基坑支护方案的优化设计及施工过程受力变形特性研究

摘要

随着我国经济的快速增长,城市建设和改造的步伐也是越来越快,因此,高层建筑的基坑工程设计显得越发重要。城市功能的拓展和城市人口的激增使城市的交通变得拥挤不堪。当前,地上空间已趋向饱和,人们越来越重视地下空间的开发与建设,因此产生了大量的基坑工程。
　　 基坑工程的造价高、工期长、难度大,因此,如何合理地对基坑支护体系进行优化选择、对开挖过程进行计算,已成为土木工程界所关注的热点课题。本文以南京仁恒G53基坑工程为背景,应用层次分析法原理,将复杂的基坑支护方案决策问题层次化,并根据深基坑支护系统的特点建立层次结构模型,并选出最优支护方案。在开挖过程中,本文利用PLAXIS有限元软件,建立了南京仁恒G53基坑支护和开挖工程的有限元模型。采用软件的Mohr-Coulomb本构模型对土体进行模拟,并设置不同工况,来模拟基坑的支护和开挖全过程,通过计算分析,得出了各个工况中基坑围护结构的位移变化、剪力变化、以及坑后地表沉降的大小。得出以下结论:
　　 1、根据层次分析法基本原理建立了基坑优选方案综合评价指标体系,确定了4个评价指标并使用层次分析法计算指标权重,选取的支护方案为:深搅桩重力式挡墙做止水帷幕,内插钻孔灌注桩。
　　 2、系统分析了基坑支护结构的设计理论,分析了基坑工程中的土压力研究现状,介绍了土压力和水压力的计算理论以及有限元方法在基坑工程中的应用和进展。
　　 3、通过阐述深基坑开挖过程的有限元理论与方法,分析了深基坑开挖前的初始应力场、位移场的形成。
　　 4、介绍了大型岩土工程有限元分析软件PLAXIS,结合工程实例使用PLAXIS有限元软件计算分析了基坑开挖过程中土体应力,位移,以及围护桩的位移、力矩、所受剪力的变化。分析了基坑在支护和开挖的过程中基坑支护结构变形以及地表沉降发展变化的规律,提出一些有效的控制基坑变形的方法,为基坑工程设计以及施工的过程提供了依据。
　　 5、使用勘察设计软件“理正深基坑”对基坑开挖过程进行了计算与分析,论证了所建模型的正确性和采用参数的合理性。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 基坑支护现状及存在的问题

1.2.1 基坑支护现状

1.2.2 深基坑工程中存在的主要问题

1.3 基坑变形及周围地层移动的相关因素

1.3.1 基坑变形

1.3.2 引起基坑周围地层移动的相关因素

1.4 土体本构关系及基坑工程数值分析研究现状

1.5 本文工作的主要内容

第二章 基坑变形机理及支护体系的计算理论

2.1 基坑的变形特征及变形机理

2.1.1 基坑变形破坏现象

2.1.2 基坑的变形特征

2.1.3 基坑的变形机理

2.2 基坑围护结构常用计算方法

2.2.1 古典理论计算方法

2.2.2 解析方法

2.2.3 有限元法

2.3 深基坑工程中的土压力问题

2.3.1 土压力理论的发展

2.3.2 土压力计算理论

2.4 基坑支护的土水压力计算

2.5 土压力计算的一些经验方法

2.6 本章小结

第三章 基坑支护方案的优选研究

3.1 层次分析法

3.2 工程概况及建筑场区环境工程

3.3 基坑支护结构分类

3.4 层次分析法模型的建立

3.4.1 利用层次分析法(AHP)确定评价因素权重

3.4.2 构造判断矩阵与层次单排序计算

3.4.3 建立综合评判的集合

3.4.4 计算权向量并做一致性检验

3.4.5 计算组合权向量并做组合一致性检验

3.5 确定评判原则,构造判断矩阵及计算

3.6 本章小结

第四章 基坑工程有限元分析原理

4.1 有限单元法

4.1.1 有限元分析的原理和分析过程

4.1.2 有限元法分类

4.1.3 弹性地基杆系有限元法

4.2 PLAXIS在基坑工程中的应用

4.2.1 岩土工程有限元程序PLAXIS简介

4.2.2 莫尔—库仑(Mobr-Coulomb)模型简介

4.2.3 确定计算域边界

4.2.4 单元选择及计算过程分析

4.3 本章小结

第五章 工程实例分析与有限元计算

5.1 基坑工程概况

5.1.1 工程地质条件

5.1.2 地下水

5.1.3 力学性能参数

5.1.4 基坑支护体系

5.2 深基坑分步开挖的有限元分析模型

5.2.1 几何模型

5.2.2 超载的影响

5.2.3 计算模型

5.3 数值模拟与分析

5.3.1 数值模拟分步开挖过程

5.3.2 基坑周围土体的有效应力云图

5.3.3 各工况位移场云图及塑性屈服点位移

5.3.4 基坑分步开挖过程中围护桩的位移变化计算

5.3.5 基坑分步开挖过程中围护桩的力矩变化计算

5.3.6 基坑分步开挖过程中围护桩的剪力变化计算

5.3.7 基坑分步开挖过程中围护桩的弯矩包络图

5.3.8 锚杆预加应力对施工过程的影响

5.3.9 Hardening-soil本构模型对模拟过程的优化

5.3.10 基坑后土体地表沉降分析

5.4 本章小结

第六章“理正深基坑”软件计算及结果比较

6.1 基本支护与开挖计算模型

6.1.1 理正计算模型

6.1.2 围护结构模型

6.1.3 支护与开挖的基本模型

6.2 计算结果

6.2.1 不同工况下的位移、弯矩、剪力图

6.2.2 不同开挖工况下的地表沉降图

6.3“理正深基坑”和“PLAXIS”计算结果的比较

6.3.1 计算结果比较

6.3.2 计算结果差异分析

6.4 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果