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《华中科技大学》 2011年
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土体开挖引起的邻近受荷桩基附加响应分析

章荣军  
【摘要】:尽管目前很多学者针对土体开挖引起的环境问题开展了大量的研究,但近年来隧道或基坑开挖引起邻近建筑物破坏倒塌的工程事故仍然频发。究其原因,与工程人员和科研人员对土体开挖条件下被动桩的若干问题考虑不周(诸如忽略桩土作用应力历史、界面剪切滑移特性及桩身变形耦合效应等)不无关系,所建立的近接既有桩基开挖条件下地层位移控制标准严重缺乏理论依据和针对性。本文着眼于克服这些缺陷,对土体开挖条件下邻近受荷桩基附加响应预测方法开展了系统的研究。 首先,进一步完善了隧道和基坑开挖引起的自由位移场预测方法。考虑到目前基坑深度大、支护结构强及位移控制严格的特点,提出了一种考虑主(被)动区土压力随支挡结构位移发展过程的修正“m”法,并结合Sagaseta解,给出了由围护结构挠曲曲线预测坑外地层位移的解析算法。同时,针对掌子面三维变形问题,开展了近200个工况的数值模拟研究,计算结果表明盾构隧道掌子面水平侵入位移基本服从高斯曲线,且各种不同工况下,最大无量纲化水平侵入位移与稳定系数之间的关系比较统一基本不受隧道埋深、开挖直径及土体不排水抗剪强度等因素影响。基于这些结论,进一步确定出了掌子面侵入位移的归一化模式,并提出了一种预测掌子面前方三维变形引起的等效间隙参数的半解析方法。验证实例表明,所提出的隧道和基坑开挖引起的自由位移场预测方法是可靠的。 其次,建立了考虑变形耦合效应及桩基实际受荷历史的被动单(群)桩分析方法。首先针对被动单桩的特性,提出了一种改进的非线性两阶段分析方法,该法能够更合理地考虑桩土作用非线性特征、桩土荷载传递应力历史及桩身纵横向变形耦合效应等,并编制了相应的MATLAB程序。参数分析表明,先期工作荷载对被动阶段桩身竖向响应影响显著,且对于被动桩而言,有必要考虑变形耦合效应,完全解耦算法的计算结果与实际值之间的偏差可能超过25%。随后,考虑被动群桩内桩一桩相互作用特性,建立了遮拦效应的位移传递系数法求解思路,成功地将被动单桩的改进两阶段分析方法推广至无承台群桩和刚性高承台群桩。利用编制的程序进行参数化分析,结果显示竖直方向上桩身遮拦效应明显,必须予以考虑,而水平方向上桩身的遮拦效应相对较小,土体刚度较大时可不予考虑,承台影响区域之外的桩身弯矩可直接按单桩进行计算。 然后,建立了考虑桩土界面剪切滑移特性的被动桩分析方法。在全面总结结构—土界面试验成果的基础上,提出了考虑界面往返剪切特性的修正双曲线模型及损伤模型,建立了一种能够全面适用于各类桩—土界面的“双弹簧—地基梁”模型,并编制了考虑桩土界面滑移特性的被动桩分析方法的计算程序。结果显示,当界面强度系数小于0.7时,无论桩顶是否受荷,都应如实考虑界面的剪切滑移特性;考虑界面剪胀软化效应是必要的,采用理想弹塑性模型来近似代替可能会产生25%以上的误差。 最后,提出了盾构掘进与邻近受荷被动桩相互作用的精细模拟思路及实现方法。首先针对目前商业程序中处理桩土界面的缺陷,提出了各种界面模型的统一数值实现方法,并采用FISH语言编制了相应的子程序。随后,全面考察了盾构隧道施工的各个细节,给出了盾构掘进的精细模拟方法。分析实例表明,所提出的精细模拟方法能够较好地适应不同的分析工况,并能有效地考虑砂土中桩身环箍应力的深度效应。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TU473.1

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