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1、基坑支护三维分析中国建筑科学研究院PKPM软件所1基坑支护三维分析概要1. 1. 基坑支护三维分析的优点基坑支护三维分析的优点2. 2. 基坑支护三维分析的理论基础基坑支护三维分析的理论基础3. PKPM3. PKPM基坑三维分析的特点基坑三维分析的特点4. 4. 基坑三维分析实例基坑三维分析实例5.5.基坑支护三维分析的过程基坑支护三维分析的过程2一、基坑支护三维分析的优点综述1 在二维分析中，支护体系被人为地拆成水平面分析（ 内支撑）和竖直面分析（桩、墙），只能作到点上的 位移协调；2 基坑支护体系本质上是一空间结构，三维分析具备理 论上的先进性，可实现真正的位移协调； 3 得到更符合实际
2、的内力和位移计算结果，真正反映支 护体系的空间效应；4 构件计算更合理，可以节省工程造价。3对于一类基坑和地层软弱、环境保护要求高的基坑、多支点 支护结构或空间效应明显的支护结构，规范中推荐采用侧向弹 性地基抗力法。侧向弹性地基抗力法较好地反映基坑开挖和回筑过程各种 基本因素和复杂情况对支护结构受力的影响：1、施工过程中基坑开挖、支撑设置、失效或拆除、荷载变 化、预加压力、墙体刚度改变、与主体结构板、墙的结合方式 内撑式挡土结构基坑两侧非对称荷载等的影响；2、结构与地层的相互作用及开挖过程中土体刚度变化的影 响；3、支护结构的空间效应及支护结构与支撑系统的共同作用 ；4、反映施工过程及施工完成
3、后的使用阶段墙体受力变化的 连续性。 一、基坑支护三维分析的优点规范41 桩锚体系 2 地下连续墙体系 3 钢板桩体系 4 SMW工法 5 单排桩内支撑体系 6 双排桩内支撑体系一、基坑支护三维分析的优点支护体系5二、基坑支护三维分析理论基础方法1、基坑支护结构单元分析计算 极限平衡法即等值梁法； 弹性支点法按基床系数的确定原则不同分为m法、 K法、c法。该方法不仅可以计算支护构件的内力， 还可以计算支护构件的位移。 全量法及增量法2、土压力计算模式：矩形模式（国家规程采用）梯形模型（地方规范，如广东）3、稳定性计算：整体稳定性计算、抗隆起稳定性计 算、抗倾覆稳定性计算、抗渗流、抗承压水头的稳
4、 定性等计算。6二、基坑支护三维分析理论基础公式计算过程中考虑因素： 1、结合深基坑工程施工不同工况的施工进度，考虑 分步开挖、分步加撑、分步拆撑、支撑可加预应力等 ； 2、综合考虑支护竖向挡土构件(排桩、连续墙等)、水 平支撑构件(内撑、角撑、冠梁、腰梁)与周围土体的 位移协调，在现有规范体系内，计算出深基坑支护结 构更加准确的内力位移。 3、土层模型（土层分布及土层的物理力学指标）；土 压力按国家规程中修正的朗肯土压力理论计算，水压 力具有水土分算、水土合算两种模式；开挖面以下的 土体简化为水平方向的弹性支座（可选m法、K法、c 法）； 4、考虑支锚在桩墙处的初始变形。 7二、基坑支护三维
5、分析理论基础公式将桩墙和支锚所形成的空间结构作为整体分析对象 ，直接求解。采用弹性支点法的增量法(m法) 基本计 算公式如下：8三、PKPM基坑支护三维分析特点一PKPM基坑支护软件是目前国内唯一的真三维 空间分析软件，三维分析模块的正确性已经被多项 结构工程的设计所验证，而国内其它主流基坑软件 理正、启名星的三维分析是拟三维，6个空间位移中 只计算出了Ux,Uy, ，不能反映内支撑体系出平面 外的稳定问题，如下图所示：采用弹性支点法，即m法、弹性抗力法、地基反力法、土 抗力法、竖向弹性地基梁的基床系数法； 9三、PKPM基坑支护三维分析特点二 1、自主版权的图形平台，对于基坑的空间建模很方便
6、 ； 2、模拟支护结构实际施工过程的分步开挖和分步加撑 和支撑拆除；在下一步开挖中考虑上一步所加支点 的已有变形，从而得到符合实际的支点力； 3、通过全量法和增量法两种方法保证计算结果可靠合 理； 4、可以计算支护种类非常齐全：桩锚体系、地下连续 墙体系、钢板桩体系、SMW工法、排桩内支撑体系 ； 5、对于桩、梁和立柱，均可考虑砼和钢材料，各种材 料有多种截面，并可自定义材料和截面。 6、三维计算核心模块已在PKPM的高层建筑结构计算中 广泛运用并通过验证；计算结果可靠合理，前后处 理完全图形化。10四、基坑支护三维实例分析一宁波市坤和中心基坑支护结构，采用地下连续墙加内 支撑体系。基坑开挖面
7、积约12000m2，支护结构总延长米 518m；基坑周圈计算开挖深度分别为15.60、16.40、 17.00、17.60m，为宁波市区至今地下室规模最大、挖深 最深的基坑。11四、基坑支护三维实例分析一本工程基坑支护结构采用地下连续墙结合三道混凝土 内支撑,地下连续墙厚900，墙体嵌固深度1216m左右。 支撑的平面形式为四个角撑，中间部位设二个三肢对撑辅 以八字撑和内桁架结构，将整个基坑分为三大个平面区域 。沿基坑深度方向布置三道封闭的钢筋混凝土水平支撑， 标高分别为-3.50，-8.50，-13.0。基坑支护结构和三维 有限元划分网格如下所示： 12四、基坑支护三维实例分析一PKPM软件
8、计算结果图图1 1 地连墙和内支撑结构有限元网格划分图地连墙和内支撑结构有限元网格划分图图图2 2 地连墙和内支撑结构位移空间图地连墙和内支撑结构位移空间图图图3 3 地连墙和内支撑结构位移平面图地连墙和内支撑结构位移平面图13四、基坑支护三维实例分析二宁波镇明路地下车库基坑基坑支护结构采用排桩结合 二道钢筋砼水平内支撑的结构形式。围护桩采用单排 900钻孔灌注桩，桩长约23m。支撑的平面形式为角撑加 中间一道双肢对撑。由于施工场地狭窄，冠梁顶设在自然 地坪标高-0.500；第一层支撑设在-2.3000m标高，围梁截 面为8001400, 支撑 截面为900800;第 二层支撑设在-7.9m标
9、高。 围梁截面为9001600， 支撑截面为900900。 14四、基坑支护三维实例分析二宁波镇明路地下车库基坑PKPM软件分析结果。图图1 1 排桩和内支撑结构空间位移图排桩和内支撑结构空间位移图图图2 2 排桩和内支撑结构位移平面图排桩和内支撑结构位移平面图图图3 3 排桩和内支撑结构位移立面图排桩和内支撑结构位移立面图15四、基坑支护三维实例分析三四、基坑支护三维实例分析三江苏中成建设公司基坑江苏中成建设公司基坑PKPMPKPM软件分析计算。软件分析计算。16四、基坑支护三维实例分析四四、基坑支护三维实例分析四浙江台州某基坑浙江台州某基坑( (支撑梁出基坑边线支撑梁出基坑边线) )基坑基
10、坑PKPMPKPM软件分软件分 析计算。析计算。17四、基坑支护三维实例分析五四、基坑支护三维实例分析五双排桩双排桩PKPMPKPM软件分析计算。软件分析计算。18五、基坑支护三维分析的过程一建模三维建模技术。通过三维图形平台，将组成基坑 支护结构的桩、墙、内支撑、锚杆等构件分开表达。 划分节点和单元，计算单元上的荷载，归并截面 的几何类型和材料类型，计算单元上的约束信息，形 成PMSAP数据文件。19五、基坑支护三维分析的过程二计算采用成熟稳稳定的通有三维维有限元计计算模块块PMSAP ，并结结合深基坑工程的特点（分步开挖、分步加撑、 分步拆撑、支撑可加预应预应 力等），综综合考虑虑支护竖护
11、竖 向挡挡土构件(排桩桩、连续墙连续墙 等)、水平支撑构件(内撑 、角撑、冠梁、腰梁)与周围围土体的位移协调协调 ，在现现 有规规范体系内，计计算出深基坑支护结护结 构更加准确的 内力位移。 20五、基坑支护三维分析的过程三后处理三维分析结果的后处理技术。归并整理三维分析产 生的庞大数据，有主有次，形成符合目前基坑支护结 构设计人员所习惯和常采用的结果，并且引导设计人 员逐步理解和采用一些真三维的结果表达方式。主要 有桩、墙、内支撑、锚杆的弯矩、剪力、轴力、位移 图。并在此基础上，计算砼构件的配筋，给出配筋图 ；验算钢构件的强度、稳定性等，给出验算结果。 支撑结构多工况弯矩图 支撑结构多工况位移图 桩最大剪力、弯矩、位移图 21五、基坑支护三维分析的过程四综述PKPM采用三维空间整体协同分析计算，其特点是真实 、客观、全面地反映基坑支护结构内力及位移随施工 过程变化而变化的情况，尤其是准确地反映了不同开 挖工况下的基坑支护体系的内力和变形。在三维计算 中，水平的支锚体系直接参与计算，不再需要人工假 定支锚体系的刚度。支护护构件与内支撑构件的内力、位移计计算一气呵 成。客观观、真实实地反映各个工况内力、位移结结果。并 可形成支护护构件、内支撑构件的控制内力及位移，供 设计设计 者查查看。同时时也完成支护护构件、内支撑构件的 配筋及稳稳定计计算。 22
