【摘 要】
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近年来,随着高寒深季节冻土区城市地下空间开发与利用,开挖深度大、平面形状复杂的深大基坑数量不断涌现。但是,深大裸露基坑常因施工周期较长而面临越冬问题。冬歇期由于土体冻胀而导致以预应力锚索为技术主体的锚固支护结构失效甚至破坏问题日渐凸显。然而,国内外针对高寒冻融区深基坑越冬期预应力锚固结构可靠性的研究近系空白,致使目前高寒冻融区深基坑锚固支护一直缺乏科学合理的设计方法、施工技术,致使高寒冻土区深基坑
【基金项目】
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国家重点研发计划《特大滑坡应急处置与快速治理技术研发》（项目编号:2018YFC1505300。执行期限:2018年12月~2021年11月）
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近年来,随着高寒深季节冻土区城市地下空间开发与利用,开挖深度大、平面形状复杂的深大基坑数量不断涌现。但是,深大裸露基坑常因施工周期较长而面临越冬问题。冬歇期由于土体冻胀而导致以预应力锚索为技术主体的锚固支护结构失效甚至破坏问题日渐凸显。然而,国内外针对高寒冻融区深基坑越冬期预应力锚固结构可靠性的研究近系空白,致使目前高寒冻融区深基坑锚固支护一直缺乏科学合理的设计方法、施工技术,致使高寒冻土区深基坑预应力锚固支护结构冻胀变形分析、支档设计、可靠性评价、对温度变化的力学响应特性等缺乏可靠的理论依据与可行的技术方法,因此一直处于“经验施工、动态设计”的被动窘境,给深基坑建设与服役埋下极大的工程与安全隐患。鉴于此,本文以吉林省长春市地铁6号线某地铁车站越冬深基坑预应力锚固支护为研究对象,通过对实际预应力锚固结构现场监测,揭示了越冬期深基坑预应力锚固支护结构受力-变形-变位演变规律;基于冻土水热耦合理论建立了冻土水-热耦合控制方程,并凭借COMSOLMultiphysic多场耦合数值软件实现耦合方程求解,进一步拟合出土体冻胀系数与温度的函数关系式。并借助有限元数值计算软件ABAQUS为用户配备的子程序接口,根据冻胀系数公式编写FORTRAN程序实现冻土材料二次开发;通过构建三维深基坑预应力锚固支护数值模型,实现了该冻胀系数公式的应用并揭示了预应力锚固支护结构在冻胀作用及温度变化下的力学、位移响应特性及支护桩体变形特征。主要的研究内容、方法与认识简述如下:（1）针对长春市地铁6号线某地铁车站越冬深基坑进行了桩顶端水平位移、围护桩变形变位、预应力锚索拉力、基坑侧壁土体温度现场监测,并基于监测数据的整理分析,揭示高寒深季节冻土区水热力三场耦合作用下深基坑预应力锚固支护结构受力-变形-变位演化规律。分析越冬深基坑土体冻胀及温度变化对预应力锚索锚固支护结构的影响。（2）基于冻土水热耦合理论,推导并建立冻土水-热耦合控制方程,借助COMSOLMultiphysic多场耦合数值软件实现耦合方程求解,并与相关实例对比验证正冻土温度和水分的变化规律。设计开放系统下正冻土的数值模拟试验,得到土体冻结完成后的含冰量及总含水量变化规律,进而拟合出土体冻胀系数与温度的函数关系式。（3）利用数值分析软件ABAQUS对实际深基坑工程建立预应力锚索锚固支护基坑的三维有限元模型。先模拟逐层开挖并加锚索过程,分析预应力锚索拉力、桩顶端水平位移、桩身变形变位,并与基坑现场监测资料对比以验证模型的可靠性。在水-热耦合基础上,根据冻胀系数公式编写FORTRAN程序实现冻土材料二次开发,先将冻土作为弹性材料计算应力场,再通过热力耦合模块实现水热力三场间接耦合。根据深基坑土体越冬前的初始温度场和地表温度模型完成深基坑越冬的全过程模拟,揭示基坑预应力锚固支护结构在冻胀作用及温度变化下的力学响应特性。（4）根据现场监测温度影响锚索拉力具有滞后效应,通过主成分分析和自回归分布滞后模型分析影响越冬期锚索拉力的主要因素,并建立的ARDL预测模型以便有效预测锚索拉力。（5）进一步研究了锚索预应力、锚索竖向间距、锚固角度和锚固段长度对预应力锚固支护基坑效果的影响,提出了最优预应力锚固支护方案并对越冬基坑预应力锚索支护方案优化设计。本文越冬基坑预应力锚固支护结构仿真分析及支护方案优化设计能为今后实际施工、设计提供有益参考。
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