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深基坑开挖过程数值模拟与支护参数优化

日期:2022年04月02日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:147
论文价格:150元/篇 论文编号:lw202111191454034308 论文字数:49666 所属栏目:土木工程论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis
相关标签:土木工程论文

本文是一篇土木工程论文,本文对昆明市某基坑工程建立三维有限元模型,通过数值模拟研究基坑围护结构以及基坑周围地表沉降的变形规律,验证模型可靠性后进行变量分析,随后使用正交试验法结合数值模拟的方法优化设计参数,选取最优组合。


第一章  绪论


1.1    研究背景和意义

如今,随着城市化的建设规模不断扩大,各处可见高楼林立,轻轨纵横,但是现代城市的地上可用资源早已越发稀少,地下空间的开拓慢慢变成建筑行业的前进方向。不管是地下商城、车库、地铁,还是综合管廊、智慧城市等地下特征性建筑都在不断的建设中,且大多建立在高层或者超高层建筑的地下。随着人们对此类建筑的需求增多,城市地下资源利用的程度也将进一步的提高。如位于首都朝阳 CBD 的中国尊,其坑体深度为 40m,地下室有七层。位于深圳的恒大中心项目,基坑深度达到了 42.35m,刷新中国建筑新纪录。上海的中盛广场以及虹桥机场等基坑的开挖面积都高达 40 万平方米,并且此类建筑的基坑深度还在持续增加。因此,在这样热火朝天的发展形势下,基坑工程的建设迎来了机遇,步入了一个黄金时代,却同时也迎来了挑战。

随着基坑工程的不断发展,一些有待解决的问题也越发 突出。如在城市建筑环境下,周围人流量大,大多数是商业聚 集地,建筑物众多,并且大量的地下管线穿梭其中。随着建设规模的增大,深基坑的位置甚至已经与地铁隧道越发接近,除此之外基坑工程还会 受到城市地下水位的影响,因此,施工时要综合考虑周围情况,避免盲目施工。正因为以上诸多问题,对复杂环境下基坑开挖过程的研究才更有意义。

也正是因此,基坑工程 的建设要求变得更为严格,支护形式上也出现了多样化的发展趋势,如土钉墙、水泥搅拌桩、重力式挡墙、SMW 工法、两墙合一等等支护方法,在不同的土质情况下可以根据预算等条件综合选择合适的支护形式,然而支护结构的变形以及内力还受到 诸多因素的影响,例如:嵌固深度、刚度、尺寸大小等。

支护结构的变形还受到固有条件、设计人员、以及工程动工等因素的影响。固有影响因素包含有水文和工程地质条件;设计因素 包括支护形式、支护结构的嵌入深度、支撑预应力、支撑方案等,而且工程还受施工 、人员技术的误差影响。在城市中的基坑工程受到多方面的影响,在诸多因素的综合作用下,如果没有严谨合适的基坑方案设计,那将会使基坑的稳定性降低,甚至会导致基坑支护体系的损坏。


1.2  国内外研究现状

1.2.1  基坑工程支护技术的研究现状

李钦[1]研究了人工挖孔桩在基坑 工程的围护结构中的使用,并简述原理以及应用技术。

何广讷等[2]基 于概率 和模糊 概率分析 非确 值方法探讨 基坑支 护的稳 定性程度,以往的传统安全系数对于研究对象并不可以科学的、定量的、真实的进行反应。

徐杨青[3]对于深基坑应用桩 -锚支护结构的设计介绍了 2 种简便性与实用性高的计算方法,并且针对 2 种计算方法得到的结果进行比较,得出结论为设计优化主要是通过选择适当的计算模式和锚点位置。

李广信[4]经过 实践证 明研 究 了坑体支 护体 系通过监测 获得的 真实内 力大小与比使用经典土力学公式得到的结果数值较小的原因。并在土压力的计算方式和水-土相互作用这两个方向入手,对于水土压力“合算”和  “分算”,围绕这一难点开展了一定的分析。通过探讨得出在某些条件作用下下“水土合算”的土压力计算,或许需要具备一定的微观基础,并认为这个研究点需要短时间并不能得出结论,需要更长时间的探索。

莫海鸿等[5]研究了针对于基坑工程的支护桩结构进行一定优化设计的方法,并通过采用剪切扭转的有限元模式对圈梁进行计算。

李俊才等[6]通过对多种支护结构的工程实例进行探究与实践,对监测得到的结果进行深入发掘,研究了在同种外部环境的前提下,围护体系的选择和由于基坑外侧土体变形从而产生的时空效应的关系。

肖武权等[7]通过搜集资料,进行工程实践从而探讨针对于深基坑围护体系如何有效的进行优化设计,最终探究得出通过对于支护方案和结构的计算进行优化就可以有效避免工程危险。

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第二章  深基坑分析理论及工程实例分析


2.1  基坑支护形式

在基坑的施工过程中,需要合理的选择支护形式,支护结构保证着整个工程的安全与稳定,稍有疏忽就 有可能造成工程失稳。随着支护技术的不断发展,支护结构的形式也变得多种多样,从单一的支护结构到复杂的复合支护结构。常用的支护结构有以下几类:

(1)土钉墙支护

土钉墙支护是在天然土体上喷射混凝土,随后凝结成一个面板,可以形成一种与重力式挡墙相似的支护结构。这样可以抵挡墙后产生的土压力,从而保证开挖面的牢固和安全。土钉墙支护结构的整体配置主要为安放在坡体内的加筋杆件,主要包括两种:土钉或锚杆。常见的类型有三种:钻孔注浆型、直接打入型以及打入注浆型。

(2)SMW 工法

SMW 工法是一种在水泥土桩身里插入 H 型钢或钢管等结构构件的支护结构,构件与水泥的组合使得其承受荷载的能力与防水止水的特点相结合,最终形成了一种新型的支护形式,包含承载和抗渗两大作用。SMW 工法具有其他支护结构不具有的诸多优点:施工时产生的噪音小、结构的防水性能好,在某些特定情形下可以替代地连墙,但是 SMW 工法中插入的 H 型钢是可以回收的,因此SMW 工法的造价相比于地下连续墙来说 经济效益更高。 

(3)排桩支护结构

排桩支护是用钻孔灌注桩等桩体结构作为工程的围护墙,而且其顶部锚筋锚入压顶梁,通过使用水平支撑来限制工程结构位移 ,保证基坑安全。排桩支护结构主要包括: 

①柱列式排桩支护; ②连续排桩支护;  ③组合式排桩支护。


2.2  深基坑稳定性验算

2.2.1 基坑抗滑移整体稳定性验算

根据规范可知,当采取圆弧滑动面进行验算时,应该优先观察其结构和垂直关系等特征。对于放置外拉锚杆的围护结构的,可以考虑不做这一部分的验算。基坑抗滑移整体稳定性验算的安全系数命名为 K,当其处于 1.1~1.5 这个区间就属于安全,不会发生滑移。

2.2.2 基坑抗倾覆稳定性验算

基坑抗倾覆验算是验算承载能力极限状态时稳定性的一种方法,只要支护结构为悬臂式构件或包括悬臂式的结构,都可能由于荷载的作用导致构件产生绕着某个支点转动而倾倒的危险,使其产生转动的荷载 作用则称之为倾覆力矩,抵抗这种作用的能力则称为抗倾覆矩,按照规范计算出的抗倾覆矩为倾覆矩一定倍数时,则认为此结构安全,不会产生倾覆的危险 。

正交试验法是通过使用传统的数学方法[46]得到特定数据及所需标准,根据各方面条件选择出最佳计划的优选方法。正交试验法就是简单的数理统计,在使用过程中使用的工具就是“正交表”,通过在表内的数据 ,分析多种要素的影响程度。使正交试验法的优势在于:

(1)相比于传统的罗列种种情况后再去比较,使用正交试验法可以更加快捷的达到所需结果,试验次数少,分析后的结果可靠性高; 

(2)正交试验法的使用方法简单,通过使用正交表,将各种因素填入其中,计算极差以及方差即可得到所需数据,之后再与标准进行比较,得到影响程度最大的因素;

(3)正交试验法的效果好,效率高。通过使用正交试验法可以将众多影响因素统一在一个表中,能够综合各种因素的影响效果得出最优结果。在处理多因素优选问题时,使用正交试验法是一个很好的选择。 

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第三章  深基坑工程数值模拟分析  ........................ 29

3.1  数值模拟有限元软件概述  ........................................ 29

3.1.1  有限元软件的选择  ................................... 29

3.1.2   MIDAS GTS/NX  使用简介  ......................... 30

第四章  基坑及周围环境影响因素研究  ......................................55

4.1  基坑及周围环境影响性因素  .....................................55

4.2  围护桩对基坑稳定及周围环境的影响  ...............................55

第五章  正交试验法优化设计参数  ..............................67

5.1  正交试验法的步骤以及分析  .................................67

5.2  正交试验法对设计方案的优化 ..............................68


第五章  正交试验法优化设计参数


5.1  正交试验法的步骤以及分析 

1.  正交试验法的基本步骤如下:  (1)明确试验目的,确定试验指标; (2)挑选因素条件,选择水平,列表; (3)选用合适的正交表;  (4)进行表头设计;  (5)编制试验方案。

2.  最优方案的确定按照以下几个原则进行确定: 

(1)多方面原则。在进行最优方案的确定时,不仅根据正交表分析出来的结果进行选择,还需要对试验对象的特点,例如:造价、消耗、以及效率等多方面进行考虑; (2)标准多样性原则。当进行最优方案的确定时,正交试验法并不会给出特定的标准,而是根据