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超深基坑水、土与围护结构相互作用及设计方法研究

胡琦  
【摘要】: 深基坑工程的研究已经取得了很多重要的成果,各国相继颁布了建筑基坑工程的行业标准,超深基坑工程的设计、施工也已积累了很多宝贵的经验。但随着基坑开挖的不断加深、新的支护方法与施工工艺的出现以及人们对基坑工程的安全提出了更高的要求,超深基坑工程凸显出更多新的问题,围护结构设计方法与分析理论需要不断改进。 本文以杭州地铁试验段超深基坑工程,上海世博变超深基坑工程科研项目为依托。针对超深基坑工程水、土、围护结构之间的相互作用问题,对超深基坑围护结构设计方法进行了研究,并取得了相应的成果: (1)通过超深基坑应力路径试验,研究了应力路径对土体参数的影响,得到了杭州地区砂质粉土的应力路径试验结果:水平卸荷初始切线模量E_i的影响系数λ为80左右;竖向卸荷初始切线模量E_i的影响系数λ在470~510之间;竖向卸荷应力应变关系曲线的强度参数b=1/((σ_x)'-(σ_z)')_(ult)=4.6-0.0043(σ_z)'。 (2)通过对基坑工程受力模式分析,提出了考虑应力路径与基坑空间尺寸影响的围护结构受力变形分析模型。以弹性半空间理论的Melan解为基础,推导了弹性半无限空间内部作用条形荷载的应力解和位移解,得到了适用于该分析模型的水平基床系数K=α·λ·(γ_s)'·z。其中:α系数反映了基坑空间尺寸的影响,λ系数反映了应力路径的影响。结合反映土单元体应力应变关系非线性特性的Duncan-Chang模型,得到了考虑荷载水平影响的水平基床系数。通过超深基坑开挖算例分析:本文分析方法能够很好地反映基坑空间尺寸、应力路径和荷载水平的影响,围护结构受力变形分析结果均与连续介质有限元法较为接近,同时能够很好地模拟坑内外土压力的变化情况。 (3)结合横观各向同性材料的本构关系,通过理论推导,得到了考虑坑内工程桩影响的横观各向同性复合地基模型,该模型能够同时考虑工程桩对坑内土体不同方向的加固效果,同时给出了考虑工程桩影响的水平基床系数计算方法。坑内工程桩的存在,能够有效地减小坑底回弹量,同时能在一定程度上增大坑内土体水平基床系数,有利于减小围护结构变形。 (4)采用自制的基坑渗流、渗透破坏模型试验装置,对基坑渗流特征与渗透破坏进行了模型试验研究。研究了土体密实度、土体性质、桩土界面摩擦特性、坑内工程桩以及渗漏等因素对基坑渗流、渗透破坏的影响,揭示了渗透破坏前后渗流场、位移场的变化规律以及渗透破坏模式。围护结构表面光滑时,破坏模式为楔形体顶升破坏,围护结构表面粗糙时,破坏模式为表面砂沸破坏。 (5)通过均质地基基坑工程渗流场分析,研究了渗流对坑内外水土压力、水平基床系数的影响。提出了综合考虑应力路径、基坑空间尺寸以及渗流影响的超深基坑围护结构设计方法:分析模型的荷载采用考虑渗流影响的静止土压力和水压力;坑内外分别采用考虑空间尺寸、应力路径以及渗流影响的水平基床系数。 (6)在模型试验的基础上,结合有限元数值模拟,对基坑工程渗透破坏机理进行了研究,提出了基坑工程渗透破坏判定标准与判定方法。土体竖向有效应力为零不能作为基坑渗透破坏判断的唯一标准,须结合塑性破坏判断标准k=((σ_1)'-(σ_3)')/((σ_1)'+(σ_3)')将渗透破坏过程分为三个阶段: a)围护结构底部土体首先进入塑性状态,此时坑内土体处于临塑阶段; b)坑内土体塑性区贯通,形成剪切破坏带,处于塑性破坏临界状态; c)在塑性破坏临界状态的基础上略微增大水头差,发生流砂破坏。 (7)通过理论分析与数值模拟,对基坑工程渗透破坏安全系数进行了分析:渗透破坏安全系数与基坑开挖深度、宽度、围护结构插入深度以及下卧透水层厚度等因素有关。综合考虑渗透破坏安全系数与渗透破坏对围护结构受力变形的影响,提出了超深基坑工程渗透破坏控制分析方法。 (8)通过杭州地铁试验段超深基坑工程实例分析,本文分析方法计算得到的围护结构变形、土压力等结果,与实测结果较为接近。最后将部分研究成果运用于上海世博变超深基坑工程的设计分析中。


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