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《中国地质大学》 2010年
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深基坑桩锚支护及工程应用研究

曹剑波  
【摘要】: 基坑工程是岩土工程领域的一个十分重要的组成部分,也是建筑工程技术的一个关键环节,它的成败关系整个建筑的安全。随着城市建设高速发展,涌现出大量的高层建筑地下室的和城市地铁工程,由此带来的深基坑工程也越来越多。桩锚支护因为具有其特有的优势,已成为深基坑支护中一种最常用的支护结构之一。本文选取深圳某深基坑为研究对象,对其桩锚支护方法在各种不同工况下进行了有限元数值模拟。主要研究过程如下: 首先通过大量阅读文献、专著和国内外深基坑支护的相关期刊,对深基坑桩锚支护及其研究现状进行研究,对深基坑有限元模拟存在的问题进行了总结:自重应力处理问题、土压力问题、支护结构与土体相互作用问题。从而为进一步的理论研究和工程实例应用提供了依据。 接着对深基坑桩锚支护方法进行了研究。通过对深基坑工程概念的定义,引出了深基坑支护工程的主要内容,对深基坑支护形式进行了介绍。桩锚支护体系主要由排桩围护体系和锚杆锚固体系组成,土压力计算方法主要有郎肯土压力理论和库伦土压力理论,文章对两种理论进行了比较研究,提出了各自的适用范围。以两排锚杆的桩锚支护为例,结合工程实际的设计方法,分别给出了排桩和锚杆力学计算公式。 然后对深基坑桩锚支护有限元法原理及本构模型进行了研究。有限元法在分基本思路是把结构体分解成连续的有限个单元组合,单元在节点相连,以节点为基本未知量,并用举证表示基本方程,列出有限个线性方程,然后求解。在土体破坏的有限元模拟中,主要的本构模型有Mohr-Coulomb模型和D-P模型。Mohr-Coulomb模型的物理力学概念简单明了,用到的参数少且易于实测,经过实践考验,基本上可以反映岩土体的塑性变形特征,因而在工程界得到了广泛应用。但由于该模型屈服面上具有角隅特性,不便于计算塑性应变增量,给数值计算带来了困难;D—P模型用较少的参数和简单的方法,考虑了静水压力p对屈服强度的影响,此外也可同时考虑岩土体材料的剪胀性,并且模型的屈服面光滑,在数值模拟中得以常用。 本文以ANSYS程序作为基坑开挖的模拟有限元软件,采用其“生死”技术对基坑土体的移除及支护结构的施加,用其"ISWRITE、ISFILE"命令“读写”功能实现初始地应力、杆单元的初始应变实现锚索预应力的模拟,用其自带的TAGE170和CONTA173接触单元仿真桩土之间的接触。对这一系列技术的实现进行了研究。 最后,选取工程实例单宽度建立有限元模型对基坑的开挖进行有限元计算。通过研究其应力、应变变化规律表明:随开挖深度的加深,桩体水平位移、坑底隆起、桩背边坡沉降及桩体等效应力均在加大。随着锚索预应力的增加,桩体水平位移在减小,最大水平位移点逐渐从桩顶向桩底转移,当采用550KN预应力锚索时,最大位移出现在0.4H(基坑开挖深度);锚索预应力增加,坑底隆起和边坡沉降也在减小,但影响较小;锚索预应力同时也能改善桩体应力集中现象,通过锚索的拉力作用使开挖面以上桩体等效应力向桩后土体转移,同时,开挖面以下部分桩体等效应力稍有增加。
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