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深基坑工程不断出现在高层建筑地下室、地铁车站、隧道等城市建设工程中,其安全问题越来越引起人们的高度重视。目前,对于深基坑开挖问题的研究主要集中在计算模型和水土压力分布形式两方面。考虑分步开挖和逐级加撑的围护结构工作性状少有研究。本文以武汉长江第一过江隧道江南段深基坑开挖为研究背景,主要对软土地基中深基坑开挖工程围护结构的内力和变形作了研究。
首先,本文阐述了深基坑围护结构内力和变形分析理论,并对其进行比较,确定以弹性地基梁法作为基本理论展开分析。本文以国家规范建议的弹性地基梁模型为基础提出了考虑分步开挖的原理,考虑了分步开挖和逐级加撑的施工过程对围护结构工作性状的影响。建立了一套简单的有限单元分析法,通过对深基坑开挖各个工况的模拟,得到了围护结构内力及变形的有限单元解,并编制了有限元程序方法。
然后,本文对计算模型中各个参数的选取做了一定的研究工作。简述抗剪强度参数c、φ的三种指标及选取方法;分析了被动区土弹簧刚度系数的影响因素及随深度变化的分布规律;并对支撑刚度的选取做了一定的分析,认为钢支撑刚度的选取应根据工程的实际情况进行一定的折减。
最后,本文对武汉长江第一过江隧道江南段深基坑开挖围护结构内力和变形做了分析。得到了软土地基中深基坑开挖围护结构内力和变形的普遍性规律,为今后江北段基坑施工提供了一定的参考。认为:围护桩墙的弯矩和水平位移均随着开挖深度的增加,而逐渐变大,且开挖深度越深弯矩和水平位移增加的幅值越大;对于开挖这种工况,围护桩墙最大正弯矩和最大水平位移均出现在开挖面附近;架设支撑时施加的预加轴力有效地减小了围护桩墙的正负弯矩;支撑架设时施加的预加轴力起到了减少围护桩墙水平位移的作用;计算的围护桩墙水平位移和实测值随深度的变化趋势基本相同,但是,随着开挖的不断进行,开挖面以上的桩墙水平位移计算值和实测值有一定的差距,一般来说实测值要大于计算值,这主要是由于支撑轴力的损失、预加轴力的损失以及被动区土弹簧刚度随时间的衰减造成的;计算分析表明,随着基坑的开挖,每道支撑轴力首先上升到最大轴力,然后随着支撑的架设,支撑轴力减少,变化规律符合实际监测结果;对某一开挖面而言,第一道支撑和接近开挖面的支撑轴力最小,其余的支撑轴力明显较这两道支撑要大,不过随着开挖的进行,最下面的支撑轴力会有一个显著的增加过程。同时,论文还分别分析了围护桩墙刚度、支撑刚度、支撑预加轴力以及被动区土弹簧刚度对围护结构内力和变形的影响,结合工程实测资料分析表明:适当的增加围护墙和支撑刚度可以减少围护结构的位移和提高基坑的稳定性;施加预加轴力可以大大减小围护结构水平位移,进行被动区加固可以提高基坑的稳定性,并减少基坑邻近建筑物的沉降量。本文所做的主要工作和研究成果如下:
(1)对深基坑工程的各个工况进行模拟分析,得到每步工况下的荷载体系和受力体系;
(2)建立一套简便的分析考虑分步开挖基坑工程围护结构内力和变形的有限单元法;
(3)本文对计算分析模型参数的影响因素和如何选取作了研究;
(4)对武汉长江隧道基坑工程围护结构内力和变形进行分析,并和实测结果进行比较,归纳其围护结构内力和变形的规律,认为:围护结构弯矩和水平位移随基坑开挖深度的加深而逐渐增大;
(5)分析了围护桩墙刚度、支撑刚度、预加轴力和被动区土弹簧刚度对围护结构内力和变形的影响。认为:适当地增加围护墙和支撑刚度可以减少围护结构的位移和提高基坑的稳定性;施加预加轴力可以大大减小围护结构水平位移;被动区加固能很大程度上提高基坑的稳定性。