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基坑冻胀对桩锚支护结构影响的数值模拟分析

张仁泽  
【摘要】:在北方季节性冻土区的一些基坑工程,由于规模的不断扩大,施工期和使用期已发生很大变化,可能要经历越冬期。桩锚支护结构是一种桩、锚索及被支护土体协同工作的支护体系,工程造价较低、施工速度快,是北方地区大量应用的基坑工程支护型式。目前该种支护型式的设计和施工中对面临越冬期这一问题还缺少必要的重视。由于土体受冻会出现冻胀现象,产生的膨胀变形对于基坑支护结构会存在很大的安全隐患,在实际工程设计和施工中必须充分考虑土体冻胀作用对支护结构的影响,以保证基坑工程在建设阶段的稳定性。因此,有必要开展在冻胀作用下桩锚支护结构的力学特性和变形规律研究,进一步完善基坑支护结构的应用设计理论和施工方法。本文基于研究基坑越冬期的冻胀作用对支护结构稳定性的影响问题,利用ABAQUS有限元软件对冻胀作用下桩锚支护深基坑工程进行模拟,得出符合实际工程的数值模拟简化模型,为今后类似基坑设计积累经验和提供参考。主要工作如下:(1)根据国内外对冻胀理论的研究成果,总结了土体冻胀的特征量及影响因素,分析了基坑冻胀对支护结构的影响机理,以及越冬基坑桩锚支护结构的变形及破坏形式,提出在实际工程的设计和施工过程中应充分考虑冻胀造成的影响。(2)以某实际越冬基坑工程为例,利用ABAQUS有限元软件对该工程桩锚支护结构的越冬情况进行数值模拟。为了更接近实际,首先进行了常态下基坑开挖模拟,将开挖完成的结果作为基坑支护结构冻胀模拟的初始条件。(3)建立温度场模型,对基坑土体进行越冬温度场模拟。根据计算结果分析土体的降温区间及温度变化规律,并结合实际情况验证温度场模拟的准确性。建立基坑支护模型,导入温度场模拟结果,采用热力耦合的方法模拟土体冻胀对基坑桩锚支护体系产生的影响。着重分析桩身水平位移和锚杆轴力的变化情况,将模拟计算结果与实际工程监测数据进行对比,表明二者的变化趋势基本相同,有较好的一致性。(4)根据降温速率以及土体含水率设计了 12种工况,在假设膨胀系数及下降温度相同的条件下,考虑温度变化对土体热力学性质的影响,利用ABAQUS有限元软件分别对12种工况进行温度场模拟,并采用热力耦合的方法模拟土体冻胀对基坑桩锚支护体系产生的影响。根据计算结果分析不同土体含水率、不同降温速率情况下桩锚支护体系桩顶水平位移和锚杆轴力的变化趋势,进而得出温度对含水率越大的土体热力学性质影响越明显,使得土体冻胀对桩锚支护体系位移及受力变化程度的影响越显著。


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