大型沉井基础与地基土共同作用研究
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摘要
土木建筑工程中上部结构理论较为成熟，建在软土地基上的建筑
物的质量和安全事故主要因地基问题引发，而地基土的压缩，大型基
础的变形变位及稳定性，均与土的固结有关。目前，工程数值计算中，
对土固结的有限元分析大多停留在二维固结理论解法或三维固结理论
的平面解法上。
本文从“真三维固结理论”即比奥固结理论出发，采用邓肯-张
E～μ模型和无厚度的古德曼（Goodman）接触面单元编制了三维非线
性有限元程序实用程序Biot2000，并结合润扬长江公路大桥南汊桥北
锚碇及地基土的组成结构特征建立了概化地质模型。在三维有限元计
算中，对不同工况（沉井充填、锚体浇筑、主缆架设、箱梁吊装、桥
面铺装以及通车运营）下的施工过程作了模拟，全面揭示了各工况下
锚碇沉井基础与地基土的变形变位规律，着重分析了影响散索鞍水平
位移的因素以及不同工况下沉井前测地基土水平向抗力变化规律，并
提出了不同深度地基土水平向抗力与水平位移间的拟合关系。用于指
导工程实践，给建设单位提供参考。
The theory of up-structure is better than others in civil engineering. Therefore, to the constructions which building soil foundation, the accidents of quality and safety induced by foundation problem. However, compression of foundation soil, displacement and stability of large foundation, are associated with the consolidation of soil. At present, soil consolidation analyzed by Finite Element Method in engineering numerical computation, is mostly limited on solution of two-dimension consolidation theory or plane solution of three-dimension consolidation theory.
This thesis, based on the true three-dimension consolidation theory namely Biot's Consolidation Theory, adopting Duncan-Chang model and non-thickness Goodman friction element, compiles practical 3D non-linear FEM program. The conceptual geological model is established according to the north anchorage and feature of its foundation soil in ZhenJiang-YangZhou Yangtse Bridge. During the 3D finite element calculation, try to simulate different procedure of the construction (like sunk well in-filling, main cable erection, box girder hoist, bridge flooring and opening to traffic). And then, reveal the regulation of deformation and displacement on the foundation and soil during different period. After got these, this thesis put great attention on the analysis of the reason which cause the horizontal displacement of the cable saddle, as well as the regulation of the pressure's changing in the soil located on the front side of the sunk well foundation. Point out that the relative relation between the soil pressure in different depth and the horizontal displacement. These conclusions can be adopted hi practice and to be reference of the construction unit.
物的质量和安全事故主要因地基问题引发，而地基土的压缩，大型基
础的变形变位及稳定性，均与土的固结有关。目前，工程数值计算中，
对土固结的有限元分析大多停留在二维固结理论解法或三维固结理论
的平面解法上。
本文从“真三维固结理论”即比奥固结理论出发，采用邓肯-张
E～μ模型和无厚度的古德曼（Goodman）接触面单元编制了三维非线
性有限元程序实用程序Biot2000，并结合润扬长江公路大桥南汊桥北
锚碇及地基土的组成结构特征建立了概化地质模型。在三维有限元计
算中，对不同工况（沉井充填、锚体浇筑、主缆架设、箱梁吊装、桥
面铺装以及通车运营）下的施工过程作了模拟，全面揭示了各工况下
锚碇沉井基础与地基土的变形变位规律，着重分析了影响散索鞍水平
位移的因素以及不同工况下沉井前测地基土水平向抗力变化规律，并
提出了不同深度地基土水平向抗力与水平位移间的拟合关系。用于指
导工程实践，给建设单位提供参考。
The theory of up-structure is better than others in civil engineering. Therefore, to the constructions which building soil foundation, the accidents of quality and safety induced by foundation problem. However, compression of foundation soil, displacement and stability of large foundation, are associated with the consolidation of soil. At present, soil consolidation analyzed by Finite Element Method in engineering numerical computation, is mostly limited on solution of two-dimension consolidation theory or plane solution of three-dimension consolidation theory.
This thesis, based on the true three-dimension consolidation theory namely Biot's Consolidation Theory, adopting Duncan-Chang model and non-thickness Goodman friction element, compiles practical 3D non-linear FEM program. The conceptual geological model is established according to the north anchorage and feature of its foundation soil in ZhenJiang-YangZhou Yangtse Bridge. During the 3D finite element calculation, try to simulate different procedure of the construction (like sunk well in-filling, main cable erection, box girder hoist, bridge flooring and opening to traffic). And then, reveal the regulation of deformation and displacement on the foundation and soil during different period. After got these, this thesis put great attention on the analysis of the reason which cause the horizontal displacement of the cable saddle, as well as the regulation of the pressure's changing in the soil located on the front side of the sunk well foundation. Point out that the relative relation between the soil pressure in different depth and the horizontal displacement. These conclusions can be adopted hi practice and to be reference of the construction unit.
引文
[1] Philip c.Lambe &law. rence A.Hansen, Design and Performance of Earth Retaining Structures, P489～P509,New York, 1990.
[2] 李作勤，影响粘土静止土压力的一些问题，岩土力学，vol．16，No．1
[3] 魏汝龙，话说土压力的水土合算问题，地基处理，Vol．7，No．4
[4] Yung-Shon Fang et al, Passive earth pressure with various wall movement. Journal of Geotechnical Engineering. Vol. 120, No.8
[5] S.Fang et al, Earth Pressure under General Movement. Geotechnical Engineering, Vol.24, No. 1
[6] Citing S. Chang et al, Discrete Element Analysis for Active and Passive Pressure Distribution on Retaining Wall, Computers and Geotechnics.(16) 1994
[7] 顾晓鲁、陆培毅，基坑的稳定性和变形，岩土工程技术，1997，No．4
[8] 谭跃虎、吉同筠，软土深基坑中挡墙侧向变形分析与计算，岩土工程学报，Vol．17，No．4
[9] 刘建航、侯学渊主编，基坑工程手册，中国建筑工业出版社，1997
[10] 龚晓南主编、高有潮副主编，深基坑工程设计施工手册，中国建筑工业出版社，1998
[11] 叶政青等，沉井，中国建筑工业出版社，1983
[12] 钱家欢主编，土力学(第二版)，河海大学出版社，1995
[13] 顾宝和，基坑工程的土水压力计算，岩土工程技术，1977，No．4
[14] 魏汝龙，总应力法计算土压力的几个问题，岩土工程学报，vol．17，No．6
[15] 陈书申，经典土压力理论的局限与小应变土压力计算的建议
[16] 张永进，悬臂式支护基坑主动土压力区土体变形及其对主动土压力影响的研究，硕士学位论文，河海大学，1997
[17] 宋春雨，基坑复合支护结构变形机理及土压力计算的研究，硕士学位论文，河海大学，1999
[18] Ho S.K. and R.K., Predicted behavior of two centrifugal model soil walls, Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol.24, No. 1
[19] 何颐华、杨斌等，深基坑护坡桩土压力的工程测试及研究，土木工程学报，Vol．12，No．1
[20] 徐芝纶，弹性力学问题中的有限单元法，水利水电出版社，1982
[21] 姜弘道、陈和群，有限单元法的程序设计，水利电力出版社，1989
[22] 蒋友谅，非线性有限单元法，北京：北京工业大学出版社，1990
[23] 沈珠江、朱百里等，计算土力学，上海科技出版社，1990
[24] 孙钧、汪炳鉴，地下结构有限元解析，同济大学出版社，1990
[25] 殷有泉，固体力学非线性有限元引论，北京大学出版社，1987
[26] 朱伯芳，有限单元法原理与应用，水利电力出版社，1979
[27] 钱家欢、殷宗泽，土工原理与计算，中国水利水电出版社，1996
[28] 赵维炳、施建勇，软土固结与流变，河海大学出版社，1996
[29]赵维炳、殷宗泽，土工数值分析方法，河海大学岩土工程研究所，1995．9
[30]邵松桂，三维非线性比奥固结方程的有限元解法，水利学报，1990．3
[31]Duncan J.M and Chang C.Y., Non-linear analysis of stress and strain in soils, Proc. ASCE,SMFD
[32]殷宗泽，一个土体的双屈服面应力～应变模型，岩土工程学报，Vol．10，No．4
[33]Goodman, R.E., Taylor, R.L., and Brekke,T.L., A model for the mechanics of jointed rock,Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol11, No.6
[34]Desai C.S. and Nagaraj B.K., Modeling for cyclic normal and shear behavior of interfaces,Journal of Engineering Mechanics, 1988,114(7)
[35]殷宗泽、朱泓、许国华，土与结构材料的接触面的变形及数学模拟，岩土工程学报，1994，Vol．16，No．3
[36]朱泓，土与混凝土接触面变形的试验研究及在桩-土共同作用中的应用，河海大学硕士论文，1993
[37]陆兆溱，工程地质学，水利水电出版社，1989
[38]朱泓，土与混凝土接触面变形的试验研究及在桩-土共同作用中的应用，河海大学硕士论文，1993
[39]高俊合，深基坑支护结构理论研究，博士学位论文，河海大学，1998
[40]殷宗泽，非线性及弹塑性比奥固结平面有限元程序，河海大学，1988．1
[41]卓家寿、姜弘道，带有三维夹层基岩的三维弹塑性分析，华东水利学院学报，1979．2
[42]卓家寿等，具有复杂地基结构的非线性有限元分析程序包(AAA—90和AUTO—90)使用说明，1990
[43]黄文熙，土的工程性质，水利水电出版社，1983
[44]陈和群、彭宣茂，有限元微机程序与图形处理，河海大学出版社，1992
[45]C．S．德塞，J．T．克里斯琴，岩土工程数值方法，中国建筑工业出版社，1981
[46]顾淦臣，土石坝地震工程，河海大学出版社，1989
[47]陈志坚、游庆仲，江阴大桥工程建设中的岩土工程问题，水利水电科技进展，1998．12
[48]陈志坚、游庆仲、胡应德，江阴大桥北锚沉井地基土邓肯参数的反演及反馈分析，固体力学学报，1999，12
[49]胡应德，大型沉井基础及地基土工正反分析研究，河海大学硕士论文，1998
[50]曾国熙、龚晓南，软土地基固结有限元法分析，浙江大学学报，1983．3
[51]董建国、赵锡宏，高层建筑地基基础共同作用理论与实践，同济大学出版社，1996
[2] 李作勤，影响粘土静止土压力的一些问题，岩土力学，vol．16，No．1
[3] 魏汝龙，话说土压力的水土合算问题，地基处理，Vol．7，No．4
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[47]陈志坚、游庆仲，江阴大桥工程建设中的岩土工程问题，水利水电科技进展，1998．12
[48]陈志坚、游庆仲、胡应德，江阴大桥北锚沉井地基土邓肯参数的反演及反馈分析，固体力学学报，1999，12
[49]胡应德，大型沉井基础及地基土工正反分析研究，河海大学硕士论文，1998
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[51]董建国、赵锡宏，高层建筑地基基础共同作用理论与实践，同济大学出版社，1996