江苏润扬长江公路大桥北锚锭基础围护结构设计优化
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摘要
润扬长江公路大桥是江苏省“四纵四横四联”的公路主骨架和跨长江通道的重要组成部分；是一座设计车速为100km／h的六车道高速公路特大桥。北锚锭深大基坑位于江苏镇江世业洲尾部下新滩，为南汊悬索桥的重要组成部分．该基础工程不论在开挖深度还是规模上都很具有代表性。作者在现场调研的基础上，探讨了基坑支护结构设计优化问题。主要研究内容可以归纳为：应用基于m法的弹性地基梁杆系有限元方法；在围护结构整体稳定性安全系数与可靠性破坏概率两种控制因素下，编写了嵌岩深度优化的MATLAB程序与围护结构整体设计优化的ANSYS批处理程序；进行了地层抗力比例系数反算、地下连续墙嵌岩深度优化与地下连续墙结构体系整体设计优化。
研究结果表明：
(1)对基坑围护结构—地下连续墙的实测土压力和实测侧向水平位移统计分析得出：土压力是一个随开挖深度不断变化的量；在开挖至设计开挖深度的1／2～5／8时，土压力达到最大值。从总体上看，实测土压力小于按传统方法(水土分算法、水土合算法)计算得到的主动土压力。地下连续墙的侧向水平位移是随开挖加深而不断增加的。在基坑开挖过程中，下一道土体开挖对上一道支撑的内力和位移有明显的影响，揭示了经典法(假想梁法、山肩帮男法)的不合理性．
(2)基于现场实测主动土压力与实测侧向水平位移下，对锚锭基础范围内的土层抗力比例系数进行反算，结果显示：反算得到的土层抗力比例系数小于按照规范与经验取值。
(3)地下连续墙嵌岩深度优化结果表明：地下连续墙侧向水平位移并非随嵌岩深度的增加而无限制地减小，因此合理的嵌岩深度，既是一个安全问题，也是一个经济问题。
(4)地下连续墙结构体系设计优化结果表明：在不增加内支撑刚度及其截面积的情况下，优化后地下连续墙造价可以减少5.5％左右，内支撑的造价可减少6.3％．
本文结果对地下连续墙设计优化具有一定的参考价值和实际意义。
Runyang Changjiang highway bridge is a main bridge of across Changjiang in Jiangshu province, with six lances for 100km per hour designing vehicle speed. It's deep-large rivet foundation at the north embankment ,in Shiye, Zhenjiang.is a important part of the suspension bridge. The foundation engineering is typical in both excavation depth and scale, on the basis of in-situ investigation, the design optimistic of retaining wall was discussioned in this paper, the mian reseaches including:the using of FEM optimazition methods of rods system;the delvopment of programs for optimazition of imbedding depth of structure based on MATLAB and for whole design optimaziton of the retaining structures based on ANSYS,under the two controlling factors of the saft coefficient and the reliability probability about the whole damage of retaining atructure;the analysis on the m index of soil,the depth of retaining structures imbedded in the rock and the overall optimistic design of retaining structures.
The results of research show that:
1.The statistical analysis of the in-situ measured soil and water pressures and lateral horizontal displacement of the underground consecution wall revealed that soil and water pressures chang continuously with the excavation depth,the maximum values appear when excavation depth reach 1/2-5/8 of the designing excavation depth.Generally, the soil and water pressures on the underground consecution wall are less than that calculated by conditional ways.The lateral horizontal displancement of the underground consecution wall increase with the increase of excavation depth.during the process of excavation,the following excavation of soil have an obvious effect on inner force and displacement of the previous struts,which proved that classic methods(imagine beam method etc) are unreasonable.
2.On the basis of the soil and water pressure and the lateral horizontal displacement in-situ investigation the force-resisting coefficient of soil layers are back-calculated.and it is less than that determinged form standard codes and the empirical values.
3.The results of the optimization reseach on the imbedded depth of underground consecution wall show that the lateral horizontal displacment of the underground consecution wall do not infinitely decrease with the increase of the imbedded depth of the underground consecution wll.
4.Theresultsof the optimization reseach on the design of the underground consecution wall show that without the increasing of the rigidity and section of struts.the cost of underground consecution wall can decrease about 5.5% or so,the cost of istruts decrease about 6.3%.
The results drawed in this paper offering some actual prefencesses.
研究结果表明：
(1)对基坑围护结构—地下连续墙的实测土压力和实测侧向水平位移统计分析得出：土压力是一个随开挖深度不断变化的量；在开挖至设计开挖深度的1／2～5／8时，土压力达到最大值。从总体上看，实测土压力小于按传统方法(水土分算法、水土合算法)计算得到的主动土压力。地下连续墙的侧向水平位移是随开挖加深而不断增加的。在基坑开挖过程中，下一道土体开挖对上一道支撑的内力和位移有明显的影响，揭示了经典法(假想梁法、山肩帮男法)的不合理性．
(2)基于现场实测主动土压力与实测侧向水平位移下，对锚锭基础范围内的土层抗力比例系数进行反算，结果显示：反算得到的土层抗力比例系数小于按照规范与经验取值。
(3)地下连续墙嵌岩深度优化结果表明：地下连续墙侧向水平位移并非随嵌岩深度的增加而无限制地减小，因此合理的嵌岩深度，既是一个安全问题，也是一个经济问题。
(4)地下连续墙结构体系设计优化结果表明：在不增加内支撑刚度及其截面积的情况下，优化后地下连续墙造价可以减少5.5％左右，内支撑的造价可减少6.3％．
本文结果对地下连续墙设计优化具有一定的参考价值和实际意义。
Runyang Changjiang highway bridge is a main bridge of across Changjiang in Jiangshu province, with six lances for 100km per hour designing vehicle speed. It's deep-large rivet foundation at the north embankment ,in Shiye, Zhenjiang.is a important part of the suspension bridge. The foundation engineering is typical in both excavation depth and scale, on the basis of in-situ investigation, the design optimistic of retaining wall was discussioned in this paper, the mian reseaches including:the using of FEM optimazition methods of rods system;the delvopment of programs for optimazition of imbedding depth of structure based on MATLAB and for whole design optimaziton of the retaining structures based on ANSYS,under the two controlling factors of the saft coefficient and the reliability probability about the whole damage of retaining atructure;the analysis on the m index of soil,the depth of retaining structures imbedded in the rock and the overall optimistic design of retaining structures.
The results of research show that:
1.The statistical analysis of the in-situ measured soil and water pressures and lateral horizontal displacement of the underground consecution wall revealed that soil and water pressures chang continuously with the excavation depth,the maximum values appear when excavation depth reach 1/2-5/8 of the designing excavation depth.Generally, the soil and water pressures on the underground consecution wall are less than that calculated by conditional ways.The lateral horizontal displancement of the underground consecution wall increase with the increase of excavation depth.during the process of excavation,the following excavation of soil have an obvious effect on inner force and displacement of the previous struts,which proved that classic methods(imagine beam method etc) are unreasonable.
2.On the basis of the soil and water pressure and the lateral horizontal displacement in-situ investigation the force-resisting coefficient of soil layers are back-calculated.and it is less than that determinged form standard codes and the empirical values.
3.The results of the optimization reseach on the imbedded depth of underground consecution wall show that the lateral horizontal displacment of the underground consecution wall do not infinitely decrease with the increase of the imbedded depth of the underground consecution wll.
4.Theresultsof the optimization reseach on the design of the underground consecution wall show that without the increasing of the rigidity and section of struts.the cost of underground consecution wall can decrease about 5.5% or so,the cost of istruts decrease about 6.3%.
The results drawed in this paper offering some actual prefencesses.
引文
[1] 赵维炳，深基坑支护结构设计软件开发，江苏省土木建筑学会地基基础学术年会论文集，1995[75～80]，镇江
[2] Lumb P. The Variability of National Soils, Canadian Geotechincal Engineering Journal, Vol. 3, No, 2
[3] 松尾稔著，万国朝译 地基工程学----可靠性设计的理论和实践。人民交通出版社，1990，北京
[4] Meyerhof G G著，冷伍明译。岩土工程极限状态设计，Structural Safety，1982(1)
[5] 高大钊，软土深基坑支护技术中的若干土力学问题，岩土力学，1995，9
[6] 吕凤梧，徐伟，刘建航，深基坑开挖支护的弹塑性有限元数值模拟分析，建筑技术，2002(2)
[7] 何颐毕，杨斌，金宝森等，深基坑护坡桩土压力的工程测试及研究，土木工程学报，1997，30(1)：16～24
[8] Clough, G, Wayne and Reed Michael W., Measured behaviour of braced wall in very soft clay. Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, 1984, 110(1):1～19
[9] Anthony T. C. Goh. Behaviour of cantilever retaining walls. Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, 1993, 119(11):1715～1770
[10] 欧章煜，廖瑞堂，软弱粘土层中深开挖之水土压力之变化，台湾：中国土木水利工程学报，1994：7(3)：253～262
[11] 黄强，建筑基坑支护结构技术规程应用手册，中国建筑工业出版社，1999．11，北京
[12] 秦四清等，深基坑工程优化设计，地震出版社，1998，9 北京
[13] 罗文强，斜坡可靠性理论及应用研究，成都理工大学博士后研究工作报告，2000．10，成都
[14] 吴世伟，结构可靠度分析，人民交通出版社，1990
[15] 吴凯华，多支撑式地下连续墙优化设计初探，岩土工程学报，1988，7
[16] 徐扬青，深基坑支护结构的优化设计 计算，岩土工程学报，1997，6
[17] 苏金明，m法基坑支护结构设计中的参数确定与结构优化问题研究，成都理工大学硕士论文，2000，成都
[18] 刘建航、候学渊，基坑工程手册，中国建筑工业出版社，1997，北京
[19] 罗国、陈新民、李晓昭、阎长虹编著，城市环境与岩土工程，南京大学出版社，2000．12[179～180]
[20] 赵其华、杨玉泉、孙钧，深基坑工程施工信息监测与信息化研究，工程地质学报，2002，第十卷(增刊)，科学出版社，北京
[21] 侯学渊，魏道垛等，我国基坑开挖与支护技术的发展和展望，基坑开挖中的岩土工程问题学术讨论会论文集，《岩土工程学报主办》，1992，天津
[22] 丁大钧，刘忠德，弹性地基梁理论与方法[M]，南京工学院出版社，1986，南京
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[24] 包承纲，谈岩土工程概率分析法中的若干基本问题．岩土工程学报，1989，11(4)[95～98]
[25] 童岳生，钢筋混凝土建筑结构，陕西科学技术出版社，1991．6，西安
[26] 建筑地基处理技术规范。GJG79-91，中华人民共和国行业标准，建筑工业出版社，1992，北京
[27] 孙训方、方孝淑、关来泰编，材料力学，高等教育出版社，1994．6，北京
[28] 尉希城，支挡结构设计手册，中国建筑工业出版社，1995，北京
[19] 魏汝龙，总应力法计算土压力的几个问题，岩土工程学报，1995(6)，[120～125]
[30] 中华人民共和国建设部，岩土工程勘察规范(GB50021-94)，中国建筑工业出版社，1995，北京
[31] 李廉锟主编，结构力学，高等教育出版社，1996，1，北京
[32] 杭州市土木建筑学会，深基坑支护工程实例，中国建筑工业出版社，1996．12，北京
[33] 杨林德，岩土工程问题的反演理论与工程实践[M]．科学出版社，1996，北京
[34] 顾宝和，基坑工程的水土压力计算，岩土工程技术，1997(4)[4～10]
[35] 赵振寰等，反分析法在基坑开挖数值分析中的应用，工程勘察，1997，6
[36] 杨晓军、龚晓南，基坑开挖中考虑水压力的土压力计算，土木工程学报，1997(4)，[58～62]
[37] 龚小南、高有潮，深基坑工程设计施工手册，中国建筑工业出版社，1998．7，北京
[38] 郭科、胥泽银，最优化方法及其程序设计，四川科学技术出版社，1998．8，成都
[39] 李飞，深基坑围护体的土压力及位移分析，岩土工程师，1998，8
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[41] 杨敏，艾智勇、张永谋，弹性地基杆系有限元法单元刚度的若干讨论，第六届全国岩土力学数值分析与解析方法讨论会，广州，1998．8
[42] 罗河炎，基坑支护计算m法应用探讨，工程勘察，1998，11
[43] 建筑科学研究院，建筑基坑支护技术规程(JGJ120—99)，中国建筑工业出版社，1999，北京
[44] 胥泽银、郭科，多元统计方法及其程序设计，四川科学技术出版社，1999．9，成都
[45] 李广信，基坑支护结构上水土压力的分算与合算，岩土工程学报，2000，3[348～351]
[46] 冷伍明，基础工程可靠度分析与设计理论，中南大学出版社，2000，4，长沙
[47] 陈精一、蔡国忠，Ansys使用指南．中国铁道出版社，2001，北京
[48] 陈斌、卓家寿、刘宁，岩土工程反分析的非确定性模型研究与发展，水利水电科技进展，2001．3[5～8]
[49] 侯钢领、欧进萍，结构可靠性计算的优化模型及其在MatLab环境下的实现，哈尔滨建筑大学学报，2001(2)，[1～5]
[50] 李俊才，软土深基坑开挖现场测试及三维数值模拟研究，成都理工大学博士论文，2001
[51] 刘洪洲、孙钧，特大超深基坑分段施工技术的数值模拟研究，岩土工程师，2001(13)
[52] 徐军、刘东升、郑颖人，具有高次非线形和复杂性功能函数的岩土工程可靠性分析，岩石力学与工程学报，2001．2[160～163]
[53] 徐军、郑颖人，可靠度响应面有限元及其工程应用，地下空间，2001．12[354～359]
[54] 郭竞宇、赵其华、张建刚，支护结构上土压力实例分析，岩土工程学报，2003．3
[55] Peck, "Deep execavations and Tunnellings in the Soft Ground" ,Proc.7th lnt. Conf. on Soil Mechanics and Foundation Enginnering, State-of-the-Art Reports,Vol 3,1969, Mexicol City.
[56] Clough and Hansen, "Clay Anisotropy and Braced Wall Bchavior",ASCE GT6,1981
[57] X.M.Wu, "Support for Deep Excavation in China" Proceeding of the Internation Conference on Deep Foundation 1986;Vol. Ⅱ Beijing
[58] C.Y. Chang and Hansen,Clany anisotropy and braced wall behaviour, ASCE GT6,1982
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