【摘要】：
超前钢管桩复合预应力锚杆支护技术作为深基坑工程的一种支护形式,由于其具有经济、可靠、施工便捷、变形小、支护深度大等显著优点,在岩土工程领域中开始得到较为广泛的应用与推广。但对该技术的理论研究远远落后于工程实践。到目前为止,仍然缺乏较好的
位移计算实用方法,相关设计标准
规范大多在保证锚杆的强度设计方面进行阐述,而对基坑系统本身的稳定计算缺乏必要的理论分析,另外目前
规范所规定的基坑工程设计计算方法均不能给出有关变形的任何数据,故有必要对基坑工程稳定和变形进行研究。
LFAC~(3D)是一种三维显式有限差分程序,它采用差分技术,引入时间因数和滑移线技术,实现了从连续介质、小变形到大变形的分析模拟,能够模拟计算三维岩土体及其他介质中工程结构的受力与变形形态,得到国内外广泛认可和应用。基于有限差分法的FLAC~(3D)适用于绝大多数的工程力学问题,尤其适用于材料的弹塑性大变形分析、流变预测和岩土工程施工过程的数值模拟。
因此,利用FLAC~(3D)有限差分数值模拟软件,对深基坑超前钢管桩复合预应力锚杆支护技术进行模拟计算和分析,从而研究支护结构的作用机理,讨论基坑支护稳定性与变形的影响因素,为后续工程设计与优化提供依据,为同类基坑工程的施工提供借鉴经验,有着非常重要的意义。
本文重点就是结合工程实例,在分析超前钢管桩复合预应力锚杆支护的构造机理的基础上,以FLAC~(3D)为数值模拟计算工具,结合基坑施工位移监测结果,以基于RBF神经网络的位移反分析为土层参数反演工具,按照施工工序对深基坑开挖与支护进行动态模拟,并通过多工况模拟比较分析,探求控制基坑稳定和变形的主要影响因素,为该技术更广泛的应用提供支持。
本文主要进行几下几个方面内容的研究:
(1)介绍超前钢管桩复合预应力锚杆支护技术的工程应用和理论研究现状以及存在的问题;分析支护构造特点、作用机理以及基本施工工艺流程;通过重点与超前钢管桩复合土钉墙支护技术进行比较,阐述无论是在控制基坑变形还是在提高基坑稳定性方面上,超前钢管桩复合预应力锚杆支护技术均表现出的优越性。
在合理设计的情况下,该支护技术可以充分发挥钢管桩的超前支护作用和预应力锚杆紧固强化作用,可以解决一些使用复合土钉墙支护或仅仅预应力锚杆支护尚不能完全满足要求的基坑工程问题,具有广泛的工程应用性和发展前景。
(2)简述并比较两种常用的土体本构模型和屈服准则;在分析FLAC~(3D)计算原理及特点的基础上,选择基坑工程模拟计算中合理的计算模型、支护结构单元和边界条件等;对开挖土体进行应力状态分析,并简述对初始应力场和基坑开挖支护施工进行数值模拟计算的基本流程。
FLAC~(3D)能提供基坑工程的变形信息,全面地考虑基坑开挖支护过程的变化,对指导工程设计和施工起到相当有益的作用。选用摩尔-库伦基本模型、使用六面体基本单元、用桩(pile)单元模拟钢管桩、锚杆(cable)单元模拟预应力锚杆,按照基坑分步开挖支护过程进行多工况模拟,预先检验基坑设计的效果,从而根据反馈信息调整并优化设计。
(3)结合深基坑工程实例,利用FLAC~(3D)中fish语言编程,充分考虑时空效应,完全按基坑分步开挖支护顺序进行模拟计算,分析就算所得的位移结果,并与实际位移监测数据进行比较,证明所选模型、模拟软件和模拟程序的合理性。
省高法二号办公楼深基坑工程实例模拟计算结果表明:东面CD段超前钢管桩和预应力锚杆的共同作用很好的起到了控制基坑位移和变形的作用,同时满足对周边建筑物安全和正常使用的功能要求;东面BC段支护设计安全系数偏高,从安全、经济、合理的原则综合考虑,可对该段支护进行优化设计。
(4)室内试验所得的土层参数一般不能直接作为数值模拟分析的模型参数,而基于RBF神经网络的位移反分析方法与常用的BP神经网络有着更加高速的有优点,可以利用基坑施工监测数据对土层参数进行反演,从而获取计算的最优模型参数。
(5)通过灵敏度定义来分析控制基坑变形与稳定性的影响因素,对基坑支护方案进行评价及优化。通过多工况数值模拟计算,分析基坑位移曲线分布图,研究基坑土层性质、支护结构特性和及施工工艺等参数对基坑稳定性安全系数和位移变形控制的影响。
研究结果表明:对基坑稳定性安全系数和最大位移值的敏感度较大的参数主要有:①岩土体参数:容重γ、内摩擦角(?)、粘聚力c以及抗拉强度σ_t;②预应力锚杆参数:锚杆预应力T、自由段长度l_a、锚杆倾角δ;③钢管桩参数:钢管桩长度和布置位置;④施工工艺参数:分步开挖深度和地面施工荷载大小等。
本论文的创新点:
(1)建立基于RBF神经网络的位移反分析模型,利用
基坑监测位移数据进行FLAC~(3D)模型参数的反演,从而选择合理的基坑土层物理力学性质指标。
(2)结合灵敏度分析方法和数值模拟计算方法,对深基坑支护工程实例进行多工况模拟,总结规律并研究控制深基坑稳定和变形的影响因素。
【关键词】：深基坑 超前钢管桩 预应力锚杆 FLAC~(3D) 位移反分析 灵敏度分析 【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TU753
【DOI】：CNKI:CDMD:2.2009.153669
【目录】：
- 作者简介5-6
- 摘要6-8
- ABSTRACT8-14
- 第一章 绪论14-23
- §1.1 选题的背景和意义14-15
- §1.2 基坑工程概述15-20
- 1.2.1 基坑工程的主要内容和特点15
- 1.2.2 基坑工程数值模拟研究现状15-16
- 1.2.3 深基坑支护的主要方法16-20
- §1.3 本文的主要工作20-23
- 1.3.1 研究内容20-21
- 1.3.2 研究方法21-22
- 1.3.3 关键问题22-23
- 第二章 超前钢管桩复合预应力锚杆支护概述23-33
- §2.1 工程应用及存在的问题23-24
- 2.1.1 工程应用发展23
- 2.1.2 应用中存在的问题23-24
- §2.2 超前钢管桩复合预应力锚杆支护研究现状24-26
- 2.2.1 微型钢管桩超前支护技术研究现状24-25
- 2.2.2 预应力锚杆柔性支护技术研究现状25-26
- §2.3 超前钢管桩复合预应力锚杆支护构造26-28
- §2.4 微型钢管桩复合预应力锚杆支护施工工艺28-30
- 2.4.1 微型钢管桩施工28-29
- 2.4.2 预应力锚杆施工29-30
- §2.5 预应力锚杆柔性支护与土钉支护的比较30-33
- 2.5.1 锚杆与土钉的概念30
- 2.5.2 预应力锚杆与土钉支护的异同点30-32
- 2.5.3 两者的工程应用比较32-33
- 第三章 土体本构模型和数值模拟方法简介33-51
- §3.1 土体的本构模型33-39
- 3.1.1 Mohr-Coulomb模型和屈服准则33-35
- 3.1.2 Drucker-Prager模型和屈服准则35-38
- 3.1.3 两种模型的比较分析38-39
- §3.2 数值模拟软件介绍39-51
- 3.2.1 FLAC~(3D)的优缺点39-40
- 3.2.2 FLAC~(3D)基本原理40-51
- 第四章 基坑开挖支护模拟模型的确定51-59
- §4.1 本构模型的选取51-52
- §4.2 计算模型与边界条件52
- 4.2.1 基坑开挖影响范围52
- 4.2.2 模型的边界条件52
- §4.3 基本网格单元和构件模型的选取52-56
- 4.3.1 基本网格单元的选取52-53
- 4.3.2 钢管桩结构单元53-55
- 4.3.3 预应力锚杆结构单元55-56
- 4.3.4 喷射混凝土面层结构单元56
- §4.4 土体的初始应力场模拟56-57
- §4.5 开挖土体受力状态分析57-58
- §4.6 基坑开挖支护模拟过程58-59
- 第五章 基于RBF神经网络的位移反分析59-63
- §5.1 基坑位移反分析的适定性59-60
- §5.2 基于神经网络的参数反演方法60-62
- §5.3 基坑位移反分析的径向基函数(RBF)神经网络62-63
- 第六章 工程实例分析63-87
- §6.1 工程概况及地质条件63-64
- 6.1.1 工程概况63
- 6.1.2 工程地质及水文地质条件63-64
- 6.1.3 环境条件及力学性能指标64
- §6.2 支护结构设计及沉降监测64-67
- 6.2.1 支护方案选择64-65
- 6.2.2 典型断面设计65-66
- 6.2.3 位移监测成果66-67
- §6.3 模型和参数设置67-72
- 6.3.1 三维几何模型的建立67-69
- 6.3.2 岩土体及支护构件参数设置69-70
- 6.3.3 分步开挖支护计算模型70-72
- §6.4 数值模拟计算72-78
- 6.4.1 初始地应力场的生成72-73
- 6.4.2 无支护开挖位移分析73-74
- 6.4.3 分步开挖水平位移分析74-75
- 6.4.4 分步开挖垂直位移分析75-77
- 6.4.5 模拟结果分析77-78
- §6.5 影响基坑变形与稳定的因素分析78-87
- 6.5.1 灵敏度分析78-79
- 6.5.2 岩土体参数的影响79-82
- 6.5.3 预应力锚杆参数的影响82-84
- 6.5.4 钢管桩参数的影响84-85
- 6.5.5 施工工艺的影响85-87
- 第七章 结论及展望87-89
- §7.1 结论87-88
- §7.2 展望88-89
- 致谢89-90
- 参考文献90-93
