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双排桩-锚杆支护深基坑变形监测及数值 模拟

汇报人:周瑶瑶 指导老师:刘勇健副教授

主要内容介绍

1.选题依据
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1.1 课题来源:随着经济的飞速发展和高层、超高层建筑的普及,基坑开挖深 度的不断加深,对基坑支护体系的设计与施工不断提出新的挑战。而传统的单一 形式支护手段往往不能满足工程实践的需求。双排桩-锚杆支护结构是一种新型 的支护技术,这种支护结构成功的将双排支护和锚杆支护联合使用,发挥各自优 势,能够显著控制土体和支护结构的变形,对工期紧、支护结构场地有限的工程 尤其适用。目前双排-锚杆支护结构的研究比较少,尤其对该支护中双排桩的受 力及变形特征研究鲜为报道。本文在研究双排桩支护结构、锚杆支护结构、桩锚 支护结构的基础上,对双排桩-锚杆支护结构进行了受力分析。
此外,基坑工程大规模的飞跃发展,不可避免的带来了诸多的基坑安全 和环境安全问题。基坑事故一般表现为支护结构变形过大导致基坑塌方或者滑坡, 相邻的建筑物因不均匀沉降而开裂甚至倒塌,基坑周边的道路开裂或者塌陷,基 坑周围的地下管道线路因位移过大破坏等等。因此,如何在保证基坑工程自身稳 定的同时,有效控制基坑的变形以保证工程及周围环境的安全,已经成为基坑设 计、监测、施工中的重要内容。在基坑变形的数值模拟中常存在“参数不准确” 和“材料模型选不准”的问题。另外,传统数值模拟仅考虑开挖步骤和土的物理 参数等因素,利用非线性弹塑性模型,较少考虑基坑变形随时间发展的流变特性。 因此,基坑设计逐渐从按强度和稳定性设计转变为按变形控制设计。为有效控制 预测基坑变形,保证深基坑的稳定和施工安全,必须要合理选择数值模型,采用 动态设计来指导施工。

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1.2 研究背景以及意义:本文以中国南方航空大厦基坑工程实例为背景,因为 基坑开挖存在着时空效应,所以主要是考虑了地下水位以及水平位移等随着时间 的变化情况,通过有限元数值模拟和现场监测的对比来进行基坑开挖对周边环境 影响的分析和预测。另外,根据目前深基坑双排桩-锚杆组合支护结构的研究现 状和工程实际需求,对该支护结构受力、变形计算以及对结构前后排桩受力的土 压力分布规律及其影响因素是很有必要的,因此,对双排桩-锚杆组合支护结构 的进一步研究具有十分重要的应用价值与现实意义。 1.3 国内外研究现状:近年来,随着众多深基坑开挖技术的工程实例,我国在 这一领域取得了大量的现场监测资料,积累了丰富的经验,但在设计施工技术不 断完善的同时,工程事故还是时有发生。据统计,在基坑工程开挖施工过程中, 约有三成工程因为各种原因发生事故。这不仅影响了工程的施工进度,造成了经 济损失,还给人们的正常生活带来了威胁。因此,如何更加科学合理地对深基坑 工程开挖和支护进行设计施工,已经引起了广大学者的关注。其中,深基坑开挖 是一个同周围土体密切相关的空间问题,引起周边建筑物位移具有三维性,这种 三维特点表现在:未开挖部分对已开挖部分具有支撑作用、开挖时及开挖后的时 空效应,基坑的形状和尺寸对支护结构和周围土体的变形影响。此外,深基坑开 挖对基坑支护也有一定的要求。目前,深基坑开挖对周边环境的影响研究主要采 取现场试验、室内试验、理论分析和数值模拟等方法。双排桩-锚杆支护和其他 支护结构相比,具有很大的应用空间和发展空间。

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深基坑开挖变形,归根结底还是因为深基坑开挖引发四周土体发生挪动,导

致了位移和结构变化从而进行监测。在这方面的研究,国内外现今已经取得一定 的成果。如今大多数文献较多的体贴程度位移,轻忽竖向位移的存在,围护结构 的上升挪动会给基坑的不变、地表沉降和围护结构本身的不变性均带来极大的风 险。由于竖向弹性地基梁法不能分析竖向位移,只能借助于有限元法。基坑工程 中的变形钻研内容一样平常由三个部门构成:围护结构的位移、基坑外地表沉陷 和基坑底部隆起。基坑工程中的变形钻研内容一样平常由三个部分构成:围护结 构的位移、基坑外地表沉陷和基坑底部隆起。一般来讲,基坑地表沉降量等于围 护结构的位移量与基底隆起量之和。

2.目标、内容、及待解决的关键问题
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2.1 研究目标:通过深基坑工程实例的设计与监测的综合分析,结合现场监测 数据,分析支护结构水平变形、周边地表沉降、土压力变化等影响因素。选择合 理的模型参数,建立相应的有限元模型,预测实际工程开挖变形,达到信息化施 工,确保基坑施工的安全可靠 (1)鉴于支护结构的受力及变形影响因素的复杂性与不确定性,分别研究前后 排桩间距、连系梁的刚度、支护桩的长度、前后排桩间土体加固以及基坑内侧被 动区土体加固等因素对支护结构受力及变形的影响。 (2)对作用在支护结构上的土压力及结构受力机理的复杂性进行研究,首先总 结分析土压力、单排桩、锚杆支护结构计算理论。 (3)建立分析深基坑开挖的三维有限差分数值模型,同时考虑基坑支护结构、 邻近地铁和构建筑物。 (4) 讨论地基加固参数(包括加固体龄期、加固宽度、加固深度)对深基坑开 挖过程中地下连续墙的水平位移、基坑周边地表沉降和铁站口的水平位移和沉降 变化规律的影响,为深基坑工程的优化设计提出合理建议。

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2.2 研究内容:双排桩支护结构作为一种空间超静定结构,由于侧向刚度大、 施工方便等优点,在工程上得到广泛的应用,在结合锚杆后,后排桩的内力和位 移都有了明显的减少,有效的控制了基坑边壁的侧向变形,同时土压力发生了变 化,土压力峰值相对减小了。锚杆的铺入位置如果土层良好,锚杆的抗拔力作用 显示明显。因此,进一步研究双排桩复合锚杆支护结构中在实际工程中的受力变 形是十分必要的,具有重要的实际应用价值。具体研究内容如下:
分析双排桩复合锚杆支护结构在实际工程中的应用现状; 总结双排桩支护结构、锚杆支护结构、桩锚支护结构的研究现状以及双排桩-锚 杆支护结构独特的技术优势。

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通过数值分析系统研究影响双排桩-锚杆支护结构稳定性的因素,包括排距、冠 梁刚度、锚杆倾角等因素,并提出关于实际施工的合理化建议。
尽管目前国内在深基坑开挖过程对周边环境影响的研究比较成熟,但在数值模拟 方面和计算理论方面还是不够完善。本次研究工作主要从以下几个方面开展:

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(1) 利用有限元软件ABAQUS建立深基坑开挖过程的模拟,通过分析周边地表沉 降、地下水变化对周边环境影响的分析,得出基坑开挖对水平位移变化的影响规 律
(2) 用实际工程的监测数据与数值模拟的结果进行对比,分析两者的不同之处 并给出其原因。

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2.3 待解决关键问题:
双排桩-锚杆支护结构拟解决的问题如下几点: 依据理论设计和实际工程的监测,了解双排桩复合锚杆支护结构在实际工程中的 受力变形情况; 确定锚杆中预应力水平对双排桩支护结构的受力变形影响; 深基坑开挖对周围环境影响规律拟解决的问题:

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根据理想模型分析结果,分析邻近建筑物在地下水位变化影响下的变形特征,为 今后进行大型的深基坑开挖提供决策和建议
根据现场观测,利用ABAQUS软件对深基坑工程建立模拟,输入合理的边界条件和 土体岩层参数,进行数值模拟,为施工提供最优方案。

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3.方法、路线、及可行性研究
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3.1 方法:本文的研究方法主要包括现场调研、文献查阅、软件学习与应用、数 据整理与分析,以及经验总结与推广等。总结双排桩-锚杆支护研究现状和结合 基坑工程实例,采用理论分析、现场监控量测和有限元数值模拟计算,预测基坑 支护水平变形、坑边地表及建筑物沉降。研究双排桩锚杆的材料特性,选择合理 的假设条件,建立该支护结构的模型,对模型进行分析和计算,获取支护结构的 受力性能,并结合理论知识和实测情况的结果进行分析讨论,得出有效的结论。

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深基坑开挖对周边环境影响规律的研究方法和技术路线:

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研究方法:(1)现场调研。基坑开挖之前,勘察施工现场的工程地质情况及地下 水赋存情况,向施工单位了解和查阅基坑工程的支护设计方案、开挖施工方案以 及监测预警方案;基坑开挖的过程中,观察了解施工工艺,询问关键技术及控制 处理措施,并考察主要工程的施工或处理效果。
(2)文献查阅。大量搜集国内外有关深基坑工程支护技术、监测预警和数值计算 方面的文献,学习借鉴前人的设计理念和研究方法,为自己的研究夯实基础。 (3)软件学习与应用。学习ABAQUS软件,借助具体的工程实例进行模拟计算练习, 最终用于本文南方航空大厦深基坑工程的开挖模拟。 (4)数据整理与分析。对基坑施工现场获得的监测数据用EXCEL表格进行整理分析, 生成各监测项目数据随时间变化的曲线,找出其中的变化规律,并与预测数据所 得规律进行验证比对。 (5)经验总结与推广。衡量深基坑开挖施工的安全性,得出其对周边环境影响的 程度,总结经验以指导广东地区类似基坑工程的施工。 技术路线:

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3.2

实验方案和可行性

结合前人的研究成果,通过对深基坑支护设计理论和有限元数值模拟,以及结合 现场监测资料,达到理论分析与实际应用的相结合。且大量的查阅深基坑工程理 论书籍和基坑变形监测文献,总结分析成果和研究现状。也对双排桩-锚杆支护 进行大量的调研以及受力分析。 可行性: 本文主要对双排桩-锚杆支护形式下的深基坑开挖对周围建筑物的变形影响进行 了数值模拟分析。利用数值模拟软件建立双排桩的三维模拟,进行不同设计参数, 土体参数及不同复合形式下双排桩-锚杆的受力分析,获得双排桩-锚杆的受力变 形规律,为本文研究的深基坑开挖过程中双排桩-锚杆设计提供了依据。此外, 模拟了深基坑开挖的三维空间形式。将监测所得数据与数值模拟计算结果进行对 比,为进一步对维护结构的研究提供了较为可靠依据。因此,只要这些工作认真 落实下来该研究都是可以实现的。

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4、课题特色与创新 (1)深基坑工程是一个三维空间问题,支护结构的受力以及变形也会是一个三 维空间的问题,因此本文考虑了结构的空间效应。在对所采集到的实际监测数据, 采用多种数据分析方法,尽可能的减小监测数据误差,得到最接近实际变形数据 结果。 (2)用模拟的方法做大量的实验,分析不同方位建筑物、不同距离建筑物在深 基坑开挖工程中受到的影响规律。 (3)深基坑工程是一个三维空间结构,其支护结构受力分析也应该是一个复杂 的三维空间问题,目前的研究在考虑三维空间效应很少,空间效应对支护结构土 压力的影响很大,所以本文的研究中有向三维的空间发展。一般情况对支护结构 作用的分析研究大都集中在桩身受力和桩侧位移的研究,而对基坑内土体的隆起 和桩后土体的下限的考虑较少,但该问题会对临近建筑物造成不利,本文也有深 入研究这方面。

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研究计划进度和预期成果 (1) 2015.09——2015.12 阅读有关双排桩-锚杆支护深基坑变形、支护结构设计理论的相关论文及资料, 了解国内外研究现状,论证课题的可行性,撰写开题报告。 (2) 2015.12——2016.06 结合工地已有的土体参数进行分析选取。学习土体本构模型,深基坑支护数值分 析,岩土塑性力学等知识,进一步确定要用到的相关参数。学习ABAQUS 软件, 掌握建模方法。学习人工智能分析法已经时间序列预测。 (3) 2016.07——2016.12 总体归纳,开始撰写毕业论文。 (4) 2017.01.——2017.04 论文修改、定稿,准备答辩

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