1 引言 Xe^Cn
R
随着经济的发展，城市用地日渐紧张，城市上天（高层建筑）入地（地下空间开发）的发展逐渐加快，使建筑深基坑的应用也日益广泛。由于深基坑的位置大多是在城市中较繁华的地段，基坑失稳的危害较大，而深基坑的支护结构设计中的可变因素较多，往往是一个工程设计的难点，也往往成为一个工程成败的关键。我院从1992年起总承包广州地铁一号线工程的设计工作，并承担了其中芳村站、公园前站、陈家祠站、西门口站、农讲所站等工点的设计，在各车站的深基坑支护设计中，均采用了增量法的原理进行支护结构的内力分析，未发生一起因支护结构失稳或位移过大而造成的工程事故，取得了良好的社会效益和经济效益。在此，将我们应用的方法介绍如下。 3^Q]j^e4Ny
m/@<c'i
2 增量法的应用方法 C{q : _M;
在建筑深基坑的支护设计中，往往需要多道支撑方能保证围护结构的合理受力和稳定，而支撑的设置一般是在开挖到相应的位置后及时施设，以利基坑的稳定。在施工的不同阶段，围护结构、支撑体系和土体所形成的结构体系不断变化，土压力也随着开挖的进行而不断变化，怎样真实的模拟基坑开挖的全过程，就是我们所要研究的课题。所谓增量法计算，就是在施工的各个阶段，对该阶段形成的结构体系施加相应的增量荷载，该增量荷载对该体系内各构件产生的内力与构件在以前各阶段中产生的内力叠加，作为构件在该施工阶段的内力，这样就能基本上真实的模拟基坑开挖的全过程。以下举例说明该法的应用。 &%_& 8DkG
[某工程]基坑深15m，800mm厚地下连续墙围护，竖向3道支撑，支撑水平间距1m，第一道钢管支撑距地面3m，第二、三道支撑距上道支撑的距离均为4m,基坑置于均质粉土层中，土的物理力学指标为：γ=18kN/m3,c=10kPa,φ=15°,k=10MN/m3，地下水位于地表以下2m，地面超载为0，用水土分算法计算水土压力，连续墙插入深度取13m。开挖各阶段计算简图见图1： 8B#GbS
K
if ]No e
XbZ* &
??i4z[0M
]Bm>-*@0N
图1 开挖各阶段计算简图 DS%\SrC
5zIAhg@o:q
采用SAP84根据“增量法”原理进行施工阶段围护结构受力分析： ]l(wg]
（1）第一步 基坑开挖至第一道支撑处，被动侧基坑以下为土体弹性支点。内力变形分析得出本开挖阶段所产生的计算内力和变形值。 | /|
（2）第二步 安装第一道支撑，开挖基坑至第二道支撑处，墙背施加本开挖阶段的水土压力增量及开挖土体部分卸载（拆掉土体弹簧反加抗力模拟），被动侧基坑以下为土体弹性支点。将本阶段内力变形值与第一阶段所产生的内力变形值叠加后即得本阶段的计算内力和变形值。 W7\&~IWub
（3）第三步 安装第二道支撑，开挖基坑至第三道支撑处，内力变形值与第一、二阶段所产生的内力变形值叠加后即得本阶段的计算内力和变形值。 1<< kA: d
（4）第四阶段 安装第三道支撑，开挖基坑至设计基坑底面，分析计算原理同第二步，将本阶段内力变形值与第一、二、三阶段所产生的内力变形值叠加后即得本阶段的计算内力和变形值。计算结果见图2： 1<h >B:
E3 *\
^Q_
C( id=F
wV)}a5+
o8Z[+;
图2 增量法计算各阶段弯矩剪力图(含支撑轴力) u^j {U}
2EK%N'H
从以上的算例分析可以看出，增量法计算真实的模拟了施工开挖各阶段的结构受力型式，对变化了的结构型式施加相应开挖阶段的增量荷载，并计算由增量荷载所产生的增量内力和变形，与前阶段已经产生的内力和变形叠加形成各阶段计算内力和变形值。这样的计算模式符合实际的开挖进程，比较科学合理，在广州地铁一号线工程的实际应用中也经受住了实践的检验。 /2RajsK
R i 'L
3 应用软件的计算结果 ~6 I)|^Z
在应用增量法进行工程设计的同时，我们也接触了一些深基坑支护设计方面的应用软件，例如由北京理正软件设计研究所开发的理正深基坑支护结构软件(F－SPW2.22版)，并对其进行了一定的研究和考证，发现采用该软件计算和用增量法计算的结果相差较大。现用理正软件对以上工程按同样施工步骤进行计算。 Bs M uQ|!
采用理正软件，用K法，基坑以下土压力按矩形分布模式（与增量法相同）计算。计算结果结果见图3～图6： n
8pt\i0
QERU5|.wc
fbkd "7u
N<L`c/
gXH[$guf
图3 开挖第一阶段计算图示 -.|4Y#b:&
l Mz< s
KnNh9^4"\2
ZK'-U,Y.H7
8p!*?RRme[
图4 开挖第二阶段计算图示 n6(.{ M;
0liR
7 ua6l [c
t
nS+5F
s ncIqsZ
图5 开挖第三阶段计算图示 u <n`x6gL
AC.A'|"]i
"aF8l<1xn
lI/0:|l
Ji;mHFZ*FU
图6 开挖第四阶段计算图示 zLD| /`
9 F^;!
从以上两种方法计算的结果可知，两者计算结果相差较大。为了探明理正软件的计算模式和思路，用总量法对该基坑进行分析。以比较三种计算模型的差别和适用范围。 G3G6IP
T`9-VX;`
4 总量法的计算结果 CZEW-PIhj
用总量法按同样施工步骤分析上述基坑。开挖各阶段计算简图见图7： XIWm>IQ[)
sgr=w+",Q
Cj*-[ EL<
I=Oy-
G^(}a]>9
图7 开挖各阶段计算简图 vLO& Lpv
4{qB X?
总量法各施工步骤计算结果见图8： d xj*Q "K
S
}>n1F_
|fHB[ W#
GyC /_ntn
vSW
L$Y2
图8 总量法计算弯距剪力图(含支撑轴力) w^1Fi 8+
6TH!vuQ1(
5 三种计算方法的结果比较 $iM=4
3W
三种计算方法所得出的结果比较见表1： IOK}+C0e
wVq\FY%
表1 三种计算方法结果比较表 rQP"Y[
kHJ 96G
比较内容 计算方法 !eJCM`cp
增量法 理正软件 总量法 ^I] {7$6^
第一步 顶点位移(mm) 3.2 3.8 3.2 m/`IGT5J
最小位移位置(mm/m) 2.01/-13.5 1.98/-13.5 2.01/-13.5 c
{I"R8
墙背最大弯距/位置(kN．m/m) 2.55/-27.5 1.11/-20.5 2.55/-27.5 o/,NG U
墙背最大弯距/位置(kN．m/m) 27.2/-6 37.9/-6 27.2/-6 E:nt)Ef,
第二步 顶点位移(mm) 0.9 -3.36 -2.9 gNx+>h`AF
最小位移位置(mm/m) 8.7/-11 8.8/-11.5 8.63/-11 [k]|Qi nk
墙背最大弯距/位置(kN．m/m) 23/-18 19.1/-18.5 20/-19 s~},y ]YV
墙背最大弯距/位置(kN．m/m) 268/-6 326/6.5 309/-6 n$2 RCQ
第一道支撑力(kN) 160 176 173 (}:C+p
'I
第三步 顶点位移(mm) -2.3 -1.1 -3.9
0v^:
最小位移位置(mm/m) 16.5/-12 14.8/-16 14.7/-16 +@ VYs*&&
墙背最大弯距/位置(kN．m/m) 67/-19 436/-7 337/-7 G*\h\ @
墙背最大弯距/位置(kN．m/m) 519/-10 388/-11 407/-10.5 <1&Ke
第一/二道支撑力(kN) 160/376 176/631 173/584 89cVJ4]g~!
第四步 顶点位移(mm) -3.8 -2.1 -1.9 Q &M'=+T
最小位移位置(mm/m) 25.9/-15 21.1/-19.5 21/-20 e(1k0W4 B
墙背最大弯距/位置(kN．m/m) 187/-7 754/-11 616/-11 k:#6^!b1
墙背最大弯距/位置(kN．m/m) 748/-13.5 502/-15 538/-14.5 !6w{(Rc(C
第一/二/三道支撑力(kN) 160/460/546 176/631/1068 173/584/912 :Y )to/h
8G ]w,eF
从上表可以看出，理正软件的计算结果同增量法的计算结果差异较大，而同总量法的计算结果则基本一致。由于缺乏理正软件程序编制所依据的力学模型的详细说明，对理正软件进行更深入的研究是比较困难的。虽理正软件和总量法的计算仍有一些差别，但从以上分析可以初步推断，理正软件的计算应该是建立在总量法的原理之上的。 yoqa@ V
tk /`%Q
6 结论 5eX59:vtl
根据理正软件用户手册和广告介绍，该软件是根据中华人民共和国行业标准《建筑基坑支护技术规程（送审稿）》（以下简称《规程》）进行编制，且于1997年6月25日通过了建设部科技发展促进中心组织的专家鉴定，说明总量法计算的思路目前还在建筑基坑中比较普遍应用。在《规程》中第4.2.2条规定：“结构内力与变形值、支点力计算值应根据基坑开挖及地下结构施工过程的不同工况按下列规定计算：1 宜按本规程附录B的弹性支点法计算，……” ，其中也没有增量法的概念。因此，为了在更大的范围内推广和应用增量法这一科学的计算原理，建议有关部门及工程设计和施工单位对增量法的计算原理在工程实践中的应用给予足够的重视，进行更深入的研究，并以此为依据考虑对《规程》提出修正意见，进而促进以《规程》为依据的相关软件的改进和发展 sygH1|f
["3df>!f
1 引言 A6ewdT?>,
随着经济的发展，城市用地日渐紧张，城市上天（高层建筑）入地（地下空间开发）的发展逐渐加快，使建筑深基坑的应用也日益广泛。由于深基坑的位置大多是在城市中较繁华的地段，基坑失稳的危害较大，而深基坑的支护结构设计中的可变因素较多，往往是一个工程设计的难点，也往往成为一个工程成败的关键。我院从1992年起总承包广州地铁一号线工程的设计工作，并承担了其中芳村站、公园前站、陈家祠站、西门口站、农讲所站等工点的设计，在各车站的深基坑支护设计中，均采用了增量法的原理进行支护结构的内力分析，未发生一起因支护结构失稳或位移过大而造成的工程事故，取得了良好的社会效益和经济效益。在此，将我们应用的方法介绍如下。 ,M3z!=oIGn
J -Qh/d%]
2 增量法的应用方法 %d: A`7x
在建筑深基坑的支护设计中，往往需要多道支撑方能保证围护结构的合理受力和稳定，而支撑的设置一般是在开挖到相应的位置后及时施设，以利基坑的稳定。在施工的不同阶段，围护结构、支撑体系和土体所形成的结构体系不断变化，土压力也随着开挖的进行而不断变化，怎样真实的模拟基坑开挖的全过程，就是我们所要研究的课题。所谓增量法计算，就是在施工的各个阶段，对该阶段形成的结构体系施加相应的增量荷载，该增量荷载对该体系内各构件产生的内力与构件在以前各阶段中产生的内力叠加，作为构件在该施工阶段的内力，这样就能基本上真实的模拟基坑开挖的全过程。以下举例说明该法的应用。 KIL18$3J
[某工程]基坑深15m，800mm厚地下连续墙围护，竖向3道支撑，支撑水平间距1m，第一道钢管支撑距地面3m，第二、三道支撑距上道支撑的距离均为4m,基坑置于均质粉土层中，土的物理力学指标为：γ=18kN/m3,c=10kPa,φ=15°,k=10MN/m3，地下水位于地表以下2m，地面超载为0，用水土分算法计算水土压力，连续墙插入深度取13m。开挖各阶段计算简图见图1： /'y5SlE[J
p-GT`D
AV @\ +0
sXl ??UGe
~_ !ts{[E
图1 开挖各阶段计算简图
wAbp3h X
}gsO&g"8
采用SAP84根据“增量法”原理进行施工阶段围护结构受力分析： r9ke,7?
（1）第一步 基坑开挖至第一道支撑处，被动侧基坑以下为土体弹性支点。内力变形分析得出本开挖阶段所产生的计算内力和变形值。 GoE#Mxh xo
（2）第二步 安装第一道支撑，开挖基坑至第二道支撑处，墙背施加本开挖阶段的水土压力增量及开挖土体部分卸载（拆掉土体弹簧反加抗力模拟），被动侧基坑以下为土体弹性支点。将本阶段内力变形值与第一阶段所产生的内力变形值叠加后即得本阶段的计算内力和变形值。 EaS~`
（3）第三步 安装第二道支撑，开挖基坑至第三道支撑处，内力变形值与第一、二阶段所产生的内力变形值叠加后即得本阶段的计算内力和变形值。 R V!o4"\]
（4）第四阶段 安装第三道支撑，开挖基坑至设计基坑底面，分析计算原理同第二步，将本阶段内力变形值与第一、二、三阶段所产生的内力变形值叠加后即得本阶段的计算内力和变形值。计算结果见图2： FQf # *
GH'O! }
oVZ4bRl
ui'F'"tPz
1a9w(X
图2 增量法计算各阶段弯矩剪力图(含支撑轴力) { U
<tc4^
Q2C)tVK+
从以上的算例分析可以看出，增量法计算真实的模拟了施工开挖各阶段的结构受力型式，对变化了的结构型式施加相应开挖阶段的增量荷载，并计算由增量荷载所产生的增量内力和变形，与前阶段已经产生的内力和变形叠加形成各阶段计算内力和变形值。这样的计算模式符合实际的开挖进程，比较科学合理，在广州地铁一号线工程的实际应用中也经受住了实践的检验。 ^{[`=P'/
~4
FDKU C
3 应用软件的计算结果 jeDlH6X'
在应用增量法进行工程设计的同时，我们也接触了一些深基坑支护设计方面的应用软件，例如由北京理正软件设计研究所开发的理正深基坑支护结构软件(F－SPW2.22版)，并对其进行了一定的研究和考证，发现采用该软件计算和用增量法计算的结果相差较大。现用理正软件对以上工程按同样施工步骤进行计算。 ! =[uT+v
采用理正软件，用K法，基坑以下土压力按矩形分布模式（与增量法相同）计算。计算结果结果见图3～图6： ID8k/t!
2H&{1f\Bf
j$eCe< .3
ma}}Sn)Q
q|q:: q*
图3 开挖第一阶段计算图示 = cfm= +
lSc, AOXp
Bt>}LLBS2
wL<j:>Ke[3
PO
ko]@~!i
图4 开挖第二阶段计算图示 ) Ypz!
L? ;/cO^
j%M @#
fkW ( Dt,
3kLOoL?
图5 开挖第三阶段计算图示 X Usy.l/
h3J *1
3t
Zd>Z Y,-5
#J+\DhDEPO
图6 开挖第四阶段计算图示 >.Q0 Tx!P
> =!AL ,:
从以上两种方法计算的结果可知，两者计算结果相差较大。为了探明理正软件的计算模式和思路，用总量法对该基坑进行分析。以比较三种计算模型的差别和适用范围。 L_*L`!vQA"
`?SG XXC
4 总量法的计算结果 F7 uhuqA]N
用总量法按同样施工步骤分析上述基坑。开挖各阶段计算简图见图7： T|f_~#?eV
[&n| \!
spiDm:Xe
w2 )/mSnu
ChIoR:y>
图7 开挖各阶段计算简图 ",ad7Y7i
q<}PM
总量法各施工步骤计算结果见图8： , ;'SVe%
3@X|Gs'_S
DN| vz}s
| ' @[N,
|p'i,.(c_W
图8 总量法计算弯距剪力图(含支撑轴力) sM9- 0A
X'2 Gi
5 三种计算方法的结果比较 <t6 d)mJ %
三种计算方法所得出的结果比较见表1： = n
}Yqny
>PH< N
表1 三种计算方法结果比较表 ,'-?:`hP'
RQ5P}A
3H
比较内容 计算方法 #! @m y
增量法 理正软件 总量法 g!`BXm W
第一步 顶点位移(mm) 3.2 3.8 3.2 [Ye5Y?
最小位移位置(mm/m) 2.01/-13.5 1.98/-13.5 2.01/-13.5 QAXYrRu
墙背最大弯距/位置(kN．m/m) 2.55/-27.5 1.11/-20.5 2.55/-27.5 <"a e4
墙背最大弯距/位置(kN．m/m) 27.2/-6 37.9/-6 27.2/-6 ZX] A )5G
第二步 顶点位移(mm) 0.9 -3.36 -2.9 ;7
"Y?* {
最小位移位置(mm/m) 8.7/-11 8.8/-11.5 8.63/-11 [5LMt*Y
墙背最大弯距/位置(kN．m/m) 23/-18 19.1/-18.5 20/-19 hE5G!@1F
墙背最大弯距/位置(kN．m/m) 268/-6 326/6.5 309/-6 (v|`LmV
第一道支撑力(kN) 160 176 173 MVuP
|&:n
第三步 顶点位移(mm) -2.3 -1.1 -3.9 ULbP_y>(Y
最小位移位置(mm/m) 16.5/-12 14.8/-16 14.7/-16 Eb7}$Ji\
墙背最大弯距/位置(kN．m/m) 67/-19 436/-7 337/-7 qq D0R*(C
墙背最大弯距/位置(kN．m/m) 519/-10 388/-11 407/-10.5 2 _Jb9:/X
第一/二道支撑力(kN) 160/376 176/631 173/584 GsRt5?X/*
第四步 顶点位移(mm) -3.8 -2.1 -1.9 7?]!Ecr"
最小位移位置(mm/m) 25.9/-15 21.1/-19.5 21/-20 Ris-tdg
墙背最大弯距/位置(kN．m/m) 187/-7 754/-11 616/-11 cB36p&%
墙背最大弯距/位置(kN．m/m) 748/-13.5 502/-15 538/-14.5 q]?+By-0
第一/二/三道支撑力(kN) 160/460/546 176/631/1068 173/584/912 U:Fpj~E_w
.)nCOwR6p
从上表可以看出，理正软件的计算结果同增量法的计算结果差异较大，而同总量法的计算结果则基本一致。由于缺乏理正软件程序编制所依据的力学模型的详细说明，对理正软件进行更深入的研究是比较困难的。虽理正软件和总量法的计算仍有一些差别，但从以上分析可以初步推断，理正软件的计算应该是建立在总量法的原理之上的。 T@ >6 3
5YLho2h38!
6 结论 DUPmq!A
根据理正软件用户手册和广告介绍，该软件是根据中华人民共和国行业标准《建筑基坑支护技术规程（送审稿）》（以下简称《规程》）进行编制，且于1997年6月25日通过了建设部科技发展促进中心组织的专家鉴定，说明总量法计算的思路目前还在建筑基坑中比较普遍应用。在《规程》中第4.2.2条规定：“结构内力与变形值、支点力计算值应根据基坑开挖及地下结构施工过程的不同工况按下列规定计算：1 宜按本规程附录B的弹性支点法计算，……” ，其中也没有增量法的概念。因此，为了在更大的范围内推广和应用增量法这一科学的计算原理，建议有关部门及工程设计和施工单位对增量法的计算原理在工程实践中的应用给予足够的重视，进行更深入的研究，并以此为依据考虑对《规程》提出修正意见，进而促进以《规程》为依据的相关软件的改进和发展 " V/k<HRw
t pz=} q
