预应力锚杆复合土钉支护稳定性分析及数值模拟方法研究

摘要

近年来，我国城市建设高速发展，地下空间的开发不断扩大，深基坑工程随之大量增加。城市建筑的密集导致了深基坑工程施工空间狭小，施工的技术要求及支护费用逐年增高。在这种情况下，亟需一种经济、高效的支护方法应用于深基坑支护工程之中。
　　 复合土钉保持了普通土钉支护施工快捷、工程造价低等优点，又通过与其他支护方式相结合，弥补了普通土钉支护基坑变形过大等缺点。在诸多复合形式中，预应力锚杆复合土钉支护方式以其经济性和实用性在基坑较深、周围环境和地质条件较为复杂的情况下具有独特的优势。目前，预应力锚杆复合土钉支护方式的受力机理、破坏模式等原理尚不清楚，实际设计以经验加验算为主，理论滞后于工程实践的现象较为明显。
　　 本文主要研究内容有:(1)总结归纳预应力锚杆复合土钉支护方式的特点、应用现状及目前常用的设计方法;(2)采用模型试验的方法模拟基坑开挖支护和加载破坏，通过一定的测量元件记录基坑坑壁位移、土钉（锚杆）内力，并观察基坑裂缝的位置及发展状态;(3)应用FLAC3D软件，建立基坑模型，对基坑开挖支护及加载破坏进行数值模拟，从土钉受力特点、基坑开挖变形特性及加载破坏模式等方面探讨预应力锚杆复合土钉支护方式的力学性能及稳定性;(4)总结模型试验结果与数值模拟运算结果，得出预应力锚杆复合土钉支护方式的力学机理，进而给出预应力锚杆复合土钉支护方式的合理设计方法。
　　 本文主要研究结论有:(1)预应力锚杆复合土钉支护能有效控制坑壁位移，大大改善了基坑“鼓肚子”的现象;(2)预应力对土体位移的有效控制主要通过面层传递，其产生的压应力影响范围有限;(3)预应力锚杆复合土钉支护方式中，靠近锚杆的土钉轴力相比普通土钉支护时明显减小，而远离锚杆的土钉轴力则有所增加;(4)预应力的施加可影响潜在滑动面的位置，使锚杆上部的土钉支护的土体内可能存在两个潜在滑动面;(5)预应力锚杆复合土钉支护的破坏模式为锚杆上部的土钉支护部分率先达到破坏，这与普通土钉支护时率先产生破坏的位置不同;(6)预应力锚杆在土体中产生压应力区，能够有效控制土体内塑性区的范围，基坑破坏时塑性区未达到贯通;(7)预应力锚杆复合土钉支护比普通土钉支护有更高的安全系数;(8)在进行预应力锚杆复合土钉支护设计时，应注重考虑锚杆上部土钉支护的土体内两个潜在滑动面的存在;(9)本文结合试验及模拟数据给出的预应力锚杆复合土钉支护稳定性分析方法是合理可靠的。

目录

声明

摘要

第一章 概述

1．1 土钉支护技术的发展

1．2 复合土钉支护技术的现状

1．3 预应力锚杆复合土钉支护的特点及应用

1．4 本文研究内容及意义

第二章 预应力锚杆复合土钉支护常用设计方法及工程实例

2．1 目前常用的设计方法

2．1．1 土钉支护结构设计方法

2．1．2 预应力锚杆复合支护结构稳定性计算

2．2 工程实例分析

2．2．1 北京富卓花园广场基坑

2．2．2 广州安信大厦工程深基坑

2．3 小结

第三章 预应力锚杆复合土钉支护模型试验研究

3．1 相似理论与量纲分析

3．1．1 相似理论

3．1．2 量纲分析

3．2 试验材料与设备

3．3 试验步骤

3．4 试验结果分析

3．4．1 开挖试验结果分析

3．4．2 加载试验结果分析

3．5 小结

第四章 预应力锚杆复合土钉支护数值模拟研究

4．1 数值分析的基本原理

4．1．1 三维快速拉格朗日法

4．1．2 Mohr-Coulomb本构模型

4．1．3 强度折减法

4．2 数值模型的建立及参数选取

4．3 数值模拟步骤

4．4 数值模拟结果分析

4．4．1 初始重力场及不平衡力

4．4．2 无支护开挖的数值运算

4．4．3 普通土钉支护的数值运算

4．4．4 预应力锚杆复合土钉支护的数值运算

4．4．5 预应力锚杆复合土钉支护与普通土钉支护对比分析

4．5 小结

第五章 结论

5．1 主要结论

5．2 关于预应力锚杆复合土钉支护方法的几点建议

致谢

攻读硕士学位期间参与的科研项目及发表的学术论文

参考文献