基坑群间有限土压力及支护结构相互作用研究

随着地下空间开发的不断深入,城市密集区基坑群不断涌现,相邻基坑同步开挖时基坑间留有有限宽度土条的现象越来越普遍。采用微分体受力平衡的方法,基于极限平衡理论,利用力的平衡方程和微分方程,推导出两个相邻围护结构间有限土体土压力的计算公式。结合火车东站与有限元数值模拟研究发现,随着基坑开挖深度的增加,围护墙的侧向位移和桩身弯矩不断增大,基坑东西两侧围护墙分别在50.0 m和31.0 m深度处桩身弯矩达到最大值,在33.0 m深度处侧向位移达到最大值。A、B基坑的同时开挖,使坑间地表沉降产生叠加效应。土方开挖完成,地连墙上部大约15.0 m深度范围内的坑间有限土体土压力呈现被动土压力特征。     

考虑桩-土摩擦的双排桩桩间有限土体土压力计算

在双排桩支护结构中,前、后排桩之间的土体也被称之为有限土体。而建立在半无限土体假定的传统朗肯土压力理论并不适用于有限土体的计算。通过考虑前、后排桩与桩间有限土体之间的切向摩擦力作用,建立了双排桩桩间有限土体土压力计算模型,并在进行适当简化后给出了桩间有限土体土压力的表达式。通过与FLAC3D进行对比表明,给出的计算公式与数值模拟拟合较好,证明计算公式是合理的。同时揭示出桩间有限土体土压力强度在开挖面附近增大趋势逐渐降低;桩间有限土体土压力与朗肯主动土压力相比,深度越大,差别越大。在规范要求范围内研究有限土体宽度L时(2d~5d),土压力、桩身弯矩均随L增大而增大;桩身位移随L增大而减小。     

相邻双基坑开挖相互影响三维性状分析

相邻基坑开挖引起围护结构和周围土体变形与基坑单独开挖存在较大的差异,目前较缺乏考虑相邻基坑开挖产生的相互影响及其空间效应的研究。以实际相邻双基坑工程为分析原型,建立其开挖的三维有限元模型,研究双基坑开挖的空间效应。分析了相邻基坑同步开挖和不同基坑间距对基坑间土体沉降、支护结构内力、支护结构位移、坑底隆起、坑外地表沉降等的影响,探讨基坑开挖角部刚度效应。结果表明:相邻基坑开挖影响支护结构的内力和位移分布;基坑间土体沉降产生叠加影响,沉降量大于基坑两侧地面;近端支护结构变形和坑底隆起小于远端。基坑角部刚度效应在一定范围内会较明显地限制土体变形和支护结构的位移,且角部刚度效应随开挖深度增大而增大。基坑间距对相邻基坑产生相互影响的范围为2.5~3倍基坑开挖深度。     

基于颗粒流的抗滑桩土拱效应研究

抗滑桩土拱效应的研究目前主要是建立在连续介质理论基础上,难以考虑土体颗粒粒度组成等重要影响因素,因此有必要进一步深入揭示土体这种非连续、非均匀散粒体的成拱机理。利用颗粒流方法,研究了抗滑桩截面大小、间距、桩土相对变形速度和土体颗粒粒度组成对土拱效应的形成、发展、破坏和再形成过程的影响,并揭示了这些因素对土拱的极限承载能力、残余承载能力和桩土荷载分担比的影响规律。结果表明：以上因素对抗滑桩土拱效应影响显著。土拱的极限承载能力随桩间距与桩宽的相对比例增大而减小,随桩土间的相对运动速度和土颗粒的分布宽度增大而增大;残余承载能力和桩体荷载分担比随桩间距与桩宽的相对比例和土颗粒的分布宽度增大而减小,随桩土间的相对运动速度增大而增大。因此在抗滑桩设计及布桩位置选择时,应尽可能考虑相关影响因素,以优化设计,节省投资。     

抗滑桩桩间挡板土压力极限上限分析

悬臂式抗滑桩被广泛应用在边坡工程中。为阻止桩间土局部失稳,需在抗滑桩桩间设置挡板,因此,合理计算桩间挡板土压力对设计工作至关重要。为研究抗滑桩桩间挡板土压力问题,首先,以桩间潜在失稳土体为研究对象,依据实验现象建立桩间挡板土压力三维计算模型;然后,基于极限上限理论,计算桩间潜在失稳土体处于极限平衡状态时的外力做功功率和滑动面上的能量耗散,得到能量平衡方程式,推导出桩间挡板土压力表达式,并将理论分析结果与实验结果进行了对比;最后,通过参数分析,研究抗滑桩悬臂段高度、桩间净距、填土坡面倾角、土体黏聚力和内摩擦角变化时,挡板土压力的变化规律。结果表明:桩间挡板土压力随抗滑桩悬臂段高度、桩间净距和坡面倾角的增大而增大,随内摩擦角的增大而减小。     

桩间土加固对双排桩变形性状的影响分析

结合软土深基坑工程实例,深入地了解桩间土体加固对双排桩支护结构变形性状的影响。采用双排型钢桩进行基坑支护时,前、后排型钢桩间土的加固可较好地保证前、后排型钢桩共同受力,且加固效果随前、后排桩间距的加大而增大,对型钢桩变形的控制具有重要的影响。同时,桩间土加固削弱了型钢桩与连梁的连接刚度对型钢桩变形的影响,可更好地保证基坑周边环境的安全。     

复杂环境下基坑支护中的监测优化研究

基坑监测是保障安全施工的重要手段,监测体系优化是基坑监测的关键技术之一。文中结合数值模拟和工程案例,通过对土体深层土体水平位移、地表沉降、支护桩剪力的分析,对监测体系优化进行了深入、系统的研究。研究结果表明在基坑开挖中,坑外地表沉降随基坑距离的增大,呈先增大后减小最后沉降缩减趋于稳定,坑外最大沉降位置离基坑边界有一定距离;围护桩外侧的最大深层土体位移大致位于基坑坑底附近;在实际工程中,支护桩受力可能达到监测报警值,内力监测必不可少,所得的结论可以为类似工程提供参考。     

土钉施加预应力对排桩复合土钉支护的影响分析

针对排桩与土钉相结合的一种新型基坑复合支护形式,研究了土钉施加预应力对其受力变形及整体稳定性的影响。采用ABAQUS有限元软件建立排桩复合土钉支护基坑三维数值模型,模拟分析了土钉预应力施加位置和大小对土体的侧移及沉降、排桩侧移、土钉轴力、排桩桩身弯矩及基坑整体稳定性的影响。结果表明,施加预应力的土钉位置越靠近基坑边坡上部,对限制基坑侧移、减小坑后地表沉降作用越明显,且影响程度随施加的预应力增大而增大;土钉施加预应力使得其他排土钉轴力减小,轴力峰值点后移,且对上一排土钉影响最为明显;土钉施加预应力后,排桩桩身轴力变化很小,排桩复合土钉支护基坑整体稳定性亦基本不变。排桩复合土钉支护可通过对基坑边坡上部土钉施加预应力,以进一步控制基坑变形,土钉施加预应力难以提高支护体系的整体稳定性,但有利于增加排桩间土体的局部稳定性。     

考虑土拱作用抗滑桩合理桩间距确定方法研究

抗滑桩等非连续支挡结构在滑坡工程中依靠土拱效应安全经济地发挥支护功能,而土拱的形成与破坏主要取决于桩间距的合理设置。首先基于抗滑桩桩间土拱已有研究成果,综合分析了土拱的拱脚位置、土拱形状以及拱轴线方程,建立了合理的土拱计算模型,然后结合桩土接触界面抗剪强度条件和土体抗剪强度条件获得了的圆形抗滑桩合理桩间距计算公式。最后,结合某工程算例,重点分析了土体内摩擦角、桩土界面参数以及桩径对桩间距的影响规律,结果表明:桩间距随上述参数的增大而增大,但当滑坡推力增大时其对桩间距的影响均会减弱。     

盾构隧道邻域基坑施工下桩隔离效果研究

为研究隔离桩在基坑开挖卸荷-加载作用下对邻域既有地铁隧道的隔离保护效果,本文采用相似物理模型试验与数值模拟相结合的方法,分别对隔离桩的不同影响因素进行了研究。研究结果表明:在侧方中部基坑卸荷-加载作用过程中,管片发生斜向基坑内侧的移动,同时结构发生逆时针方向的扭转现象;管片初始土压力呈“葫芦形”分布,当基坑卸荷完成和加载完成后,管片左下方和右上方土压力增大,右下方和左上方土压力略微减小。施加隔离桩后,管片位移和自身扭转现象明显减弱,土压力减小但变化规律保持不变。当隔离桩在影响区以下稳定土体内具有一定长度时,适当增大桩间距和桩顶埋入深度仍可取得较好的隔离效果。     

基于离心机模型试验的超深基坑受力变形研究

随着我国城市建设的发展,超深基坑不断涌现,然而开挖过程中土压力的分布以及围护结构的受力、变形模式的不确定性等问题为基坑的设计与施工带来了巨大的麻烦。为解决这些问题,本文以深圳某深隧系统工程的闸门井基坑为原型,通过离心模型试验结合有限元分析研究了其方形与圆形两种设计方案。实验表明,圆形基坑具有明显的土拱效应和环向刚度,土压力、弯矩、围护结构变形和地表沉降都小于方形基坑。2种基坑方案中深度效应都表现明显,变形沉降最后趋于稳定。土压力沿深度方向均呈非线性分布,由静止土压力逐渐向主动土压力发展,并且变形模式都为中间大两端小。实验后使用有限元方法进行数值模拟。2种方法即相互验证又相互补充。     

邻近地层损失对地下挡土结构土压力与地表沉降影响试验研究

城市浅层空间隧道往往从一侧或两侧地下挡土结构物之间穿过,多数情况下会引起地层损失。目前城市地下开挖引起塌陷事故呈现逐年增多的趋势,当地层损失产生后,周边已建或在建基坑挡土结构的土压力和地层沉降发展规律是决定是否需要进行加固或处理的依据。为了获取地层损失的扰动影响规律,开发了模型试验装置与钢棒相似土技术,采用活动门下沉模拟地下开挖引起的地层损失,采用挡墙平移模拟基坑开挖。分别考虑活动门深度与宽度比、活动门位置深度与距离比、活动门位置深度与侧限宽度比,开展了15组二维模型试验。利用挡土板上的18块悬臂式载荷计测得挡土结构土压力,采用粒子图像测速技术获取表面沉降曲线。结果表明:地层损失会使邻近基坑挡墙上部土压力增加,下部土压力减小;地层损失发生后,邻近的新建基坑如继续进行开挖施工,由于土体受到了充分的扰动,挡土结构底部不会出现土压力减小的箱槽效应,挡墙平移达到主动极限状态时的土压力分布与库仑主动土压力较为吻合;邻近地下开挖引起地层损失与挡墙平移的叠加效应影响下,地表沉降最大值和曲线曲率随活动门宽度增加而增加,随活动门距离和侧限宽度减小而增加。由于采用钢棒相似土,所获得的研究成果主要反映砂土地层的土压力与变形特性。     

基坑施工邻域隧道围土应力路径演变规律研究

为研究基坑开挖过程中邻域既有隧道周围土体应力路径演变规律,采用Mindlin经典理论,求解基坑底部和四周侧壁卸荷效应在隧道围土各点引起的附加应力场,并与初始应力场相叠加可得各点的现有应力场与应力路径,选用Mohr-Coulomb强度准则作为土体破坏控制标准以判断隧道围土各方向土体安全度。研究表明 :(1)随基坑开挖深度增加,隧道围土各点应力路径呈现靠近主应力破坏线K_f的演变趋势,其中隧道顶部与靠近基坑侧土体处于易破坏状态,隧道底部与远离基坑侧土体处于较安全状态。(2)沿隧道轴向,基坑开挖对邻域既有隧道围土应力场影响以一倍、二倍基坑开挖宽度为界线。一倍基坑宽度内为强影响区,一倍至二倍基坑开挖宽度内为过渡区,二倍基坑宽度外为弱影响区。(3)基坑与隧道净距越大,基坑开挖对隧道顶部和靠近基坑侧土体应力路径影响越小,该方向计算点处土体应力路径演变规律越趋于相似和稳定。     

软土层对地铁狭长深基坑地表沉降的影响研究

随着我国城市轨道交通的快速发展,地铁地下车站狭长深基坑工程越来越多,尤其是长江中下游和沿海地区城市的狭长深基坑大多开挖于深厚软土场地,对该类深基坑的施工安全造成了严重的威胁和工程事故。鉴于此,本文基于Midas商用软件,建立了土体-围护结构相互作用体系的三维有限元分析模型,通过现场实测与数值计算结果的对比分析,验证了数值分析模型的可行性。通过改变软土层厚度、埋深和开挖深度等不同组合的108个计算工况,系统分析了软土层厚度和埋深变化对地铁狭长深基坑周围地表沉降的影响规律。结果表明:当软土层主要位于基坑底面以上侧向地基中时,软土层厚度变化对基坑周围地表沉降影响较大;地铁狭长深基坑侧向地基中软土层埋深增大时基坑周围地表沉降先变大后变小,且变化转折点为软土层顶层埋深高于基坑底面以上的一定范围内;当软土层埋深较大且较厚时,开挖深度对地表沉降的影响有增速的趋势,即当基坑开挖深度较深时软土层的影响更为明显。同时,根据数值计算结果,给出了软土层厚度和埋深等与地表沉降的统计关系。     

基于联合强度理论的主动土压力计算方法

考虑结构性黄土的抗拉强度和有限土体对土压力的影响,推导了抛物线加直线形式的联合强度理论。基于此强度理论,建立了土体主动极限平衡状态,推导了无限土体主动土压力的计算公式;通过滑动块体理论推导了有限土体主动土压力的计算公式。通过算例对公式进行了验证比较,研究结果表明:基于联合强度理论计算的土体开裂深度明显小于朗肯土压力理论的开裂深度,且基于联合强度理论土体应存在拉应力区,在此区域内,挡土墙与土体存在胶合力的情况下,需考虑挡土墙受到的拉力和因此导致的局部应力集中;有限土体的土压力小于朗肯主动土压力,且随着挡土墙与既有构筑物距离的增加,有限土体土压力趋近于无限土体土压力。基于联合强度理论和有限土体理论建立的主动土压力计算方法能更合理地评价黄土的主动土压力。     

软土深基坑被动区超前加固变形控制效果研究

依托某实际工程,利用FLAC 3D软件建立了3种不同地层参数的基坑有限差分数值模型,验证了土体本构模型的硬化模型比摩尔-库仑模型更适用于基坑工程中,对比分析了裙边加固和满堂加固的加固效果,同时借鉴基坑底部被动区加固思路,提出了在软土深基坑中对开挖段进行超前加固,以控制基坑开挖过程中支护结构位移的方法。结果表明:裙边加固的合理加固宽度为0.5h(h为基坑开挖深度),合理加固深度则与坑底的地层条件密切相关; 满堂加固的合理加固深度可取0.3h,在某些基坑位移控制特别严格的情况下,满堂加固深度超过0.5h后,可考虑优先加固最后一道撑到坑底的土体; 开挖段的满堂超前加固可以使首道撑位置下移,为减少支撑道数提供了可行方案; 研究为同类工程设计提供了参考依据,进一步丰富了软土地区的深基坑变形控制措施。     

相邻深基坑开挖对地下管线影响因素的分析

采用三维有限元模型,从管线的位移场入手,对相邻深基坑开挖对周围管线影响的因素进行模拟和分析,重点从开挖步骤、管线埋深、管线距两相邻基坑的远近、管线材质、下卧层和管线与周围土体的模量比等六个方面进行分析,以管线的水平和竖向位移来检验六个因素对管线影响的大小并与工程实例进行对比分析。研究成果为设计、施工提供了一定的依据和参考。     

基坑外卸载对连续墙主动土压力的影响及计算

基坑外卸载对连续墙主动土压力的影响到目前为止很少有人问津.以上海铁路南站3.5万伏变电所基坑为工程背景,利用有限元及现场实测资料对基坑外卸载情况下的连续墙主动土压力进行了研究,并推导了其计算公式.研究认为,基坑外卸载主要对连续墙顶、底部土压力产生影响;当卸载边缘离开挖基坑边缘距离大于1～1.5倍的基坑开挖深度时,可不考虑其对基坑连续墙土压力的影响;随着土体强度的降低,卸载对连续墙土压力的影响增大.     

土质隧道深浅埋分界的理论解析

为了从理论上确定土质隧道深浅埋的分界深度并阐明其与影响因素、经验值的关系,以卸荷拱为研究对象,通过引入卸荷拱跨中法向压力极限值为Rankine被动土压力的假定,建立了粘性土隧道和砂性土隧道深浅埋划分的定量判据和求解方程。理论分析表明,粘性土隧道中n值(深浅埋分界深度与压力拱高度的比值)与土体粘聚力、内摩擦角及隧道宽度有关,而砂性土隧道中n值仅与内摩擦角有关。n的理论取值范围为1.0～3.3,经验值在该取值范围内。通过与《人民防空工程设计规范》的对比表明,静荷载作用下的深浅埋分界深度比动荷载作用下的深浅埋分界深度更大。最后通过郑州-西安高速铁路客运专线的大断面黄土隧道工程实例验证了本文方法的可靠性。     

考虑基坑支护结构变形模式的土压力研究

为了减小经典朗肯土压力理论与工程中实际土压力的误差,在经典朗肯土压力理论的基础上,减少了其基本假定中的限定性条件,考虑基坑支护结构变形产生的土拱效应以及基坑支护结构与土体间的摩擦力,通过分析平面应变条件下土单元体的极限平衡状态,提出了修正的朗肯土压力理论。用理论分析结合实例验证的方法与经典朗肯土压力理论做对比,发现修正的朗肯主动土压力大于经典朗肯主动土压力,修正的朗肯被动土压力小于经典朗肯被动土压力。同时还讨论了不同基坑支护结构变形模式对极限状态下土压力分布的影响,最后分析了极限状态下修正的朗肯土压力对黏聚力与内摩擦角两个参数的敏感性。