软土地层中格形地下连续墙围护结构性状研究

摘要

格形地下连续墙是上海软土地区近年来出现的一种新型围护结构型式,既可以用作无内支撑体系基坑工程的围护结构,亦可以作为竖向承载结构。由于在变形控制、可持续发展等方面的诸多优点,格形地下连续墙目前已经在多个基坑工程中得到应用。深基坑工程中,兼作竖向承载结构的围护结构的受力变形特性是设计和施工中最为关心的问题。作为一种新型的、结构型式比较复杂的围护结构,目前已有的关于传统基坑围护结构受力、变形性状和竖向承载特性的认识无法直接应用到格形地下连续墙中,在很大程度上限制了这种新型围护结构的应用和推广。鉴于目前对格形地下连续墙的研究比较匮乏,本文结合原位试验、室内模型试验、理论研究、数值模拟和现场监测等手段,对格形地下连续墙的围护结构工作性状、竖向承载特性和关键节点的结构强度进行系统地研究,为格形地下连续墙的设计和施工提供了参考。主要内容包括如下几个方面:
　　 1.采用有限元方法分析格形地下连续墙典型受力、变形特征。建立以格形地下连续墙为围护结构的深基坑的切片模型和全三维模型,系统地分析了上海地区以格形地下连续墙为围护结构的深基坑开挖过程中格形地下连续墙的变形、墙后地表横向与纵向沉降、墙侧土压力分布和墙身弯矩分布的典型特征。引入平面应变比(PSR)的概念,研究了以格形地下连续墙为围护结构的基坑变形的空间效应。利用参数分析研究了格形地下连续墙几何尺寸(包括连续墙厚度、深度、隔墙长度、隔墙间距)、连续墙接头型式、坑底加固、坑内桩基以及基坑底板对基坑受力、变形的影响,并给出一些简化计算公式。探讨了在广泛的参数影响下基坑的变形特征变量(包括围护结构的最大侧移和地表最大沉降),得到其变化范围的上限,并将分析结果与采用传统围护结构的基坑工程的统计结果进行对比,从而为设计施工提供了理论参考。
　　 2.利用原位试验和荷载传递法分析单幅地下连续墙槽段的竖向承载机理。对格形地下连续墙的单幅连续墙槽段进行原位静载试验,系统地研究了竖向加载作用下单幅地下连续墙墙身沉降、墙身轴力分布、墙侧摩阻力分布和发展、墙端阻力发展等竖向承载特性,并探讨了墙端注浆对单幅地下连续墙竖向承载特性的影响。基于荷载传递法,采用双曲线理想弹塑性荷载传递函数反映墙侧摩阻力的发挥情况,三折线荷载传递模型反映墙端阻力的发展,得到了单幅地下连续墙荷载传递法的半解析解。通过对比计算结果和原位试验数据,验证了荷载传递法在单幅地下连续墙竖向承载特性分析中的适用性。
　　 3.结合原位试验数据,采用有限元方法对格形地下连续墙竖向承载机理进行分析。首先对单幅地下连续墙原位静载试验进行模拟,通过将计算结果与原位试验结果进行对比,确定所采用数值方法的正确性。在此基础上,建立格形地下连续墙的竖向承载模型,研究了格形地下连续墙侧摩阻力、端阻力的分布和发展情况,并系统分析了墙侧和墙端土体的力学性质、墙土接触面的力学特性和格形地下连续墙的尺寸等因素对其竖向承载特性的影响,揭示了格形地下连续墒的竖向承载机理。通过引入墙芯土体端应力系数η和隔墙端应力系数δ的概念,给出格形地下连续墙竖向承载力的建议计算公式。
　　 4.结合室内模型试验和数值模型试验,研究格形地下连续墙横隔墙槽段间的十字钢板接头的抗剪强度和剪切破坏机理。对以十字钢板接头连接的地下连续墙试件进行室内剪切破坏试验,对比分析不同试件的实验数据,研究了十字钢板接头的剪切破坏模式和各设计参数对其抗剪强度的影响。结合室内模型试验和数值试验手段,揭示了十字钢板接头的剪切破坏机理,在此基础上,引入抗剪强度发挥程度的概念,分析了纵向钢板刚度对十字钢板接头抗剪强度的影响,进一步参考Oguejiofor和Hosain提出的穿孔钢板接头的抗剪强度公式,提出了能够反映十字钢板接头剪切破坏机理的抗剪强度计算方法。
　　 5.对上海长兴岛造船基地某采用格形地下连续墙作为围护结构和竖向承载结构的船坞基坑工程进行了实测研究,验证前述理论研究成果。对实测结果的分析表明,格形地下连续墙在各个工况下的最大侧移全部位于理论研究给出的范围之内,当开挖深度为5m和10m时,实测的格形地下连续墙各测点最大侧移平均值与根据第二章理论公式计算得到的最大侧移接近,当开挖深度为14.7m时,实测最大侧移平均值要小于计算得到的最大侧移。表明根据理论研究成果制定的施工方法可以有效利用基坑底板支撑作用,限制格形地下连续墙的变形。格形地下连续墙墙顶位移、墙侧土压力和墙身弯矩的监测结果亦与理论研究结果吻合,表明理论研究成果对于从总体上理解格形地下连续墙围护结构的工作性状有积极的意义,可以用于指导今后类似工程的设计和施工。

目录

文摘

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上海交通大学学位论文答辩决议书

主要符号说明

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.1.1 上海地区基坑工程现状

1.1.2 格形地下连续墙的结构型式

1.1.3 格形地下连续墙的特点和适用范围

1.1.4 格形地下连续墙的应用状况

1.1.5 研究的意义

1.2 研究现状综述

1.2.1 基坑工程受力变形分析的研究方法

1.2.2 围护结构侧向变形的研究

1.2.3 坑外土体沉降的研究

1.2.4 土压力的研究

1.2.5 围护结构弯矩的研究

1.2.6 地下连续墙竖向承载特性的研究

1.3 本文的主要研究内容与创新点

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 本文的主要创新点

第二章 格形地下连续墙围护结构工作性状数值分析

2.1 引言

2.2 基本有限元理论

2.2.1 修正剑桥模型

2.2.2 结构与土体的接触算法

2.3 以格形地下连续墙为围护结构的深基坑切片模型有限元分析

2.3.1 几何模型

2.3.2 上海地区典型土层概况

2.3.3 材料参数的选取

2.3.4 墙土接触面设定

2.3.5 有限元分析过程

2.3.6 以格形地下连续墙为围护结构的基坑变形性状分析

2.3.7 格形地下连续墙围护结构受力性状分析

2.4 以格形地下连续墙为围护结构的深基坑三维有限元分析

2.4.1 分析模型

2.4.2 格形地下连续墙围护结构三维受力变形特性

2.4.3 以格形地下连续墙为围护结构的基坑平面应变比

2.5 格形地下连续墙围护结构的参数研究

2.5.1 格形地下连续墙几何尺寸的影响

2.5.2 连续墙施工接头型式的影响

2.5.3 坑内地基加固的影响

2.5.4 坑内桩基的影响

2.5.5 基坑底板的影响

2.6 计算结果与已有文献相关结果的对比分析

2.6.1 格形地下连续墙侧移

2.6.2 墙后地表沉降

2.7 本章小结

第三章 单幅地下连续墙竖向承载机理原位试验和理论研究

3.1 引言

3.2 原位试验研究

3.2.1 现场地质条件

3.2.2 试验方法

3.3 原位试验结果分析

3.3.1 试验墙加载-沉降曲线

3.3.2 试验墙墙身沉降

3.3.3 试验墙轴力

3.3.4 试验墙侧摩阻力和端阻力

3.4 单幅地下连续墙竖向荷载传递机理

3.4.1 单幅地下连续墙墙侧摩阻力传递机理

3.4.2 单幅地下连续墙的荷载传递分析法基本原理

3.4.3 地下连续墙荷载传递计算方法

3.4.4 原位静载试验计算分析

3.5 本章小结

第四章 格形地下连续墙竖向承载性状数值分析

4.1 引言

4.2 Mohr-Coulomb弹塑性模型

4.3 单幅地下连续墙竖向承载的数值分析

4.3.1 数值模型

4.3.2 计算结果分析

4.3.3 地下连续墙竖向承载性状影响因素分析

4.4 格形地下连续墙竖向承载的数值分析

4.4.1 数值模型

4.4.2 计算结果

4.4.3 格形地下连续墙竖向承载性状影响因素分析

4.4.4 格形地下连续墙竖向承载力计算

4.5 本章小结

第五章 地下连续墙刚性接头竖向抗剪特性研究

5.1 引言

5.2 十字钢板刚性接头抗剪强度室内试验研究

5.2.1 试验内容与试件设计

5.2.2 试件制备与养护

5.2.3 试验设备布置和测试项目

5.2.4 加载方式与加载制度

5.2.5 主要试验结果

5.2.6 试验结果对比分析

5.3 十字钢板刚性接头抗剪强度室内试验的数值模拟

5.3.1 混凝土弹塑性损伤模型

5.3.2 室内试验试件的三维有限元分析

5.3.3 数值模拟结果与分析

5.4 十字钢板接头抗剪强度参数分析

5.4.1 钢板开孔对接头抗剪强度的影响

5.4.2 混凝土强度对接头抗剪强度的影响

5.4.3 纵向钢板厚度对接头抗剪强度的影响

5.4.4 纵向钢板刚度对接头抗剪强度的影响

5.4.5 纵向钢板开孔率对接头抗剪强度的影响

5.5 十字钢板接头抗剪强度计算方法

5.6 本章小结

第六章 以格形地下连续墙为围护结构的基坑工程的实测研究

6.1 引言

6.2 工程简介

6.3 工程地质条件

6.4 船坞基坑支护方案

6.4.1 格形地下连续墙

6.4.2 高桩梁板地下连续墙

6.4.3 坞室基坑底板

6.5 施工工况与现场实测

6.5.1 施工工况

6.5.2 施工现场实测

6.6 实测结果分析

6.6.1 格形地下连续墙侧向变形

6.6.2 格形地下连续墙顶沉降

6.6.3 格形地下连续墙墙侧土压力

6.6.4 格形地下连续墙墙体应力

6.7 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 主要研究结论

7.2 进一步的研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表和录用论文情况