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考虑渗流固结耦合的桩锚支护结构有限元分析

马月坤  
【摘要】:在地下水位高的地区进行深基坑施工时,通常需要大幅降低基坑及周边地区的地下水位,由此形成的坑内外巨大的水头差使基坑开挖区域附近地下水发生激烈的流动,将对支护结构的内力、变形以及基坑的稳定性造成影响,要正确分析基坑开挖及降水引发的渗流场与土体应力场的变化规律就应对渗流与土体应力状态之间的相互作用进行研究,即渗流—固结之间的耦合效应。 本文对深基坑工程当前的发展现状、水压力计算方法及基坑抗隆起稳定性的计算进行了归纳总结,推导了二维和三维的渗流固结耦合理论方程。结合桩锚支护结构工程实例,应用有限元软件ABAQUS,基于修正的剑桥模型,分别建立二维情况下基于总应力法不考虑渗流固结耦合作用和基于有效应力法考虑渗流固结耦合作用的基坑开挖有限元模型,对开挖过程中支护结构内力、变形和坑底回弹、锚杆轴力和基坑坑外土体沉降量进行了分析探讨。通过二者的对比分析,结果表明:开挖结束后,渗流固结耦合情况下的桩身弯矩和不考虑渗流固结耦合时相比,桩身正弯矩增大,负弯矩回落;渗流固结耦合情况下桩身水平位移大幅度增加;渗流固结耦合情况下基坑底部回弹量值大幅增大,其值可达到不考虑渗流固结耦合时的1.5倍—2倍;渗流固结耦合情况下开挖结束后的锚杆轴力和不考虑渗流固结耦合时的相比也有小幅增大;渗流固结耦合情况下的基坑坑外土体沉降量值和范围都要大于不考虑渗流固结耦合时的情况。 在渗流固结耦合的情况下,还研究探讨了止水帷幕、渗透系数及超静孔隙水压力消散对基坑开挖过程中支护结构内力,变形和基坑底部回弹的影响。结果表明,止水帷幕在基坑开挖工程中,增大了渗流的流程,减小了土中水的流速,减弱了对基坑底部隆起的影响;渗透系数增大,加快了超静孔隙水压力的消散,开挖后桩身正弯矩和桩身水平位移有小幅的减小,负弯矩有小幅的增加,但基坑底部的隆起量增大;超静孔隙水压力的消散使得基坑支护结构的内力变形、锚杆轴力均有不同程度的增大。 综合有效应力法考虑渗流固结耦合时的计算结果与总应力法不考虑渗流固结耦合时的结果对比,并结合渗透系数对超静孔隙水压力消散和超静孔隙水压力消散对基坑开挖过程的影响的分析,可知在地下水位高,含水量丰富,土体渗透系数低的地区进行深基坑设计施工时,由于坑内有明显渗流,孔隙水连通程度增大以及开挖后在基坑底部及其周围形成的负超静孔隙水压力消散过程使土体变形产生膨胀,引起土体抗剪强度的降低,虽然开挖过程中采取了降水措施,但基于有效应力法考虑渗流固结耦合计算结果都要大于总应力法不考虑渗流固结耦合时的情况,此时采用水土压力合算的总应力法偏于不安全,宜选用水土压力分算的有效应力法,因此在这类地区进行深基坑设计的时候,不能忽略渗流对基坑开挖带来的影响。


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