兰州地铁深基坑围护桩合理桩间距研究

摘要

随着西部大开发的进行，近几年兰州地区经济发展较快大量人口涌入城市，使得现有地面交通不能满足人们的出行需要；然而兰州受到的地理位置的制约即两面环山、地方狭窄，这一点严重制约了地面交通状况的改良，因此在兰州地区对地下轨道交通的开发有着重要的意义。2012年兰州地铁一号线正式动工，由于兰州的地层结构较为单一，主要是杂填土、黄土、砂卵石。杂填土与黄土在某种意义上可以代表粘性土，砂卵石在某种意义上可以代表砂性土。此种地质结构适合于钻孔灌注桩的施工，因此在兰州地铁一号线中钻孔灌注桩广泛地应用于地下车站的围护结构。然而两灌注桩的桩间距太小会使得工程造价过高、施工速度缓慢；桩间距过大会使得桩后土体容易发生绕流破坏，最终会造成严重的工程事故。
　　对合理桩间距的研究本文主要是采用的土拱理论，利用有限差分程序建立平面应变模型对兰州地区典型的三种土质的土拱效应的产生机理、土拱效应的形成过程、土拱效应的表现形式等进行理论分析研究。最终得出：土拱效应的产生与桩后土体的不均匀位移、桩后土体的水平应力集中、桩后土体塑性区域在模型计算过程中的变化等因素有关；粘性土要形成土拱效应，桩后土体所受的水平土压力必须增大到一定程度的时候才能形成，而砂性土在很小的水平土压力的条件下就可以形成土拱效应。在模型的计算收敛后对最终所得的各种计算结果进行对比分析，最终可以得到：利用水平应力云图与两桩中心连线的中垂线上的水平应力突变值能够很好的反应土拱效应的存在与强弱，同时也得出在相同条件下砂卵石土的水平应力突变值更大、最终所得塑性区域的范围较大，即砂性土较粘性土更易形成土拱效应。
　　对深基坑的开挖进行了三维模拟分析，结合二维模型分析的结果对三维模型取特殊的断面进行土拱效应的分析，结合特殊断面处的桩土相对位移最终得出：三维模型的土拱效应还要受到桩土相对位移及地表超载的影响。
　　本文根据土拱效应的产生机理，利用拱脚处土体的摩尔库伦极限破坏准则建立了合理桩间距的控制方程，然后考虑到三维效应的桩土相对位移对土拱效应的影响，进而对二维推导的合理桩间距计算公式进行了修正，取桩直径d=800mm及兰州地区的地质参数带入推导公式，求得最大桩间距 l=1967mm；对比了前人推导的合理桩间距的控制方程的计算结果，得出本文推导的合理桩间距控制方程的计算结果偏于安全且更利于工程应用。
　　通过有限差分程序对桩后土体的物理力学参数进行分析得出：桩后土体的粘聚力、摩擦角、体积模量对土拱效应的产生及强弱起到了主要的作用，土体的剪胀角、接触面性状等对土拱效应的产生起的作用不是很大；通过对不同桩间距与桩径比值模型的模拟结果进行分析，验证了以上本文推导公式的正确性。

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1.绪 论

1.1 引言

1.2 深基坑工程研究历史及现状

1.3 土拱效应的研究现状

1.4 本文研究的主要问题

2 兰州地区特殊地质及工程概况

2.1 地质状况

2.2 不良地质对深基坑开挖的影响

2.2 不良地质对土拱效应的影响

2.3 车站简介

2.4 施工方法简介

2.5 基坑围护结构变形简介

2.6 排桩桩间距取值

3 深基坑工程中的土拱效应

3.1 土拱的概念

3.2 深基坑工程中的土拱

3.3 深基坑中土拱效应的产生机理

3.4 土拱效应的体现及强弱

4 深基坑三维土拱效应分析

4.1 三维模型的建立

4.2 三维基坑土拱效应的分析

5 合理桩间距的确定

5.1 前言

5.2 已有算法的介绍

5.3 已有算法的讨论

5.4 本文算法的介绍

5.5 实际工程验证

6土拱效应影响因素的分析及公式验证

6.1 内摩擦角的影响

6.2 粘聚力的影响

6.3 剪胀角的影响

6.4 体积模量的影响

6.5接触面特性的影响

6.6不同桩间距的影响

7 结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间的成果