黄河厚冲积地层深基坑设计参数优化研究

摘要

济南厚冲积黏土地层均属于第四系，地层特性参数具有特殊性和唯一性，虽然相关成果频多，但众说不一，因此本课题以黄河冲积沿线-济南段为例，抽取了西部明显冲积地层的三个深基坑概况----济南R1线演马庄西站、济南R2线任家庄车站和山东省文化艺术中心，分别对该地层下的静止土压力系数、主动土压力、围护桩特性试验及水平抗力系数m值、围护桩的插入比四个特性参数进行了优化分析和试验研究。主要研究内容如下：
　　（1）依托济南地铁工程地质勘察，采用原位土体水平压力测定仪（KSB）对济南西北部黄河厚冲积黏性土水平压力进行现场测试，并与原位旁压试验、室内侧压力仪K0试验、以及考虑黏性土内摩擦角、塑性指数的K0常规计算公式验证测试结果对比分析：KSB测试结果指数形式插值推定原位静止土压力系数更优；20m范围内黄河冲积层黏性土可近似为正常固结饱和状态，K0在0.4~0.7之间并随埋深减小，而Jaky公式计算该黏性土K0值偏高，室内土工试验K0值偏低；以固结快剪内摩擦角和等效内摩擦角应用Jaky公式的计算结果更接近KSB实测值。
　　（2）从理论角度出发，结合应力摩尔圆原理，演化了卸荷应力路径的三轴试验进行对比分析，得到了摩擦角（内摩擦角和外摩擦角）与位移的关系，进一步取微单元进行了极限分析，推导出主动土压力的优化公式，并通过现场试验证明公式的正确性。在土体应力平衡破坏后，内摩擦角和外摩擦角并不是一成不变的，反而与位移密切相关，随着位移量的不断增大，摩擦角不断增大，逐渐趋于平稳。考虑到非极限状态下的内摩擦角和外摩擦角的影响，对土体进行了微条分析，得到了非极限状态下的主动土压力的计算公式。现场埋设土压力盒、渗压计监测土压力的变化动态，利用测斜管得到实际的土体位移，进一步验证推导优化公式的正确性，试验所得土体位移达到3.0~3.25mm时，达到主动极限状态，此时对应的土压力为主动土压力。
　　（3）结合勘察结果对黄河互层冲积地层进行了现场足尺试桩试验、理论分析及反分析研究，借鉴经验及规范，指导地方性勘察与设计，所得主要结论如下：桩长在一定程度上影响预制桩的抗拔能力，桩长越长，侧摩阻力越大，抗拔性能越明显，故桩长是桩体抗拔的关键因素，而不是决定因素。通过试验成果分析，桩周土强度越大、插入比越大，m值越大，随桩顶水平位移的增加，m值会经历一个急速衰减、缓慢衰减、趋于平稳三个阶段，且每个阶段变化模式各不相同。济南西部3~18m范围内黄河冲积互层可近似看作正常固结饱和黏性土，该地层m值的取值范围为4~6.58MN?m-4之间。黄河冲积互层黏性土的m值尚不可盲目借鉴技术规程的经验公式，通过反分析发现利用天然快剪下的内摩擦角和粘聚力值得到的m值更为准确，且得到济南地区经验位移Δ取值为12mm时，吻合程度更高。
　　（4）考虑土压力折减系数，基于黄河厚冲积平原深基坑插入比统计分析，运用数值模拟，插入比小于0.4时，基坑变形较大，继续增大插入比，可显著提高基坑稳定性；当插入比大于0.55时，继续增加插入比对减小基坑变形作用并不明显，造价却大大提高。因此，根据本文的研究结果综合判断插入比的合理设计值为0.55，即保证基坑稳定性，也节省了工程造价。通过对实测数据进行分析可得：插入比在0.58时，围护桩侧移、沉降，锚索轴力的变化幅度不大，距离报警值有一定的安全储备，此时桩端持力层为第6层粘土，上层为粉质粘土，两者均属“粘性土”，工程力学特征相近，因此理论计算和数值模拟结果符合工程规律和实践要求，可以实现支护优化。

目录

第一个书签之前

摘 要

ABSTRACT

目 录

Contents

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.1.1 本课题研究背景

1.1.2 济南市深基坑工程现状及其存在的主要问题

1.1.3 本课题研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 静止土压力系数研究现状

1.2.2 非极限状态主动土压力研究现状

1.2.3 围护桩特性试验及水平抗力系数研究现状

1.2.4 深基坑围护桩插入比研究现状

1.3 研究内容及技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

2 黄河厚冲积地层力学特征分析

2.1 河流冲积物力学特性

2.1.1 冲积物的启动和续动

2.1.2 冲积物在河流中的沉积

2.1.3 冲积物的类型

2.2 黄河沿线城市地质概况

2.2.1 黄河流域自然地理

2.2.2 兰州深基坑发展概况

2.2.3 郑州深基坑发展概况

2.2.4 济南深基坑发展概况

3 黄河厚冲积地层静止土压力系数原位测定与分析

3.1 K0测定仪(KSB)简介

3.1.1 简介

3.1.2 功能介绍

3.2 KSB测点布设及结果处理

3.2.1 KSB测点布设

3.2.2 KSB测试结果处理

3.3 静止土压力系数背景及确定方法

3.3.1 静止土压力系数背景分析

3.3.2 静止土压力系数确定方法

3.4 黄河厚冲积地层K0值特征分析

3.5 黄河厚冲积地层K0值讨论计算

3.6 本章小结

4 黄河厚冲积地层非极限状态主动土压力试验研究

4.1 经典土压力理论及研究背景

4.1.1 经典土压力计算理论

4.1.2 研究背景

4.2 非极限主动土压力计算公式

4.2.1 摩擦角与位移的关系

4.2.2 非极限主动土压力计算公式

4.3 试验工程概况

4.3.1 试验场地和地层条件

4.3.2 试验设计

4.4 现场试验结果比较分析

4.5 本章小结

5 黄河厚冲积地层桩体特性试验及抗力系数m值优化

5.1 研究背景及试验概况

5.1.1 研究背景

5.1.2 足尺试验概况

5.2 单桩试验结果分析

5.2.1 抗拔（浮）承载力分析

5.2.2 水平承载力分析

5.2.3 桩身轴力特性分析

5.3 冲积互层地基土比例系数m值解析

5.3.1 结果规律初探

5.3.2 位移反演解析m值

5.3.3 m值经验公式修正

5.4 本章小结

6 黄河厚冲积地层围护桩插入比设计优化

6.1 研究背景及工程概况

6.1.1 围护桩插入比慨念理解

6.1.2 研究背景

6.1.3 工程概况

6.2 数值模拟分析

6.2.1 计算模型

6.2.2 数值模拟过程

6.2.3 数值计算结果及分析

6.3 插入比实测结果验证

6.3.1 桩体水平位移

6.3.2 桩顶竖向位移

6.4 插入比分析与计算

6.4.1 土层质量对插入比的影响

6.4.2 最优插入比计算

6.5 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

攻读硕士期间研究成果

致 谢

学位论文数据集