客运专线隧道浅埋段长大深基坑支护优化与空间效应研究

论文摘要

随着大量高层、超高层建筑以及地下工程的不断涌现,对基坑工程的要求越来越高,出现的问题也越来越多,这就促使工程技术人员以新的眼光去审视基坑工程这一古老课题。本论文以武广客运专线上的金沙洲隧道明挖段基坑为工程实例,分别采用工程类比、数值仿真、理论分析等手段,对长大深基坑支护结构及施工方法进行了优化研究,推导了空间效应的简化计算方法,并对其主要影响因素进行了敏感性分析。主要研究内容有:(1)在广泛文献调研及类似工程分析的基础上,对目前长大深基坑工程所采用的主要计算分析方法的特点与适用性进行了具体研究,总结了类似条件下,基坑支护各参数的可行域,从工程类比的角度给出了初步优化目标。(2)采用弹性地基杆系有限元法对金沙洲隧道的原设计方案进行了计算和分析,得出原设计相对保守,具有较大优化空间的结论。(3)逐次建立了支护结构优化设计多目标函数,初步确定了支护参数的最优量值;并通过理论探讨、施工组织及对环境的影响分析了三种可行施工方案的优缺点;首次提出了充分利用施工空间效应的“滚动式”施工方法及支护参数。(4)以某既有的工程实测数据为依据,进行了多种计算程序的对比研究,确定了与实测值最为吻合的计算程序。据此对优化设计进行了详细的平面非线性分析,得出了支护结构、土体在各施工阶段的受力与变形规律,并对基坑的稳定性进行了初步判断。(5)进一步建立空间三维模型,深入了解了基坑施工过程中,支护结构、土体的应力、应变性态及其空间分布状况,并对基坑的安全性进行了进一步的判定。(6)基于相关联流动法则及塑性上限理论,以纯剪型、拉裂—剪切型两种三维破坏模式为基础,引入了等代内摩擦角的概念,首次推导了粘性土条件下长大深基坑空间效应的简化计算方法,给出了计算公式及算例分析,结果表明计算可靠,可作为类似工程的设计参考。最后,对长大深基坑空间效应的主要影响因素(基坑尺寸、冠梁及围檩刚度和地质条件)进行了敏感性分析,得出了相关变化规律,并在对空间效应系数统计的基础上,提出了三维状态时各物理量的计算经验公式。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 研究意义
• 1.3 国内外研究现状及工程实例
• 1.3.1 深基坑支护理论与计算方法
• 1.3.2 深基坑支护优化方法
• 1.3.3 类似工程实例
• 1.4 主要内容研究
• 第二章 工程概况及原设计方案检算
• 2.1 工程概况
• 2.1.1 概述
• 2.1.2 地质概况
• 2.1.3 基坑支护设计
• 2.1.4 施工方法
• 2.2 原设计方案检算
• 2.2.1 计算方法及原理简介
• 2.2.2 原设计围护结构内力及变形计算
• 2.3 本章小结
• 第三章 长大深基坑支护结构及快速施工优化设计
• 3.1 支护结构（支护参数）优化
• 3.1.1 确定横撑的相对最佳位置
• 3.1.2 确定横撑的竖向相对最佳间距
• 3.1.3 确定合理（较优）的横撑道数
• 3.1.4 优化设计结果
• 3.2 快速施工方法优化
• 3.2.1 施工方法
• 3.2.2 施工方法的优化
• 3.3 本章小结
• 第四章 长大深基坑施工平面非线性有限元分析
• 4.1 四种计算程序简介
• 4.1.1 有限差分法——FLAC程序算法基本原理简介
• 4.1.2 MIDAS/GTS程序简介
• 4.1.3 弹性地基梁杆系有限元法计算原理简介
• 4.2 参照工程概况
• 4.3 模型的建立及求解
• 4.3.1 计算参数的选取
• 4.3.2 本构模型的选取
• 4.3.3 计算模型的建立
• 4.3.4 计算工况
• 4.3.5 计算结果及分析
• 4.4 金沙洲隧道深基坑开挖平面非线性有限元分析
• 4.4.1 模型的建立
• 4.4.2 土体稳定性分析
• 4.4.3 围护结构稳定性分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 长大深基坑施工空间非线性有限元分析
• 5.1 模型的建立
• 5.1.1 计算模型与范围
• 5.1.2 单元类型及破坏准则的选取
• 5.1.3 初始地应力场
• 5.1.4 边界条件
• 5.1.5 计算工况的划分（以桩顶为0.0高程）
• 5.1.6 计算参数选取
• 5.1.7 荷载的施加
• 5.1.8 有限元模型
• 5.2 土体稳定性分析
• 5.2.1 坑周土体位移
• 5.2.2 基底土体位移
• 5.2.3 土体应力
• 5.2.4 土体安全系数
• 5.2.5 主要结论
• 5.3 围护结构稳定性分析
• 5.3.1 桩身强度及变形
• 5.3.2 横撑稳定性
• 5.3.3 混凝土冠梁
• 5.3.4 工字钢围檩
• 5.3.5 主要结论
• 5.4 本章小结
• 第六章 长大深基坑施工支护结构的空间效应探讨
• 6.1 二维、三维计算结果对比分析
• 6.2 长大深基坑施工支护结构空间效应的简化计算方法探讨
• 6.2.1 基本概念
• 6.2.2 深基坑坑壁土体破坏模式
• 6.2.3 深基坑施工支护结构空间效应简化计算方法推导
• 6.2.4 算例分析
• 6.3 长大深基坑施工支护结构空间效应影响因素研究
• 6.3.1 基坑尺寸
• 6.3.2 冠梁及围檩刚度
• 6.3.3 地层条件
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论及展望
• 7.1 主要研究成果
• 7.1.1 支护优化
• 7.1.2 快速施工
• 7.1.3 空间效应分析
• 7.2 主要创新点
• 7.3 存在的问题及进一步研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表论文及科研情况