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《湖南大学》 2004年
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深基坑支护结构—土空间非线性共同作用研究

邓子胜  
【摘要】:随着高层建筑及地下工程的大量兴建,基坑工程越来越多,其设计和施工的难度不断增大。目前,国内外对基坑工程支护设计的理论与计算方法主要有极限平衡法、土抗力法和有限元分析法三类。极限平衡法忽略的因素太多,常常不能满足工程设计的要求,应用已越来越少。有限元分析法在理论上较成熟,但因其存在土体模型和土性参数难确定等困难,难以实际应用。近年来,土抗力法中的弹性地基反力法的应用日益广泛,但由于对其研究的局限性,目前应用的弹性地基反力法还没有考虑支护结构—土的非线性共同作用。此外,目前考虑深基坑空间效应的各种分析方法有的过于复杂,有的又简化太多,实用性较差。为了进一步完善弹性地基反力法和探索新的考虑深基坑空间效应的实用分析方法,本文所做研究及取得的成果主要有: 1.根据横向受荷桩的P-y曲线方程,建立了深基坑支护结构—土非线性共同作用的土压力计算模型。在揭示弹性地基反力法m值的影响因素及机理的基础上,提出把围护墙水平位移和主(被)动土压力与静止土压力之差值从影响m的因素中分离出来,而仅考虑原状土性质的影响,即仅需确定地基土的初始水平基床系数的比例系数m_0,使模型参数得以简化。进而通过分析横向受荷桩与深基坑支护结构的异同,提出m_0可根据地基土类别及围护墙设置情况,取《建筑桩基技术规范》中m较大值的一半,使模型具有较强的应用性。利用实测资料对模型的验证结果表明:无论从土压力的发展趋势还是数值上,该模型的计算值都较好地符合实测值。 2.以上述土压力计算模型为基础,提出了深基坑支护结构—土非线性共同作用弹性地基反力法的基本原理与计算方法。从考虑支护结构—土非线性共同作用的新角度,分析了深基坑开挖与回筑全过程中各工况支护结构的受力与变形特征,推导了基于新土压力计算模型的非线性共同作用弹性地基梁的微分方程,建立了计算模型。通过实际工程算例,给出了非线性共同作用弹性地基反力法的计算过程。结果表明:在开挖面以上,该方法计算结果与实测值吻合良好;在开挖面以下,计算结果也接近实测值。 3.研究了各类平面形状深基坑空间效应的表现形式和规律,归纳了现有考虑深基坑空间效应的分析方法,并分析了它们存在的缺陷,进而提出了考虑支护结构—土空间非线性共同作用的深基坑位移反分析方法。首次将径向基神经网络引入深基坑位移反分析,并结合非线性共同作用弹性地基反力法,研究了根据各类深基坑空间效应的表现形式和规律选取若干剖面进行位移反分析的原理与计算方法。它可以逐工况地对支护结构不同标高和平面位置处的实测位移值进行反分析, 深基坑支护结构,土空间非线性共同作用研究__ 从而使反演的土性参数包含了空间效应在内的多因素影响。这从一个全新的角度 提出了一种考虑深基坑空间效应的实用分析方法。通过实际工程算例,给出了反 分析的计算过程。结果表明:各剖面围护墙位移的反演计算结果均与实测值吻合 良好。 4.分析了深基坑工程施工监测的现状,提出了基于支护结构一土空间非线 性共同作用位移反分析和安全预报双重要求的深基坑工程施工监测问题。通过拓 展传统的以安全预报为主要目的的深基坑工程施工监测,在监测内容和成本增加 不多的情况下,满足本文位移反分析对监测数据的要求。明确了其监测的目的、 监测系统设计的原则、监测的基本要求及监测准备工作。重点研究了位移测点的 布置和数据处理等问题,提出在平面上根据深基坑的空间效应表现规律布置测点; 在剖面上根据土层、支护结构形式等布置测点。 5.分析了经典郎肯理论和库仑理论对静止土压力、主动土压力和被动土压 力计算的局限性,并总结了国内相关标准对水土压力分算与合算等问题的考虑。 对此进一步研究后建议:对地下水位以下的砂类土采用水土分算;对粘性土,除 当内摩擦角很小时可以采用水土合算外,一般宜采用水土分算。
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