复杂环境下深基坑支护优化设计研究

摘要

随着我国新型城镇化水平不断推进，城市建设用地的局限性，导致了大量的工程问题急需解决，如由于建设场地狭小且周边环境复杂，如何在保证深基坑安全的前提下，减少深基坑对周边已有建筑设施的影响;或使临近建筑设施的影响在合理警戒值范围内时，如何使深基坑支护工程造价更为经济等，这些问题有时候会成为制约拟建工程能否顺利开展的关键因素。复杂环境主要是指典型区域性土质特征、土层层数较多、土质构造复杂，基坑开挖深度较大、建设场地狭小，且变形敏感性结构距离基坑边界较近的的建筑场地。变形敏感性结构本文特指对变形反应比较敏感，抗变形能力较差，使用上对变形要求较为严格的建筑结构。
　　本文以西安某地下车库深基坑开挖支护为工程实例背景展开研究，建立了复杂环境下三维深基坑桩锚支护模型，通过对桩径、桩间距、桩体嵌入深度三个主要影响因素的优化研究，分析各影响因素的变化对临近建筑沉降、支护体系受力和变形的影响规律;对内在相似规律进行回归性分析，拟合出相关参量的关系公式;利用敏感性分析方法得出各主要影响因素对各评价指标的影响程度;以曲线奇异跳跃点为优化模型参数的取值依据建立优化后模型并验算其安全稳定性能，结果表明优化后模型较原设计更具合理性、经济性、优越性，具有较大的工程实际应用价值，可以为实际工程中的优化设计提供参考。本文主要研究复杂环境下深基坑支护设计问题，主要研究内容如下:
　　(1)以工程实际数据为依托，利用ABAQUS有限元软件建立符合工程实际的三维深基坑桩锚支护开挖模型，通过将所建三维模型的结果与传统二维深基坑桩锚支护的结果进行对比，得出本文所建三维深基坑桩锚支护模型能更准确的反映工程的实际情况和桩土相互作用的空间效应，更具有合理性和优越性。
　　(2)在能够反映支护体系和土体相互空间效应和保证模型准确的基础上，分析在临近建筑荷载作用下深基坑周围土体和临近建筑结构范围内土体在深基坑开挖支护过程中的受力特性和沉降变形规律，以及支护体系中桩身位移、桩身弯矩和腰梁位移随基坑开挖和支护过程中的变化特征。
　　(3)以桩径、桩间距和桩长为优化参数，研究在复杂环境下各主要因素参量变化时垂直、平行于基坑边线方向和临近建筑荷载作用范围内土体沉降特征、支护构件的受力变形特性;
　　(4)通过对优化结果数据进行分析归纳研究，对受力变形规律相似和相互影响紧密的因素进行回归性分析，找出其内在的相互规律。拟合出了桩顶侧移和桩身最大水平位移、临近建筑物的最大沉降量和桩身最大水平位移的线性正比例公式和进一步拟合出临近建筑物最大沉降量与桩身最大水平位移比值和桩身长度关系的多项式公式。
　　(5)利用对桩径、桩间距和嵌入深度的优化结果，通过对临近建筑物沉降、整个基坑支护体系的受力和变形等各评价指标进行敏感性分析，得出桩径、桩间距和嵌入深度各影响因素对评价指标的影响系数，并结合实际工程中的不同侧重评价指标，如以投资造价的经济性为侧重目标、以整个深基坑的安全性为侧重目标、深基坑周围临近建筑物沉降为侧重目标等，有目的地、针对性地对复杂环境下深基坑支护的优化设计提供参考。
　　(6)提出了以曲线中奇异跳跃性的不稳定点为优化模型取值依据的方法，取奇异突变点前的数据作为优化后模型的设计参数，利用理正深基坑软件首先对优化后深基坑桩锚支护模型的土体沉降量、支护桩体水平位移和弯矩等进行安全性验算，在满足安全的基础上，再对优化后的整个深基坑和支护体系进行抗滑移稳定、整体稳定和抗倾覆稳定验算，其结果和安全系数均满足规范规定和基坑监测要求。说明以奇异跳跃点前的数据作为优化模型参数的选取依据的优化设计方法，能够满足安全、稳定性的要求，即保证了安全、降低了造价、施工更加便宜，也缩短了工期，优化方案具有合理性、优越性、适用性。可以本地区的类似复杂环境下深基坑开挖支护工程提供安全风险、工程造价、施工工期等相关评估办法和技术参考依据。

目录

摘要

1．1 选题背景及研究意义

1．2 国内外的研究现状

1．2．1 建筑深基坑支护在国外发展历程和研究现状

1．2．2 建筑深基坑支护在国内发展历程和研究现状

1．3 本文研究的主要内容

2 深基坑桩锚支护体系设计理论

2．1 深基坑支护工程概述

2．1．1 深基坑支护体系的概念

2．1．2 深基坑支护体系的类型

2．1．3 深基坑支护体系的特点

2．2 深基坑桩锚支护体系的组成和特点

2．3 土压力的计算原理及方法

2．3．1 静止土压力计算理论

2．3．2 主动土压力计算理论

2．3．3 被动土压力计算理论

2．3．4 Mohr-Coulomb本构模型的基本理论

2．4 预应力锚杆中桩锚支护体系的计算原理和方法

2．4．1 桩锚支护体系的受力机理

2．4．2 多捧预应力锚索桩锚支护的计算方法

2．5 稳定性验算原理

2．5．1 整体稳定性验算原理

2．5．2 抗倾覆稳定性验算原理

2．5．3 抗隆起稳定性验算原理

2．6 本章小结

3 复杂环境下深基坑支护体系的ABAQUS数值模拟

3．1 工程概况

3．1．1 工程施工场地及周边环境概况

3．1．2 工程水文地质条件

3．1．3 深基坑开挖施工进度部署

3．1．4 支护体系参数

3．2 有限元建模各参数选取

3．2．1 模型尺寸的选取

3．2．2 模型中各材料参数

3．2．3 有限元模型中各部件的单元类型的选取

3．3 有限元模型的准确性的验证

3．3．1 分析前应力的平衡

3．3．2 有限元模型结果黼与实际工程检测数据对比分析

3．4 本章小结

4 复杂环境下空间三维深基坑桩锚支护模型的受力性能

4．1 所建空间三维模型相对于传统二维平面模型的的优越性

4．2 复杂环境下三维深基坑开挖桩锚支护的受力性能研究

4．2．1 基坑开挖对垂直于基坑边线方向地面沉降量的影响

4．2．2 基坑开挖对平行于基坑边线方向临近建筑荷载作用范围内沉降的影响

4．2．3 基坑开挖对各桩身的水平侧移的影响

4．2．4 基坑开挖对各桩身弯矩的影响

4．2．5 各腰梁的受力性能

4．3 本章小结

5 复杂环境下深基坑桩锚支护体系的优化研究

5．1 桩径的优化研究

5．1．2 桩径对平行于基坑边线方向土体沉降的影响

5．1．3 桩径对桩身水平位移的影响

5．1．4 桩径对中部桩体弯矩的影响

5．2 桩间距的优化研究

5．2．1 桩中心距对垂直于基坑边线方向土体沉降的影响

5．2．2 桩中心距对平行于基坑边线方向土体沉降的影响

5．2．3 桩中心距对桩身水平位移的影响

5．2．4 桩中心距对中部桩体弯矩的影响

5．3 桩体嵌入深度的优化研究

5．3．1 嵌固深度对垂直于基坑边线方向土体沉降的影响

5．3．2 嵌固深度对平行于基坑边线方向土体沉降的影响

5．3．3 嵌固深度对桩身水平位移的影响

5．3．4 嵌固深度对中部桩体弯矩的影响

5．4 优化数据的回归性分析

5．4．1 桩顶侧移和桩身最大侧移的拟合

5．4．2 临近建筑物沉降量和桩体水平位移量的拟合

5．4．3 临近建筑的最大沉降量与桩身最大水平位移比值和桩体长度的拟合

5．5 主要评价指标的的敏感性分析

5．6 本章小结

6 优化后效果与原设计效果对比分析

6．1 优化前后基坑周围土体沉降量对比分析

6．2 优化前后桩体、桩顶水平位移和桩身弯矩对比分析

6．3 优化后整体稳定性验算

6．4 优化后抗倾覆稳定性验算

6．5 优化后抗隆起验算

6．6 本章小结

7 结论

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

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