基坑SMW工法围护结构复合作用分析及模型试验研究

摘要

SMW工法是一种典型的复合材料桩，作为一种新颖的基坑围护型式，有着诸多优点。型钢—水泥土的共同作用机理、SMW工法的抗弯性能等是基坑工程设计与施工中十分关心的问题。 本文基于复合材料细观结构力学，对SMW工法型钢—水泥土组合结构的基本力学性能、型钢拔出时的界面作用机理及SMW工法的抗弯性能等进行了分析，主要研究内容如下： 1．基于复合材料细观结构力学与弹性力学能量原理，建立SMW工法型钢—水泥土复合结构的分析模型，分析SMW工法型钢水泥土复合体的基本力学性能，推导建立了SMW工法等效弹性参数的计算公式，并通过已有的试验结果进行验证，为理论计算及数值分析等效参数取值提供了理论依据。 2．基于Mindlin位移解及型钢简化分析模型，分析拉拔荷载下型钢—水泥土界面脱结前的作用机理，得到了型钢—水泥土界面的剪切应力及型钢轴力的理论解，并与现场试验结果进行了对比分析。基于理论分析与现场实测，提出了基坑SMW工法型钢最大起拔力的估算公式，并与最大起拔力实测值进行对比。 3．考虑型钢—水泥土的组合作用，对SMW工法型钢水泥土组合梁的刚度进行分解计算；基于弹性力学能量原理，建立简支梁均布荷载、双集中对称荷载—跨中挠度的表达式。把分解刚度计算结果与双集中荷载—跨中挠度表达式相结合，分析SMW型钢水泥土组合结构的抗弯性能，并与已有的数值分析结果对比。 4．通过主动侧分级加载，模拟基坑开挖引起的卸载，进行室内的SMW工法基坑围护与纯型钢围护的模拟对比试验，通过围护结构的能量分析，得到了基于试验最大水平位移的SMW工法抗弯刚度计算值，并与复合抗弯刚度的理论计算结果对比，给出了工程设计中围护结构抗弯刚度取值时的折减系数建议值。从两组试验的围护结构侧向位移、型钢内力(应变)等角度的对比，来分析型钢—水泥土的共同作用关系。基于对模拟对比试验结果的认识，从不同角度探讨SMW工法型钢水泥土组合结构的工作机理。

目录

文摘

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前言

声明

第一章绪论

1.1概述

1.2 SMW工法的特点与应用

1.2.1SMW工法的特点

1.2.2 SMW工法的应用

1.3SMW工法研究现状

1.3.1水泥土(桩)的试验研究

1.3.2 SMW型钢水泥土复合结构的试验研究

1.3.3设计计算方法研究

1.3.4 SMW工法理论分析与现场实践研究

1.3.5研究现状评述

1.4研究目的、技术路线及研究内容

1.4.1本文的研究目的

1.4.2本文的研究内容

第二章 SMW工法复合结构的基本力学性能

2.1概述

2.2 SMW工法复合结构组分材料的力学性能

2.2.1水泥土搅拌桩的基本性能

2.2.2型钢的基本性能

2.3 SMW工法复合材料力学分析模型

2.4型钢—水泥土复合结构的复合增强分析

2.4.1纵向弹性模量Ey

2.4.2泊松比μy的确定

2.4.3剪切模量G

2.4.4横向弹性模量Ex

2.4.5横向泊松比μx

2.5基于能量原理的SMW工法力学性能分析

2.5.1基于最小余能原理分析弹性模量Ey

2.5.2基于最小应变能原理分析弹性模量Ey

2.5.3基于最小应变能原理分析泊松比μy

2.6等效弹性参数计算修正及试验验证

2.6.1纵向复合弹模Ey修正

2.6.2试验验证

2.7本章小结

第三章 SMW工法围护结构型钢拔出力分析

3.1概述

3.2型钢—水泥土界面形成机理及界面力学模型

3.2.1型钢—水泥土界面的形成机理

3.2.2型钢—水泥土界面力学分析模型

3.3型钢—水泥土界面剪应力与正应力的关系

3.3.1单水泥土桩—型钢复合结构等截面简化

3.3.2钢板—水泥土界面层间应力

3.3.3算例分析

3.4基于Mindlin位移解的型钢拔出力分析

3.4.1概述

3.4.2 Mindlin位移解的一般形式

3.4.3型钢拔出截面等效分析模型

3.4.4算例分析

3.4.5型钢拔动后的简化计算

3.5界面剪应力、轴力影响因素分析及现场试验验证

3.5.1不同拉拔荷载下界面剪应力、型钢轴力对比

3.5.2水泥土不同弹模取值时界面剪应力、型钢轴力分布

3.5.3现场试验验证

3.6考虑基坑开挖影响的型钢拔出力修正分析

3.6.1概述

3.6.2型钢起拔最大静摩擦阻力验算

3.7型钢起拔力的现场实测验证

3.7.1概述

3.7.2基坑工程概况

3.7.3现场实测及型钢起拔力估算结果对比分析

3.7.4型钢拔出力的主要影响因素

3.8本章小结

第四章 SMW型钢水泥土复合梁抗弯性能分析

4.1概述

4.2 SMW工法型钢—水泥土复合梁的共同作用

4.2.1型钢—水泥土复合梁粘结形式及基本假设

4.2.2型钢水泥土完全滑移

4.2.3 SMW工法复合梁的完全粘结分析

4.2.4 SMW工法复合梁的粘结滑移共同作用

4.3简支复合梁弹性小挠度弯曲

4.3.1简支复合梁弹性小挠度弯曲问题的提出

4.3.2一般荷载下简支梁的势能及最小势能

4.4基于利兹法的简支梁挠曲分析

4.4.1利兹法简介

4.4.2均布荷载下简支梁挠曲分析

4.4.3双集中对称荷载下简支梁挠曲分析

4.5 SMW工法复合梁分项刚度计算方法

4.5.1 H型钢腹板的作用

4.5.2 SMW工法复合梁分项刚度计算方法

4.6算例分析

4.7本章小结

第五章基坑SMW工法的模拟试验研究及工作机理分析

5.1概述

5.2模型试验设计

5.2.1试验目的及试验内容

5.2.2试验整体设计

5.2.3模型围护桩设计

5.2.4应变片的布置

5.2.5百分表的布置

5.3试验准备及试验步骤

5.3.1 SMW工法围护结构试验

5.3.2劲性材料(槽钢)围护结构试验

5.4试验数据整理及分析

5.4.1土压力

5.4.2挡墙水平位移

5.4.3围护结构内力变化规律

5.5 SMW工法围护结构工作机理探讨

5.6本章小结

第六章总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢

附录：攻读博士期间发表的学术论文