理正基坑支护系列软件精品之一&深基坑支护结构设计软件
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图1& 基坑软件主界面
1998年国家级重点产品项目
北京市火炬计划项目
软件通过建设部鉴定
建设部大力推广的“建筑业十项新技术”之一
《建筑基坑支护技术规程（JGJ120-99）》配套软件
（一）全力解决基坑工程设计工作中的重点、难点：&
（1）适用不同地区、规范标准全
本软件吸纳了具有代表性的基坑工程设计规范，以方便不同地区、不同地质条件基坑工程设计，达到因地而用。　　除国家标准《建筑基坑支护技术规程》、《建筑边坡工程技术规范》之外，还包括《上海市基坑工程设计规程》；《广东省建筑基坑支护技术规程》；《深圳地区建筑深基坑支护技术规程》；《广州地区建筑基坑支护技术规定》；《建筑基坑工程技术规范》（冶金部）；《武汉地区深基坑工程技术指南》；《天津岩土工程技术规范》；《北京市建筑基坑支护技术规程》。
（2）支护类型多、计算内容全面
　　除排桩、地下连续墙、水泥土墙（SWM工法）、土钉墙、天然放坡；还有双排桩、钢板桩等支护形式。除计算支护结构的内力、变形（支护结构的水平位移及地表沉降）、钢筋砼构件的配筋外，还提供其稳定验算----抗倾覆、抗隆起、抗管涌、抗突涌、整体稳定性；绘制相应的施工图及形成图文并茂的计算书。本软件可预测地表沉降，对基坑设计、施工具有指导意义。
（3）深基坑支护结构的三维整体协同计算
　　采用理正第二代图形建模平台及三维有限元计算平台，进行支护构件、内支撑、立柱、斜撑、锚杆及土体的三维空间整体协同计算；除适应普通基坑工程设计计算之外，还适用基坑边界不封闭、坑内坑等特别复杂的基坑（特别是地铁基坑工程）。　　率先采用先进的板壳单元进行基坑真三维计算、彩色三维图形显示结果、构件自动归并方便用户出图。
（4）深基坑三维整体协同计算
采用理正第二代图形建模平台及三维有限元计算平台，进行支护构件、内支撑、立柱、斜撑、锚杆及土岩体的三维空间整体协同计算；在国内率先实现采用先进的壳单元基坑真三维计算，同时具有三维动态图形显示、构件自动归并等先进功能，实现了基坑三维计算领域的飞跃。
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&图2
三维整体计算结果查询
（5）计算理论先进、有效解决工程难题、降低工程造价
&&&&&&&支持基坑边界不封闭和坑内坑等特殊模式基坑的设计；支持双排桩等新型支护形式的计算；支持“增量法”等新型弹性计算方法。
软件具有多种计算模式和土压力模型，可灵活调整施工工况，模拟施工全过程（开挖、加撑、换撑、拆撑）计算，并可预测地表沉降，根据预测结果指导施工。
在支护结构中，可分层指定各地层水平弹性系数计算方法（即m、c、K法），有效的解决了土、岩结合情况下支护结构内力及位移的计算问题。
基坑三维整体有限元计算，考虑了基坑结构的整体空间效应，使材料的抗力性能得到充分，从而使计算结果更加经济、合理。
（二）软件优势无可替代：&#9733;
国内率先实现了支护构件、内撑、立柱、斜撑与周围土体共同工作的基坑工程三维整体有限元分析大型实用商品化软件，引进了桩、墙侧向刚度，使计算结果更加符合实际情况。&#9733;处理平面不封闭内支撑体系、内支撑和锚杆混合体系、无内支撑的连续墙空间计算、加预应力的内支撑体系、上下错层的内支撑体系、不同区域采用不同支护形式的复合支护体系及坑内坑的特殊支护形式等游刃有余。&#9733;为适应工程规范化管理和提高使用单位竞争能力，唯一全部提供计算图、施工图、工程量统计和造价统计功能的基坑软件。&#9733;从基坑支护结构的平面布置、内支撑设置，到支护结构的空间分析、配筋计算、构件归并、计算书及施工图的生成，全过程实现了计算机化。&#9733;三维整体计算：二维建模（简单）、三维计算（真实）、三维查看（方便），基坑支护结构的内力、位移的三维云图或曲线显示，可以对任意单构件的计算结果进行查看，并可进行基坑开挖过程位移动画演示。
（三）典型案例分析
《深基坑支护结构设计软件》在北京华泰商厦、首都机场停车楼、张家口沙子岭电厂等全国数千项基坑支护工程中得到了广泛应用，充分显示出软件的强大生命力。
（1）保证工程质量，减少工程事故
&&&&&&&某矩形平面的基坑工程，施工中设置了4道临时角撑。角撑拆除后，在有
3米高填土的一侧发生坍塌，经这套软件分析计算，证实支护构件强度不足，设计不合理。
（2）提高生产效率，增强竞争实力
&&&&&&&广州吉祥大厦支护工程，开始由3人手工计算，一周时间仅完成了一个方案；施工过程中，临时变更方案，改用这套软件计算，一个人仅半天时间算了9套方案，对强度不足的部位进行了加强。
&&&&&&&上海隧道公司采用这套软件设计的申海大厦支护工程被评为优质工程。
（3）提供实用设计方法，处理复杂情况
开挖深度19米，设置了4道内支撑的上海金茂大厦，使用该软件进行空间整体分析，仅用两个小时即得到了准确的计算结果，并迅速查到任意构件的内力、变形、反力。
（4）提高科学预测能力，实现优化设计
河北某基坑支护工程为了严格限制水平侧移，在桩顶设置了一道锚杆（打到临近建筑物基础下），实侧的水平位移为2mm。后经这套软件复核，如将锚杆位置下调2~3m，内力可减少1半，从而节约大量钢筋，而位移仍可控制在10mm以内。
&&&&&&&天津某支护工程，采用该软件进行设计方案比较，在水平内撑上沿基坑长向对称设置了1500kN预应力的方案，比不设预应力的方案，位移和内力均有很大程度的减少。
（5）降低工程成本，节约大量资金
北京市重点工程西大旺220千伏变电所，其基坑工程采用这套软件进行设计，节省钢材100多吨。
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图3& 北京某基坑工程模型
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土压力问题和基坑变形分析.pdf
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文档介绍：
摘要I摘要深基坑及其支护结构是一个空间体系,近年来,关于基坑空间效应的研究一直是工程界和学术界十分关注的课题。本文运用有限元分析软件 ANSYS 建立三维数值模型,对无支护、悬臂桩支护基坑开挖过程,基坑侧移空间分布规律和土压力进行了较为全面的分析。首先,在无支护结构情况下,对基坑的分层开挖过程进行了数值模拟。分析了随开挖过程基坑侧向位移在水平和深度方向的分布规律,探讨了基坑坑角(90 度、120 度、150 度、180 度及阳角 90 度)对基坑位移分布的影响、以及坑角由阴角变至阳角时基坑空间效应的影响范围。另外,将无支护基坑侧移的分布用补余误差函数进行描述,并将有限元计算结果和函数结果进行了对比分析。其次,以矩形基坑悬臂排桩支护结构为研究对象,运用数值模拟,分析了基坑的分步开挖过程,研究了基坑侧向位移的空间分布特征及桩身的弯矩分布、以及墙后地表沉降的分布规律及影响范围。最后,对采用补余误差函数描述悬臂排桩基坑侧移的合理性进行了探讨。另外,基于考虑位移的朗肯土压力计算方法,利用悬臂排桩支护结构中桩水平位移的计算结果,反推桩身的土压力,并将基坑角部桩的土压力、中部的桩土压力、主动土压力及静止土压力进行比较,分析了支护结构上实际土压力分布及其所对应的状态。最后,采用有限元软件 ANSYS 对邯郸市某双排桩支护结构的开挖和支护过程进行三维模拟,对开挖过程中基坑的位移场变化及桩的内力进行分析,并将计算结果和实测结果对比,验证了计算模型的合理性和实用性。关键词基坑支护结构空间效应位移分布土压力AbstractIIAbstractFoundation pit and retaining system are spatial structure. In recent years, the research onthree-dimensional effect of foundation pit was paid much attention to in engineering andacademic field. In this paper, the three-dimensional numerical modeling of the foundation pitwas established by the finite element software ANSYS. The excavation processes of the pitwith non-supporting structure and with cantilever piles retaining structure were modeled. Thespatial distribution of the pit lateral displacement and earth pressure prehensivelyanalyzed.Firstly, the excavation process of the foundation pit with non-supporting structure wasnumerically simulated. The distribution of the pit lateral displacement with every step ofexcavation was analyzed. The influence of the pit-corner angle (900, , 1800andexternal corner 900) on the displacement was studied. The area affected by the pitthree-dimensional effect was analyzed when the pit corner varied from negative angle topositive angle. In addition, the lateral displacement distribution of the pit with non-supportingstructure puted by plementary error function, and the calculated values offunction and results of finite element pared and analyzed.Secondly, the cantilever pile retaining structure of a rectangle pit was researched usingnumerical simulation. The excavation process of the pit, the spatial distribution of lateralmovements, the bending moment of piles, the settlement of earth surface around the pit andits scope was analyzed. The rationality puting lateral displacement of the pit plementary error function was discussed.Additional, according to Ranking’s theory of earth pressure considering displacement,the earth pressure of the piles in cantilever pile retaining structure puted by theresults of horizontal displacement from the finite element analysis. For the corner pile and themiddle pile, the above results of earth pressure, the active and the rest earth pressure byRanking’s theory, pared. Furthermore, the distribution and the state of earth pressurein the practical situation were studied.Finally, a deep foundation pit with double-row piles example in Handan, Hebei province,puted by ANSYS. The changing laws of displacement field and internal force of pilesin the excav1
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考虑空间效应的深基坑开挖支护数值模拟及参数反分析论文
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考虑空间效应的深基坑开挖支护数值模拟及参数反分析论
官方公共微信软土地区深基坑支护结构破坏因子分析
摘要：软土地区深基坑支护结构的破坏是导致基坑事故频发的主要因素之一，如何因时因地合理选择支护类型、设计支护结构是避免基坑事故发生的重要方式。本文着重介绍各类支护结构及其适用条件，分析各类支护结构的可能破坏因子，提出避免软土地区深基坑破坏的最佳支护方式，为软土地区深基坑支护设计提供参考依据。
关键词：软土地区 深基坑 支护结构 破坏因子
伴随着城市建设的发展，城市用地越来越紧张，而基坑工程往往处于房屋和生命线工程的聚集地区，因此对基坑工程设计提出了更高、更严的要求，不仅要确保基坑的稳定，而且要满足变形控制的要求，以确保基坑周围的建筑物、地下管线、道路等设施的安全。而基坑的变形控制是现有基坑工程强度控制设计理论不够重视的一个方面，常规计算方法对支护结构及基坑周围土体的变形未能给出相应的解答，这是导致一些基坑工程失败的主要原因之一。侯学渊等[1]深入讨论了变形控制设计，提出了变形控制设计的基本思想：支护结构在满足强度的前提下，尚需满足其使用要求，即基坑在施工过程中既要保证其安全、不失稳，又要保证其对周围环境不造成破坏性的影响。
一、软土地区深基坑支护结构的主要类型及适用条件
1．重力式挡土支护结构 重力式支护结构是重力式挡土墙的一种延伸和发展，其特点是通过加固基坑侧壁形成一定厚度的重力式挡墙，主要以自身重力来维持支护结构在侧压力作用下的稳定。目前，水泥土搅拌桩（或称深层搅拌桩）支护结构是近年来发展起来的一种重力式支护结构。这种支护结构是通过搅拌桩机将水泥与土进行搅拌，形成柱状水泥土墙，使之既具有挡土作用，又兼具有隔水功能。
适用范围：该结构适用于软土地区的支护，适宜开挖深度在4至6m，最深可达7至8m。
2．拉锚式支护结构
拉锚式支护结构分为地面拉锚支护结构和锚杆支护结构两类，是由支挡结构与拉锚系统组成。地面拉锚支护结构是指拉锚系统设置在地面，由挡土结构、拉杆（索）和锚固体组成，锚固体通常是锚固桩或锚碇板。锚杆支护结构是指拉锚系统设置在坑壁稳定土体内，是由支挡结构及锚杆组成。
适用范围：地面拉锚支护结构常用于深度及规模不大的基坑或悬臂支护结构的抢险工程中。锚杆支护结构一般用于规模较大、邻近有建筑物或重要管线且不允许有较大变形的深基坑，以及不适合设置内支撑或设置内支撑不经济等情况。
3．内支撑支护结构
内支撑支护结构是指由挡土结构和内支撑系统组成的支护结构。挡土结构主要承受基坑开挖所产生
的土压力和水压力，有地下水时也可防止地下水的渗漏，是稳定基坑的一种临时支挡结构，一般采用护壁桩和地下连续墙。内支撑系统是承受挡土结构传递的侧向压力，为挡土结构的稳定提供足够的支撑力，直接平衡两端围护结构上所承受的侧压力，常用的支撑系统有钢支撑和现浇钢筋混凝土支撑。
适用范围：适用于各种复杂条件下的深基坑支护，能做到零红线支护，但是由于造价昂贵且施工空间狭窄而使之在施工条件较好的地方得不到广泛使用。
4．复合土钉墙支护结构
由于土钉墙支护适用范围有严格要求，在松散砂土、软土及含水丰富的粉细砂层、砂砾卵石层、饱和软弱土层不能单独使用此种支护结构，必须与其他支护结构混合使用，即形成了复合土钉墙支护。复合土钉墙支护是由土钉、喷射混凝土、预应力锚杆或预支护微型桩或水泥土桩组合，形成用以解决基坑变形、土体自立和隔水而形成的复合支护形式。 适用范围：淤泥质土、人工填土、砂性土、粉土、黏性土等土层，开挖深度不超过18m的各种基坑。
5．预应力锚杆支护结构
预应力锚杆支护是用于基坑开挖和边坡稳定的一种新型支挡技术，是由预应力锚杆与喷射混凝土面层或木板面层结合而成的一种支护方法。其中预应力锚杆是由众多轻型的预应力锚杆组成的锚杆系统。由于预应力的作用，改变了基坑的受力状态，从而减小了基坑由于开挖而产生的破坏变形。
适用范围：此方法适用于严格要求控制位移的基坑及超深基坑的支护。
二、软土地区深基坑开挖导致支护结构破坏的主要因子及相应改良控制措施
1．结构设计方面
①支护结构计算模型：当前，深基坑支护结构的设计计算仍沿用极限平衡理论。然而极限平衡理论是一种静态假设，而实际工程中基坑开挖后的土体是一种动态平衡状态，土体随着时间的增长，强度逐渐下降，并产生一定的变形，即所谓的应力松弛过程。工程实践表明，有些地区的支护结构按极限平衡理论计算，从理论上来讲是绝对安全的，但实际工程中却发生了破坏；而有些地区的支护结构却恰恰相反，即使安全系数比较小，甚至未达到规范的要求，但在实际工程中却获得了成功。这说明在设计支护结构时变形和时间效应必须给予充分的考虑，但在当今的设计计算中却常被忽视。
② 支护结构的空间效应：不同类型的基坑是具有不同尺寸比的三维空间。在基坑开挖过程中，基坑周边向基坑内发生的水平位移往往是中间大两边小（如矩形基坑），而具有平滑曲线周边（如圆形）的基坑则往往是均匀向中心平移，深基坑边坡失稳则常常是以长边居中的位置发生。实际工程证明深基坑开挖是一个立体空间问题，而传统的深基坑支护结构设计则是按平面应变问题来计算的。对一些细长条基坑来讲，这种平面应变假设还是比较符合实际，但是对近似方形或长方形的深基坑则差别比较大[2]。对
于深基坑支护结构的空间效应问题，近几年国内外的研究已经取得了可喜的成果，但因为在土体力学参数的确定、有限元分析模式的选取等方面仍不能令人信服，基坑支护结构的三维有限元分析还处于辅助设计水平。因此，在基坑支护结构设计前应首先把空间结构问题进行适当预期调整，以适应后期开挖空间效应的要求。
2．土压力计算方面
①基坑土压力计算模式：基坑支护结构上土压力的计算是基坑支护结构设计的关键，但当前要精确计算土压力还十分困难。目前的支护结构设计中，一般都以经典的库伦公式或朗肯公式作为计算土压力的基本公式。运用这两个公式进行基坑土压力计算时存在以下问题：第一、库伦 - 朗肯土压力理论所针对的挡土墙问题是平面问题，而深基坑开挖支护问题实际上是空间问题。第二、库伦 -朗肯土压力理论计算是在某些固定极限平衡状态时的土压力，但是在实际的基坑工程中，这种极限平衡状态是不断变化的。第三、库伦-朗肯土压力理论计算的土压力局限于静止、主动、被动土压力三者之一，但是基坑挡土结构上实际发生的土压力总是介于静止土压力与主动土压力或静止土压力与被动土压力之间。因此，基坑在开挖过程中，土压力值总是随着基坑开挖和支护的进行而不断变化，运用库伦 - 朗肯土压力理论无法计算出这一动态变化过程中相应的土压力值，这就需要基坑支护设计者在选择土压力时根据实际工程情况有所取舍，而非盲目照本宣科。
②基坑土压力的时间效应：在软粘土地基中进行的深基坑开挖工程具有时间效应。开挖期间基坑性状的改变是由开挖卸荷所致，而开挖间歇期内的变化一般是由于土体的固结和蠕变所引起的。开挖速率快，开挖结束时的墙体水平位移也大，反之亦然。由于在满足基坑稳定的前提下，开挖对基坑周围环境的影响程度主要由墙后土体的位移量控制，由此可以认为，为控制开挖引起的坑后土体的位移，应选择合理的开挖速率，过快的开挖速度将导致墙后土体位移的迅速增长。[3]
3．地下水控制方面
地下水控制是基坑工程中的一个难点，相比较通常的“降水”具有更加广泛的含意，主要包括降水和截水。由于土质与地下水位的条件迥异，基坑开挖的施工方法也大相径庭，没有统一制定的套用模式，这就要求设计者们根据实际工程情况，进行地下水位控制设计。实际工程中，绝大多数深基坑在控制地下水方面已获得了成功，但是也有少数基坑由于存在透水性大的粉土、砂土层，含水量丰富、相邻建筑物密集等特殊地质情况，而基坑设计者们在其降水、截水或施工设计中存在问题而出现基坑严重渗漏、管涌，从而导致基坑事故的发生。因此地下水控制设计是基坑工程设计和施工中十分重要的环节之一，必须引起重视 [4]。
三、工程实例
广州市某深基坑工程，开挖深度为9～12 m，基坑平面为74×68 m 的矩形，其开挖横剖面见图1。
开挖面位于厚度约12 m 的淤泥和淤泥质粉质粘土层，该层属广州地区典型的软土地基。基坑开挖影响深度范围内土层的计算参数见表1所示。挡土结构采用Φ900～Φ1000 的钻孔灌注桩，桩中心间距1. 0～
1. 2 m，桩长16～21 m，支撑体系采用两道钢筋混凝土现浇桁架式内支撑，安全等级二级。
图1 基坑支护结构横剖面图
支护结构设计充分考虑结构的变形和时间的关系，设定结构变形和时间的关系系数，结合空间效应对支护结构应力-应变的影响，并参考《广州地区建筑基坑支护规范》执行。实际施工开挖后监测得到支护结构某横断面位移曲线如图2、图3所示。
图2支护结构横断面水平位移随深度变化数据表