摘要、s 3 l s a ；本文对国内外与深基坑工程支护设计计算相关的问题进行了分析和总结。为本文之后的分步开挖的基坑平面有限元模拟分析和研究提供了参考和依据。在考虑土与结构相互作用的基础上，采用二维平面有限元法建立了深基坑有限元模型，并模拟其复杂的分步开挖过程，对基坑性状的进行了分析和探讨。模型采用八结点等参平面四边形单元、D r u c k e r - P r a g e r 理想弹塑性本构模型以及用接触面单元模拟了土与围护结构的相互作用，并给出了相应的接触面模拟的接触算法流程。利用平面有限元模型对深基坑工程的开挖性状进行了分析，研究了开挖过程中围护结构的水平位移、墙后土体的地表沉降、支撑力等的分步开挖效应。探讨了围护结构刚度( 墙体宽度) 、墙体插入深度和支撑刚度对基坑性状的影响。提出了基于变形控制的支护体系优化设计方法。该方法考虑了支护结构和土的相互作用；考虑了支护结构和内撑结构之间的整体协调。首次将优化技术和有限元方法相结合的方法，用于基坑支护体系的优化设计，结果显示出该方法是可行的。耋键词：深基坑开挖平面有限元数值模拟变形控制优化设计A b s t r a c tT h ec o m p u t a t i o nm e t h o d sa n dp e r t i n e n tp r o b l e m so ft h es u p p o r tw o r k so fd e e De x c a v a t i o na r ea n a l y z e da n ds u m m a r i z e di nd e t a i l i nt h i sp a p e r , w h i c ha r et h er e f e r e n c e st ot h eF E Ma n a l y s i so ft h em u l t i s t a g e de x c a v a t i o n W i t ht h ec o n s i d e r a t i o no fs o i l s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n ，p r o c e s so fm u l t i s t a g e dc o n s t r u c t i o n ，Ap l a n eF E Mm o d e lf o rs i m u l a t i n ge x c a v a t i o ni Se s t a b l i s h e d w h i c hi Su s e dt oa n a l y z ea n dd i s c u s st h eb e h a v i o r so fe x c a v a t i o n T h em o d e la d o p t se i g h t - n o d e si s o p a r a m e t r i cq u a d r i l a t e r a le l e m e n t ，D r u c k e v P r a g e ri d e a lE l a s t i c - P l a s t i cs t r e s s - s t r a i nm o d e la n dt h ec o n t a c te l e m e n t ，w h i c hi su s e dt os i m u l a t et h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h ew a l la n ds o i l A c c o r d i n g l y , Af l o wc h a r ta b o u tt h ea r i t h m e t i co fc o n t a c ti si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r T h ep l a n eF E Mm o d e la n a l y z e st h eb e h a v i o r so fd e e pe x c a v a t i o n a n dt h es t e p e x c a v a t i o ne f f e c td u r i n ge x c a v a t i o ni ss t u d i e ds u c ha st h eh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to ft h er e t a i n i n gw a l l ，g r o u n ds e t t l e m e n ta n dt h ef o r c e si ns t r u t s n ei n f l u e n c e so nt h eb e h a v i o r so fe x c a v a t i o na r ed i s c u s s e dd u et ot h es t i f f n e s s ( w i d t h ) o ft h er e t a i n i n gw a l l ，t h ee m b e d d e dl e n g t ho f t h ew a l la n dt h es t r u ts t i f f n e s s B a s e do nt h ed e f o r m a t i o nc o n t r o l ，o p t i m i z a t i o nd e s i g nm e t h o do f t h er e t a i n i n gs t r u c t u r ei sp r o p o s e d T l l i sm e t h o dc o n s i d e r st h ei n t e r a c t i o no fs o i l - s t r u c t u r ea n dt h ew h o l eh a r m o n yo ft h er e t a i n i n gs t r u c t u r ea n di n n e r 。s u p p o r ts t r u c t u r e F i r s tt h em e t h o dc o m b i n e so p t i m i z a t i o nd e s i g n m e t h o dw i t hF E M T h er e s u l t so fa n a l y s i sp r o v et h a tt h i sm e t h o di sf e a s i b l e K e y w o r d s ：D e e pe x c a v a t i o nC o m p u t e da n a l y s i sO p t i m i z a t i o nd e s i g nP l a n eF E MD e f o r m a t i o ne o n t r o l1 1 概述第一章绪论基坑工程是基础和地下工程施工中的一个古老而又有时代特点的岩土工程课题，同时又是一个综合性的岩土工程难题，既涉及到土力学中典型强度问题，又包含了变形问题，同时还涉及到土与支护结构的共同作用问题。对于这些问题的认识及其对策的研究，是随着土力学理论、计算技术、测试仪器以及旌工机械、施工工艺的进步而逐步完善的。放坡开挖和简易木桩围护可以追溯到远古时代。人类土木工程活动促进了基坑工程的发展。随着我国城市化的进程不断加速，愈益要求开发三维城市空间。特别是到了本世纪，随着高层和超高层建筑的发展，以及人们对地下空间的开发和利用日益增多，基坑工程不仅数量增多，而且向更大、更深的方向发展。由于大量的基坑工程集中在市区，施工场地狭小，施工条件复杂，基坑围护体系不仅要保证基坑及围护结构本身的安全，而且还要保证周围建( 构) 筑物和市政设施的安全以及正常使用，也就是说基坑还存在着环境效应的问题。因此对基坑工程的要求越来越高，出现的问题也越来越多。由此促进了基坑开挖技术的研究与发展，产生了许多先进的设计计算方法和施工工艺。实践表明，基坑工程比其它基础工程更突出的特殊性是，其设计和施工是相互依赖、密不可分的，施工的每一阶段，结构体系和外部荷载都在变化，而且施工工艺的变化，开挖工序和位置的变化都非常复杂，且都对最后的结果有直接的影响，决非最后的计算简图所能决定的。基坑的稳定性、支护结构的内力和变形、地层的位移对周围建筑物和地下管线的影响及保护的计算分析，目前尚不能准确地得出定量结果。有关基坑的稳定及变形理论对解决这类工程实际问题有非常重要的指导意义。1 2 深基坑支护结构计算的现状及存在的问题一般目前常用的支护开挖方法【3 】1 3 9 1 1 4 0 】有：根据开挖深度的不同采用放坡和支挡形式进行。前者仅适合用于开挖深度较浅的基坑，而对于开挖深度大于4 0 米的软土地区，则需借助支护结构开挖，常用的支护形式有加固型支护和支挡型支护两大类以及这两类的组合。加固型支护主要有水泥搅拌桩支护系统、喷锚网支护系统；支挡型支护主要有桩排支护系统、钢筋混凝土桩排支护体统、框架式桩堡主堡苎壹曼堡墨篓苎堕三堡墼堕坌堑墨茎芏堕塑垡垡堡生墅塑排、带有内支撑的桩排系统和地下连续墙支护系统，而这些支护系统中，往往辅以止水妨渗、支撑拉锚、加固土体、降水排水、挖土卸荷等一系列的技术措施组成因地制宜的每一具体工程的支护方式，以达到深基坑支护工程的整体最优效益。目前采用的支护结构的计算主要存在两方面的问题，一方面是计算理论、计算方法的问题，一方面是土体计算参数的选取问题。基坑计算方法大致可以分为三类，第一类是常规设计方法：第二类称为弹性抗力法；第三类是有限元法。常规设计方法是最常用的方法，其要点是首先选择一定的入土深度，在满足总体稳定、抗隆起、抗渗流要求下，用经典土力学理论计算主动土压力和被动土压力。然后，对重力式刚性挡土墙验算其抗倾覆、抗滑移稳定性：对柔性挡墙，计算其内力和变形，对墙身和支撑结构进行计算。这种方法对于普通挡土墙或者开挖深度不深的钢板桩是比较成熟的。但对深基坑，特别是软土中的深基坑支护结构的计算则难以考虑更为复杂的条件，难以分析支护结构的整体性状。我国建筑基坑支护技术规程( J G J l 2 0 9 9 ) 【l 】对常规设计方法做出了一些明确的规定。弹性抗力法( 又称杆系有限元法、基床系数法) 是针对常规方法中挡土墙内侧被动土压力计算中出现的问题提出的改进。由于挡土墙位移有控制要求，内侧不可能达到完全的被动状态，实际上仍存在弹性抗力阶段，因此，引用承受水平荷载桩的横向抗力概念，用土弹簧模拟被动区的土体抗力，将墙后外侧主动土压力作为施加在墙体的已知水平荷载，用弹性地基梁法计算支护体系的变形与内力。一般的弹性地基梁有限元法在计算支护结构内力和变形时，没有考虑施工过程的连续性，也没有考虑工况之间的关系，认为各个工况之间相互独立计算，忽略了前工况结构受力变形对后续工况的影响，视后续工况的各道支撑瞬间同时施工的。这种假定是不符合实际施工过程的。杆系有限元法简单方便，但这种方法只能求出墙体和支撑的内力、位移和变形，而不能求出周围土体的变形，如地表沉降、坑底隆起和墙体变形。并且土体弹簧系数( 基床系数) 比较难以确定。我国建筑基坑支护技术规程( J G J l 2 0 9 9 ) 【1 】推荐使用该方法。有限元单元法由于能够处理分析域的复杂性状及边界条件，材料的非线性和几何非线性，已在深基坑工程中得到了应用【2 9 l 【3 2 l 【3 3 1 1 3 4 l 【3 5 l 【3 6 1 印。在基坑变形和内力计算中，如基坑的平面形状比较规则，并且有一个方向的尺寸远大于另一个方向的尺寸，可认为基坑处于平面应变状态，可将士体离散成三角形单元或四边形单元，将围护墙离散成梁单元，再引入具体的边界