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基坑开挖与降水对支护结构受力及地面变形影响的研究

作　者: 相兴华
导　师: 梁仁旺
学　校: 太原理工大学
专　业: 岩土工程
关键词: 深基坑工程渗流水头边界嵌固模式止水帷幕支护结构与地面变形
分类号: TU470
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

在地下水位较高的场地进行深基坑工程的设计及施工,降水开挖引起局部水文地质条件的变化与支护结构及周边环境之间是相互制约、相互作用的。本文首先对太原市汾河低阶地地层进行了分类整理,按照地层变化规律、粒径组成、渗透性质及帷幕底部可能嵌固进入地层透水性质的不同,将基坑止水帷幕分为三类嵌固模式。每种模式给出了相应的渗流变化特征及其对支护结构及地面变形的影响程度。本文对太原市中环壹号深基坑工程监测资料进行整理分析,依此为模拟基础,以比奥固结理论为基础利用Flac3D的cysoil模型进行数值模拟,深入研究了止水帷幕为第二类嵌固模式时,水头边界条件下分别采用侧向和上部两种不同水头补给位置时,降水回灌四种组合方式的渗流条件与支护结构及地面变形之间的相互作用；并对地下水位改变、土体性质改变、渗透系数改变、回灌条件改变引起基坑周边地面沉降的影响规律进行了分析研究。最后对渗透系数与降水前后土体的力学性质测试的试验方法及参数的变化规律进行了深入的分析研究。通过以上分析研究获得的主要认识及结论为：1、材料本构关系cysoil模型是摩尔-库仑的衍生模型,采用定律为增量弹性法则、破坏准则和流动准则。运用该模型将降水回灌的渗流变化与土力学有机地组合起来,与比奥固结理论相结合能很好反映地下水的渗流特征及开挖应力改变之间的作用。模拟结果与中环壹号监测资料对比,地面沉降的模拟吻合率高达90%以上,地下连续墙墙体水平位移的吻合率为60%-80%,水平支撑的撑力吻合率达80%以上,说明该模型适用于本论文研究的基坑开挖降水工程。2、通过对各项水文参数改变的模拟得出：1)水头边界条件的侧向固定水头补给位置适用于第一类、第二类嵌固模式,上部固定水头补给位置适用于第三类嵌固模式。2)分步降水加回灌的降水开挖工况对基坑周边地面变形控制最为有利。回灌是控制地面沉降的有效手段,回灌井位置在基坑开挖深度(0.5～1.0)H范围内最佳。3)根据正交水平原理提供了回灌井深度、回灌压力、回灌井数量及排数、帷幕深度各因素及因素组合对地面沉降的贡献系数表,来评价各参数及参数组合对地面沉降的影响程度,以便设计施工中采用最优最经济的回灌组合方式。4)降水引起基坑外地面沉降曲线为“凹”形：从基坑边至最大沉降点处为对数曲线,从最大沉降点至降水影响范围的最外边界处为线性关系。利用回归关系给出第二类嵌固模式下基坑外地面变形与渗透系数变化关系的计算公式。5)考虑回灌渗流应力场作用比不考虑渗流作用,地表沉降降低50%,坑底隆起增35%,支护结构的水平位移增加30%,水平支撑轴力增加15%。设计中需考虑回灌渗流作用,以降低支护结构的风险。6)墙体水平位移受水平侧向支撑的限制,同一断面出现两头小中间大的鼓肚子挠曲形状。墙体的最大水平位移位置在墙顶下0.85H处,在开挖深度(0.4-0.85)H水平位移增量大,该段落为支护结构的最薄弱部位,是设置支撑及施工监测的重点部位。7)地表沉降量随着土体弹性模量的增大而减小；地表最大沉降和弹性模量曲线大致呈折线形分布。随着土体模量的提高,土体变形滑移面的斜率在增大,滑移面越来越陡,土体的变形影响范围在减小。但土体模量的提高对支护结构的变形影响不大。3、对水文参数的试验研究得出：1)综合考虑取样过程中土样的扰动程度、取土深度、土样应力释放情况、孔隙水压力消散程度及渗透系数对土层影响的权重等因素,提出对室内试验测出的渗透系数的修正公式。2)降水过程相当于给土体一个预压加固作用,降水后土体压缩模量ES1-2增大25%；粘聚力增大33%；内摩擦角增大8%。3)高压固结多级卸荷回弹试验土体均出现“回滞圈”,卸荷曲线的斜率不一致,但回弹的路径几乎是一组平行线。本文的研究成果是对太原市中环壹号工程的支护体系研究中得出的,对水位较高的河流一级阶地基坑开挖的设计及施工具有一定的借鉴和指导作用,对深大基坑中渗流场与支护结构、周边环境的相互作用理论的研究具有一定的意义。

全文目录

摘要  3-6
Abstract  6-14
第一章绪论  14-26
  1.1 研究的目的和意义  14-16
  1.2 国内外研究现状及进展  16-22
    1.2.1 研究现状及进展  17-21
    1.2.2 存在问题  21-22
  1.3 研究内容  22-26
    1.3.1 研究思路  22-23
    1.3.2 主要研究内容及研究技术路线  23-26
第二章采用的理论基础及数值模拟方法介绍  26-50
  2.1 引言  26
  2.2 理论基础  26-39
    2.2.1 渗流理论  26-30
    2.2.2 固结理论  30-39
  2.3 数值模拟方法及基本原理  39-50
    2.3.1 模拟方法介绍  39-40
    2.3.2 FLAC3D软件特点及原理  40-42
    2.3.3 材料本构关系cysoil模型  42-50
第三章中环壹号基坑工程概况及现场监测成果  50-70
  3.1 引言  50
  3.2 中环一号基坑设计与施工简介  50-57
    3.2.1 中环壹号基坑工程概况  50-53
    3.2.2 基坑支护及降水设计简介  53-57
  3.3 基坑监测内容  57-59
  3.4 监测成果分析  59-67
    3.4.1 降水及回灌成果及分析  59-61
    3.4.2 基坑周边地面及建筑物沉降监测成果及分析  61-63
    3.4.3 墙体水平位移成果及分析  63-66
    3.4.4 水平支撑内力监测成果及分析  66-67
  3.5 本章小结  67-70
第四章降水与回灌的组合方式对支护结构受力及地面变形影响的研究  70-114
  4.1 引言  70
  4.2 太原地区工程地质条件及止水帷幕嵌固模式  70-75
    4.2.1 太原地区工程地质条件  70-73
    4.2.2 止水帷幕嵌固模式的划分  73-75
  4.3 建模思路  75-80
  4.4 三类嵌固模式基坑内降水对支护结构及地面变形的影响趋势  80-87
    4.4.1 三种嵌固模式渗流场的对比  80-84
    4.4.2 三种嵌固模式的基坑内外土体变形对比  84-85
    4.4.3 三种嵌固模式的地下连续墙体水平位移对比  85-87
  4.5 降水回灌模式对支护结构及地面变形的影响规律  87-111
    4.5.1 数值模拟内容  87-88
    4.5.2 侧向固定水头边界模拟结果分析  88-96
    4.5.3 上部固定水头边界模拟结果分析  96-103
    4.5.4 固定水头边界位置不同模拟结果与监测成果对比  103-105
    4.5.5 回灌渗流对结构受力及地面变形的影响  105-111
  4.6 本章小结  111-114
第五章水文地质条件改变对支护结构及地面变形的影响作用  114-134
  5.1 引言  114-115
  5.2 改变地下水水位(基坑内降深)对支护结构及地面变形的影响规律分析  115-119
  5.3 改变土体模量对支护结构及地面变形的影响规律分析  119-122
  5.4 改变渗透系数对地面变形的影响规律分析  122-125
  5.5 改变回灌方式对地面变形的影响规律分析  125-130
  5.6 本章小结  130-134
第六章影响设计参数取值的因素分析  134-148
  6.1 引言  134
  6.2 现场抽水试验与室内试验渗透系数取值的对比  134-141
    6.2.1 渗透试验测试现状  134-135
    6.2.2 现场抽水试验及室内渗透试验  135-139
    6.2.3 室内渗透系数的修正方法  139-141
  6.3 土体降水前后力学性质取值的对比  141-146
    6.3.1 土体降水前后土体性质研究现状  141-142
    6.3.2 降水前后土体力学性质  142-146
  6.4 本章小结  146-148
第七章结论与展望  148-154
  7.1 本文研究结论  148-152
  7.2 后续研究展望  152-154
参考文献  154-161
致谢  161-162
攻读学位期间发表的学术论文  162-163
太原理工大学岩土工程学科历届博士学位论文题目  163

基坑开挖与降水对支护结构受力及地面变形影响的研究

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