取决于墙背作用，这样的计算方法称为弹性地基梁法。
基于该模型，则可进行变形与内力计算[7]，如图2-1所示。
基本的假设（弹性地基梁方法）如下：
（1）平面应变假定[7]：
忽略围护和土应力系统的空间作用，围护结构与土整个受力体考虑为无限的实体，在平面内进行变形和内力分析。
当围护结构用于长宽比例很大的基坑挖掘、护堤、沟槽等项目时，由于沿纵向变形的相对小，这种假设是相对合理。
（2）土体弹簧假定：
围护结构嵌固部分的土抗力被视为连续分布的弹簧，按温克尔弹性地基假定来确定弹簧的反力系数，通常较多采用弹性M法、K法或C法弹性反作用力系数。
M法在实际工程使用较多。
由于弹性反作用力系数根据胡克定律确定的。
所以当嵌固部分的墙体的变形能控制在某范围值内以及土抗力不超过土的极限承载力时，这个假设是才能适用的。
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