在创建基坑开挖有限元模型时，如果涉及内支撑，通常为了提高模型计算效率，我们会只创建一半模型，即从基坑对称轴处将基坑分为两半，只模拟其中一半儿假设另一半的情况完全相同。当基坑两侧土体变化不大时，这种假设是合理的。当采用对称的一半进行模拟时，如果开挖采用了内支撑进行支护，往往我们也只添加内支撑的一半，如下图： 此时若进行分析，软件会给出如下错误信息：方案一其中第一点即为支撑左侧点（第一点的位置和我们的定义内支撑顺序有关），即内支撑的端点不能独立存在，必须连接到有限元网格或结构单元上。查阅软件帮助也可以得到类似的解释。因此，如果要模拟内支撑，则必须创建完整的基坑模型，如软件帮助中的下图： 方案二当然，除了采用软件自带的内支撑结构单元，我们还可以采用另外一种方法来模拟内支撑，那就是在支撑点处采用弹簧支座来进行模拟，这样我们就可以通过创建对称模型来模拟内支撑支护开挖了。此时，我们选择“点支座”，并在内支撑处添加弹簧点支座，其中z方向和绕y轴的方向均取自由，x方向选择弹簧，弹簧刚度kx=(EA)/(Ls)，其中E为内支撑弹性模量，A为截面面积，L为内支撑一半长度，s为内支撑纵向（平面外）间距。如下图： 因此，在模拟基坑中的内支撑支护开挖问题时，共有两种建模方案。 查看全部

地应力场的成因地应力场产生的原因非常复杂，至今人们对此尚未有十分清楚的了解。几十年的实测和理论及工程经验表明，地应力的形成主要与地球的各种运动过程有关，其中包括：地心引力、板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。另外，地球内部的温度不均匀、水压梯度、地表剥蚀或其他物理化学变化等也可引起相应的应力场。此外，地形(地势)可以引起山谷底部应力集中，造成水平应力大于垂直应力，并会改变最大主应力方向，但在整个地应力场中只起局部调整作用，即只影响局部地应力场的分布，而决不会影响整个地应力场的分布。地应力场的分类根据地应力场的形成因素和调整因素，可以将其分为以岩体自重为主导的自重应力场；以构造运动为主导的构造应力场以及由调整因素形成的局部应力场。其中，自重应力场和构造应力场是现今地应力场的主要组成部分。地应力场的影响因素讨论初始地应力场的影响因素主要还是从其成因入手，即地心引力，构造运动等。地应力场一般受到2类因素的影响：1）重力、地质构造、地形、岩体的物理力学性质以及地温等经常性因素；2）新构造运动、地下水活动、人类的长期活动等暂时性或局部性因素。1、岩体力学性质对地应力的影响在同一地区的相同条件下，由于岩体的力学性质不同，测得的地应力往往是不相同的。朱焕春、陶振宇根据全世界范围内获得的岩浆岩、沉积岩和变质岩中的实测地应力资料，对原来数据进行了一定的处理，得出了实测水平主应力与深度的关系。根据测量结果可知：岩浆岩中水平应力一般都比较高。在850m以上的浅部，最大、最小水平应力较高且分散性大。随深度增加到850m以下，水平应力相对集中地分布在回归直线的两侧并与深度保持良好的线性关系。岩浆岩中水平应力分布的另一个特点是水平差应力大，并明显比其它两类岩石中突出。沉积岩中不同深度上水平主应力的分布，其典型特征是在整个统计深度范围内，显示出水平应力与深度之间具有良好的线性关系。沉积岩中水平差应力是三大类岩石中最小的。变质岩中最大、最小水平应力，总体上表现为随深度增加而增大。它的最大特点是，在整个统计深度范围内，最大和最小水平应力都比较分散。即便是在1000m以下的深度，最大水平应力还可以从十几兆帕到上百兆帕之间变化。通过对世界范围内的岩浆岩、沉积岩和变质岩中实测地应力资料的回归分析，可知在这三大岩石中的地应力分布各不相同，与岩石成因有密切的关系。岩浆岩形成于高温、高压的环境中，并且这类岩石一般质地均匀、弹模和强度都很高。这种内在条件和外部环境，与岩浆岩中普遍存在较高的地应力的特征是一致的；沉积岩形成于常温、常压的地表，其结构相对疏松、弹模和强度一般都不高，与沉积岩中地应力水平普遍偏低的现象是吻合的。并且，这类岩石泊松效应比较明显，在后期构造应力作用下，可以使最小水平应力保持在相对较高的水平；变质岩也形成于高温、高压的环境中，但它的力学性质与母岩的岩性、变质作用类型和变质程度密切相关，因此表现出很大的差异，这与变质岩中地应力大小的离散状态是相符的。2、地质构造运动对地应力的影响地质构造形迹是地应力作用的结果，它有效地指示了地应力场的作用方式。关于地质构造与现今地应力场之间的关系，许多学者都进行过探讨，如丁健民等研究认为，背斜构造范围内的地应力可以是具有与周围应力场相差较大的局部应力场特征。断层对地应力的影响表现为：由于断层带中的岩体一般都比较软弱和破碎，不能承受高的应力和不利于能量积聚，所以成为应力降低带，其最大主应力和最小主应力与周围岩体相比均显著减少。断层不仅对其端部、转折处及复合部位等周围岩体应力状态产生扰动，而且由于大型断层本身就具有一定的宽度，所以断层中亦有复杂的应力状态，断层本身的力学性质不同，其中的应力分布状态及其对周围岩体的应力影响亦会不同。压性断层中的应力状态与周围岩体比较接近，仅是主应力的大小比周围岩体有所下降，而张性断层中的地应力大小和方向与周围岩体相比均发生显著变化。人们早已认识到地壳浅部岩体中可以存在很高的水平应力，其大小可以大于上覆岩体的重量（接近垂直应力），这就与海姆（A.Haim）的假设不符。海姆认为，和静水压力一样，岩体的水平应力等于垂直应力。有两种观点可以解释这一现象，其一，这是水平构造运动作用的结果；其二，认为这与地表的剥蚀作用有关，即当深部岩体上升到浅部时，由于垂直应力基本释放而水平应力不能完全释放的结果。由构造作用与由剥蚀作用在地壳浅部产生的较大的水平应力的主要区别在于前者具有明显的方向性，而后者不具有方向性，即在各方向的水平分量值相差不大。3、深度对地应力的影响深度对初始地应力状态有重大影响。随着深度的增加，σ0z和σ0x（σ0y）都增大，但围岩本身的强度是有限的，因此，当σ0z和σ0x增大到一定值后，各向受力的围岩将处于隐塑性状态。在这种状态下，围岩的物理值（E和μ）是变化的，λ值也是变化的，并随着深度的增加，λ值趋于1，即与静水压力相似。此时围岩接近流动状态。其应力状态可视围岩的不同分别处于弹性的、隐塑性的和流动的三种状态。围岩的隐塑性状态在坚岩中约出现在距地面10km以下，也可能在浅处出现，如在岩石临界强度低（如泥岩等）的地段。4、地形地貌对地应力的影响地形对岩体地应力的影响有一定范围，一般越接近地表或谷坡影响越明显，随着深度的增加而减弱。在深山峡谷地区，谷底是应力集中的部位，越靠近谷底应力集中也越明显，最大主应力在谷底或河床中心近乎水平，而在两岸岸坡则大致与坡面平行。河谷区地应力分布表现出明显的分带性，即存在明显的应力释放区，应力集中区，应力平稳区。5、地温和地下水对地应力的影响在地面一定深度以下，岩体的温度是随埋深的增加而增大的。当围岩内部各处温度不相同时，温度应力的一部分会残留下来。此外，地壳内岩浆固结或受高温、高压再结晶时，将伴随体积膨胀或收缩，由于受到相邻地块的约束也会产生残余应力。地下水是岩体的主要赋存环境之一，地下水对地应力场的影响机理非常复杂。首先，水对岩体有软化作用，一定程度上会降低岩体中潜在结构面的抗剪强度；其次，因孔隙中水的压力作用，使得岩石所受的真正作用，是外界作用产生的应力与孔隙水压力之差，即有效应力；再次是岩体中的渗流作用将对地应力场产生很大影响。6、人类活动对地应力的影响人类活动如地下开挖、水库、采油、高坝建筑、深的露天开采、大堆渣场的形成等都可能局部地影响威严的初始地应力场，有时候影响甚至会很大。水库蓄水诱发地震就是一个典型。根据国内外学者已取得的研究成果，可以初步认识到地应力场分布的一些基本规律：1）地应力是时间和空间的函数地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是时间和空间的函数。地应力在绝大部分地区是以水平应力为主的三向不等的压应力场。三个主应力的大小和方向是随空间和时间而变化的，因而它是个非稳定的应力场。地应力在空间上的变化，从小范围来看，其变化是很明显的，从一个测区到另一个测区，从某一点到相距数十米外的另一点，地应力的大小和方向都有可能是不同的。但就某个地区整体而言，地应力的方向变化是不大的。2）实测垂直应力基本等于上覆岩层的自重应力E. T. Brown曾分析世界主要地区大量的地应力实测资料，统计表明，在深度为25～2700m的范围内σv呈线性增长，大致相当于平均容重γ等于27kN/m3计算出来的自重应力。但在某些地区的测量结果有一定幅度的偏差。这些偏差除有一部分可能归结为测量误差外，板块移动、岩浆对流和侵入、扩容、不均匀膨胀等也都可引起垂直应力的变化。值得注意的是，在世界多数地区并不存在真正的垂直应力，即没有一个主应力的方向完全与地表垂直。但在绝大多数测点都发现确有一个主应力接近于垂直方向，其与垂直方向的偏差不大于20°。这一事实说明，地应力的垂直分量主要受重力的控制，但也受到其它因素的影响。3）垂直应力随埋深分布规律根据景锋、盛谦等对中国大陆地区400多个钻孔的地应力实测资料，对1500 m范围内的σv资料进行了统计分析，结果表明，σv随埋深总体上呈线性增大，少数点离散性大。鉴于前人的研究成果，可采用线性回归，最后结果为：σv=0.0271H，与E. T. Brown和 E. Hoek于1978 年总结归纳的世界不同地区地应力测量结果几乎一致。这表明，在地壳浅层，岩体自重是σv的最主要组成部分，但在浅层同时受到较高水平构造应力、地形地貌、近代地表地质作用和岩体各向异性等因素影响，造成部分测点σv增大。 查看全部