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深基坑(单)双排桩锚支护方案对比与数值模拟优化分析

日期:2022年06月20日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:0
论文价格:150元/篇 论文编号:lw202206021145155117 论文字数:47855 所属栏目:建筑工程管理论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis

本文是一篇建筑工程管理论文,本文以邯郸市某深基坑为案例,在资料整理分析的基础上,进行支护方案的对比选择和验算。借助 MIDAS GTS NX 有限元软件进行数值模拟,然后通过各影响因素变量及正交试验分析支护结构影响参数。

第 1 章 绪论

1.1 选题背景及意义

进入 21 世纪,我国新型城市化建设进程不断加快,建设用地不断减少,为提高城市空间利用率,地下空间资源的开发获得了人们的关注,合理地利用地下空间资源,不仅可以舒缓交通,还有利于缓解城市用地紧张。如开发地下停车场及地铁等公共设施。因此,地下工程的发展前景广阔[1]。

基坑工程具有综合性强、系统复杂的特性。在高层建筑基坑主体开挖建设过程中,由于开挖土体而引起的卸载及土体自身重力推动作用下,不仅原有的应力分布会发生改变,还会造成坑底隆起和基坑侧壁位移[2,3]。目前,分析基坑开挖过程和支护结构的一个重要途径仍是理论分析,但得益于计算机技术的发展,采用数值模拟分析基坑工程得到了广泛的应用。基坑支护方案通过理论的计算和数值模拟分析进行优化设计,可有效的约束基坑开挖造成的周围土体变形量、保证了周围建筑物的安全[4]。

当城市繁华地段的土质较差,或地下布满各种管线时,基坑开挖时的安全性尤为重要,选用的支护体系和开挖方法,直接关乎人民的生命财产安全。因此在基坑支护设计时需考虑多种因素,选取合理的支护方案[5,6]。

基坑支护类型众多,分别拥有各自的主要优缺点。内支撑支护方式,特点是施工工艺复杂,要求施工人员技术高、且工程成本高,施工机具的选择标准高。地下连续墙,特点是施工难度大、若作临时结构材料浪费,施工工期长、工程成本较高。悬臂式支护方案,特点是与其他支护形式相比结构简单、刚度大。但止水能力差,桩身内力分布不均匀,对开挖深度敏感,且桩顶位移大。因依靠嵌固及抗弯能力维持自身稳定,若遇到地质复杂、深度较大、基坑周围环境复杂等因素[7-9]。单排桩支护就无法满足约束支护桩的位移变形,易造成安全隐患。通过在悬臂单排支护结构体系中加设内撑或锚索,可解决这个问题。但这不仅增加了工程成本和工期,并且桩锚支护也会对基坑周围的一些公共设施,如地铁、地下管廊、地下停车场等造成影响,不利于未来的地下建设发展。因此一些城市提出了地方规定,对锚杆长度进行限制。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 深基坑支护结构研究现状

(1)支护结构理论研究

随着城市化建设进程的加快,地下设施的需求在逐步增大,基坑的设计开挖深度、开挖范围及数量进一步增大[8-10]。随着基坑工程建设规模和施工难度的提升,基坑支护结构理论取得了大量的研究成果,丰富了基坑工程设计理论。

Richard L.H.[11]选用极限应力在平衡状态下的计算方法,分析了刚性挡墙受到拱效应影响,在土体重力作用下的分布情况。当最大主应力在非光滑挡壁外墙附近,将会产生反向偏转。得出的挡墙水平侧的土压力数值,要远远大于采用传统计算方法所求的侧土压力。

Duncan[12]通过土的应力-应变关系,建立双曲线应力应变关系的增量弹性模型。利用有限土体单元应力法则并结合实际模拟基坑土体开挖案例,对比监测和模拟计算结果。并提出当实际基坑土体开挖量达到200feet时,基坑设计深度下的土体竖向回弹量达到2.4feet。

S.K.Bose[13]等运用数值模拟分析了平面二维下基坑分布开挖及支护结构的变形规律。土体选用修正剑桥模型,研究对坑底隆起、地表沉降和支护结构位移造成影响的因素。提出主要影响因素为锚索的预应力、设计开挖深度及宽度、桩长等。

(2)支护结构设计计算研究

高文华[14]等人以Mindlin线弹性厚板理论为依据,分析深层搅拌桩变形规律。考虑横向剪切变形,建立了空间效应的有限元模型。将支护结构看作弹性体,其变形空间效应明显,并且验证采用的理论方法分析支护结构变形的可行性。

李清培[15]等针对基坑工程施工场地受建筑物、公共设施及场地影响,支护方案不适于圆形地下连续墙。因此提出选择拱形围护结构,以基坑工程案例,利用有限元软件模拟论证支护方案的合理性。

第 2 章 双排桩支护结构计算理论分析

2.1 经典土压力计算方法

2.1.1 刚塑性分析法

刚塑性分析计算方法[47]以朗肯土压力理论为基础,将桩间土按刚塑性体进行单独分析,后排桩使土体滑裂面发生变化,因此相比于无后排桩的情况,土压力分布会发生变化。如图 2-1、图 2-2 所示

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2.2 基于 Winkle 假定计算方法

2.2.1 弹性地基梁法

该计算方法由刘钊[50]等人提出,基于文克勒假定即可作为计算理论的根本基础,将双排桩支护结构分解,进行单独分析,并考虑桩与土体的协同作用。如图2-5 所示。其中前排桩受到基坑底开挖面下的土体、桩顶连梁、基坑坑底开挖面上的桩侧土压力作用,与前排桩相同后排桩也受到三者共同作用。计算支护桩受力位移和侧向内力,结合连梁与双排桩桩顶连接处的内力和变形关系,求出水平基床系数 kh。

该模型是目前许多学者公认的比较合理的计算模型,其计算方法运用门式刚架分析双排桩支护结构的内力,并且考虑了桩土之间共同作用,可以很好反映双排桩的受力,因此相比常用的极限平衡计算方法,更加符合实际的工程情况。但是也存在一些缺点,从实用的角度去看,其计算方法比较复杂,适于侧向位移较小的支护方案。并且利用弹性地基梁法计算的结果,相比于工程实测结果误差较大。因此,当具有较大的桩侧位移时,用弹性地基梁法计算不合理。

Terzaghi[52]通过砂土活动门试验研究,表明土拱效应是用来描述应力转移的现象,其存在的条件是土体间的不均匀沉降及支撑拱脚。胡敏云[53]等研究认为当基坑开挖时,在土体自身重力及卸载作用下,使得桩间土体向基坑内侧移动,渐渐出现塌落。基坑坑底以上桩间土发生了较大位移,由此产生的侧向土压力以土体间抵抗剪切变形的传递方式,传至双排桩上。土拱存在的条件还必须有前排桩和后排桩作为支撑拱脚,从而得出以土拱理论为基础的双排桩支护结构计算模型。

第 3 章 双排桩锚支护结构实例分析...........................19

3.1 工程概况.........................................19

3.1.1 基坑周边环境....................................19

3.1.2 工程地质及水文条件............................19

第 4 章 双排桩锚数值模拟分析........................39

4.1 Midas GTS NX 介绍....................39

4.1.1 Midas GTS NX 主要优点..............................39

4.1.2 Midas GTS NX 操作流程..................................39

第 5 章 双排桩锚支护结构影响参数及优化分析..........................57

5.1 双排桩桩距影响分析.....................................57

5.2 双排桩桩径的影响分析...................................60

第 5 章 双排桩锚支护结构影响参数及优化分析

5.1 双排桩桩距影响分析

双排桩的空间效应会对支护结构整体刚度产生影响,当桩距相同时,排距越近则支护结构的侧向刚度越大。本文选取双排桩桩间距在 1.2d、1.4d、2d、3d,4d(d为桩径)时,研究双排桩的位移变化趋势,其曲线如图 5-1、5-2 所示。

建筑工程管理论文参考

从图 5-1、5-2 及表 5-1 中看出,随着双排桩桩间距的增大,前后排桩的水平位移也逐渐增大。对于前后排桩,当桩间距由 3d 增加到 4d 的过程中,前排桩位移增长幅度急剧增大,因此应将双排桩控制在 4d 范围内。桩间距增大导致桩间土不稳定,前排桩 1.2d~4d 桩间距的嵌固段位移较后排桩大。当间距为 4d 时,前排桩桩后土压力减小,约束土体变形能力下降,位移增大至 28.6mm,后排桩位移增大为 28.5mm。对于前后排桩桩间距由 1.4d 增加到 2d 时,水平位移增长幅度不明显,两者曲线十分接近。

结论与展望

结论

本文以邯郸市某深基坑为案例,在资料整理分析的基础上,进行支护方案的对比选择和验算。借助 MIDAS GTS NX 有限元软件进行数值模拟,然后通过各影响因素变量及正交试验分析支护结构影响参数。得出以下结论:

(1)基坑工程支护方案的选择,受到开挖深度、土层参数、地下水、变形控制要求和基坑周围环境等因素影响,结合相关规范及理论利用理正深基坑软件,对单排桩锚和双排桩桩锚比选论证,得出双排桩锚支护方案合理。

(2)利用数值模拟分析,基坑土体最大水平位移值为 13.84mm,且沿着平面圆弧状向基坑坑内方向产生水平位移。通过与实测结果比对,比较接近,因此数值模型符合基坑开挖过程中的变形规律。基坑土体受土体卸载及自重影响,坑内土体呈隆起状态,坑外土体呈现沉降趋势。

(3)前排桩与后排桩的水平位移:通过模拟结果可以看出两者水平位移变化趋势一致。桩长在 0~15m 范围内的变形减幅较大,这是由于在地面超载及桩后土体压力作用下造成的,最大位移值均在桩顶位置。

(4)前后排桩的桩身弯矩:前后排桩的弯矩曲线大致呈现 s 形分布,两者都是负弯矩与正弯矩数值相差不大,表明双排桩支护结构对桩身的受力有所改善。由于连梁的存在,前后排桩形成了一个整体。在锚索的拉锚作用下,使得支护结构的受力特征产生了变化。

(5)锚索与土体间的剪切荷载由锚固段传递,锚固段轴力减小幅度大;由于预应力是通过张拉锚索自由段而产生,