第２４卷第３期，２０１ １年７月 Ｖｏｌ ２４Ｎｏ．３，Ｊｕｌｙ ２０１１ 宁波大学学报（理工版） ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＮＩＮＧＢＯ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＳＥＥ） 首届中国高校优秀科技期刊奖 ‘浙江省优秀科技期刊一等奖 增量法在深基坑围护结构水平变形计算中的应用 陈玉香 （金华教育学院理工分院，浙江金华３２１０００） 摘要：在结构和荷载变化复杂的大型基坑工程围护结构变形计算中，增量法计算相对其他计算 理论具有较明显优越性．采用增量法对上海世博５００ｋＶ地下变电站其基坑围护结构在开挖过程 中的水平位移进行了计算整理，并与实测值进行对比分析．结果显示两者能较好地拟合，表明应 用增量法在此类工程中进行变形计算有一定的适用性． 关键词：增量法；基坑围护结构；地下连续墙；水平位移 中图分类号：ＴＵ３１ｌ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１．５１３２（２０１１）０３—００７６．０４ 基坑开挖过程是基坑开挖面竖直方向及其围 护结构水平方向的卸载过程．当前，在开挖深度较 深的基坑工程时，广泛采用地下连续墙作为其围 护结构，同时一般还要设置多道支撑形成整个支 护体系．在开挖过程中，土体、支撑和地下连续墙 段完成后的增量，将每个开挖段产生的内力和位 移叠加就是整个开挖过程结束、体系重新平衡后的 最终内力与位移．增量法的关键是准确地确定出 每个开挖段相对于前一个开挖段的荷载增量｛△尸｝， 一般可分为以下几类： （１）坑内土的挖除：坑内土被分层挖除时，作 所形成的结构体系不断变化，而且开挖过程中地 下连续墙亦已产生了位移，而支撑是在连续墙已 经产生位移的状态下施加的．按古典的不考虑支 撑变形及开挖施工过程的计算理论（如等值梁法）， 可得出非开挖侧弯矩为主的计算结果…，而这显然 脱离实际过程和结果．但增量法能较好地模拟基 坑分步开挖过程中不同的受力和结构状况，并能 将受力、结构的变化过程划分为所需的若干个相对 独立的阶段来分别计算．因此，增量法应该是理想 的基坑开挖简单分析方法之一． １ 增量法计算原理 增量法是非线性分析的常用方法，它是将总 一用在地下连续墙上的荷载增量由两部分组成．第 部分是由坑内侧土压力的减少而背开挖侧土压 力不变引起，增量相当于对体系相应部位反向施 加此压力的减少值，其分布规律是坑底以上呈三 角形，坑底以下呈矩形．第二部分是被挖除土体中 的土体弹性抗力释放，相当于在开挖段对体系反 向施加这些土体弹性抗力． （２）活载效应：活载是一种可变荷载，只对当 前的计算阶段起作用． （３）结构自重：在开挖过程中，假定支撑架设 和构件施作都是在各受力结构变形趋稳定的情况 荷载｛Ｐ｝分为Ⅳ次施加，每次荷载增量｛△ 形成 平衡方程，进而可求得应力增量｛△ ｝和位移增量 ｛△ ，将所有应力增量和位移增量叠加，可得总 下进行的．它们的自重仅在第一次出现时考虑． （４）支撑的拆除：相当于在拆撑处反向施加这 一支撑力． 荷载｛ 作用下的应力和位移．由此可见，应用增 量法计算深基坑开挖过程中地下连续墙的内力与 ２ 工程实例计算 上海５００ ｋＶ世博变电所建于上海市静安区，为 位移，外力是相对于前一个开挖段完成后的荷载 增量，求得的内力和位移也是相对于前一个开挖 全地下四层筒型结构，地下建筑直径１ ３０ ｍ，开挖 深度３４ ｍ，属一级基坑工程．工程围护结构采用主 收稿日期：２０１１—０２—１３ 宁波大学学报（理工版）网址：ｈｔｔｐ：／／３ｘｂ．ｎｂｕ ｅｄｕ ｃｎ 作者简介：陈玉香（１９７０一），女，浙江金华人，硕士／讲师，主要研究方向：土木工程Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｙｘｊｈ＠１２６ ｃｏｒｎ 第３期 陈玉香：增量法在深基坑围护结构水平变形计算中的应用 ７７ 体结构与支护结构全面结合，基坑逆作施工的整 ４０ ６００ｋＮ・１ＴＩ－ ，ｋ３＝３７ ３００ｋＮ・ｍ－ ．地下连续墙开 体方案，即地下连续墙两墙合一、结构梁板替代水 挖侧设置０．８ ｍ厚结构内衬墙，与地下连续墙共同 平支撑、设置临时环形支撑【２］．基坑开挖、加撑过 组成复合墙体． 程如下：第１步，开挖至一３．５ ｍ；第２步，施工．２ ｍ 计算模型采用基于规范的水土合算轴对称弹 处Ｂ０板，开挖至．７．６ｍ；第３步，施工．７ｍ处单环 性地基杆系有限元模型【３ Ｊ．地基土简化为Ｗｉｎｋｌｅｒ 梁支撑，开挖至．１２．９ｍ；第４步，施工一１１．５Ｉｌｌ处Ｂ１ 弹性地基模型．每层楼板施工、每道支撑设置后， 板，开挖至一１７．６ｍ；第５步，施工一１６．５ｍ处Ｂ２板， 连续墙结构都发生变化，因此在计算某一开挖步 开挖至．２２．６ ｍ；第６步，施工．２２ ｍ处双环梁支撑， 的应力与变形时，应在前一开挖步基础上，应用增 开挖至一２７．６ｍ；第７步，施工．２６．５ｍ处Ｂ３板，开 量法来计算．各开挖步增量法计算简图如图１所 挖至．３０．８５ ｍ；第８步，施工一３０．３ ｍ处双环梁支撑， 示． 开挖至．３３．７ ｍ，现浇基础底板． 场地承压水位于标高一３０．５ ｍ处，开挖中维持 该工程中，围护结构采用１．２ ｒｎ厚地下连续墙， 潜水水位，并设置防渗帷幕．地面超载为０．土的 墙底深度５７．５ ｍ，有效长度５４ ｍ．地下连续墙既具 主要物理力学指标：重度Ｙ＝１８ ｋＮ・ｍ一，内摩擦角 有挡土和止水的作用又作为永久地下结构外墙． ＝１８。． 利用地下四层双向梁板作为水平内支撑体系，即 在不考虑温度荷载隋况下，应用ＡＮＳＹＳ软件 Ｂ０板、Ｂ１板、Ｂ２板、Ｂ３板．逆作施工阶段，地 计算各开挖步连续墙应力、变形．首先可计算出第 下一层、三层和四层的板跨分别达９．５ ｍ，１０ ｍ和 １步开挖的应力值与位移值；再将第２步增量的计 ７．２ ｍ，为减小地下连续墙的竖向跨度，改善基坑 算结果与第１步计算结果相叠加即为第２步的应力 围护体系的整体变形和受力性能，在上述三跨的 值与位移值；将第３步增量的计算结果与第２步计 跨中分别架设了临时环向水平支撑系统．３道临时 算结果相叠加即为第３步的应力值与位移值；以此 支撑计算等效刚度分别为 ＝１７ ０４０ｋＮ‘ｍ～， ＝ 类推可得出第４步、第５步、第６步、第７步与第 ｔｌＰ ｌ板８ 、、牮 Ｂ（ 板ｇ “ｐ ＢＯ板ｇ ＾ Ｌｎ —— 暑 ０ ０ 撑ｌ ２ 支 １ ２ 支撑１ ２ ＇ 寸 —— ● ，ｊ Ｂ】 板： 寸 Ｂ１板： —— ● 。 ｝ 星 Ｂ２板 ｌ ● ～ 景 ～ ～ ＼ Ｌｎ 支撑２景 ● ～ ｗ ｗ 旨 ｖ、 ～ 寸 ～ ～ Ｂ３板 ＿ 一 ＿－ ｕ 一 △．ｐ ～ 昌 ｛ ∞ ～ ～ ｍ 支撑３ ｎ ｌ６Ｐ ＿－ｖ 一 ～ 一 ～ ｛ 一 ～ ’～ ｌ Ｍ ～ ～ ～ ～ 一 ｛ ～ ＡＰ、～ ｎ ８ ＼ ， ～ ｛ ＿． Ｍ ～ ～ ～Ｖ ｌ ＾卅 ～ ＾ ～ ＾ 一 ：－．．．．一 １次开挖 ２次开挖 ３次开挖 ４次开挖 ５次开挖 ６次开挖 ７次开挖８次开挖 图１增量法计算简图 宁波大学学报（理工版） ０３ ３７７ —７１ ８７ｌ 一４０ ３６６ —８ ８６０ ２２ ６４６ ３８ ３９９ 一ｌ ５６ ９０９ —５７ ４５８ ４ｌ ９３９ １４ｌ ３６３ ２４０ ７８７ ２９０ ４９９ ８７ ６２４ —５６ ｌ１８ —２４ ６ｌ ３ ６ ８９３ 一ｌ０７ ｌ９７ ．７ ７７３ ９１ ６５ｌ ｌ９】０７５ （ａ）第３步 （ｂ）第７步 图２第３步及第７步开挖步计算环向应力图 ．Ｏ ００５ ０８５—０ ０３８ １１ ．０ ００２ ５３７ Ｏ ００１ ２６３ １ １ Ｘ１０‘ ６ ４８ｘ１０ ．０ ０５８ ３４ —０ ００４ ４７７—０ ００３ １２１．０ Ｏ０１ ７６４ —０ ００３ ７９９—０ ００２ ４４２—４ ０７×１０ ２ ７×１０ Ｏ ００４ ４４８．Ｏ．００３ １７４一Ｏ ００１ ９ —６ ２６ｘ１０ ０ ００５ ｌ５６—０ Ｏ０ １０８６ （ａ）第３步 （ｂ）第７步 图３第３步及第７步开挖步计算水平位移图 ８步的计算结果．图２为第３、７开挖步计算所得环 挖步的位移． 向应力图．图３为第３、７开挖步计算所得水平位 移图． 工程开挖期间建立了全过程、全方位的连续墙 水平位移监测ｌ４Ｊ．沿地下连续墙一圈共设置１ ６个 水平位移监测点，记录了基坑开挖全过程中连续 墙水平位移状况．图４为地下连续墙水平位移增量 由图４可以看出：（１）连续墙的水平位移在每个 开挖步中，无论是计算值还是实测值方向都是向 基坑内侧；（２）随着开挖深度的加深，图４（ａ）和图４（ｂ） 中的位移值都逐步增加，最大位移值加大，最大位 移发生部位都逐渐下移；（３）整个开挖过程中，连续 墙顶部水平位移都较小，而且无明显变化；（４）在各 个开挖步中，连续墙实测最大变形均比计算值大 一法计算值与实测值比较．其中，ｋｗｔ为第１开挖步 的位移；ｋｗ３为第３开挖步的位移；ｋｗ６为第６开挖 步的位移；ｋｗ７为第７开挖步的位移；ｋｗ８为第８开 些，开挖到最后时达到最大值，计算最大值为 ３２．４ ｍｍ，实测最大值为．４２．８ ａｒｍ；（５）随着开挖的 一第３期 —陈玉香：增量法在深基坑围护结构水平变形计算中的应用 ７９ ５０ ｌ弓０ ＼ 昌 ｇ ＼ 龄 ．龄 ２０ ．１Ｏ ０ Ｏ ．１０ —２Ｏ 一３Ｏ ．４０ ．５Ｏ 深度／ｍ （ａ）计算值 深度／ｒｎ （ｂ）实测值 图４连续墙水平位移计算值与实测值比较 进展，图４（ａ）和图４（ｂ）变形都逐步走向ｓ形，尤其 量大产生的水化热、工期漫长经受大气温度大幅度 改变等因素对连续墙内力及变形影响程度还有待 深入研究． 参考文献： 计算图形的这种趋势更加明显．因此，从形态上拟 合较好，说明本工程用增量法计算其连续墙水平 位移比较合理． ３ 结论 ［１］孙均，侯学渊．地下结构（下册）［Ｍ］．北京：科学出版社 １ ９８８：３７．７６． （１）增量法较好地模拟了基坑分布开挖过程 中围护结构受力和结构变化，且计算结果与实测 值能较好地吻合，应在类似工程中加以推广应用． （２）在各个开挖步中，水平位移实测值大于计 ［２］王卫东，朱伟林，陈铮，等．上海世博５００ ｋＶ地下变电 站超深基坑工程的设计研究与实践［Ｊ］ｌ岩土工程学报， ２００８，３０（增）：５６４—５７６． ［３］凌道盛，徐兴．非线性有限元及程序［Ｍ］．浙江：浙江 大学出版社，２００４：２５０．２８ １． 算值，因素之一是本工程理论上为完美圆形结构， 拱效应在计算中发挥了较大作用，但实际工程中 连续墙是通过折线连接替代了圆，因此实测值要 ［４］宋青君，王卫东．上海世博５００ ｋＶ地下变电站圆形深 基坑逆作法变形与受力特性实测分析［Ｊ］．建筑结构学 报，２０１０，３１（５）：１８１—１８７． 比计算值偏大．除此因素外，由于工程混凝土浇筑 Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌ Ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ Ｄｅｅｐ Ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ Ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ＣＨＥＮ Ｙｕ—ｘｉａｎｇ （Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉｎｈｕａ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｊｉｎｈｕａ ３２１０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｌｏａｄｓ ｃｌａｓｓｉｆｙｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌ ｍｅｔｈｏｄ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｉｔ ｉＳ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ ｓｕｐｅｒｉｏｒ ｔｏ ｏｔｈｅｒ ｔｈｅｏｒｉｅｓ ｃｏｎｃｅｒｎｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｅｐ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ ｄｅｆｅｌｒｍａｔｉｏｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｉｔｓ ｌｏａｄｓ ｃｈａｎｇｅ ｉｎ ａ ｃｏｍｐｌｅｘ ｍａｎｎｅｒ．Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｄｅｅｐ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｈａｎｇｈａｉ ５００ ｋＶ Ｗ６ｒｉｄ Ｅｘｐｏ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｎｄ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ ｉＳ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｍｏｎｉｔｏｒｅｄ ａｎｄ ｃｏｍｐｕｔｅｄ ｄａｔａ．ｔｈｅ ｈｅｌｐｆｕｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｎ ｓｉｍｉｌａｒ ｐｒｏｊｅｃｔｓ ｉＳ ｐｒｏｖｉｄｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌ ｍｅｔｈｏｄ；ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ；ｒｅｔａｉｎｉｎｇ ｗａｌｌ；ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ （责任编辑章践立）