试论围护结构弹性地基梁法的创新

试论围护结构弹性地基梁法的创新

石超军程航

河南立哲建筑工程有限公司石超军程航

摘要：竖向弹性地基梁法（即局部弹簧弹性地基梁法）在围护结构设计中被应用的最多。墙体变位方向与全弹簧弹性地基梁法是常用方法，本文结合非线性土压力渐变理论，试图得出非线性土压力全弹簧的弹性地基梁法，证明该方法与墙体变位方向及大小均有关，旨在说明该法的合理性。

关键词：弹性地基梁法；围护结构；合理性

一、局部弹簧地基梁法

局部弹簧地基梁法（简称1法）建立在散粒体极限土压力理论基础上。

土压力状态的有限性。土压力有主动土压力、被动土压力与静止土压力3种状态，常在其间跳跃性变化（规范中也增加了一种可能，对主动土压力进行增加，如乘以（K0+Ka）Π2系数，或对被动土压力进行折减，如乘以（K0+Kp）Π2的系数）。土压力具分区性。围护墙迎土侧受主动土压力，开挖面以下围护墙前承受被动土压力。

在被动区，部分m弹簧代替被动土压力作用。计算土压力状态有限，主动区与被动区基本不能转化。当围护结构的某些梁元位移方向与假设反向（通常向坑外）时，往往因为约束土压力仍为主动土压力而约束不足，导致位移过大，造成与实际不符的情况，这种缺点，在空间计算中表现尤为明显。

二、常用局部弹簧弹性地基梁法

全弹簧弹性地基梁法全弹簧的弹性地基梁法（简称2法）针对上述问题做了改进，允许墙前、墙后的土压力状态随墙体方向的改变而改变。相对于平衡位置而言，围护墙的水平变形在整个施工过程中，方向常有可能变化（向坑内或向坑外）。比如多道支撑的板式围护，有时加了较大的预加轴力及连续梁的位移连续条件，造成在开挖面以上某些迎土区出现墙体向坑外变形的情况。这时该区应当代以被动土压力。所以，虽然按朗金土压力理论设计，但墙前墙后的土压力也要视实际发生的位移的情况而改变性质。开挖面以下，墙前、墙后都可以同时出现主、被动区，开挖面以上，墙后则可能出现被动区。

由于土体是不抗拉的，弹簧作用（实际上代表被动土压力）与主动土压不可兼得，即当弹簧出现拉力时，土抗力比例系数m为0，相应位置作用主动土压；当出现抗压时，则主动土压力为0，采用相应的规范或地区经验规定的m值，以代表被动土压的作用。由弹性地基梁[K+Ks]{s}={F}可知，随着各种工况的进行，对于某一定点，左端弹簧系数[Ks]与右端{F}均在变化，该点上的土压力状态也在变化。这样，显然比1法更好地模拟了实际情况。该方法求解过程：1）假设墙前（向坑内面为墙前）为被动土压力，墙后（向土侧）为主动土压力；2）墙前墙后均设弹簧，墙后初始弹簧的m=0，土压力≠0，而墙前初始弹簧的m≠0，土压力=0，建立刚度方程；3）求解，出现正位移（偏离平衡位置压向临土面为正）时，恢复弹簧系数，并取消相应范围内的主动土压力；出现负位移时，弹簧置0，恢复主动土压力，再次求解；4）重复上述步骤直到均满足要求。由此过程可以看出，地基梁的方程求解已经有一定的自调适功能。本法虽然比局部弹簧地基梁法合理，但对围护结构位移的利用还不够，只是利用位移方向判断土压力的主、被动状态，直接代以极限土压力，还不能利用位移大小来考虑土压力随位移变化的多种中间状态，因而调适能力还是有限的。

三、非线性土压力全弹簧弹性地基梁法

非线性土压力理论基础上的全弹簧弹性地基梁法简称3法。2法虽然较1法有所改进，但还有不足，原因在于采用固定的土压力极限值及比较固定的m值。实际上：①土压力状态无穷多。土压在极限主动土压力与被动极限土压力间有无穷多的状态，实际土压力的大小不仅与墙体位移方向有关，还与墙体位移的大小相关，比如在一些逆做法的地铁车站基坑工程中，实测的墙体水平位移非常小，挖深到地下17m左右位移只有9mm左右；可以想象，这种状况下的土压力是非常接近静止土压力的。②环境控制要求高，限制土压力达到极限。城市建设中的环境控制越来越严，尤其是墙体位移使土压力很难发展到极限值。

土压力实测也表明，围护墙的土压力随墙体的位移变化而改变。当墙体向基坑内变形时，静止土压力随位移变化逐渐减少，并趋向一个极限值，而后基本上不随位移增大而变化；此极限值可考虑为主动土压力。反之，如果墙体向基坑外变形，则土压力随之变化，静止土压力逐渐增大，趋于另一个极限值，而后逐渐稳定下来；此极限值可考虑为被动土压力。作用在开挖面以下的墙前土压力变化与墙后的土压力变化类似。上述土压力与位移一般呈非线性关系，近似于双曲线。计算这类结构的内力和变形应考虑土压力随位移的非线性变化。当挡土墙上部向基坑外变形时，墙后的土体一部分处于被动区，而墙前开挖面以下的土体处于被动区还是处于主动区，不能预先设定。为此，建议采用非线性土压力代替极限土压力。其基点是：最大主动土压力采用朗金主动土压力强度，而最大被动土压力采用朗金被动土压力强度，中间土压力则随着土体位移而变化。这种变化关系往往要根据各地的土质情况进行实验与统计分析确定。以采用类双曲线变化的土压力-位移关系为例。

uΕ0时，Δp-u曲线称为被动曲线；uΦ0时，Δp-u曲线称为主动曲线。ka、kp分别为主动曲线与被动曲线起始时的土的水平抗力系数；ma、mp分别为主动曲线与被动曲线起始时的土的水平抗力系数的比例系数。当位移向坑外且很大时，墙后土压力趋向被动土压力强度pp，并以此为限；当位移向坑内且很大时，墙后土压力趋向主动土压力强度pa并以此为限。墙前土压力与墙后土压力类似。

非线性土压力理论，反映了土压力随土体位移成非线性变化，且当位移较大时，土压力变化速率变小，体现了土的水平抗力系数k随位移的变化而变化的情况。在计算中，不必判断土压力是否小于主动土压力或大于被动土压力。将非线性土压力理论与2法结合，就形成了比较完善的非线性土压力的全弹簧弹性地基梁法。由于采用了非线性土压力，在土压力描述中出现了位移，地基梁方程的左、右端项中将都有位移出现，因此需要采用迭代求解。建立在非线性土压力基础上的全弹簧弹性地基梁法比2法更加合理。非线性变化的特点体现了土压力与结构位移的大小和方向的相关性，自调适能力大大增强。

四、应用

根据1法和3法，编制了相应的空间计算分析程序。下面通过一实例说明后者的优越性。新上海国际大厦基坑支护工程位于陆家嘴金融贸易区。该基坑工程采用地下连续墙与钢筋砼支撑形式，基坑开挖深度为13.4m，平面尺寸为75m×77m，支护结构墙顶标高为±0.00m，地下水标高-0.8m，地面超载10kPa，地下墙与圈梁砼强度为C30，弹性模量为3×104MPa分3道工况支撑开挖：工况一，浇顶圈梁及内支撑，支撑标高-0.400m，挖到-5.2m；工况二，浇第二道圈梁及内支撑，支撑标高-4.800m，挖到-9.400m；工况三，浇第三道圈梁及内支撑，支撑标高-9.000m，挖到-13.400m。采用1法进行计算分析。可以看出，在受力比较集中的东北隅角区，变位相当之大。这是由于隅角本身是受力集中区，而该法假设隅角承受极限主动土压力，当出现向坑外的位移时虽然实际会形成被动土压力，但该法仍然使用主动极限土压力作为约束，必然使得约束偏小，变形偏大。

采用3法（土压力采用双曲线变化关系）进行空间计算分析，可以看出，空间形状比较和缓，在隅角部分，位移也比较平缓，与实际情况比较接近。

将两种方法的位移包络图与实测比较，从中可以看出3法的墙体位移包络图实测变形包络图与3法算出的变形包络图非常相似，而与1法的结果差别较大。这是因为，3法的非线性土压力更加接近土体、结构的工作机理，而全弹簧工作的方法动态描述土压力的主动与被动，反映了土压力与位移间的相互关联与互动性，与实际情况比较接近，结果也就更加接近实际。

目前基坑设计中还普遍采用1法，虽然操作简便，但与实际出入较大。本文中的3法，采用更接近土、结构相互作用的真实状况的非线性全弹簧土压地基梁模型，计算结果更接近实际，计算一样方便，值得在设计计算中推广。