第1章绪论
1.1选题背景及研究意义
改革开放以来,随着城市的快速发展,城市人口密度急速增长,为了解决地上空间拥挤的问题,人们开始大力开发地下空间,而且开挖的范围和深度越来越大⑴。然而,基坑开挖必然会对周边建筑和原有地下市政工程造成一定影响,压密注装、基坑降水等改变土层天然特性的工程措施也会对地下环境造成严重的破坏,这些问题亟待解决。虽然国家行业标准《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)对于基坑侧壁安全等级定为一级的基坑,设定了严格的要求,限制其对环境的影响。然而,以现有的理论很难准确计算出基坑、周围建筑物、管线的沉降及变形,所以,基坑规程并没有提出对环境影预测的计算方法。设计单位对基坑设计能做到的只有重点关注支护结构本身安全,很难对环境影响度做出定量的预测和评价。基坑方案评审时,依靠专家们的经验做出的环境影响评价是不具有普遍适用性的。单纯依靠施工阶段的信息化施工来降低基坑工程对环境的影响,可能造成成本增加、材料浪费,而且不可靠。在城市建设过程中,由于人口密度大、土地利用率高,基坑工程周边的环境往往非常复杂。地基土一般由具有一定层厚的第四季松散沉积物构成,如人工土层、粉土层、粘土层、粉质粘土层、齡泥层、游泥质土层、砂层、卵烁石层等,这些松散物构成的土层在基坑开挖时的自稳高度是很有限的。在地下水埋深较浅的情况下,水压力作用于围护结构,对围护结构的侧向变形产生很大影响,如果不加以有效防范,很可能会发生管涌、流砂、突涌等现象,从而加速基坑的失稳破坏。沿长江城市群发展最快,大规模兴建高层建筑、地下室、大型地下购物中心以及大尺寸的市政工程,因此这些城市的深基坑问题更为严重[2]。以宪湖市为例,位于长江与青戈江交汇处,虽属于平原地形,但受地貌单元以及水文环境的影响,它的地质条件相对复杂。该地区基坑支护面临的最大问题是深厚的游泥质土层。这种软弱的土质条件使芜湖地区的深基坑问题更加突出。
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1.2深基坑工程概述
1.2.1 基坑工程支护体系的概念
基坑工程支护体系的概念是:为了土方开挖和地下结构施工有安全的作业空间,为了基坑开挖不影响周边建构筑物的正常使用,而釆取的控制基坑变形的措施。风险性大:基坑支护结构一般情况下是临时结构。由于是作为临时结构来设计和施工,在安全性方面的考虑就会低于永久性结构,因此深基坑工程具有风险性。区域性强:场地不同、场地形状不同、土层不同、土质不同、地下水深度及承压情况不同等,都会对工程产生不同程度的影响[3]。某一工程的经验只能作为同一地区的适度参考,绝对不能照搬。施工前的岩土工程地质勘查对深基坑工程起着至关重要的作用。因此深基坑工程具有区域性。环境条件影响大:处于空矿区的深基坑工程对变形要求较低,在基坑设计时重点考虑稳定控制即可,处于环境复杂地区的深基坑工程对变形要求较高,基坑设计时需考虑变形控制⑷。因此环境条件对深基坑工程的影响大。时间效应强:土具有随时间发展变形增大的特性,称为土的螺变性。变形增大、抗剪强度降低会对支护体系的受力产生较大影响。因此开挖方法、开挖顺序、支护顺序的确定对于深基坑工程是很重要的一步。系统性强:深基坑工程从支护结构设计、土方开挖到地下结构施工是一个系统工程。支护结构设计时应考虑施工条件的许可性,应满足施工组织设计和基坑监测以及变形允许值的要求。
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第2章深基坑支护设计方案初选
2.1工程概况及工程地质条件
本工程位于芜湖市利民路与犬江中路交叉口西北侧,由1幢26层高层建筑、1幢20层高层建筑及4层商业辅楼和1幢4层商业楼组成,框架结构,整个场地设有二层地下车库。结构基础型式:主楼及裙房局部为钻孔灌注桩後板基础,裙房大部分为抗浮锚杆後板基础,地下共设二层地下室;考虑施工对地下室外墙及板底作业面的要求,本次支护设计在建设单位提供的地下室基础边向外扩0.6m,至外墙作业面不小于1.2m,作为基坑支护下口线。粉质粘土:青灰色,软塑?可塑状态,湿,稍有光泽,无摇振反应,干强度较低,初性较低。层厚0.50-2.70m,层底标高为42.66-48.88m。。粘土(粉质粘土):青灰色,湿,可塑状态,稍有光泽,干强度中等,初性中等。该层局部分布。层厚0.30?1.80m,层底标高41.92-48.26m。粘土:灰褐色、黄褐色,硬塑状态,稍湿,有光泽,无摇振反应,干强度和卸性高;层厚1.60-8.20m,层底标高为36.07-45.78m。粘土与粉质粘土互层:黄褐色、灰黄色,湿,硬可塑、硬塑状态,稍有光泽。层厚7.40-17.40m,层底标高26.22-29.77m。粉质粘土混卵烁石:黄褐色,硬塑状态,湿,上部夹砾石,含量较少,下部卵碌石碌径为20-40mm,其含量一般为5%?25%,其间夹粉细砂,底部局部分布有残积层。层厚3.20-8.20m,层底标高20.49-24.68m。强风化泥质砂岩:棕红色,密实状态,风化成土状。层厚0.90-3.10m,层底标高为17.39-21.98m。中风化泥质砂岩:棕红色,岩质致密坚硬,裂隙不甚发育,钻进较困难,该层未钻透。
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2.2基坑支护结构常用形式及适用范围
为了使基坑开挖、支护工作安全有序进行,基坑支护体系得到有效应用,必须满足如下基本要求:1)基坑四周坑壁要有足够的稳定性,以确保足够的安全空间,使土方开挖和地下结构施工工作能够正常进行。围护体系要有足够的强度,最大变形不得影响土方开挖和地下结构工程的正常施工。2)若施工场地存在地下水,则施工范围内的地下水位应降至设计基底以下0.5m 处。3)因地制宜,保护地下施工环境和自然环境[5]。控制基坑内外地下水位的变化情况,抽水对基坑的沉降和位移会造成很大的影响,还有可能造成因土体流失而引起附加沉降和附加位移,这有可能对基坑形成毁灭性的破坏。密切注意支护体系的变形,卸载回弹,地下水对围护结构形成的压力等都会引起支护结构的变形,因此也可以通过观察支护结构的位移和变形来及时发现基坑中土体的异常情况。
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3基于理正基坑软件的分析计算......19
3.1理正深基坑设计软件简介......19
3.2计算理论与方法......20
3.2.1 土压力的计算......20
3.2.2嵌固深度的计算......21
3.3参数的确定......23
3.4工程优化分析实例应用......25
3.5本章小结......304深基坑桩锚支护体系的ANSYS有限元模拟......33
4.1基坑支护分析方法选择......33
4.2ANSYS有限元分析软件简介......33
4.3ANSYS实现模拟深基坑开挖过程的理论基础......34
4.4用ANSYS模拟具体深基坑支护工程的运用......38
5数据分析......45
5.1对ANSYS模拟结果的分析......45
5.2理正与ANSYS运算结果比较分析......48
5.3本章小结......52
第5章数据分析
本文首先对芜湖外经广场地下车库深基坑工程的工程特性进行了分析,由于其工程环境复杂、施工场地空间狭窄,针对不同部位的工程难点,采取了针对性的施工方案,并初步确定了总体施工方案。其次利用理正深基坑软件对该工程得设计方案进行了验算,利用ANSYS有限元软件对该工程进行了模拟计算。采用两种计算软件对该工程进行初步运算,目的是通过对该工程的定量运算,实现基坑的动态优化设计。本章的主要内容是对两种软件算得的结果进行分析比较,从而得出最佳施工方案。
5.1对ANSYS模拟结果的分析
上一章对使用ANSYS软件模拟深基坑开挖支护的全过程做了详细介绍,通过观察各个开挖阶段的位移云图,能看出基坑随开挖而发生变形的整体趋势。本节将对模拟数据进行整理,以图、表的形式分析基坑变形的原因、趋势,分析排披和锚杆的受力,以及深基坑的开挖对邻近建筑物的影响问题。通过前面的模拟可以了解到,基坑变形随开挖深度的增加趋势越来越明显。开挖初始阶段,基坑四周土体压力较小,基本没有引起排桩变形。开挖至三、四阶段时,土体对排柱背部施加的压力迅速增大,排柱在土压力作用下开始向基坑内侧发生位移。通过对模型有限元计算得出的位移云图分析,得到了基坑两侧的变形数据如表5-1及图5-1所示。分析图表可知,开挖初期,由于基坑左右两侧压力均较小,支护结构变形也较小,左右两侧的变形差微小。随着开挖深度增加,排柱背部受到的土压力增大,压迫排桩向基坑内侧移动。从上图可以看出,左右两侧的位移趋势基本一致,但是基坑两侧的附加荷载是不一样的,这说明附加荷载没有对基坑的变形造成太大的影响。尤其是在初始阶段,两侧位移基本相同。其原因可能有两个:一是邻近建筑与基坑边缘有足够的安全距离,从基坑总平面图中可以看出;二是附加荷载值不大。开挖的后三个阶段,折线曲率逐步增大,左右两侧的变形值差值也随之增大,至开挖结束时,变形差异达到2.6mni,这说明附加荷载对基坑变形的影响随开挖深度的增加越来明显。由此可见,在开挖深度很大的基坑时,对附加荷载较大的部位和临边处有附加荷载的部位要加强支护措施。
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结论
(1)将软件分析引入深基坑支护设计流程。在进行深基坑支护设计时采用这样一种流程:首先,获取地勘报告,根据地勘报告分析场地的物理力学特性,选择合理的支护形式,对深基坑进行初步支护设计;然后,使用计算软件和模拟软件按照初步设计的参数,对初步设计进行验算和模拟,将验算和模拟数据进行分析比较,反馈至初步设计;最后,依据软件反馈的数据,对初步设计进行优化,确定最终施工方案。
(2)使用理正深基坑软件和ANSYS有限元分析软件,成功的对一项较复杂的深基坑工程进行了支护设计。通过对两种软件计算结果的分析以及理论结果与工程监测结果的对比,论证了这两种软件作为深基坑优化设计平台的可行性。
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参考文献(略)