气压沉箱施工对周边环境影响的动态数值模拟方法及应用研究

摘要

本研究基于气压沉箱的施工特点，提出了一套定量化评价气压沉箱施工对周围土体影响的数值模拟方法以及气压沉箱施工控制技术。本研究的创新性成果主要体现在以下三个方面：(1)基于气压沉箱的特殊施工工艺，提出了一种能够追踪气压沉箱下沉施工全过程的非线性有限元动态模拟方法与技术；(2)基于系列性的数值模拟和工况分析，定量化地分析了气压沉箱下沉时影响地层变形的主要参数及影响效果；(3)基于数值理论分析结果和特殊的施工工艺，提出了一套完整的气压沉箱施工控制技术和周围环境保护措施。 本论文的主要研究内容由如下八部分组成。 在论文的第1章中，简要介绍了课题来源、研究背景、研究意义与目的、研究内容、研究计划以及主要创新之处。 在论文的第2章中，系统地总结了国内外气压沉箱工法的应用现状及发展动态，分析了一般基坑工程开挖对周围环境影响的研究方法及成果，在此基础上结合国内普遍应用的沉井研究资料，详细论述了国内外学者在气压沉箱施工对周边环境影响方面的研究成果。另外，还对非线性有限元分析方法在地下工程中的应用作了简要的阐述。 在论文的第3章中，首先分析了自动化气压沉箱下沉施工的工艺流程以及沉箱下沉施工对地层变形影响的主要因素。然后，基于沉箱分节下沉全过程的动态受力特点以及物理力学模型，创新性地提出了一种能够追踪气压沉箱下沉施工全过程的非线性有限元动态模拟方法和技术。 在论文的第4章中，提出了不同于其它施工方法的沉箱实时监测技术与方法，并分析了国内首个采用自动化气压沉箱方法施工完成的隧道风井的监测方案及数据，包括地表沉降、水平位移以及地下水位变化等。 在论文的第5章中，利用上述提出的气压沉箱下沉施工全过程的非线性有限元动态模拟技术，根据实际的施工状况和条件，针对国内首个采用自动化气压沉箱方法的隧道风井(地铁7号线耀华路隧道风井工程)，动态模拟了沉箱下沉施工的整个过程，分析了沉箱下沉各阶段对周边地层变形的影响。基于现场实测数据，比较分析了下沉各阶段引起的地表沉降、土体水平位移以及工作室内的土体隆起等，验证了本文所提出的气压沉箱动态有限元模拟方法的合理性。 在论文的第6章中，利用上述提出的气压沉箱下沉施工全过程的非线性有限元动态模拟方法，定量化分析了土体弹性模量E、粘聚力C、内摩擦角φ、卸载再加载模量Eur等土性参数，工作室内气压的大小，沉箱与土体间侧摩阻力的大小以及设置临时挡土隔墙对气压沉箱施工的影响，系统性地分析了各种因素对气压沉箱施工以及周围土体的影响效果。 在论文的第7章中，基于以上定量化数值分析结果以及各种因素的影响效果，提出沉箱下沉施工的主要控制技术与保护措施，如沉箱箱体制作控制、下沉姿态控制、工作室内气压管理、沉箱施工设备管理、高气压作业管理、下沉实时监测、沉箱壁外注浆、刃脚超挖控制、设置临时挡土隔墙、局部地基加固等等。 在论文的第8章中，对本文的研究工作与主要结论作了总结，并提出须进一步研究的课题。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1总论

1.2研究目的

1.3研究内容

1.4研究计划

1.5本文研究的创新之处

第2章文献综述

2.1气压沉箱工法概述

2.1.1气压沉箱工法原理、施工工艺及优势

2.1.2国内与国外气压沉箱工法应用现状及发展动态

2.2地下工程施工对环境影响的研究现状

2.2.1基坑工程对环境影响的研究现状

2.2.2沉井及沉箱施工对环境影响的研究现状

2.2.3非线性有限元分析方法在地下工程中的应用

2.3本章小结

第3章气压沉箱施工力学模型与动态数值模拟方法

3.1气压沉箱施工过程与工艺

3.2气压沉箱施工对地层变形影响因素

3.3气压沉箱下沉施工力学模型

3.3.1沉箱施工中所受的力

3.3.2各作用力的计算方法

3.3.3各作用力在竖直方向上的平衡关系

3.3.4沉箱对地层作用的力学模型

3.4气压沉箱施工过程动态有限元模拟方法

3.4.1模型建立

3.4.2网格划分

3.4.3本构模型以及参数选取

3.4.4初始应力场计算

3.4.5沉箱下沉过程模拟

3.5本章小结

第4章气压沉箱施工现场监测方法与监测数据分析

4.1气压沉箱施工现场监测方法与技术

4.1.1监测目的及意义

4.1.2监测对象及内容

4.1.3监测方法

4.2监测实例与数据分析

4.2.1监测内容

4.2.2监测方法

4.2.3监测结果分析

4.3本章小结

第5章气压沉箱施工对周边土体影响的有限元实例分析

5.1工程概况及地质条件

5.1.1工程概况

5.1.2工程地质及水文地质

5.1.3施工工艺及下沉计划

5.2有限元模型与参数选取

5.2.1模型建立

5.2.2参数选取

5.3有限元计算结果及分析

5.3.1有限元计算变形网格及位移云图

5.3.2计算结果分析

5.4本章小结

第6章气压沉箱施工对周边环境影响的敏感性数值分析

6.1土体参数的影响

6.1.1土体弹性模量E对沉箱外土体变形的影响

6.1.2土体粘聚力C对沉箱外士体变形的影响

6.1.3土体内摩擦角Φ对沉箱外土体变形的影响

6.1.4土体卸载再加载模量Eur对沉箱外土体变形的影响

6.2沉箱工作室内气压大小的影响

6.3沉箱周边摩阻力大小的影响

6.4设置临时挡土隔墙的影响

6.4.1设置临时挡上隔墙对地层变形的影响

6.4.2临时挡土隔墙插入深度对地层变形的影响

6.4.3临时挡土隔墙设置距离对地层变形的影响

6.5本章小结

第7章气压沉箱施工控制技术及保护措施

7.1沉箱下沉施工控制技术

7.2沉箱下沉施工对周围环境影响的保护措施

7.3本章小结

第8章结论与展望

8.1主要结论

8.2研究展望

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果