软土地基超大型基坑变形控制方法研究

论文摘要

软土地基超大型基坑工程的关键所在是基坑的变形控制,变形控制主要与围护体系选型和施工方法的选择有关,其涉及到许多因素,因此需要通过研究才能获得合理的设计和施工参数。本文以铁路上海南站南广场主基坑为背景,通过室内土工离心模拟试验、数值分析计算方法结合现场实测资料针对围护体系和施工方法带来的相关工程问题进行系统研究,涉及土坡在施工期的蠕变变形规律、影响土体蠕变的因素、预留土台的大小和作用以及土块的跳挖方法,主要研究工作、成果和结论包括:(1)根据软土超大型基坑的变形特点,研究分析了围护体系和施工方法的选择及其所带来的问题,指出了软土超大型基坑变形控制的关键在于合理的设计和施工参数。(2)通过离心试验对土坡的蠕变变形进行了模拟分析,在此基础上,根据土体的剪切蠕变特性、采用等效应力和时间的分维数描述土体的蠕变方程,结合现有的上海地区软土的蠕变试验曲线,拟合出蠕变计算参数;采用时间硬化模型对该基坑放坡和围护相结合的施工过程中土坡的蠕变变形、剪应力松弛和蠕应变变化规律进行了计算分析,结果表明采用幂指数形式的蠕变方程进行软土放坡开挖基坑土坡长期暴露下的蠕变计算是可行的。此外,对临近基坑的超载大小和位置、围护结构背后的防渗墙的宽度和高度、中板支撑与否对土坡蠕变的影响规律进行了计算分析,为超大型软土基坑施工参数的优化设计提供了依据。(3)为有效控制超大型基坑施工过程中的变形,针对比选工法后带来的预留土台宽度、开挖顺序等问题进行了离心模拟试验和数值计算分析。研究分析了预留土台在控制大面积软土基坑变形中的作用机理,推导了土台临界宽度的计算公式以及连续墙水平变形与土台宽度之间的关系;采用有限元模拟方法,通过基坑变形、连续墙的受力和变形对比,计算分析了中心岛土块、预留土台的开挖顺序,对于软土超大型基坑中心岛法结合部分逆作的施工方法具有一定的指导意义。(4)根据前述研究结果,结合大量工程经验,总结提出了三种较适合于软土超大型基坑的设计施工方案,并从控制开挖对周围环境的影响和基坑自身的变形控制两个方面,分析总结了软土地基超大型基坑变形控制的一些关键措施。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 概述
• 1.1 问题的提出
• 1.1.1 软土地基大型基坑工程的特点
• 1.1.2 基坑工程的变形控制要求
• 1.1.3 控制变形的手段
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 基坑工程的研究方法
• 1.2.2 研究的主要方向
• 1.2.3 软土大型基坑的研究现状
• 1.2.4 超大型软土基坑尚存在的问题
• 1.3 本文主要研究内容和方法
• 1.3.1 研究背景
• 1.3.2 主要研究内容
• 1.3.3 研究方法
• 第2章 软土地区超大型基坑的围护体系与施工方法的选择
• 2.1 软土大型基坑开挖的变形特征
• 2.1.1 软土开挖卸载的变形特征
• 2.1.2 软土基坑卸载的变形特征
• 2.2 软土大型基坑围护体系与施工方法的选择
• 2.2.1 围护体系的选择
• 2.2.2 开挖方式
• 2.2.3 本工程的围护体系及开挖方式
• 2.2.4 围护体系和开挖方式的选择所带来的问题
• 2.3 小结
• 第3章 无支护土坡长期变形的离心试验模拟
• 3.1 土坡长期变形的机理分析
• 3.1.1 软粘土的流变性
• 3.1.2 蠕变的类型及变化规律
• 3.2 离心模型试验原理
• 3.2.1 应力水平的相似
• 3.2.2 时间的相似
• 3.3 试验设备与试验方案
• 3.3.1 离心机简介
• 3.3.2 断面选取
• 3.3.3 模型率的确定
• 3.3.4 土样制备
• 3.3.5 地下连续墙的模拟
• 3.3.6 试验过程中所需注意的几个问题
• 3.4 试验过程
• 3.5 试验结果及分析
• 3.6 小结
• 第4章 土坡长期变形的数值模拟及影响因素分析
• 4.1 软土蠕变的计算模型
• 4.1.1 蠕变方程
• 4.1.2 土的蠕变模拟在ANSYS中的实现
• 4.2 无支护放坡开挖后土坡的长期变形计算
• 4.2.1 计算模型
• 4.2.2 计算结果分析
• 4.3 中板支撑作用对土坡蠕变的影响
• 4.3.1 计算模型
• 4.3.2 计算结果分析
• 4.4 超载对土坡蠕变的影响
• 4.4.1 计算方案
• 4.4.2 计算结果分析
• 4.4.3 本节主要分析结论
• 4.5 搅拌桩防渗墙对土坡蠕变的影响
• 4.5.1 计算方案
• 4.5.2 计算结果分析
• 4.5.3 搅拌桩防渗墙合理宽度及深度的确定
• 4.6 小结
• 第5章 大型基坑开挖方式的研究
• 5.1 基坑开挖的有限元模拟理论
• 5.1.1 杆系有限元和连续介质有限元法
• 5.1.2 开挖过程的仿真分析
• 5.1.3 边界条件及计算范围
• 5.2 中心岛土块合理的跳挖工序研究
• 5.2.1 计算方案的确定
• 5.2.2 方案一的基坑变形及连续墙内力模拟结果
• 5.2.3 方案二的基坑变形及连续墙内力模拟结果
• 5.2.4 方案三的基坑变形及连续墙内力模拟结果
• 5.2.5 三种方案对比分析
• 5.3 预留土台合理宽度的研究
• 5.3.1 土台作用机理分析
• 5.3.2 预留土台宽度及土体强度指标对基坑变形影响的离心模型试验研究
• 5.3.3 土台预留宽度的数值分析
• 5.4 预留土台跳挖顺序的三维有限元分析
• 5.4.1 计算方案
• 5.4.2 计算结果分析
• 5.5 小结
• 第6章 软土地基超大型基坑变形控制方法
• 6.1 基坑自身的变形控制
• 6.2 控制对周边环境的影响
• 6.3 软土超大型基坑三种典型的设计施工方案
• 6.3.1 方案一:放坡+防渗墙+预留土台半逆作法
• 6.3.2 方案二:重力式挡墙+减压平台+预留土台半逆作法
• 6.3.3 方案三:预留土台+"明暗"结合逆作法
• 6.4 小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及科研成果