【關(guān)鍵詞】深基坑  支護  結(jié)構(gòu)內(nèi)力  變形 

　　一、支護結(jié)構(gòu)與巖土體的相互作用 

　　深基坑開挖及支護不僅涉及巖土力學(xué)中典型的變形、強度和穩(wěn)定性問題，還涉及到支護結(jié)構(gòu)與巖土體的相互作用問題。支護結(jié)構(gòu)與巖土體的相互作用是影響支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形的重要因素。因此。深層坑支護結(jié)構(gòu)計算要考慮坑周邊一定范圍內(nèi)巖土體與支護結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用。 

　　深基坑工程是一門系統(tǒng)工程，支護結(jié)構(gòu)類型多，目前主要有鉆孔灌注樁、土釘墻、鋼板樁和地下連接墻等。不同支護結(jié)構(gòu)體系與巖土體的相互作用機制不同。 

　　1.土壓力 

　　土壓力問題是土與結(jié)構(gòu)物相互作用的結(jié)果，是巖土工程的基本問題，也是巖土工程設(shè)計中首要確定的內(nèi)容。傳統(tǒng)的支護結(jié)構(gòu)設(shè)計理論僅考慮三種極限狀態(tài)下的土壓力，即主動、被動、靜止土壓力，這些古典土壓力理論的完全彈性、平面滑裂面和墻背光滑等架設(shè)導(dǎo)致計算結(jié)果與實際情況相差甚遠。認識傳統(tǒng)土壓力理論的缺陷后，很多學(xué)者對土壓力計算方法進行了改進：用極限分析方法研究古典Coulomb直線破壞機理問題;考慮土拱效應(yīng)的土壓力理論研究;考慮開挖卸荷影響的土壓力和考慮墻面摩擦效應(yīng)的土壓力研究;考慮多種影響因素的土壓力研究;從地基強度理論方面研究土壓力系數(shù);考慮水壓力的土壓力以及關(guān)于水土壓力分算與合算問題研究;從概率角度研究巖土體參數(shù)對土壓力的影響;被動土壓力理論研究等等。支護結(jié)構(gòu)設(shè)計的靜力平衡法、等值梁法和干系有限元數(shù)值模擬方法都是將土壓力視為外力形式作用于支護結(jié)構(gòu)。 

　　2.接觸力學(xué)分析方法 

　　 支護結(jié)構(gòu)與巖土體的接觸面存在著非連續(xù)性，而在實際工程中往往簡化為連續(xù)介質(zhì)問題，這種簡化處理必然帶來計算誤差。目前接觸行為的分析方法主要有兩種：一是經(jīng)典的接觸力學(xué)分析方法，二是數(shù)值分析方法。在接觸問題研究的初始階段，僅局限于接觸面規(guī)則剛體之間的彈性接觸，應(yīng)用范圍非常有限。Hertz于1881年提出經(jīng)典的Hertz彈性接觸理論。在該理論的基礎(chǔ)上，許多學(xué)者系統(tǒng)研究了不同受力條件和不同幾何形狀的接觸問題。Boussinesq給出了光滑剛體與均勻各向同性彈性半空間表面接觸的應(yīng)力解，還根據(jù)勢能原理導(dǎo)出壓凸回轉(zhuǎn)體的軸線與彈性半空間變形前的邊界正交時軸對稱問題的解答。這個時期彈性接觸研究存在大量假設(shè)：如接觸剛體之間不發(fā)生剛體運動;接觸物理的變形是小變形，接觸點可以預(yù)先確定;應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為線性;接觸表面光滑等。這些假設(shè)導(dǎo)致理論研究與實際情況仍存在很大差異。Gladwell于1980年發(fā)表文章主要考慮集中的或大范圍的無摩擦接觸和粘著接觸。Johnson于1985年在專著中討論彈塑性體和粘彈性接觸問題。由于解析方法研究接觸問題的復(fù)雜性，一些復(fù)雜接觸問題始終沒有得到接軍。 

　　3、數(shù)值分析方法 

　　隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，20世紀60年代以后出現(xiàn)了以有限元為代表的數(shù)值技術(shù)分析方法，未建立復(fù)雜接觸力學(xué)模型研究奠定基礎(chǔ)，并使接觸問題線性研究上升到高度非線性研究。目前，求解這類接觸問題主要有以下三種方法：（1）直接法;（2）接觸力學(xué)方法;（3）接觸面單元法。 

　　直接法又稱為數(shù)學(xué)規(guī)劃法，是基于勢能或余能原理，利用變分不等式等現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法將接觸問題轉(zhuǎn)化為一個約束二次規(guī)劃問題進行求解。接觸力學(xué)方法是通過對接觸邊界約束問題的適當處理，將約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為無約束優(yōu)化問題求解。根據(jù)無約束優(yōu)化方法的不同，一般分為Lagrange乘子法和罰函數(shù)法，Lagrange乘子法方法容易出現(xiàn)病態(tài)，罰函數(shù)法只能近似滿足接觸邊界條件，為此發(fā)展了修正的Lagrange乘子法。接觸面單元法在接觸問題的接觸邊界上引入接觸面單元，通過增量和迭代調(diào)整單元本構(gòu)模型中的參數(shù)，模擬其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。長期以來，諸多學(xué)者提出各種接觸面本構(gòu)模型和計算模型。目前，常用的接觸面單元有兩節(jié)點鏈桿單元，無厚度接觸面單元（Goodman單元、無厚度等參接觸面單元），有厚度薄層單元（Desai薄層單元）和摩擦接觸單元。 

　　二、支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形計算方法 

　　 深基坑支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形是支護結(jié)構(gòu)與周圍巖土體相互作用的結(jié)果，支護結(jié)構(gòu)變形是基坑變形的主要組成部分。一般情況下，深基坑支護結(jié)構(gòu)可簡化為一個受側(cè)向土壓力作用的受力結(jié)構(gòu)，目前對這種結(jié)構(gòu)主要有三種基本算法：極限平衡法、彈性地基梁法和有限元方法。 

　　1.極限平衡法 

　　極限平衡法是基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計較早使用的方法，由于計算簡單，可以手算，目前仍有采用。極限平衡法主要考慮力的平衡，取單位寬度受側(cè)力荷載作用的梁系進行計算，如等質(zhì)梁法、靜力平衡法、二分之一分割法以及剛性支承連續(xù)梁法等。國內(nèi)較多采用等值梁法和靜力平衡法。極限平衡法考慮的土壓力既有Terzaghi-Peck的經(jīng)驗表觀土壓力，也有經(jīng)典的理論土壓力方法，如郎肯土壓力法等。 

　　2.彈性地基梁法 

　　 彈性地基梁法針對極限平衡法中擋墻內(nèi)側(cè)坑地被動土壓力計算問題提出改進。其概念是由于擋土墻位移有控制要求，內(nèi)側(cè)土體不可能達到完全的被動狀態(tài)，因此計算中引用承受水平荷載樁的橫向抗力的概念，將外側(cè)土壓力作為施加在墻體上的水平荷載。土壓力一般采用經(jīng)典的土壓力理論，如郎肯土壓力理論或庫侖土壓力理論�；�坑面以上的支撐可看作為以彈性支點，基坑以下的土層可用一系列的土彈簧的作用替代（圖1）。把支護結(jié)構(gòu)看作一個彈性支承的地基梁，對彈性地基梁的解法通常采用解析法、結(jié)構(gòu)力學(xué)方法和有限元數(shù)值法等。 　　圖1 彈性地基梁法 

　　彈性地基梁法計算簡單，計算方法程序化實現(xiàn)容易，并可通過不同工況的前后銜接模擬基坑的開挖過程，因此成為現(xiàn)行規(guī)范的推薦方法。 

　　3.有限元方法 

　　基坑工程是一種系統(tǒng)工程，常規(guī)分析方法很難反映諸多因素的綜合效應(yīng)。近年來發(fā)展的有限元方法，可以分析深基坑的整體形狀，即把包括地基土在內(nèi)的整個深基坑作為一個空間結(jié)構(gòu)體系，考慮開挖過程、支護結(jié)構(gòu)與巖土體共同作用、滲流、時間等因素的影響，綜合分析支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。有限元方法把墻、土都劃分為單元，土體可以采用相應(yīng)的本構(gòu)模型。模擬可以采用平面有限元，也可以采用空間有限元。 

　　平面有限元分為豎直分析和水平面分析。豎直面分析是將基坑開挖影響范圍內(nèi)的各構(gòu)件離散為有限元單元，根據(jù)施工工況逐次模擬地基的應(yīng)力、應(yīng)變和位移狀態(tài)，求解過程與一般彈性力學(xué)有限元方法類似;水平面分析的主要對象是水平的撐錨體系，將豎直面分析求得的支撐反力作為外荷載，并利用支點位移作為邊界條件進行計算。 

　　三、深基坑支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形的研究 

　　在深基坑開挖的過程中，支護結(jié)構(gòu)體系在不斷的變化，每次挖掘時不僅有土體被挖掉，還有新的構(gòu)件添加，這是一種變形體系的施工力學(xué)問題。只考慮最后一個狀態(tài)進行分析與考慮每次開挖不斷迭加的成果進行分析，兩者所得到的結(jié)果是不一樣的。因此，深基坑和支護過程是一個動態(tài)的系統(tǒng)工程，巖土體開挖與支護結(jié)構(gòu)添加的過程對支護結(jié)構(gòu)和巖土體之間的相互作用有影響，這對相互作用的改變一定會影響支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形特征，所以對前一個開挖的支護結(jié)構(gòu)進行內(nèi)力與變形行為的檢測有利于計算下一個開挖支護的結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形特征，在此基礎(chǔ)上可以完善設(shè)計方案。 

　　極限平衡法將超靜定問題轉(zhuǎn)化成為靜定問題進行求解，沒能考慮支護結(jié)構(gòu)的變形影響土壓力。彈性地基梁法僅僅對平衡法進行了改進，沒能在根本上改變極限平衡法。以上兩種方法都沒有把支護結(jié)構(gòu)和周圍環(huán)境看成一個整體和巖土之間的相互作用，也考慮不到深基坑的空間效應(yīng)。深基坑是一個具有長、寬和深尺度的三維空間結(jié)構(gòu)，其支護體系的設(shè)計是一個極其復(fù)雜的三維空間受力問題。因此，深基坑支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算必須要考慮支護結(jié)構(gòu)和巖土體之間的相互作用與空間效應(yīng)。空間有限元方法可以模擬分析出支護結(jié)構(gòu)和巖土體之間的相互作用與空間效應(yīng)，三維有限元方法也可以分布模擬不同情況下支護結(jié)構(gòu)和巖土體系統(tǒng)的應(yīng)力場與變形場特征，根據(jù)這個情況，不斷優(yōu)化整個系統(tǒng)應(yīng)力場與變形場特征的設(shè)計和施工方案，以此確保整個基坑工程可以安全、合理和有效地施工。深基坑支護結(jié)構(gòu)變形與內(nèi)力檢測是為了保證基坑施工安全的主要措施，也是信息化設(shè)計與施工的前提。對深基坑支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形有影響的因素很多，必須對支護結(jié)構(gòu)本身與相鄰環(huán)境的系統(tǒng)進行監(jiān)測。目前很多檢測方法不能具體全面、客觀地反映結(jié)構(gòu)的變形動態(tài)，也不能準確地判斷其未來的發(fā)展趨勢。 

　　四、深基坑支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形的未來研究方向 

　　綜上所述，提出了深基坑支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形的未來研究方向。 

　　1.根據(jù)深基坑支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形時空的效應(yīng)，把支護結(jié)構(gòu)和周圍的巖土體看為一個系統(tǒng)，進行三維計算方法的研究。伴隨著城市化進程的快速發(fā)展，利用空間的程度較高，建筑物之間關(guān)系密切，在基坑工程施工時，必須重視基坑支護結(jié)構(gòu)對相鄰建筑的影響。 

　　2.根據(jù)深基坑支護結(jié)構(gòu)和巖土體非線性之間的相互作用，進行研究土壓力的非線性性質(zhì)和摩擦問題的耗散性質(zhì)�；�坑工程是一項動態(tài)系統(tǒng)工程，支護和巖土體的接觸性問題是經(jīng)典的非連續(xù)接觸問題。因此，必須要考慮動態(tài)性和非線性，從理論與數(shù)值模擬方面進行研究土壓力分布規(guī)律與接觸問題。 

　　3.對深基坑支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形三維系統(tǒng)的檢測方法與計算參數(shù)非線性反演方法進行研究。對深基坑支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形進行實時檢測，及時收集大量的巖土體信息，并通過反演方法和修正方法計算參數(shù)，預(yù)測下一個工況出現(xiàn)的新動態(tài)，為施工期間優(yōu)化設(shè)計與合理組織施工提供科學(xué)可靠信息。成本低、準確、簡單高效、對施工影響小的三維實時監(jiān)測可以及時準確有效地檢測出支護結(jié)構(gòu)的三維動態(tài)，為支護結(jié)構(gòu)的安全提供具體準確的變形信息已成為未來深基坑研究發(fā)展的一個方向。 

　　參考文獻： 

　　[1]魏建文  地鐵深基坑支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形研究[J]  山西建筑  2008（34） 

　　[2]王東北  深基坑支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形研究進展[J]  科技創(chuàng)業(yè)家  2003（18） 

　　[3]王曉楠  深基坑支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形研究進展[J]  科學(xué)技術(shù)與工程  2012