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地铁车站明挖基坑围护结构稳定性研究.pdf

地铁车站明挖基坑围护结构稳定性研究

minghai-bai
2011-06-26 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《地铁车站明挖基坑围护结构稳定性研究pdf》,可适用于经济金融领域

西南交通大学硕士学位论文地铁车站明挖基坑围护结构稳定性研究姓名:隗建波申请学位级别:硕士专业:桥梁与隧道工程指导教师:周晓军西南交通大学硕士研究生学位论文第l页摘要随着经济社会的快速发展地铁对城市功能的合理布局如城市规划、交通、经济乃至社会环境等都将起到积极的作用。地铁建设首先面临的问题就是地铁车站围护结构的稳定性。深基坑是地铁车站的基础保证基坑工程的安全性具有重要的经济和社会效益。基坑变形受到多种因素的影响如土体力学参数、支撑力的大小、连续墙设计、支撑预应力大小等因此基坑稳定性成为研究的热点问题。目前国内外对基坑变形估算的方法主要包括有限单元法、地层损失法和估算法有限元法可以考虑各种因素对变形的影响并且可以精确的预测基坑的各种变形因此有限元法必将成为基坑变形计算的主要方法。本文拟对地铁车站围护结构的稳定性问题进行数值模拟研究。论文首先分析了深基坑稳定性的重要性探讨了深基坑稳定性的计算方法并研究了其在深基坑围护结构变形预测方面中的应用。论文采用MidasTS有限元计算软件对哈尔滨医科大学附属第二医院地铁车站深基坑进行了数值模拟。主要研究了围护结构稳定性的几个关键问题:()准确的数值模拟研究是研究稳定性的先决条件。()对数值模拟计算结果进行分析()对影响深基坑围护结构稳定性的各项因素进行分析。论文通过对上述问题的研究来解决地铁车站围护结构的稳定性可为今后类似地质条件下地铁车站工程的设计提供参考。关键词:地铁车站深基坑围护结构数值分析稳定性AbstractWiththedevelopmentofeconomyofourcountry,subwayplaysavitalroleinoverallarrangementofacity,suchascityplanningtrafficeconomyandenvironmentandSOon.Theprimaytaskinconstructingsubwayistomaintainthestabilityofenclosurestructureofsubwaystation.Deepexcavationisfundamentalbasisofsubwaystation.Toensureitssecurityisofsignificanteconomicandsocialbenefit.PitdeformationisinflunencedbymanyfactorssuchassoilphysicalparametersthesizeofsupportforcethedesignofdiaphragmwallthesizeofsupportprestressingandSOon.Thestabilityofpitbecomesaresearchfocus.Atpresentthecalculationmethodsofpitdeformationatallovertheworldincludefiniteelementmethodthesoillosstheoryandequivalentmethodofwhichthefiniteelementmethodcantakealldeformedfactorsintoconsiderationandpredictallkindsofdeformationofpit.Sothispaperwillmakeuseoffiniteelementmethodasprinciplecalculationmethod.Thisthesisstudiesthestabilityoftheenclosurestructureofsubwaystationbyusingnumericalsimulation.Inthisthesistheimportanceofthestabilityofdeepexcavationwasanalyzedthecalculationmethodswerediscussedandtheapplicationofthedeformationoftheenclosurestructureofdeepexactionwasstudied.ByusingthecalculationsoftwareofMidasGTSnumericalsimulationwascarriedouttoresearchthedeepexcavationofsubwaystationinndaffiliatedhospitalofHarbinmedicaluniversity.Itsolvedthefollowingproblemsaboutthestabilityofenclosurestructureofdeepexcavation:()Precisenumericalsimulationresearchwastakenasaprerequisitefor也ereseachofthestabilityofsubwaystation()Theresultofnumericalsimulationwasanalyzed()Allfactorsinfluencedthestabilityofenclosurestructureofdeepexcavationwasanalyzed.Throughreseachingabovementionedproblemsthispapercanfigureoutthethestabilityofenclosurestructureofdeepexcavation.ItcarlprovidetheguidancetotheconstructionofthesimilarEngineeringandthestandardizeddesignofthesubwaystationinthefutureKeywords:SubwaystationDeepexcavationEnclosurestructureNumericalsimulationStability西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于.保密口在年解密后适用本授权书/.不保密嘶使用本授权书。(请在以上方框内打“√”)学位论文作者虢侮建收⋯一l司、日期:如户、投影日期:幻卜.妒./西南交通大学学位论文主要工作(贡献)声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下:(一)对围护结构进行二维计算分析其稳定性。(二)数值模拟的研究:用MidasGTS数值分析软件对基坑进行建模计算。通过不同的计算来分析深基坑的稳定性。准确的模拟基坑开挖是研究稳定性的先决条件。如何模拟基坑开挖如果模拟围护结构(钻孔桩加横撑或者地下连续墙加横撑)如何模拟土体和围护墙体的接触如何在横撑上面施加预应力这都是研究稳定性的基础。通过数值模拟计算并对计算结果进行准确的分析。(三)影响深基坑围护结构稳定性的因素分析:影响围护结构稳定性因素有很多比如合理支撑力范围的研究:横撑的支撑力不足是引起围护结构变形过大甚至失稳是深基坑工程开挖过程中的突出问题。横撑所提供的支撑力大小直接影响基坑围护结构稳定性。支撑力过小可能导致结构失稳支撑力过大支持的尺寸过大又会造成资源浪费和施工不便。围护结构的深度、横撑预应力的大小、支撑的刚度、位置等是影响基坑稳定性的主要因素。本文对这些因素进行分析使围护结构达到最优效果。本人郑重声明:所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名:日期:做幄p滔、.≥‘西南交通大学硕士研究生学位论文第页.引言第章绪论世纪是桥梁世纪世纪是高层建筑世纪世纪是地下空间世纪这说明世纪地下空间将到很大的发展。目前各种用途的地下空间已在世界各地大中城市得到开发利用地下工程建设项目的数量和规模也迅速增大如高层建筑物的基坑、大型管线的深沟槽、地铁工程的车站深基坑等。这些地下空间的建设多采用价廉而方法简便的明挖法n进行施工产生了大量深基坑工程瞳其规模和深度还在不断地加大。在经济发达的城市通过提高地下车库的比例来解决停车难的问题新建的住宅以及商业楼的地下车库比例均要达到:以上才能满足停车需求。与此同时大型公共基础设施的建设也日趋繁荣大型桥梁、地铁、地下变电站、大型场馆以及人防工程的建设仍将保持快速增长的趋势。这些工程建设都离不开深基础施工而基坑工程问题又是其中的重中之重。基坑工程按照开挖深度可以划分为浅坑(H<m)、深坑(m<H<m)、超深基坑(H>m)∞。在城市建设迅猛发展的推动下基坑工程凸显出超大规模、超深开挖的特点。。随着我国经济建设的飞速发展人口越来越多地向城市涌进、聚集人们对城市功能的要求也越来越高从而极大地推动了市政改造和城市建设的发展。面对城市建设用地日趋紧张和地价昂贵的现实三维城市空间H的开发和利用引起各界的广泛重视。城市向三维空间发展即实行立体化的再开发是城市中心区改造的惟一现实的途径。在对城市中心区进行改造更新与再开发的实践过程中形成了地面空间、地下空间与上部空间协调发展的城市空间构成新概念即城市的立体再开发。发达国家解决城市“交通难"的主要措施是发展高效率的地下有轨公共交通形成四通八达的地下交通网。根据预测和分析我国特大城市的主要干道在世纪初将达到巨大的高峰。城市单向断面客流量靠一般的公共汽车是不能解决的只有选用高流量的有轨交通系统方案才有可能解决这一问题。高架道路对城市景观、噪声和震动的影响将是很难接受的高架线的建设往往使沿线地价贬值而地铁沿线的地价很快增值。因此地铁的建设将是我国世纪城市地下空间开发的重点。除已开通的北京、上海、天津、广州、深圳和南京地铁等外正在兴建的城市有杭州、武汉、哈尔滨、沈阳、成都、太原、苏州和青岛等此外已经国家批准和正在筹建地铁有长沙、无锡、福州、东莞、宁波、济南、厦门、常州、郑州和南昌等城市预计l世纪初至中叶将是我国大规模建设地铁的年代。而地铁的兴建其中一个突出的问题就是深基坑的设计和施工如何合理地设计基坑支护陋儿和施工方案做到既经济合理又安全可靠已成为目前岩土工程界的重要研究课题之~。我国到年代中期随着改革开放的不断深入经济建设不断发展高层建筑相西南交通大学硕士研究生学位论文第页继矗立在中国各大中城市里且有不断增大的趋势。进入年代人们对三维立体化空间的需求不断增长。一方面城市高层建筑成为发展趋势建筑基坑越挖越深另一方面地下空间的开发利用也已成为发展方向之~地铁、地下商城、地下油库和地下停车场等大型建筑物不断增多。基坑开挖与城市建设密集、地下管线众多、建设场地狭小周围环境要求高等不利因素的矛盾更加突出。于是出现的深基坑工程是当前大家十分关注的地下工程热点也是技术复杂综合性很强的难点又是提高工程质量减少工程事故的重点。这必然对基坑工程的设计和施工提出更高的要求。.基坑工程的背景和特点.基坑工程背景基坑的发展有着悠久的历史古时候人们的简易木桩和放坡工程可以看做最早的基坑工程。人类生产生活的进步促进了建筑工程的发展对地上和地下空间不断要求也带动着基坑工程的形成和发展特别是到了上个世纪随着大量高层、超高层建筑及地下建筑工程和大型市政工程的不断涌现对基础的要求越来越高(北京等地区己出现地下部分埋深超过m新近完成施工开挖的润扬长江大桥北锚碇基坑的深度更是达到m)晦n必然会产生大量的基坑工程由此而引出的问题也越来越多促使工程技术人员以新的眼光去审视基坑工程这一古老而又是不断发展的课题使许多新的理论和研究方法得以出现也使许多工程经验和工程工艺得以长足发展并逐渐成熟。年上海建成层锦江饭店年建成层国际饭店特别是近几十年以来在北京、上海等大中城市陆续建造了一大批高层和超高层建筑例如上海的环球金融中心层高m基坑直径lOOm基坑深m地下连续墙埋深m基坑面积×m是我国施工的深大基坑中的一例深基坑工程瞳已成为深基础结构施工具有高难度的先导技术在今后的建筑工程中的应用也将会越来越多。..基坑工程的特点基坑工程的特点主要有以下几点:()由于建筑物向高层化和深度化发展基坑也向大深度和大尺度方向发展()基坑开挖面积大体积大长度和宽度有的达数百Ill使基坑的设计和施工带来较大难度()由于深基坑的复杂性使施工工期变长、工艺增多降雨和重物堆放等会对对基坑的稳定造成不利影响()在地质条件较差的土层中基坑的施工会产生较大的位移和沉降特别是在采取降水等施工措施后会对附近的建筑物和市政设施的正常使用造成不良影响()随着旧城改造的发展深基坑施工的条件均很差在相邻场地的施工过程中西南交通大学硕士研究生学位论文第页打桩、降水、挖土及基础浇筑混凝土等工序会发生相互制约与影响增加协调工作的难度()岩土性质千变万化地质埋藏条件和水文地质条件的复杂性、不均匀性往往造成勘察所得的数据离散性很大难以代表土层的总体情况给基坑工程的设计和施工增加了难度()基坑工程具有较强的时空效应土体是蠕变体特别是软粘土具有较强的蠕变性作用在支护结构上的土压力随时间变大蠕变将使土体强度降低将使土坡稳定性变小。.国内外基坑工程发展状况和研究现状..国内外基坑工程发展状况基坑工程是地下工程n幻难题也是一个古老而又有时代特点的岩土工程问题涉及工程地质、水文地质、工程结构、施工工艺和施工管理。国外二十世纪随着建筑工程以及地下建筑的不断涌现许多新的经验和理论的研究方法才得以出现和成熟。Terzaghi和Peck等人早在二十世纪四十年代就提出了预估挖方稳定程度和支撑荷载大小的总应力法n】这一理论原理一直沿用至今也有了许多改进和修正Bjerrum和Eide在二十世纪五十年代给出了分析基坑底板隆起的方法n引二十世纪六十年代在奥斯陆和墨西哥城软粘土基坑中开始使用仪器进行监测此后大量实测资料提高了预测的准确性并从二十世纪七十年代开始制定了相应的指导开挖的法则n驯。我国基坑的发展较国外的发展晚。年黄文熙教授建立了我国第一个土工实验室并开了土力学课程年中国土木工程学会成立年由孙更生、郑大同教授主编了《软土地基与地下工程》H全面介绍了软土地区的基础工程和地下工程的实践经验年由陈仲颐、叶书麟教授主编了《基础工程学》聆全面反映我国基础工程领域实践经验的一部专著年由高大钊主编的《深基坑工程》心是基坑工程领域全面系统的一部专著还有许多专著都代表了土力学在不同时期的发展状况。为了总结我国基坑工程口的设计与施工经验二十世纪九十年代后许多城市相继编制了基坑设计与施工的有关法规并已编制了国家行业标准的有关法规例如《基础工程施工手册》、《基坑工程手册》、《深基坑支护结构实用内力计算手册》、《高层建筑基础工程手册》、《深基坑工程实用技术》、《深基坑支护结构工程实例》等这些都有力的推动和规范了基坑工程的发展。早期的开挖常采用放坡的形式后来随着开挖深度的增加放坡面空间受到限制产生了支护开挖而且迄今为止支护的形式已经发展到了数十种。基坑支护的方法最早有放坡开挖然后有悬臂支护内支撑或拉锚支护组合型支护等。最早的支护结构采用木桩现在常采用钢筋混凝土桩、地下连续墙、钢板桩以及通过地基处理方西南交通大学硕士研究生学位论文第页法采用水泥土挡墙、土钉墙等形式口。基坑工程的发展反映在基坑工程本身的规模支护体系设计理论的发展施工技术和监测技术的进步等方面。随着高层和超高层建筑的发展和人们对地下空间的开发和利用日益增多基坑工程不仅数量增多而且向更大更深方向发展大量基坑工程集中在市区施工场地狭小施工条件复杂如何减小基坑开挖对周围建造物、构筑物、道路和各种市政设施的影响发展基坑开挖扰动环境、稳定控制理论和方法将会引起更多人进一步的重视。支护结构设计理论口羽的发展关键是正确计算作用在支护结构上的土压力。常规设计中土压力一般取静止土压力和极限状态下主动土压力和被动土压力而作用在支护结构上的实际土压力一般介于上述二者之间。实际土压力是与支护结构位移支护结构空间形状有关的而且还与土体扰动、固结、蠕变有关。人们将重视发展考虑空间和时间效应的土压力理论。另外在支护结构设计中人们更重视考虑土与结构相互作用以及土与结构变形的正确估算。工程技术人员、设计者和科研人员将更加重视基坑工程对周围环境的影响机理与评价研究包括基坑开挖前周围建筑物及市政设施的初始应力场及位移状态的调查评价基坑开挖在它们中引起的附加应力计算以及它们的破坏能力及稳定性评价方法及受害等级的划分等。基坑工程施工组织中将更加重视开挖性态反演分析及信息化设计施工发展测试技术使监测更准确、更及时、更系统发展建立实用反演数学模型实施信息化施工。基坑开挖机械也不断发展新方法、新设备将不断出现。..国内外基坑工程现状及存在的问题目前研究的课题主要有:土压力理论、支护结构内力和变形的计算理论、基坑失稳破坏的机理等方面n刳。其研究的方式和方法多种多样但总结起来也可归纳为三种方法:实验研究包括室内模型实验和现场原位试验理论分析包括各种数值模拟和解释法经验总结根据已有的工程数据总结、提炼。常用的经验、半经验公式是著名Peck()的经验曲线H它将基坑的稳定性与地面变形相结合较全面地反映了土体的工程性质、场地条件、施工工艺与质量对地面沉降的综合影响。国内同济大学候学渊教授在Peck和Schmidt的基础上借鉴三角形沉降公式的思路依据墙体位移和地面沉降两者的地层移动面积相关的原理提出了确定地面沉降的地层损失法n引并把此法较好的应用于沿海软土地区。刘建航院士在参考新奥法隧道施工面时空效应理论和上海软土基坑实践的基础提出了时空效应法n引用于计算和控制基坑结构变形和周围地层位移。在基坑理论计算n刀方面主要有三种基本方法即极限平衡法、土抗力法和有限元法。极限平衡法是目前工程设计常用的方法其要点是假定作用在挡土结构前后墙上的土压力分别达到被动和主动土压力土压力的计算按经典土压力理论在此基础上进行力学简化把问题简化为静力问题求解。这类计算方法的优点是力学模型简单西南交通大学硕士研究生学位论文第页仅用静力平衡方程就能求解内力如等值粱法、静力平衡法、太沙基法和I/分担法等。但由于这类方法不能考虑到开挖时支撑轴力和挡墙内力随位移的变化得到的结果用于多道支撑的深基坑挡土结构分析时其内力和实际情况的误差较大。土抗力法引进了横向抗力的概念将外侧主动土压力作为水平荷载施加在支护结构上用弹性地基梁法计算支护结构的变形和内力内侧土对墙体的水平支撑用弹性抗力系数来模拟我国工程界常用的是“m"法。此方法的重点是基床系数的选取具有一定的经验性。.有限元法可以从空间、时间上比较全面的反映各种因素对支护结构及周围土体的应力、位移的影响具有广阔的应用前景。目前基坑工程中常用的有限元法是弹性地基杆系有限元法和连续介质有限元法n朝两种。在弹性地基杆系有限元法分析中支撑和土体通常都作为弹性杆件挡墙作为弹性梁单元在开挖的各个阶段分别可求得挡墙的内力和水平位移以及支撑杆的轴力。为了同时获得挡墙的内力、位移、支撑轴力、基坑周围土体及坑底土体底位移连续介质有限元法也被大量的应用。自从Clough等()首先将有限元法应用于基坑变形分析中针对土体的非线性和基坑工程的时空效应对基坑支护结构体系的影响国内外专家学者做了大量的研究工作。()Clough和Hansen在计算中考虑了土体各向异性的影响结果表明土体各向异性明显地影响土压力的分布墙体位移和地面沉降会显著地增加塑性区也显著增大()孙钧n等用有限元、边界元法分析了基坑开挖等地下工程与围岩介质的静、动态共同作用在本构关系上引入了弹性、塑性、粘弹塑性等不同的岩土介质本构模型在几何关系上从线性发展到非线性分析使数值方法能适应各种土体的计算()朱百里()采用修正剑桥模型考虑土体的固结与变形耦合作用以及土体与支护系统的共同作用讨论了基坑周围土体的沉降、侧移的规律和基底隆起变形规律并指出基坑周围土体应力路径有一定的规律由此可用室内试验模拟其变化规律()同济大学地下系对上海软土进行了一系列三轴剪切蠕变实验和单剪蠕变实验并按实验曲线通过非线性函数拟合和程序的编制提出了流变本构模型及其参数的确定方法导出了考虑土体流变性能的地下连续墙内力和变形分析的计算方法一粘弹性有限元计算法来研究土的流变性对基坑支护结构的影响()应宏伟利用有限元法考虑了基坑坑底土抗剪强度受应力历史的影响详细地分析了开挖过程中由于土的固结而引起的对基坑工程的时间效应等问题。近年来为了全面了解基坑不同部位的应力、变形的分布规律三维有限元法也逐渐用来分析基坑工程的空间效应()俞建霖用三维空间有限元法研究了基坑开挖过程中支护结构变形、土压力的空间分布及基坑的几何尺寸效应并与按二维平面问题分析结果进行了比较()高文华以Mindlin板理论为基础将支护墙体作为一竖放在地基上的板并考虑地基的时效性、板土之间的接触摩擦以及分步开挖效应建立了深基坑支护体系受力与变形时空效应的有限元模型获得了一种实用的支护体系受力与变形的三维简化分析方法可用来指导基坑设计、开挖和周围环境的维护。这些研究工作从不同的角度对土体深基坑工程进行了模西南交通大学硕士研究生学位论文第页拟分析得出了一些规律性的认识但离工程实际应用还有一定的差距。在基坑工程的设计与施工中为了维护基坑稳定常要设黄临时性或半永久性支护体系。在进行深基坑支护结构计算时首先考虑的就是支护结构与土体界面上的压力即土压力。土压力是作用于支护结构上的主要荷载。土压力是土体因自重或外荷载作用对支护结构产生的侧向压力是土与支护结构相互作用的结果它不仅与土本身的性质如容重、粘聚力、摩擦角等有关而且还与支护结构的型式、刚度、变位、开挖深度、开挖顺序、土与结构的接触条件以及支护结构受到的约束等有密切关系口刳。土压力的大小与土体的变形有关。在土体变形达到破坏之前土压力的大小是难以确定的:在土体达到破坏状态时由于变形土体内各点很难同时进入极限平衡状态土压力计算也带有一定程度的不确定性。尽管如此在分析土压力的时候通常认为土体处于理想破坏状态这一方面是为了应用的方便另一方面是因为难以得到具有较高可靠性的土性参数的限制。由于影响土压力的因素十分复杂对土压力的计算至今也没有一个统一的结论。在大型深基坑的开挖中能较正确地估计土压力对于确保基坑支护结构的正确设计与顺利施工具有十分重要的意义。基坑支护结构稳定性分析是同支护结构水平位移的方向与大小土的性质支护结构的刚度及强度等因素密切相关的。本章通过对支护结构土压力的理论分析和稳定性口羽的理论分析确定基坑支护结构的计算方法并应用深基坑支护结构软件对基坑的稳定性进行验算。。.土压力理论分析...库仑土压力理论和朗肯土压力理论经典土压力计算主要包括静止土压力、主动土压力和被动土压力等三种情况。而主动土压力、被动土压力计算理论哺刀主要以库伦(Coulomb)理论和朗肯(Rankine)理论为代表本文将它们的基本情况总结如下表:以上两种理论属于土压力的经典理论嘲。朗肯理论口在理论上较为严密但由于其仅仅研究填土为半无限体的情况考虑简单的边界条件使之在应用上受到一定条件的限制。库仑理论作为一种简化理论其计算简便能适用于各种复杂边界情况在一定范围内能给出较为满意的计算结果所以国内外工程实践、理论研究和路基规范都广泛地采用库仑理论计算土压力。西南交通大学硕士研究生学位论文第页表朗肯理论和库仑理论简述表方法计算依据基本假设计算公式适用范围优缺点主动土压力忽略了墙背墙本身是刚Pd=yZKo与填土之间朗半空间的应性的不考的摩擦力J±■力状态和土虑墙身的变主动土压力月无粘性土理的极限平衡形墙背光计算值偏大论条件滑、直立、被动土压力被动土压填土面水平Pp=zKp力计算值偏小挡土墙是刚主动土压力性的墙后只=yZK。当(c≠)库墙后滑动楔土体是匀质时需采用考虑了墙与仑各项同性(等代摩擦角土之间的摩理体的极限平C=)的理被动土压力不用于有擦力填面衡条件论想散体滑Pp=YZKp渗流效应的可倾斜动破坏面为情况一平面...TezrahgiPeck的土压力理论深基坑支护结构设计如果机械地套用库仑和朗肯土压力计算公式或多或少地会使设计结果偏离实际工作情况。①库仑和朗肯土压力理论假定是先筑墙然后分层回填无粘性粗颗粒材料形成重力式挡墙结构:而现在深基坑支护是在天然状态的粘性土或砂性土中成桩(墙)然后在一侧逐步挖土形成支挡结构。②朗肯土压力理论假定挡土墙与土之间无摩擦力:实际深基坑支护结构中摩擦力是存在的且不容忽视。③库仑和朗肯土压力理论是针对较长的挡土墙属平面问题:而深基坑支护是一个更为复杂的空间问题。④一般的挡土墙为永久性结构:而深基坑支护为临时性结构等等。由于影响柔性支护结构土压力分布的不确定因素比较复杂相关的纯理论研究则显得比较少多数文献是基于原位实测或有关的试验得出一些结论。最早研究柔性支护结构土压力的是Peckn的表观土压力分布图如图卜所示:西南交通大学硕士研究生学位论文第页妙软~中绣硬鹈j及=卜百Cg)fl。=.(tan(。一詈))删力一o.图卜Peck的表观土压力分布图()Peck的土压力分布图是基于采用板桩或咬合桩支护结构的支撑轴力的现场实测值反算而得出的Peck土压力分布图至今仍被广泛地用来计算柔性支护结构的支撑轴力。LiaoNeffn通过对Peck方法和一些其它方法进行评估以后给出了一个估计有支撑基坑的侧向土压力分布的合理框架。其建议的方法首先要求给出静止土压力和主动土压力的评估然后供设计用的土压力图表被用来确定处于静止土压力和主动土压力之间状态的土压力大小得出的相应土压力取决于开挖墙体位移的大小。在理论上通过分析粘性土在不排水开挖卸荷和随后的长期的排水行为来解释并通过己有的工程实例来验证该方法的合理性。Tezrahgi首先对经典土压力理论提出质疑通过大规模模型试验研究了土的极限状态与挡土结构变位间的关系并认为只有土体应力状态达到一定水平(极限平衡状态)土体发生剪切破坏时Coulomb、Rankine理论才适用而且墙体不同的转动形态直接导致土压力的非线性分布。..围护结构稳定性理论分析基坑的大面积挖土卸载使坑底和四周土体中应力场发生很大变化。图表示基坑开挖前后坑底和坑壁中应力的变化情况。图中为基坑开挖前坑底A点和坑壁B点的初始应力分别为A和B在图卜(b)中l(线上AB两点的天然强度分别为C.和C。。随着基坑中的土体逐渐被挖除坑底土的竖向应力及坑壁土体中侧向应力逐渐减小。代表性的A、B两点的应力状态沿着各自的应力路径发生变化。西南交通大学硕士研究生学位论文第页(a)索憾杈..斗叮。y/y上覆荷栽yH^点的天然强度\固)(a)基坑开挖(b)坑底和侧壁的应力路径图卜基坑底和基坑侧壁中应力场的变化基坑的失稳破坏可能缓慢地或突然地发生有的有明显的触发原因如振动、暴雨、超载或其它的人为因素有的却没有明显的触发原因。这主要由于安全度不够土的强度逐渐降低而造成。有支护基坑的稳定性阳主要取决于支护结构的合理性和可靠性。确定基坑稳定安全系数现有的概念仍以库仑定律为依据。安全系数也可以按照抵抗力矩之和Mr与破坏力矩之和M来表示:c=鲁ml全面地对有支护基坑进行稳定性分析是基坑工程设计的最重要环节之一。分析中所需地质资料要能反映基坑顶面以下至少至倍基坑开挖深度的工程地质和水文地质条件。本文针对工程实际情况对基坑稳定性呻作如下分析。...整体稳定理论计算通常使用瑞典条分法、简化Bishop法、Janbu法三种方法计算整体稳定订。滑动圆弧处土条重力计算方法有两种:总应力法、有效应力法。).瑞典条分法n瑞典条分法是条分法中最古老而又最简单的方法它假定滑动面都是圆柱面在进行条分法分析时按比例画出剖面。如图圆弧面为滑动面取b分析受力情况:西南交通大学硕士研究生学位论文第页图整体稳定性计算①总应力法:K:兰I:一Zcikl,Z(qob,w,)c。sOitan妒,k()“M。Yo∑(qob。w)sin口iK⋯整体稳定安全系数坂一抗滑力矩(kN·m)MQ⋯滑动力矩(kN·m)c破、‰⋯最危险滑动面上第i土条滑动面上土的固结不排水(快)剪粘聚力(kPa)、内摩擦角标准值(。)系统按水位以上、水位以下分别取值t⋯第i土条的滑裂面弧长(m)b⋯第i土条的宽度(m)w一作用于滑裂面上第i土条的重量水位以上按上覆土层的天然土重计算水位以下按上覆土层的饱和土重计算(kN/m)p。⋯第i土条弧线中点切线与水平线夹角(。)‰⋯建筑基坑侧壁重要性系数g。⋯作用于基坑面上的荷载(kPa)。②有效应力法:K=瓮=Ⅸ黛一m).简化Bishop法(毕肖普法)口妇毕肖普法相对于瑞典条分法忽略了条间切向力比瑞典条分法更为合理更为精确这样得到了国内外广泛使用的简化毕肖普法。计算简图如图:图卜简化Bishop法条块作用力分析西南交通大学硕士研究生学位论文第页嘈:尝一m朋磅:c。ssinFO,tp,k(卜)②有效应力法:K:瓮:尝一m形B作用于滑裂面上第i土条的重量水位以上按上覆土层的天然土重计算水位以下按上覆土层的浮重度计算(kN/in)。).Janbu法‘Janbu法是滑楔法的一种是第一个基于任意形状滑面且考虑滑体所有平衡条件的稳定性计算方法Janbu法是假定土条侧向力的倾角为零。其计算简图如图卜所K:卺:邕嘉一A乙‰芝:(go岛心△E)sinqAll,=ql一红()()西南交通大学硕士研究生学位论文第页E=P等妒等()妒i⋯嗍I%jcoS鼠(w幄)tg吼一(w魍)t(。)骂、E。⋯条块的侧面切向力(kN)只~条块的侧面法向力(kN)磅、她⋯嗤:尝羔一m⋯...抗倾覆理论计算排桩、连续墙的抗倾覆计算口按下式进行:K:丝±丝≥.sM胁鸩=∑竽()()K⋯抗倾覆稳定性安全系数应不小于.MEa⋯支护结构底部以上主动侧水平荷载对支护结构最底部点的弯矩标准值(kN‘m)%一支护结构底部以上被动侧水平荷载对支护结构最底部点的弯矩标准值(kN·m)坼一锚杆(索)的拉力标准值对支护结构最底部点的弯矩(kN·m)‰⋯第i个支点反力标准值(kN)Z⋯第i个支点距支护结构最底部点的距离(m)置⋯第i个支点的水平间距’(m)。...抗隆起理论计算参照普郎德和太沙基的地基承载力方式抗隆起稳定性口可用下列公式验算。K孵=而yDN可q而cNc()普郎德:Nq=e’rtan≯伽(必%)c一札:(H一%矽()卟确()三角豢攀豢硝动撕概呦懒懒蝴:()三角形法⋯】】⋯。~Ⅳ对于三角形分布如图卜。竺喝三角形法计算简图相应的计算公式为:一西南交通大学硕士研究生学位论文第页地表最大沉降计算公式为:屯。:堡‰k⋯地表最大沉降量(m)⋯支挡结构侧移面积(mm)。()指数法⋯对于凹槽形地表沉降则要采用指数法及抛物线法如图卜所示:}i}tii}{{tf一‘、’图卜指数法计算伺图指数法相应的地表最大沉降计算公式为:氏。:一Swxo氏。⋯地表最大沉降量(m)⋯支挡结构侧移面积(min)。()抛物线法⋯凹槽形地表沉降也可以用抛物线法计算。如图所示:地表上各点的沉降不同各点的沉降:砸Hk芋枷等△艿=·÷(瓯。瓯)‰=等一o.硝()()()(.)(.)万(x)~地表沉降范围内任意一点的沉降量(wan)屯瓤⋯地表最大沉降量(m)△万~基坑边缘的沉降量(姗)而一地表沉降范围(m)X沉降计算点的距基坑边缘距离(m)Sw支挡结构侧移面积(舳)民。⋯支挡结构顶端位移(咖)瓯:⋯支挡结构底端位移(咖)。西南交通大学硕士研究生学位论文第页图卜抛物线法计算简图.课题的研究目标、内容和方法..研究目标本文结合哈尔滨医大二院车站设计、施工为工程背景。结合工程概况、工程地质条件、水文地质条件、场地与地基的地震效应、工程地质条件评价、交通状况及建筑物保护措施等等实际情况进行围护结构的设计计算。设计计算的原则按照“先变形、后支撑”的原则模拟施工开挖、支撑全过程分阶段进行计算。再根据地质条件、工程材料、构造及技术要求进行施工方法的选择。..研究内容()收集医大二院车站的工程概况、工程地质条件、水文地质条件、场地与地基的地震效应、工程地质条件评价、交通状况及建筑物保护措施等资料。()采用深基坑计算程序对车站的围护结构进行设计计算。()基于有限元软件MidasGTS对医大二院基坑工程的数值模拟研究。()合理支撑力、围护结构稳定性、影响稳定性因素等方面的研究。..拟解决的关键问题()对围护结构进行二维计算分析其稳定性。()数值模拟的研究:将车站基坑围护结构分为两部分计算首先用深基坑计算西南交通大学硕士研究生学位论文第页程序计算一部分(二维)然后用~tidasGTS数值分析软件对基坑进行建模计算。通过不同的计算来分析深基坑的稳定性。准确的模拟基坑开挖是研究稳定性的先决条件。如何模拟基坑开挖如果模拟围护结构(钻孔桩加横撑或者地下连续墙加横撑)如何模拟土体和围护墙体的接触如何在横撑上面施加预应力这都是研究稳定性的基础。()通过数值模拟计算并对计算结果进行准确的分析。()影响深基坑围护结构稳定性的因素分析:影响围护结构稳定性因素有很多比如合理支撑力范围的研究:横撑的支撑力不足是引起围护结构变形过大甚至失稳是深基坑工程开挖过程中的突出问题。横撑所提供的支撑力大小直接影响基坑围护结构稳定性。支撑力过小可能导致结构失稳支撑力过大支持的尺寸过大又会造成资源浪费和施工不便。所以有必要找出支撑力的范围从而确定合理的支持形式和尺寸。围护结构的深度、横撑预应力的大小、支撑的刚度、位置等是影响基坑稳定性的主要因素。本文将对这些因素进行分析使围护结构达到最优效果。西南交通大学硕士研究生学位论文第页第章深基坑稳定性的平面分析.工程周边环境及工程简介医大二院站在学府路、保健路口之间学府路面下方设置为南北走向医大二院站周边分布有哈制药厂、医大二院门诊部、新华印刷厂和哈尔滨医科大学等单位车站主体部分采用明挖法施工。车站全部位于直线上纵向坡度‰起讫里程SK.一SK.为一号线与四号线的换乘站。计算站台中心里程SK车站全长.m宽.m局部.m项板覆土.m~.Om结构型式采用地下二层岛式站台。本站基坑深度一般为m左右。车站的平面及围护结构平纵断面分别如图、和图所示。.地质工程与水文条件..地质条件).地形地貌本站点的地貌单元为岗阜状平原。地面标高介于.一.m之间自然高差较小。拟建工程场地范围内主要为道路两侧为现有企事业单位和住宅。场地内地下管网密集包括给水、电信、电力、热力、煤气、排污等地下管线纵横交错非常复杂。).土层分布本工点地层主要由第四纪全新世人工堆积层(Q。叭)、上更新统哈尔滨组地层(Q。hr甜)、中更新统上荒山组地层(Qh)、下荒山组地层(Qthl)组成岩性为粉质粘土、砂类土现将各土层描述如下:a.第四纪全新世人工堆积层(Q。叭)杂填土(①):杂色由砖块、碎石、粘性土等组成松散~中密。.O~.米多为柏油路面。该层分布连续层厚介于.~.m。b.第四纪上更新统哈尔滨组地层(Q。hr)西南交通大学硕士研究生学位论文第页Ⅱ霉图车站平面示意图豳顺惦融睁按*螂¨K幽然妊翟萋蒸衄警~渤‘t一生西南交通大学硕士研究生学位论文第页上碗丽{砸灌吲圈旧睁晕蟓靶圃PqP■囹圈旧葛番霎姆辍圃帕N圃粉质粘土(②):黄褐色层状分布摇振反应无稍有光泽干强度中等韧性中等可塑。该层分布基本连续层厚介于.~.m。粉质粘土(②一):黄褐色摇振反应无稍有光泽干强度中等韧性中等软塑。该层分布不连续揭露厚度.~.m。粉质粘土(③):黄~黄褐色层状分布钙质呈斑点状或菌丝状出现摇振反应甏一显旦簋彰虿夏量《一《一量《一《一簋《一蛊霉可一《哥盲i一旦彰一霉一《一甏一簋誊毯重。且孽一罱二昆一量~匿~蕈qll|llli|ljl|..rI}i卜lPllt譬i.|i}!il{刊一薰ir}{{lijii..f.刮{ij}州删捌il.划笤州弱{lli翻复州|}删{|i西南交通大学硕士研究生学位论文第页无稍有光泽干强度中等韧性中等硬塑。该层分布于场地南部层厚介子.~.m。粉质粘土(③):黄~黄褐色摇振反应无稍有光泽干强度中等韧性中等软塑。该层分布不连续揭露厚度.".m。粉质粘土(③一):黄~黄褐色层状分布摇振反应无稍有光泽干强度中等韧性中等可塑。该层不连续揭露厚度.~.m。C.第四纪中更新统上荒山组地层(QJhl)粉质粘土(④):黄~黄褐色灰褐色层状分布受铁质侵染并可见铁锰质结核摇振反应无稍有光泽干强度中等韧性中等可塑。该层分布连续层厚介于.~.m。粉质粘土(④):黄褐、灰褐色摇振反应无稍有光泽干强度中等韧性中等软塑。该层分布不连续揭露厚度.一.m。粉质粘土(④一):黄~黄褐色摇振反应无稍有光泽干强度中等韧性中等硬塑。该层分布不连续揭露厚度.".m。d.第四纪中更新统下荒山组地层(Qhhl)粉砂(⑤):黄色局部为细砂主要成分为石英、长石、云母等含少量粘性土稍湿~饱和中密~密实。该层不连续揭露厚度.".m。中砂(⑥):黄色局部为粗砂主要成分为石英、长石、云母等含少量粘性土、夹层稍湿密实。最大揭露厚度m。粉质粘土(⑥):黄褐色层状分布摇振反应无稍有光泽干强度中等韧性中等可塑。该层分布不连续。..水文条件).气象概况哈尔滨市属中温带大陆性季风气候夏季炎热短促多东南风冬季漫长寒冷多西北风全年平均气温.C一月最冷七、八月最热历史最高气温℃最低气温.。C。年平均降水量ram多集中在~两个月。区内季节性冻土发育。从月末开始冻结至翌年月中旬开始融化月初化透最大冻结深度.m。哈尔滨市依江傍河蕴藏着丰富的水利资源市区分布的水系主要有一江、二河、三沟。松花江是全国七大江河之一是本区水系的主干其次为阿什河、运粮河较小的沟谷有马家沟、何家沟、信义沟。由于近年来全球气候的变化哈尔滨地区的气候也有所改变。).地下水地下水稀少但本场地地下管网较多、复杂、年代久远局部可能存在由于地下管线渗漏等人为因素产生的上层滞水。在施工过程中应结合管线勘测资料提前预西南交通大学硕士研究生学位论文第页防可能存在的上层滞水做好封、堵、排上层滞水的准备工作。根据实测结果隧道主体结构范围内的土层温度为~℃。根据环境土样(地下水位以上)的易溶盐渗出液的分析结果根据规范GB有关规定判定环境土对混凝土结构无腐蚀对混凝土结构中的钢筋无腐蚀性。根据在本工点进行的电阻率测试结果土对钢结构有强腐蚀性。.深基坑平面计算地铁车站围护结构长m共分为个基坑逐次开挖。可以用通用的深基坑计算●软件(同济启明星FRWS、理正深基坑)对其中基坑分别进行计算然后对较大深基坑进行三维模拟开挖研究然后再对平面计算及三维分析进行对比。围护结构计算按“先变形、后支撑"的原则模拟施工开挖、支撑全过程分阶段进行计算。..较小基坑的基本参数围护结构基本参数如图:}’{{’±ll§lilll±远⋯:杰i蔓Oofl一寥续}j≈:掰礓旗}。in拗缓霹l:o:铭凌鞔“l图基本参数西南交通大学硕士研究生学位论文第页...地层参数精确详实的地层参数能够比较真实的反应地下的情况是工程计算最基础的资料较小基坑地层参数如下表:表车站地层物理力学参数编号名称厚度重度内聚力内摩擦比重天然孔(m)(kN/m)(kPa)角(。)隙比①杂填土..②粉质粘土....③粉质粘土.....③粉质粘土....③粉质粘土.....④粉质粘土....l⑥中砂.....l...位移内力包络图.}Ij:/漱一IZ一~鼍弋L>t、麓溽拿kN.m水f{≯移《mm)一{~以一{:!f|f。、l.i妣府i图位移内力包络图纷力《kN)x眨kj}L:’弋I‘≮弋沙Nlo鏊发邑OkN.m...各工况及距离与沉降图.较小基坑施工工况如下表、各工况距离与沉降图见图()~():西南交通大学硕士研究生学位论文第页表工况类型表序号工况类型支撑编号距桩顶深度(m)施工荷载(kPa)开挖..加支撑..开挖..加支撑..开挖..加支撑..开挖..换支撑..拆支撑..换支撑..拆支撑..拆支撑..换支撑..筑衔《m哟()£毫^●ooo州嚣珑施勰(mm)I{“{·}。.聋:l一埘一吲()l善占粤嚣媛言琴%沈貉(mm){l一”/|r()££节一口。一罂谨(簿(mm)()e勰(mm)()西南交通大学硕士研究生学位论文第页级簿(mm)()勃潞(mm)()Ck∞oo誊域一∈鬣棼兰瓤胬(mm)()玩豁(mm)()rcLcI啦嘈cop荽l'l缘。jji{∥·{∥卜⋯k∥}if“:{.“科“!{l}I}≯歹、t卜iI{}

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