九江航空酒店深基坑土钉支护作用机理研究

【类型】学位论文

【作者】方正 

【摘要】随着科学技术的发展和工程材料技术的不断进步，在许多重大基坑工程大量兴起的同时，对深基坑工程尤其是深基坑中的支护结构的内力、变形进行深入的研究，是十分有意义而且是十分必要的。城市地面空间愈加紧张，地下空间作为一种尚未充分利用的资源，已开始受到重视并加以开发利用，地下车库、地下商场、地下铁道等各种地下设施日益增多，基坑开挖深度由浅向深方向发展。土钉墙以其突出的经济性与良好的工作性能在基坑工程中得到了广泛的应用，许多学者对土钉墙进行了大量的实验研究和理论研究，但是对目前对土钉墙的性状和工作机理的研究远远落后于工程实践。随着计算机的发展与普及以及有限元方法的推广使用，计算机仿真技术在土木工程尤其在基坑工程中的应用日益广泛。岩土工程处于地下，难于直接观察，利用计算机仿真可把内部过程展示出来，使其具有良好的直观性。随着岩土工程日益向超大、超高型发展以及结构形式的日益复杂，更加需要计算机仿真技术深入其中，发挥优势。在此背景条件下，利用计算机仿真技术研究基坑支护结构就成为一个可行且较有实用价值的课题。 作者在阅读大量国内外相关文献，总结前人在土钉墙支护方面研究成果的基础上，以九江航空酒店深基坑工程为背景，运用大型有限元分析软件ANSYS，选择合适的参数、建立有限元模型、进行数值模拟，对基坑在分步开挖过程中支护结构的受力和变形及土压力的性状进行了研究。从而对基坑开挖施工和监测工作进行指导，并为以后九江地区其它深基坑支护设计和施工提供一定的依据。 本论文具体完成的工作如下： (1)在查阅和总结前人研究成果的基础上，采用Drucker-Prager模型作为土体的本构模型；通过建立点一面接触对，选择合适单元参数模拟土钉和预应力锚杆锚固段与土体的接触；利用约束方程模拟土体与面层接触；用ANSYS软件初始应力的“读”“写”功能来实现初始地应力的输入；锚杆和土钉等杆件的预应力，则是通过在定义杆单元实常数时，赋予初始应变的方式来实现。这些问题对模拟的有效性是十分关键的，研究成果有助于模拟技术的发展。 (2)详细介绍了国内外有关有限元方法在深基坑支护中应用的研究现状、发展趋势以及存在的问题。同时对本文研究的主要内容及研究方法作出了具体的说明。 (3)阐述了基坑支护工程的主要内容和特点，并详细介绍了基坑的支护方法；同时还针对土钉，介绍了其适用条件、作用机理以及优点和局限性。 (4)对土钉有限元分析进行了理论方面的研究，主要对土体本构模型作了详细的讨论，并对有限元基本方程方面进行了阐述。 (5)介绍了大型有限元分析软件ANSYS，结合九江航空酒店深基坑工程，用ANSYS建立二维模型，对该工程开挖过程进行了较为全面的分析和研究。计算了基坑开挖不同阶段土压力的性状及支护结构的受力和变形。 (6)实例工程的施工技术和监测数据的分析表明，基坑变形在容许值范围内，变形和力学特征与模拟结果相吻合。地表沉降和土钉拉力的增长集中在开挖阶段，最危险时期在开挖阶段，地表沉降最危险地段在1-1.5倍深度距离以内。通过本次论文的研究工作，主要得出了以下结论： (1)利用大型有限元分析软件ANSYS程序对基坑开挖进行数值模拟，从基坑土体位移和应力-应变状况分析可知，在基坑开挖过程中土体是处于稳定状态的；同时，从土钉的位移和受力分析可知，土钉在开挖过程中是处于弹性状态的，证明了基坑的稳定性。 (2)基坑开挖过程中，随着开挖深度的增加，无论是土体还是土钉，其剪应力都随之增大。说明剪应力集中处是最危险的破坏区，基坑体失稳首先从该处发生剪切破坏。 (3)基坑开挖过程中，土钉支护对限制边坡位移的作用极为显著。土钉支护不仅减小了开挖面的水平位移，而且还改变了开挖处的水平位移的分布。这种作用，主要表现为两个方面：一是支撑作用使土钉由静力状态转向手拉体状态，使得土钉体护坡和土一起作用大大加强土体的整体性能；二是基坑土体作用于土体的一部分摩擦力通过与土体共同作用体现了增强土体自身性质的功效，解决土体本身的稳定问题。 (4)土体体水平位移的分布规律随开挖深度与土钉支护不同而变化很大；开挖过程中土体的最大水平位移出现在基坑顶部(朝向开挖面)。 (5)土钉强支护体系的各个开挖步骤和地表沉降有所不同，原因是由于开挖时开挖面的土体向临空方向发生膨胀和倾覆性质的偏转，所以会导致开挖面后的原位土体一般都发生较大的沉降。 (6)在具体的基坑工程中，只通过增加土钉的埋深和加大土钉的截面尺寸的方法来改善基坑的变形是不合理的。 (7)本文通过对九江地区深基坑开挖施工过程的ANSYS数值模拟，分析结果表明ANSYS有限元分析在模拟基坑开挖施工中的应用是可行的。

【学位名称】硕士

【学位授予单位】中国地质大学(武汉)

【学位授予年度】2016

【导师姓名】吴立

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