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二元地质环境下狭长型基坑围护体系与防渗体系研究

作　者: 付建军
导　师: 刘泉声
学　校: 中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所）
专　业: 岩土工程
关键词: 深基坑工程变形控制土压力分布模型土拱平面杆系有限元模型弹性抗力系数卸荷路径试验非线性模型渗流微分方程不确定性信息化施工
分类号: TU753
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着我国城市地铁、过江隧道建设的迅速发展,大规模建筑基坑和地下空间的开发利用推动了我国深基坑支护设计与施工技术的进步。但由于深基坑工程涉及的地质条件复杂、不确定因素多,以至于在基坑支护设计与施工中出现了各种各样的问题。武汉长江隧道是长江上第一条隧道,武汉长江隧道引道段、明挖断及盾构井段基坑工程所处二元地质环境,呈狭长型特点,做好其围护体系和防渗体系的研究,对后续武汉地铁过江隧道工程和长江中下游后续类似工程也具有重要的借鉴和指导意义。本文以武汉长江隧道基坑为依托工程,对二元地质环境下狭长型基坑围护体系与防渗体系展开研究。主要研究工作如下：(1)针对桩撑、墙撑支护严格变形控制特征,从主动土压力、静止土压力、被动土压力发生时土体所需位移入手,建立了考虑变形土压力分布模型,研究了基坑土压力分布规律。(2)针对排桩支护坑后土体受力变形特征,从机理上分析水平土拱产生的原因,并根据坑后自由区、土拱区、稳定区三部分土体受力特征,建立相应的力学平衡方程及控制方程,推导了土拱几何参数和桩后土压力,最终将此压力代入自由端法、等值梁法、弹性抗力法进行支护结构内力计算,并对排桩支护进行设计。(3)针对双排桩超静定力学特征,在忽略桩土竖向摩擦效应及空间效应的前提下,对双排桩支护结构力学机理进行了分析,建立了考虑桩间土体效应的双排桩平面杆系有限元模型。并围绕双排桩平面杆系有限元模型的关键参数土压力分布及弹性抗力系数展开了研究,最后编制相应计算程序方便工程设计计算。(4)从工程现场取典型粘性土原状样,加工成标准试件。进行了土体基本物理力学特征试验、固结排水直剪强度试验、高压固结卸荷试验、不同固结压力不同卸荷路径试验,并详细对卸荷试验结果进行了分析,得到了土体卸荷响应下的变形特点、强度特征和破坏规律以及不同卸荷路径下切线模量变化规律,获得了基坑开挖卸荷的土体非线性本构模型的基本力学参数,为进行数值计算提供了依据。(5)详尽分析了不同卸荷路径下土体卸荷试验结果,并根据其大小主应力差与轴向应变关系图进行归一化研究,建立了基坑开挖卸荷的土体非线性模型,且在大型有限差分软件FLAC3D软件平台上将此模型进行了二次开发,最终对依托工程试验段进行了相应的数值分析计算。(6)研究了基坑防渗方法和地下水控制技术,在广泛调查武汉区域地质条件和水文条件基础上,概化了二元地层环境下狭长型基坑地质模型,推导了考虑基坑卸荷影响的渗流微分方程,并编制改进了相应的计算程序,通过计算分析研究开挖卸荷对地下水流场、势场影响,提出了相应地下水控制技术。(7)围绕基坑工程不确性特征,对基坑施工过程中支护结构水平位移、支撑内力、周边土体沉降、周边建筑变形等进行跟踪监测,并对监测结果进行了灰色理论预测、时间序列预测及反馈分析,验证、完善了相关理论研究成果,指导信息化施工。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-14
第一章绪论  14-31
  §1.1 选题依据及研究意义  14-15
  §1.2 国内外深基坑研究现状  15-27
    1.2.1 基坑支护选型及事故研究  15-18
    1.2.2 基坑围护体系规范设计法中几个典型问题研究  18-22
    1.2.3 基坑围护体系连续介质法中土体本构模型研究  22-25
    1.2.4 降水作用下渗流模型及参数研究  25-26
    1.2.5 开挖过程跟踪监测及信息化施工研究  26-27
  §1.3 有待进一步研究的问题  27-28
  §1.4 技术路线及研究内容  28-31
第二章桩撑、墙撑支护中考虑变形强度的土压力分布研究  31-43
  §2.1 引言  31-32
    2.1.1 土压力问题提出  31
    2.1.2 土压力变化特征  31
    2.1.3 桩撑、墙撑支护中土压力分布特点  31-32
  §2.2 桩撑、墙撑支护中考虑变形的土压力模型及参数取值研究  32-42
    2.2.1 考虑变形的土压力模型  32
    2.2.2 土压力模型参数确定  32-34
    2.2.3 土压力模型验证  34-37
    2.2.4 复杂条件下模型土压力计算  37
    2.2.5 模型程序及工程实例  37-42
  §2.3 变形土压力模型应用实现及讨论  42
  §2.4 本章小结  42-43
第三章基于水平土拱效应的排桩支护设计研究  43-52
  §3.1 引言  43
  §3.2 土拱基本概念  43-44
  §3.3 土拱理论分析  44-49
    3.3.1 基本假设  44
    3.3.2 土拱几何特征及应力状态  44-46
    3.3.3 水平土拱受力分析  46-47
    3.3.4 控制条件  47
    3.3.5 土拱几何参数计算  47-48
    3.3.6 桩侧土压力计算  48-49
  §3.4 工程实例分析  49-51
  §3.5 本章小结  51-52
第四章考虑桩间土体效应的双排桩模型及参数取值研究  52-71
  §4.1 双排桩支护体系的布桩形式及主要特点  52-54
    4.1.1 双排桩支护结构的布桩形式  52
    4.1.2 双排桩支护结构体系的工程特性  52-54
  §4.2 双排桩平面杆系有限元模型及参数取值研究  54-67
    4.2.1 基本假设  54
    4.2.2 双排桩平面杆系有限元模型建立  54-55
    4.2.3 双排桩平面杆系有限元计算实现  55-59
    4.2.4 双排桩土压力荷载确定  59-60
    4.2.5 基于位移反分析的双排桩土体弹性抗力系数确定  60-67
  §4.3 工程实例分析  67-70
    4.3.1 工程概况  67-68
    4.3.2 工程地质条件与水文条件  68
    4.3.3 支护方案及参数  68-69
    4.3.4 双排桩支护结构内力分析  69-70
  §4.4 本章小结  70-71
第五章土体强度变形试验及参数取值研究  71-97
  §5.1 引言  71
  §5.2 试验试样  71-72
  §5.3 基本物理力学特性试验  72-74
    5.3.1 颗粒分析试验  72-73
    5.3.2 天然含水量试验  73
    5.3.3 液限、塑限试验  73-74
    5.3.4 容重试验  74
  §5.4 土体强度及固结卸荷试验  74-80
    5.4.1 固结排水直剪强度试验  74-76
    5.4.2 高压固结卸荷回弹试验  76-80
  §5.5 卸荷应力路径试验  80-95
    5.5.1 数值仿真试验  80-84
    5.5.2 基坑开过过程中土体卸荷试验  84-95
  §5.6 本章小结  95-97
第六章基坑开挖卸荷的土体非线性模型建立及数值实现  97-129
  §6.1 基坑开挖卸荷的土体非线性本构方程  97-108
    6.1.1 应力应变曲线归一化研究  97-100
    6.1.2 应力应变双曲线模型  100-101
    6.1.3 切线模量公式推导  101-105
    6.1.4 体积模量取值研究  105-107
    6.1.5 卸荷—再加载模量  107
    6.1.6 加卸载判断方法  107-108
  §6.2 支护结构单元分析  108-109
    6.2.1 支护结构单元  108
    6.2.2 实体+接触面单元  108-109
  §6.3 基坑开挖卸荷的土体非线性本构模型数值程序实现  109-122
    6.3.1 开挖卸荷的有限差分法  110-113
    6.3.2 土体非线性本构模型二次开发  113-118
    6.3.3 基坑开挖卸荷的土体非线性模型的程序验证  118-122
  §6.4 工程应用  122-128
    6.4.1 工程概况  122
    6.4.2 工程地质条件  122-124
    6.4.3 水文地质条件  124
    6.4.4 围护结构数值仿真分析  124-128
  §6.5 本章小结  128-129
第七章基坑防渗与地下水控制研究  129-148
  §7.1 二元地质环境下狭长型基坑防渗体系特点  129
  §7.2 地下水不良作用及治理目的  129-130
    7.2.1 地下水不良作用  129-130
    7.2.2 地下水治理目的  130
  §7.3 二元地质环境下地下水治理方法及渗流问题提出  130-131
  §7.4 多孔介质渗流微分方程推导  131-138
    7.4.1 基本假设  131-132
    7.4.2 达西定律  132
    7.4.3 运动方程  132-135
    7.4.4 连续性方程  135-136
    7.4.5 耦合渗流微分方程推导  136-138
  §7.5 多孔介质固体方程  138-139
    7.5.1 单元平衡方程  138
    7.5.2 几何相容方程  138-139
    7.5.3 本构方程  139
  §7.6 考虑卸荷影响的流固耦合方程建立求解及程序实现  139-142
    7.6.1 考虑卸荷影响的流固耦合方程建立  139-140
    7.6.2 考虑卸荷影响的流固耦合方程程序实现  140-141
    7.6.3 考虑卸荷影响的流固耦合方程程序验证  141-142
  §7.7 工程实例  142-146
    7.7.1 基坑防渗技术  142-143
    7.7.2 数值仿真分析目的  143
    7.7.3 渗流数值计算模型  143-146
    7.7.4 渗流数值计算结果及分析  146
    7.7.5 工程建议  146
  §7.8 本章小结  146-148
第八章信息化施工监测、预测及反馈分析  148-175
  §8.1 引言  148
  §8.2 信息化施工监测、预测及反馈分析目的  148-149
  §8.3 武昌段支护桩水平位移施工监测及预测分析  149-166
    8.3.1 工程支护条件  149-150
    8.3.2 监测项目及分析方案  150
    8.3.3 基坑开挖初期支护桩水平位移GM(1,1)模型预测研究  150-158
    8.3.4 基坑开挖后期支护桩水平位移ARMA(p,q)模型预测研究  158-166
  §8.4 汉口段信息化施工监测及反馈分析  166-173
    8.4.1 监测项目及平面布置  166
    8.4.2 支撑轴力监测结果分析及工程建议  166-168
    8.4.3 周边地表沉降监测结果分析及工程建议  168-169
    8.4.4 墙顶监测结果分析及工程建议  169-170
    8.4.5 周边建筑物补强加固及沉降监测结果验证  170-173
  §8.5 本章小结  173-175
第九章结论和展望  175-179
  §9.1 主要研究成果和结论  175-177
  §9.2 进一步研究展望  177-179
参考文献  179-187
附录:参与的科研项目与论文发表情况  187-189
致谢  189-190

二元地质环境下狭长型基坑围护体系与防渗体系研究

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