【摘要】：
超前鋼管樁復合預應力錨桿支護技術作為深基坑工程的一種支護形式,由于其具有經濟、可靠、施工便捷、變形小、支護深度大等顯著優點,在巖土工程領域中開始得到較為廣泛的應用與推廣。但對該技術的理論研究遠遠落后于工程實踐。到目前為止,仍然缺乏較好的
位移計算實用方法,相關設計標準
規范大多在保證錨桿的強度設計方面進行闡述,而對基坑系統本身的穩定計算缺乏必要的理論分析,另外目前
規范所規定的基坑工程設計計算方法均不能給出有關變形的任何數據,故有必要對基坑工程穩定和變形進行研究。
LFAC~(3D)是一種三維顯式有限差分程序,它采用差分技術,引入時間因數和滑移線技術,實現了從連續介質、小變形到大變形的分析模擬,能夠模擬計算三維巖土體及其他介質中工程結構的受力與變形形態,得到國內外廣泛認可和應用。基于有限差分法的FLAC~(3D)適用于絕大多數的工程力學問題,尤其適用于材料的彈塑性大變形分析、流變預測和巖土工程施工過程的數值模擬。
因此,利用FLAC~(3D)有限差分數值模擬軟件,對深基坑超前鋼管樁復合預應力錨桿支護技術進行模擬計算和分析,從而研究支護結構的作用機理,討論基坑支護穩定性與變形的影響因素,為后續工程設計與優化提供依據,為同類基坑工程的施工提供借鑒經驗,有著非常重要的意義。
本文重點就是結合工程實例,在分析超前鋼管樁復合預應力錨桿支護的構造機理的基礎上,以FLAC~(3D)為數值模擬計算工具,結合基坑施工位移監測結果,以基于RBF神經網絡的位移反分析為土層參數反演工具,按照施工工序對深基坑開挖與支護進行動態模擬,并通過多工況模擬比較分析,探求控制基坑穩定和變形的主要影響因素,為該技術更廣泛的應用提供支持。
本文主要進行幾下幾個方面內容的研究:
(1)介紹超前鋼管樁復合預應力錨桿支護技術的工程應用和理論研究現狀以及存在的問題;分析支護構造特點、作用機理以及基本施工工藝流程;通過重點與超前鋼管樁復合土釘墻支護技術進行比較,闡述無論是在控制基坑變形還是在提高基坑穩定性方面上,超前鋼管樁復合預應力錨桿支護技術均表現出的優越性。
在合理設計的情況下,該支護技術可以充分發揮鋼管樁的超前支護作用和預應力錨桿緊固強化作用,可以解決一些使用復合土釘墻支護或僅僅預應力錨桿支護尚不能完全滿足要求的基坑工程問題,具有廣泛的工程應用性和發展前景。
(2)簡述并比較兩種常用的土體本構模型和屈服準則;在分析FLAC~(3D)計算原理及特點的基礎上,選擇基坑工程模擬計算中合理的計算模型、支護結構單元和邊界條件等;對開挖土體進行應力狀態分析,并簡述對初始應力場和基坑開挖支護施工進行數值模擬計算的基本流程。
FLAC~(3D)能提供基坑工程的變形信息,全面地考慮基坑開挖支護過程的變化,對指導工程設計和施工起到相當有益的作用。選用摩爾-庫倫基本模型、使用六面體基本單元、用樁(pile)單元模擬鋼管樁、錨桿(cable)單元模擬預應力錨桿,按照基坑分步開挖支護過程進行多工況模擬,預先檢驗基坑設計的效果,從而根據反饋信息調整并優化設計。
(3)結合深基坑工程實例,利用FLAC~(3D)中fish語言編程,充分考慮時空效應,完全按基坑分步開挖支護順序進行模擬計算,分析就算所得的位移結果,并與實際位移監測數據進行比較,證明所選模型、模擬軟件和模擬程序的合理性。
省高法二號辦公樓深基坑工程實例模擬計算結果表明:東面CD段超前鋼管樁和預應力錨桿的共同作用很好的起到了控制基坑位移和變形的作用,同時滿足對周邊建筑物安全和正常使用的功能要求;東面BC段支護設計安全系數偏高,從安全、經濟、合理的原則綜合考慮,可對該段支護進行優化設計。
(4)室內試驗所得的土層參數一般不能直接作為數值模擬分析的模型參數,而基于RBF神經網絡的位移反分析方法與常用的BP神經網絡有著更加高速的有優點,可以利用基坑施工監測數據對土層參數進行反演,從而獲取計算的最優模型參數。
(5)通過靈敏度定義來分析控制基坑變形與穩定性的影響因素,對基坑支護方案進行評價及優化。通過多工況數值模擬計算,分析基坑位移曲線分布圖,研究基坑土層性質、支護結構特性和及施工工藝等參數對基坑穩定性安全系數和位移變形控制的影響。
研究結果表明:對基坑穩定性安全系數和最大位移值的敏感度較大的參數主要有:①巖土體參數:容重γ、內摩擦角(?)、粘聚力c以及抗拉強度σ_t;②預應力錨桿參數:錨桿預應力T、自由段長度l_a、錨桿傾角δ;③鋼管樁參數:鋼管樁長度和布置位置;④施工工藝參數:分步開挖深度和地面施工荷載大小等。
本論文的創新點:
(1)建立基于RBF神經網絡的位移反分析模型,利用
基坑監測位移數據進行FLAC~(3D)模型參數的反演,從而選擇合理的基坑土層物理力學性質指標。
(2)結合靈敏度分析方法和數值模擬計算方法,對深基坑支護工程實例進行多工況模擬,總結規律并研究控制深基坑穩定和變形的影響因素。
【關鍵詞】：深基坑 超前鋼管樁 預應力錨桿 FLAC~(3D) 位移反分析 靈敏度分析 【學位授予單位】：中國地質大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2009
【分類號】：TU753
【DOI】：CNKI:CDMD:2.2009.153669
【目錄】：
- 作者簡介5-6
- 摘要6-8
- ABSTRACT8-14
- 第一章 緒論14-23
- §1.1 選題的背景和意義14-15
- §1.2 基坑工程概述15-20
- 1.2.1 基坑工程的主要內容和特點15
- 1.2.2 基坑工程數值模擬研究現狀15-16
- 1.2.3 深基坑支護的主要方法16-20
- §1.3 本文的主要工作20-23
- 1.3.1 研究內容20-21
- 1.3.2 研究方法21-22
- 1.3.3 關鍵問題22-23
- 第二章 超前鋼管樁復合預應力錨桿支護概述23-33
- §2.1 工程應用及存在的問題23-24
- 2.1.1 工程應用發展23
- 2.1.2 應用中存在的問題23-24
- §2.2 超前鋼管樁復合預應力錨桿支護研究現狀24-26
- 2.2.1 微型鋼管樁超前支護技術研究現狀24-25
- 2.2.2 預應力錨桿柔性支護技術研究現狀25-26
- §2.3 超前鋼管樁復合預應力錨桿支護構造26-28
- §2.4 微型鋼管樁復合預應力錨桿支護施工工藝28-30
- 2.4.1 微型鋼管樁施工28-29
- 2.4.2 預應力錨桿施工29-30
- §2.5 預應力錨桿柔性支護與土釘支護的比較30-33
- 2.5.1 錨桿與土釘的概念30
- 2.5.2 預應力錨桿與土釘支護的異同點30-32
- 2.5.3 兩者的工程應用比較32-33
- 第三章 土體本構模型和數值模擬方法簡介33-51
- §3.1 土體的本構模型33-39
- 3.1.1 Mohr-Coulomb模型和屈服準則33-35
- 3.1.2 Drucker-Prager模型和屈服準則35-38
- 3.1.3 兩種模型的比較分析38-39
- §3.2 數值模擬軟件介紹39-51
- 3.2.1 FLAC~(3D)的優缺點39-40
- 3.2.2 FLAC~(3D)基本原理40-51
- 第四章 基坑開挖支護模擬模型的確定51-59
- §4.1 本構模型的選取51-52
- §4.2 計算模型與邊界條件52
- 4.2.1 基坑開挖影響范圍52
- 4.2.2 模型的邊界條件52
- §4.3 基本網格單元和構件模型的選取52-56
- 4.3.1 基本網格單元的選取52-53
- 4.3.2 鋼管樁結構單元53-55
- 4.3.3 預應力錨桿結構單元55-56
- 4.3.4 噴射混凝土面層結構單元56
- §4.4 土體的初始應力場模擬56-57
- §4.5 開挖土體受力狀態分析57-58
- §4.6 基坑開挖支護模擬過程58-59
- 第五章 基于RBF神經網絡的位移反分析59-63
- §5.1 基坑位移反分析的適定性59-60
- §5.2 基于神經網絡的參數反演方法60-62
- §5.3 基坑位移反分析的徑向基函數(RBF)神經網絡62-63
- 第六章 工程實例分析63-87
- §6.1 工程概況及地質條件63-64
- 6.1.1 工程概況63
- 6.1.2 工程地質及水文地質條件63-64
- 6.1.3 環境條件及力學性能指標64
- §6.2 支護結構設計及沉降監測64-67
- 6.2.1 支護方案選擇64-65
- 6.2.2 典型斷面設計65-66
- 6.2.3 位移監測成果66-67
- §6.3 模型和參數設置67-72
- 6.3.1 三維幾何模型的建立67-69
- 6.3.2 巖土體及支護構件參數設置69-70
- 6.3.3 分步開挖支護計算模型70-72
- §6.4 數值模擬計算72-78
- 6.4.1 初始地應力場的生成72-73
- 6.4.2 無支護開挖位移分析73-74
- 6.4.3 分步開挖水平位移分析74-75
- 6.4.4 分步開挖垂直位移分析75-77
- 6.4.5 模擬結果分析77-78
- §6.5 影響基坑變形與穩定的因素分析78-87
- 6.5.1 靈敏度分析78-79
- 6.5.2 巖土體參數的影響79-82
- 6.5.3 預應力錨桿參數的影響82-84
- 6.5.4 鋼管樁參數的影響84-85
- 6.5.5 施工工藝的影響85-87
- 第七章 結論及展望87-89
- §7.1 結論87-88
- §7.2 展望88-89
- 致謝89-90
- 參考文獻90-93
