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摘要：深基坑工程是一门系统工程，支护结构类型多，目前主要有钻孔灌注桩、土钉墙、钢板桩和地下连接墙等。不同支护结构体系与岩土体的相互作用机制不同。深基坑开挖及支护不仅涉及岩土力学中典型的变形、强度和稳定性问题，还涉及到支护结构与岩土体的相互作用问题。支护结构与岩土体的相互作用是影响支护结构内力与变形的重要因素。本文从支护结构与岩土体的相互作用分析，提出了支护结构内力与变形计算方法，并讲述了深基坑支护结构内力与变形的研究，展望了深基坑支护结构内力与变形的未来研究方向。
关键词：深基坑 支护 结构内力 变形
一、支护结构与土（岩石）体之间的作用力
1、土压力
土压力的产生主要是由支护结构与基坑壁的土之间的相互作用，这个作用力需要在土石方工程设计中慎重的考虑，在实际的施工准备过程中，技术人员往往只考虑了该作用力的被动的、静态作用力，实际工程施工过程中，由于坑壁往往会堆积建筑材料或者部分的活荷载，导致基坑塌方，这是计算土压力人员要特别注意的地方。
2、接触力
实际的工程支护结构实施时，往往部分支护结构与坑壁之间的力不是连续的，这样在实际监测的过程中难免会出现误差，因此就会对施工材料资源造成不合理的利用，严重的还会出现安全事故。因此我们在实际的分析中可以采用接触力学分析法与数值分析法相结合，准确的监测出任何时刻的作用力大小。
二、支护结构内力与变形计算方法
深基坑支护结构内力与变形是支护结构与周围岩土体相互作用的结果，支护结构变形是基坑变形的主要组成部分。一般情况下，深基坑支护结构可简化为一个受侧向土压力作用的受力结构，目前对这种结构主要有三种基本算法：极限平衡法、弹性地基梁法和有限元法。
1、极限平衡法
极限平衡法是基坑支护结构设计较早使用的方法，由于计算简单，可以手算，目前仍有采用。极限平衡法主要考虑力的平衡，取单位宽度受侧力荷载作用的梁系进行计算，如等质梁法、静力平衡法、二分之一分割法以及刚性支承连续梁法等。国内较多采用等值梁法和静力平衡法。极限平衡法考虑的土压力既有Terzaghi-Peck的经验表观土压力，也有经典的理论土压力方法，如朗肯土压力法等。
2、弹性地基梁法
弹性地基梁法针对极限平衡法中挡墙内侧坑地被动土压力计算问题提出改进。其概念是由于挡土墙位移有控制要求，内侧土体不可能达到完全的被动状态，因此计算中引用承受水平荷载桩的横向抗力的概念，将外侧土压力作为施加在墙体上的水平荷载。土压力一般采用经典的土压力理论，如朗肯土压力理论或库仑土压力理论。基坑面以上的支撑可看作为以弹性支点，基坑以下的土层可用一系列的土弹簧的作用替代。把支护结构看作一个弹性支承的地基梁，对弹性地基梁的解法通常采用解析法、结构力学方法和有限元数值法等。弹性地基梁法计算简单，计算方法程序化实现容易，并可通过不同工况的前后衔接模拟基坑的开挖过程，因此成为现行规范的推荐方法。
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3、有限元法
基坑工程是一种系统工程，常规分析方法很难反映诸多因素的综合效应。近年来发展的有限元方法，可以分析深基坑的整体形状，即把包括地基土在内的整个深基坑作为一个空间结构体系，考虑开挖过程、支护结构与岩土体共同作用、渗流、时间等因素的影响，综合分析支护结构的内力和变形。有限元法把墙、土都划分为单元，土体可以采用相应的本构模型。模拟可以采用平面有限元，也可以采用空间有限元。
平面有限元分为竖直分析和水平面分析。竖直面分析是将基坑开挖影响范围内的各构件离散为有限元单元，根据施工工况逐次模拟地基的应力、应变和位移状态，求解过程与一般弹性力学有限元方法类似;水平面分析的主要对象是水平的撑锚体系，将竖直面分析求得的支撑反力作为外荷载，并利用支点位移作为边界条件进行计算。
三、深基坑支护结构内力与变形的研究
在深基坑开挖的过程中，支护结构体系在不断的变化，每次挖掘时不仅有土体被挖掉，还有新的构件添加，这是一种变形体系的施工力学问题。只考虑最后一个状态进行分析与考虑每次开挖不断迭加的成果进行分析，两者所得到的结果是不一样的。因此，深基坑和支护过程是一个动态的系统工程，岩土体开挖与支护结构添加的过程对支护结构和岩土体之间的相互作用有影响，这对相互作用的改变一定会影响支护结构的内力与变形特征，所以对前一个开挖的支护结构进行内力与变形行为的检测有利于计算下一个开挖支护的结构内力与变形特征，在此基础上可以完善设计方案。
极限平衡法将超静定问题转化成为静定问题进行求解，没能考虑支护结构的变形影响土压力。弹性地基梁法仅对平衡法进行了改进，没能在根本上改变极限平衡法。以上两种方法都没有把支护结构和周围环境看成一个整体和岩土之间的相互作用，也考虑不到深基坑的空间效应。深基坑是一个具有长、宽和深尺度的三维空间结构，其支护体系的设计是一个极其复杂的三维空间受力问题。因此，深基坑支护结构的设计计算必须要考虑支护结构和岩土体之间的相互作用与空间效应。空间有限元方法可以模拟分析出支护结构和岩土体之间的相互作用与空间效应，三维有限元方法也可以分布模拟不同情况下支护结构和岩土体系统的应力场与变形场特征，根据这个情况，不断优化整个系统应力场与变形场特征的设计和施工方案，以此确保整个基坑工程可以安全、合理和有效地施工。深基坑支护结构变形与内力检测是为了保证基坑施工安全的主要措施，也是信息化设计与施工的前提。对深基坑支护结构内力与变形有影响的因素很多，必须对支护结构本身与相邻环境的系统进行监测。目前很多检测方法不能具体全面、客观地反映结构的变形动态，也不能准确地判断其未来的发展趋势。
四、深基坑支护结构内力与变形的未来研究方向
综上所述，提出了深基坑支护结构内力与变形的未来研究方向。 ①根据深基坑支护结构的内力和变形时空的效应，把支护结构和周围的岩土体看为一个系统，进行三维计算方法的研究。伴随着城市化进程的快速发展，利用空间的程度较高，建筑物之间关系密切，在基坑工程施工时，必须重视基坑支护结构对相邻建筑的影响。②根据深基坑支护结构和岩土体非线性之间的相互作用，进行研究土压力的非线性性质和摩擦问题的耗散性质。基坑工程是一项动态系统工程，支护和岩土体的接触性问题是经典的非连续接触问题。因此，必须要考虑动态性和非线性，从理论与数值模拟方面进行研究土压力分布规律与接触问题。③对深基坑支护结构内力和变形三维系统的检测方法与计算参数非线性反演方法进行研究。对深基坑支护结构内力和变形进行实时检测，及时收集大量的岩土体信息，并通过反演方法和修正方法计算参数，预测下一个工况出现的新动态，为施工期间优化设计与合理组织施工提供科学可靠信息。成本低、准确、简单高效、对施工影响小的三维实时监测可以及时准确有效地检测出支护结构的三维动态，为支护结构的安全提供具体准确的变形信息已成为未来深基坑研究发展的一个方向。
五、总结
总之，在现代建筑施工中，我们要因地制宜地做好深基坑支护结构的设计和施工，要加强对深基坑支护结构内力与变形的研究，同时积极进行管理，确保每个基坑工程都能安全保质保量的完成。
参考文献:
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[3]王东北. 深基坑支护结构内力与变形研究进展[J]. 科技创业家, 2013(18):381-381.
论文作者:张建强
论文发表刊物:《防护工程》2018年第29期
论文发表时间:2019/1/7
标签：结构论文; 内力论文; 基坑论文; 岩土论文; 深基坑论文; 相互作用论文; 压力论文; 《防护工程》2018年第29期论文;