水泥土连拱支护结构的数值模拟及性状分析

论文摘要

水泥土连拱支护结构是近年来才开始应用的一种深基坑围护结构形式，拱壁由水泥土搅拌桩依拱形排列而成，拱脚处设置钻孔灌注桩作为拱壁支撑。与一般直线型受弯围护结构相比，该结构在受力、变形控制、工程造价、工期、是否占红线外地下空间等各个方面都具有很强的技术优势。工程实际应用表明，这种围护结构的变形较一般直线型围护结构要小，拱壁主要受压力的作用，能充分发挥水泥土材料的受压性能，受力合理，成本低。目前，已有不少关于该支护结构的研究，提出了多种关于该支护结构的设计计算方法，但是基本都存在三个不足，①预先假定了支护结构上的土压力大小及分布形式，没有考虑土压力与支护结构变形之间的相互影响；②认为土压力完全通过拱体传递到拱脚桩上，没有考虑拱形支护结构竖向受弯后的向下传力的情况③引入了较多的简化和假定，不能更加准确的贴近实际情况。本文在总结前人研究的基础上，对水泥土连拱支护结构进行了空间受力分析及三维有限元数值模拟，主要研究内容如下：(1)为研究拱形水泥土支护结构的工作机理，对该结构进行了空间受力分析，证实了结构在土压力作用下存在的水平向与竖向的荷载分担情况；(2)首次提出了水平拱体及竖向拱体的概念，并以竖向拱体的拱脚及水平拱单元体的拱脚变形协调为出发点，推导了土压力在两方向的分配关系；基于最不利内力提出了水平拱体开挖面处土压力分担系数的概念；在此基础上，以应力强度理论为基础，推导了该支护结构新的设计计算模式；(3)在理论分析的基础上，采用数值分析的方法，利用有限元工具建立水泥土连拱支护结构的三维模型，考虑支护结构与土的共同作用，以及支护结构的三维边界条件，对该结构进行数值模拟。通过对计算结果的分析，研究该支护形式受力后的水平侧移情况、基坑沉降及隆起情况、墙后土压力沿竖向及沿水平向的分布形式，研究了水泥土拱的空间应力状态，以及拱脚桩的荷载承担情况，进而计算并得到了土压力在水平向和在竖向的分配比。(4)对水泥土连拱支护结构进行了系统的工作性状研究，探讨了支护结构设计参数的变化对基坑支护效果的影响。分析了拱体矢高、拱跨度、拱壁厚度、拱脚桩尺寸、水泥土拱深度、拱脚桩长度等对支护效果的影响，指出了该结构设计时各技术参数的合理取值，为工程应用提供了理论指导。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 水泥土连拱支护结构研究现状
• 1.2.1 连拱式水泥土支护结构简介
• 1.2.2 水泥土连拱支护结构计算方法现状
• 1.2.3 水泥土连拱支护结构研究成果现状
• 1.3 问题的提出和本文的研究内容
• 第2章 基坑支护基本理论及有限元简介
• 2.1 土压力理论
• 2.1.1 Coulomb土压力理论
• 2.1.2 Rankine土压力理论
• 2.2 基坑支护计算方法
• 2.2.1 极限平衡法
• 2.2.2 弹性抗力法
• 2.2.3 数值模拟计算法
• 2.3 有限元简介
• 2.4 ANSYS简介
• 第3章 水泥土连拱支护体系的受力分析及设计计算方法
• 3.1 水泥土连拱支护结构受力分析
• 3.2 土压力的分配
• 3.3 连拱支护结构设计计算方法
• 3.3.1 连拱支护结构水平向设计计算
• 3.3.2 支护结构竖向设计计算
• 3.3.3 应力控制条件
• 3.3.4 稳定性验算
• 3.4 本章小结
• 第4章 水泥土连拱支护结构的三维有限元分析
• 4.1 有限元模型的建立
• 4.1.1 基坑概况
• 4.1.2 土体本构模型
• 4.1.3 接触面模型
• 4.1.4 水泥土本构模型
• 4.1.5 有限元模型
• 4.2 有限元计算结果及分析
• 4.2.1 坐标方向及符号规定
• 4.2.2 基坑水平位移分析
• 4.2.3 基坑竖向位移分析
• 4.2.4 支护结构整体位移分析
• 4.2.5 拱脚桩的弯矩及变形分析
• 4.2.6 土压力竖向分布分析
• 4.2.7 土压力水平面内分布分析
• 4.2.8 水泥土拱分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 水泥土连拱支护结构的性状分析
• 5.1 算例设计
• 5.2 研究内容
• 5.3 计算结果及分析
• 5.3.1 拱跨的影响
• 5.3.2 拱高的影响
• 5.3.3 拱厚的影响
• 5.3.4 拱脚桩桩径的影响
• 5.3.5 基坑深度的影响
• 5.3.6 拱深度的影响
• 5.3.7 拱脚桩长度的影响
• 5.4 本章总结
• 第6章 结论与建议
• 6.1 主要结论
• 6.2 开展进一步工作的建议
• 参考文献
• 致谢