厚冲积层狭长基坑空间效应变形机理及影响因素分析

摘要

济南市地处黄河冲积平原和山前平原的交汇处，具有典型的冲积地层地质特征，此条件决定了该地区多以深基坑施工方式进行地铁车站的施工建设。由于深基坑是具有尺寸效应的三维空间结构，故基坑的围护结构形式及参数选用也将是具有三维空间受力特征的设计问题。然而，设计人员在对支护结构进行设计的过程中，为了简化计算及方便配筋，通常将三维基坑转换为二维平面问题加以分析，致使计算结果偏于保守，且难以完整地表现出整个基坑的变形状况。为此，针对以上问题，本文依托济南轨道交通R1线演马庄西站基坑工程，采用理论分析、数值模拟及现场监测相结合的研究方法，对狭长基坑空间效应的变形机理、纵向刚度不同的基坑围护结构所产生的空间效应、同一围护结构下基坑空间效应的影响因素展开研究，为类似工程的设计施工提供理论支持与技术指导。研究内容及其结论归纳如下：
　　（1）介绍基本概念并设定假设条件，借助于基坑坑壁土体三维破坏模式，采用极限平衡分析方法，对预制方桩作为围护结构下的基坑坑角位置对两侧围护结构所承受土压力的削减作用，以空间效应影响范围内的桩体为分析对象，求其在水平土拱作用下该桩在任意深度处所受水平压应力公式，结合弹性地基梁理论及土拱轴线方程，推导出空间效应作用范围内预制方桩桩体任意深度处水平位移计算公式以及预制方桩之间土拱轴线方程。
　　（2）模拟预制方桩、钻孔灌注桩、地下连续墙三种围护结构下桩体水平位移，提出造成水平位移的差异是由于桩体之间的“土拱效应”而引起纵向刚度的不同所导致。模拟开挖过程提出随动变形比的概念，提取其在同一常数条件下预制方桩、钻孔灌注桩以及地下连续墙结构的长度变化值，可知地下连续墙作为围护结构的空间效应影响程度最大，预制方桩次之，钻孔灌注桩最小。
　　（3）建立地下连续墙作为围护结构的数值模型，分析长宽比、深宽比、围护结构插入比以及有无冠梁4因素的基坑围护结构水平位移、基底隆起以及塑性区分布，结果显示，长宽比、深宽比以及冠梁的施作状况对基坑的空间效应产生重要影响，而围护结构的插入比对基坑空间效应产生的影响甚微。
　　（4）对演马庄西站基坑监测方案做出相应设计并进行监控测量，分析所监测的桩顶水平变形、桩体水平位移及地表沉降值，证明了基坑空间效应的存在，且空间效应的影响范围约为开挖深度的3倍左右，选取桩体水平位移进行对比分析，其模拟计算所得与实测数据近似一致，说明三维数值模拟具有较高的准确性，而由于理论计算过程未进行基坑支护且假定坑壁土体被剪切破坏，导致其计算结果与实测所得及数值模拟所得结果具有较大差异。

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摘 要

ABSTRACT

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Contents

1 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.1.1 课题研究背景

1.1.2 课题研究目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 预制方桩的受力特性研究

1.2.2 基坑空间效应及其影响因素的研究

1.3 主要研究内容和方法

1.3.1 论文主要研究内容

1.3.2 论文主要研究方法

1.3.3 技术路线

2 狭长深基坑空间效应变形机理研究

2.1 基本概念及相关假定

2.1.1 关于本文推导所需基本概念

2.1.2 基本简化与假定

2.2 狭长型基坑空间效应简化计算方法推导

2.3 桩体受力变形及土拱轴线方程

2.3.1 桩体受力

2.3.2 弹性地基梁理论计算桩体变形

2.3.3 土拱轴线方程

2.4 本章小结

3 不同围护结构形式对基坑空间效应影响研究

3.1 演马庄西站基坑工程概况

3.1.1 工程地质概况

3.1.2 水文地质概况

3.2 计算模型建立

3.3 计算结果分析

3.3.1 围护结构水平变形随开挖深度的变化

3.3.2 围护结构侧向位移的空间效应对比

3.3.3 基坑周围土体横向沉降分析

3.4 本章小结

4 相同围护结构下基坑空间效应影响因素研究

4.1 基坑空间效应影响因素的研究方案

4.1.1 基坑空间效应影响因素控制方案

4.1.2 计算模型与加载条件

4.2 长宽比对基坑空间效应的影响

4.2.1 不同长宽比下围护结构变形分析

4.2.2 不同长宽比下基底隆起变形分析

4.2.3 不同长宽比下土体塑性区分析

4.3 深宽比对基坑空间效应的影响

4.3.1 不同深宽比下围护结构变形分析

4.3.2 不同深宽比下基底隆起变形分析

4.3.3 不同深宽比下土体塑性区分析

4.4 围护结构插入比对基坑空间效应的影响

4.4.1 不同插入比下围护结构变形分析

4.4.2 不同插入比下基底隆起变形分析

4.4.3 不同插入比下土体塑性区分析

4.5 冠梁的施作状况对基坑空间效应的影响

4.5.1 冠梁施作情况对围护结构变形影响分析

4.5.2 冠梁施作情况对基底隆起变形影响分析

4.5.3 冠梁施作情况对土体塑性区影响分析

4.6 本章小结

5 工程施工现场监控量测分析

5.1 监控量测目的及意义

5.2 监控量测方案设计

5.2.1 监测范围

5.2.2 监测内容

5.2.3 监测频率

5.2.4 监测控制值

5.2.5 投入仪器设备及精度

5.3 监测结果分析

5.3.1 桩顶水平位移

5.3.2 桩体水平位移

5.3.3 地表沉降

5.3.4 监测数据与理论及模拟值的对比

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

作者从事科学研究和学习经历

攻读硕士期间的主要成果

致 谢