土钉墙支护结构的作用机理及面层受力分析研究

论文摘要

土钉支护技术已被广泛应用于深基坑、边坡加固等工程项目中,国内外对其已进行大量研究,但还未形成较完整的设计分析方法,尤其对土钉墙面层的作用机理和受力分析的研究都比较少。在众多文献资料和土钉墙的设计规范中都简单的把面层作为构造处理不考虑其作用,面层的设计方法和施工多采用经验方法，这给土钉墙支护结构的安全稳定带来了不利的因素。鉴于此,本文主要研究内容为：(1)讨论了土钉支护结构的形成、发展和研究现状,对土钉支护结构的作用机理进行综述,分析了土钉支护技术现有的研究工作的不足。(2)根据土钉支护结构的特点,总结前人研究成果的基础上,通过土钉拉拔试验理论解析和土拱效应分析等方面来探讨土钉的作用机理,并系统的总结了面层的作用机理。参照钢筋混凝土板的理论,给出面层弯曲破坏和冲切破坏的极限承载力计算公式。(3)基于弹性地基梁的假定条件,建立了面层、土钉和土体三者相互协同作用的计算模型,通过利用有限差分法和边界条件的处理,推导出面层内力计算公式,并且采用MATLAB编制了相应的计算程序。通过工程实例的计算和设计分析,结果表明：面层弯矩曲线为非均匀曲线,体现了土钉钉头对柔性面层的拉结作用,与面层的实际受力情况比较符合,同时也说明提出的计算分析方法和程序是可行的。提出的面层内力计算方法,可以利用工程实践中大量的土体力学参数和土钉拉拔试验实测数据,并借助编制的计算程序比较容易的计算出面层内力和位移,从而可以为面层的设计和施工提供有效的参考依据。(4)利用大型有限元ADINA软件,分别建立了局部三维有限元和二维有限元计算模型,通过模拟和对比分析,对土钉面层的作用机理进行分析研究。主要研究成果有：土钉支护结构中,面层的存在可以有效减少基坑的水平位移,平衡由于开挖造成土体内应力场的改变,充分发挥各排土钉潜在效用,协调各排土钉受力,但对基坑及其附近土体的竖向位移影响不明显。面层弯矩数值计算结果与文中所提出的理论计算方法比较吻合,同时也说明本文的计算方法的正确性和合理性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 土钉支护技术概述
• 1.2.1 土钉支护的定义及特点
• 1.2.2 土钉支护技术的适用条件
• 1.2.3 土钉支护工作机理简述
• 1.3 土钉支护技术发展概述
• 1.4 土钉支护技术的研究现状
• 1.4.1 土钉支护的国外研究现状
• 1.4.2 土钉支护的国内研究现状
• 1.5 存在的问题
• 1.6 本文的主要研究内容
• 第2章 土钉墙支护结构的作用机理
• 2.1 土钉支护的基本构造
• 2.1.1 土钉
• 2.1.2 面层
• 2.1.3 排水系统
• 2.2 土钉支护结构的支护机理
• 2.2.1 土钉的支护机理
• 2.2.2 面层的作用机理
• 2.3 土钉墙的破坏模式
• 2.4 小结
• 第3章 土钉墙面层受力模型分析研究
• 3.1 引言
• 3.2 温克尔地基模型
• 3.2.1 微分方程及其通解
• 3.2.2 集中力作用下的解
• 3.2.3 弯矩作用下的解
• 3.2.4 Winkler弹性地基上有限长梁的弯曲
• 3.3 面层的计算方法
• 3.3.1 机动位移法
• 3.3.2 有限长梁法
• 3.4 本文的面层内力计算方法
• 3.4.1 面层内力计算
• 3.4.2 计算参数的确定
• 3.4.3 土层参数的确定
• 3.4.4 工程算例分析
• 3.5 小结
• 第4章 土钉支护结构的有限元理论基础
• 4.1 有限元法及ADINA软件介绍
• 4.1.1 有限元法介绍
• 4.1.2 ADINA软件介绍
• 4.2 土体本构模型及材料模型
• 4.2.1 Mohr-Coulomb弹塑性模型
• 4.2.2 Drucker-Prager弹塑性模型
• 4.2.3 破坏及屈服准则
• 4.2.4 钢材的本构关系
• 4.3 土钉支护中单元类型
• 4.3.1 实体单元
• 4.3.2 杆单元
• 4.3.3 梁单元
• 4.3.4 接触面单元
• 4.4 有限元分析的过程
• 4.4.1 基本步骤
• 4.4.2 初始地应力处理方法
• 4.4.3 开挖荷载
• 4.4.4 分步开挖与支护施工过程的模拟
• 第5章 土钉支护结构的面层有限元模拟与分析
• 5.1 引言
• 5.2 参考算例的描述
• 5.2.1 计算基本假定
• 5.2.2 参考算例的概况
• 5.2.3 有限元模型的建立
• 5.3 有无面层的对比分析
• 5.3.1 位移场比较
• 5.3.2 土钉轴力比较
• 5.4 面层水平位移
• 5.5 面层内力分析
• 5.5.1 有限元模型的建立
• 5.5.2 内力计算结果
• 5.6 小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录