北京地铁十号线某深基坑复合土钉支护与机理研究

论文摘要

复合土钉支护技术,克服了土钉支护的局限性,因其经济可靠、快速简便的特点,在深基坑开挖施工中得到愈来愈多的应用。目前,复合土钉支护的理论研究落后于工程实践。有限元分析方法用于支护研究的主要困难在于选择合适的计算模型和输入参数。结合实际工程,探讨模拟技术的关键问题,把数值模拟和实测数据结合起来,利用有限元分析方法研究支护工程的变形和力学特征,对复合土钉支护技术的理论研究,支护设计方案的选择和技术论证具有重要的意义。作者总结前人在复合土钉支护方面的研究成果,以北京地铁十号线某基坑工程为基础,选择合适的参数、建立有限元模型、进行数值模拟、比较模拟和实测结果,对深基坑复合土钉支护进行了探讨研究。主要创新工作有以下几部分:（1）在查阅和总结前人研究成果的基础上,采用Drucker-Prager模型作为土体的本构模型;通过建立点-面接触对,选择合适单元参数模拟土钉和预应力锚杆锚固段与土体的接触;利用约束方程模拟土体与面层接触;用ANSYS软件初始应力的“读”“写”功能来实现初始地应力的输入;锚杆和土钉等杆件的预应力,则是通过在定义杆单元实常数时,赋予初始应变的方式来实现。这些问题对模拟的有效性是十分关键的,研究成果有助于模拟技术的发展。（2）利用ANSYS软件建立模型,模拟分析不同工况条件下实际工程的变形特征。研究表明,对普通土钉施加适当的预应力有利于控制基坑的水平位移;坑壁水平位移和基坑隆起位移之间存在一定的耦合关系。预应力土钉支护方案技术上是可行的,为实际工程支护方案的选择提供了依据,可降低工程造价。（3）模拟分析了支护结构的内力分布和变化特征,预应力因素的影响。预应力锚杆设置在1/3H（基坑深度）深度处,既可以有效地控制坑顶和坑壁中部的水平位移,又能最好地发挥其支撑作用。土钉的受力具有开挖效应,工程应用中应该及时安置土钉以使土钉尽快发挥作用,减小基坑开挖过程中的基坑变形。（4）实例工程的施工技术和监测数据的分析表明,基坑变形在容许值范围内,变形和力学特征与模拟结果相吻合。地表沉降和土钉拉力的增长集中在开挖阶段,最危险时期在开挖阶段,地表沉降最危险地段在1-1.5倍深度距离以内。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 基坑工程的认识
• 1.2 深基坑支护研究现状
• 1.3 复合土钉技术研究现状和存在的问题
• 1.4 主要研究内容
• 2 深基坑复合土钉支护方法
• 2.1 基坑支护概述
• 2.1.1 基坑支护工程的主要内容
• 2.1.2 基坑支护工程的主要特点
• 2.1.3 基坑支护方法
• 2.2 土钉支护技术
• 2.2.1 土钉技术的发展
• 2.2.2 土钉的适用条件
• 2.2.3 土钉的作用机理
• 2.2.4 土钉支护的优点和局限性
• 2.3 复合土钉支护技术
• 2.3.1 复合土钉技术的产生
• 2.3.2 复合土钉墙的型式
• 2.3.3 复合土钉的构造
• 2.3.4 复合土钉的作用
• 2.3.5 预应力土钉和预应力锚杆的作用机理
• 3 复合土钉有限元分析
• 3.1 理论分析方法
• 3.1.1 极限平衡法
• 3.1.2 工程简化分析法
• 3.1.3 经验设计法
• 3.1.4 有限元法
• 3.1.5 土钉支护有限元分析中应注意的问题
• 3.2 土体本构模型的讨论
• 3.2.1 土体本构模型概述
• 3.2.2 Mohr－Coulomb 模型
• 3.2.3 D－P 模型
• 3.2.4 硬化准则
• 3.2.5 流动规则
• 3.2.6 塑性体积应变和剪胀性
• 3.3 有限元基本方程
• 3.3.1 等参单元
• 3.3.2 几何方程
• 3.3.3 单元刚度矩阵
• 3.3.4 整体刚度矩阵
• 3.3.5 等效节点力
• 4 基于ANSYS 有限元程序复合土钉研究
• 4.1 ANSYS 软件介绍
• 4.1.1 ANSYS 有限元程序主要技术特点
• 4.1.2 ANSYS 有限元分析过程
• 4.2 土体与复合土钉支护结构的接触问题
• 4.2.1 接触面单元模型
• 4.2.2 土体与土钉之间的接触
• 4.2.3 土体与面层接触问题的讨论
• 4.3 土体初始应力和支护结构预应力
• 4.3.1 土体初始应力
• 4.3.2 预加轴力的模拟
• 5 深基坑复合土钉结构研究
• 5.1 工程基本情况介绍
• 5.1.1 土钉支护在北京地区基坑工程的应用情况
• 5.1.2 工程岩土条件与基坑支护结构形式
• 5.2 建模与网格划分
• 5.2.1 假设条件
• 5.2.2 几何模型
• 5.2.3 单元选择
• 5.2.4 定义实常数和材料本构模型
• 5.2.5 网格划分和边界约束
• 5.3 施工过程模拟和工况介绍
• 5.3.1 施工过程模拟
• 5.3.2 工况介绍
• 5.4 基坑变形分析
• 5.4.1 坑壁水平位移
• 5.4.2 地面沉降
• 5.4.3 坑底隆起
• 5.5 土钉和锚杆轴力分析
• 5.5.1 纯土钉支护条件下的土钉轴力
• 5.5.2 复合土钉（预应力锚杆+土钉）轴力特征
• 5.6 锚杆预应力因素研究
• 5.6.1 锚杆预应力因素对坑壁水平位移的影响
• 5.6.2 锚杆预应力因素对地面沉降的影响
• 5.6.3 锚杆预应力因素对基坑隆起的的影响
• 5.6.4 锚杆预应力因素对锚杆锚固段轴力的影响
• 5.6.5 锚杆预应力因素对各层土钉轴力的影响
• 6 实例工程的实施与监测分析
• 6.1 设计方法简介
• 6.2 工程实施
• 6.2.1 结构设计
• 6.2.2 结构施工
• 6.3 工程监测
• 6.3.1 监测目的和项目
• 6.3.2 监测设计原则
• 6.3.3 监测点布置
• 6.3.4 控制值和监测频率
• 6.3.5 数据处理及反馈
• 6.4 监测结果分析
• 6.4.1 地面沉降监测
• 6.4.2 坑壁水平位移监测
• 6.4.3 土钉拉力监测
• 7 结论和建议
• 致谢
• 参考文献