大深度气压沉箱技术的力学机理研究

论文摘要

由于气压沉箱工法在深基础建设中有着诸多的优点而被越来越多的用于摩天大楼、大跨度桥梁、大深度地铁站、地下油库、大型水电站等设施的深基础建设中。但因该工法所需设备昂贵,技术要求高,因此,在当今世界上,气压沉箱技术仅为极少数发达国家所掌握。新时期,特别是上世纪九十年代以后,我国还没有应用该工法进行深基础建设的工程先例。因此,本文将以上海市轨道交通7号线南浦站至耀华站区间中央风井样本工程为背景,从室内试验、理论研究、数值模拟和现场实测分析四个方面入手,对气压沉箱下沉过程的力学机理进行系统研究。主要包括以下几个方面:1.对气压沉箱施工现场具有代表性的砂质粉土进行室内试验研究。利用高级静力三轴系统,对砂质粉土进行等向压缩不排水三轴试验、K0固结条件下不排水三轴试验和气压存在条件下非饱和土的三轴剪切试验,分析了在不同条件下砂质粉土的剪切强度、应力应变关系、土体的有效应力路径等关键物理力学参数的不同特性及其变化规律,得出了施工现场的砂质粉土的静止土压力系数K0值,为环形刃脚基础的极限承载力理论研究和气压沉箱下沉施工过程的动态数值模拟提供参数。2.沉箱的环形刃脚基础下土体的极限承载力问题是气压沉箱设计与施工的关键问题。只有准确确定了环形刃脚基础下土体的极限承载力,才能合理选择刃脚的结构和宽度设计,从而保证沉箱能够顺利下沉。本文分别采用滑移线法和有限差分法,对环形刃脚基础的极限承载力进行了研究。研究了环形基础的内外径之比和内摩擦角对环形基础的极限承载力的影响,得出了工程中不同工况条件下沉箱环形刃脚基础的极限承载力及其分布形式,为沉箱的结构设计和施工提供理论依据。3.对气压沉箱施工下沉过程进行了数值模拟。利用有限元法,采用试验室试验所获得土体物理力学参数,对沉箱施工下沉过程进行数值模拟计算,分析了在各种不同工况条件下沉箱下沉过程中其周边土体的土压力及其对周边环境的影响,并在后续章节中对数值计算结果和实测结果进行了比较,可为今后同样或类似工程提供借鉴。4.对气压沉箱的结构内力与变形以及沉箱下沉时对周围环境的影响进行了全面系统地监测。对不同工况条件下实测所得沉箱刃脚土压力、沉箱侧壁土压力和侧壁摩阻力以及周围土体的侧移和沉降进行了整理分析,揭示了新型气压沉箱的变形特性,评价了沉箱下沉对周边环境的影响,从而确保结构本身的安全并保证周边的环境的变形在可控范围内,并指导沉箱施工。也为今后同类工程的设计和施工提供了借鉴,为学科的发展积累了宝贵的原始资料。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 国内外关于气压沉箱分析方法的研究
• 1.2.1 气压沉箱基本原理
• 1.2.2 国内外发展研究状况
• 1.2.3 沉箱工艺与沉井工艺的比较
• 1.3 气压条件下土体物理力学参数研究状况
• 1.3.1 土体抗剪强度
• 1.3.2 非饱和土的研究
• 1.4 基础极限承载力研究状况
• 1.5 本文的主要创新之处
• 1.6 本文研究的主要内容
• 第二章 土体物理力学参数室内试验研究
• 2.1 引言
• 2.2 GDS 的组成及其功能简介
• 2.2.1 系统组成及特点
• 2.2.2 功能简介
• 2.2.3 主要试验模块
• 2.3 各向等压固结不排水三轴试验
• 2.3.1 试验方法
• 2.3.2 试验结果分析
• 0 固结三轴试验'>2.4 K₀固结三轴试验
• 0 固结的意义'>2.4.1 K₀固结的意义
• 0 固结试验'>2.4.2 K₀固结试验
• 2.4.3 试验方法
• 2.4.4 试验结果分析
• 2.5 非饱和土常含水量试验
• 2.5.1 试验方法
• 2.5.2 气压条件下常水量试验
• 2.5.3 非饱和砂质粉土试验应变速率的选择
• 2.5.4 试验方法
• 2.5.5 试验结果分析
• 2.6 结论
• 第三章 刃脚基础极限承载力研究
• 3.1 引言
• 3.2 滑移线法
• 3.2.1 滑移线法基本原理
• 3.2.2 下沉过程中刃脚基础承载力计算
• 3.3 有限差分法
• 3.3.1 有限差分基本原理
• 3.3.2 刃脚基础的极限承载力及分布
• 3.4 滑移线法与有限差分法计算结果的比较
• 3.5 结论
• 第四章 气压沉箱施工过程的有限元数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 ABAQUS 简介与算法
• 4.2.1 ABAQUS 简介
• 4.2.2 接触面算法
• 4.2.3 摩擦类型
• 4.3 建立有限元模型
• 4.4 参数选取和计算荷载步
• 4.5 主要计算结果
• 4.6 结论
• 第五章 大深度气压沉箱施工过程监测与受力特性分析
• 5.1 引言
• 5.2 工程介绍
• 5.2.1 工程概述
• 5.2.2 地质条件
• 5.3 现场监测项目及测点布置
• 5.3.1 现场监测项目
• 5.3.2 监测方法和仪器
• 5.3.3 监测点布置
• 5.3.4 观测频率及报警值
• 5.4 监测结果与分析
• 5.4.1 施工工况
• 5.4.2 刃脚土压力监测结果与分析
• 5.4.3 侧壁土压力
• 5.4.4 侧壁摩阻力
• 5.4.5 钢筋内力
• 5.4.6 土体侧斜
• 5.4.7 地表沉降
• 5.5 监测结果与计算结果比较
• 5.5.1 刃脚土压力计算结果与测试结果分析
• 5.5.2 侧向土压力和侧壁摩阻力计算结果与测试结果分析
• 5.5.3 地表沉降计算值与实测结果对比分析
• 5.6 结论
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者攻读博士学位期间完成的学术论文