钢管水泥土桩复合土钉基坑支护数值模拟研究

摘要

钢管水泥土桩复合土钉基坑支护是在水泥土挡墙初凝之前，将小钢管插入水泥土挡墙内，开挖时每隔一定深度打入一排土钉而形成的一种新的基坑支护工法，该工法特别适用于软土地区基坑支护。 本文以大型有限元分析软件ADINA为工具，利用理论分析结合室内试验研究结果，建立三维有限元模型，并通过工程实例检验该三维模型的正确性。在此基础上分析了整个基坑开挖过程中，各参数的变化对土体及支护结构的位移场和应力场的影响，并对被动区加固措施和各种钢管水泥土桩复合土钉基坑支护所适用的开挖深度进行了研究，主要得出如下结论： 1、插入钢管可以有效控制桩前侧竖向位移和竖向应力；增加土钉排数可减小基坑水平位移、钢管水平位移和桩后侧竖向应力。 2、增加开挖深度增大了基坑水平位移、基坑周围土体沉降和土钉水平位移；增加钢管刚度和插入深度减小了基坑水平位移、桩前侧竖向应力和土钉水平位移；增加土钉直径减小了基坑水平位移、基坑周围土体沉降和土钉水平位移；对砂性水泥土，增加水泥弹性模量减小了基坑周围土体沉降，水泥掺量控制在15％左右较好；对淤泥质粉质粘土水泥土，增加水泥弹性模量减小了周围土体沉降和土钉水平位移；增加挡墙厚度减小了基坑水平位移、钢管水平位移、土钉水平位移和竖向位移。 3、被动区加固的加固形式以浅而宽为优，加固宽度与基坑开挖深度比等于1.17、加固深度与基坑开挖深度比等于0.44时最佳，应保证加固长度与基坑开挖深度比大于0.64，宜使加固间距与基坑开挖深度比不大于0.38，应确保小于0.78。 4、1排钢管无土钉支护结构适用的基坑开挖深度为不大于5.02m；1排钢管1排土钉支护结构适用的基坑开挖深度为不大于5.63m；1排钢管2排土钉支护结构适用的基坑开挖深度为不大于6.26m：1排钢管3排土钉支护结构适用的基坑开挖深度为不大于6.67m。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

1 绪论

1.1 课题的研究意义

1.2 国内外研究概况

1.2.1 国内外对土钉支护的研究

1.2.2 对复合土钉支护的研究

1.2.3 对水泥土桩复合土钉支护的研究

1.2.4 CSCS基抗支护研究现状及本文创新点

1.3 研究内容

1.4 研究方法及技术路线

2 有限元理论及本构模型的选取

2.1 概述

2.2 有限元模型的确定

2.3 普遍的弹塑性本构关系

2.4 关联Mohr-Coulomb模型(M-C模型)

3 ADINA模型的建立

3.1 ADINA通用有限元软件介绍

3.2 模型参数的选取

3.2.1 计算简图

3.2.2 计算参数的选取

3.3 ADINA基本分析过程

3.3.1 创建有限元模型

3.3.2 定义模型数据

3.3.3 定义网格划分数据

3.3.4 运行求解器

3.3.5 显示和后处理

3.4 分步开挖拖工过程的模拟

3.4.1 初始地应力场

3.4.2 水泥土桩与土体之间的接触面单元

3.4.3 钢管截面的简化

3.4.4 开挖荷载

3.4.5 开挖过程的模拟

4 数值计算结果分析

4.1 工程实例验证

4.1.1 工程概况

4.1.2 工程地质条件

4.1.3 计算区域及网格划分

4.1.4 计算参数

4.1.5 计算结果分析

4.2 几种CSCS基坑支护结构的比较

4.3 各参数对CSCS基坑支护的影响研究

4.3.1 开挖深度(工况)对基坑支护结构的影响

4.3.2 钢管型号对基坑支护结构的影响

4.3.3 钢管插入深度对基坑支护结构的影响

4.3.4 土钉型号对基坑支护结构的影响

4.3.5 水泥土材料性质对基坑支护结构的影响

4.3.6 水泥土挡墙厚度对基坑支护结构的影响

4.4 被动区加固对基坑支护结构的影响研究

4.4.1 被动区加固的布置形式研究

4.4.2 加固的最佳宽度w、深度d、长度l和间距s

4.5 几种CSCS基坑支护结构适用深度研究

4.5.1 一排钢管零排土钉

4.5.2 一排钢管一排土钉

4.5.3 一排钢管二排土钉

4.5.4 一排钢管三排土钉

5 结论与展望

5.1 主要结论

5.2 研究展望