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随着我国国民经济的快速发展,城市化进程不断加快,土地资源紧张的矛盾也日益突出。在城市地下空间开发和高层建筑物的建设过程中,产生了大量深基坑工程,其规模和深度不断增加。城市中的深基坑工程一般都处在密集的建筑群中,施工场地狭窄,有些工程的基础紧邻已有建筑物或构筑物的基础,这些对深基坑的设计与施工提出了更高的要求。一直以来,对于深基坑工程难点问题的研究,其最终目的都是为了有效的控制基坑变形,保证基坑工程的安全性和经济性。虽然近年来许多学者和工程技术人员已经在基坑工程设计的变形控制方面作了很多研究,但在基坑开挖过程中基坑支护结构变形、周围地层位移、近邻建筑物变形及其相互关系规律方面仍然有很多要解决的问题。而深基坑支护结构的变形作为影响深基坑变形的重要因素之一,其变形规律是本文研究的重点。
在参考了国内外大量的相关文献,总结归纳以前的研究成果的基础上,本文以武汉船舶调度中心大楼深基坑工程为背景,针对开挖施工过程中基坑周边土体的变形以及支护结构的变形监测数据进行了分析和研究,并运用MIDAS/GTS有限元软件对实际工程的施工阶段进行了模拟,同时对监测结果和MIDAS/GTS软件计算的结果进行了比较,重点探索和讨论了支护结构变形的规律及其影响因素,得到了一些有意义的结论。主要工作和结论如下:
1.收集了大量的国内外关于基坑研究的参考文献,总结了基坑支护设计计算理论、基坑数值模拟研究以及基坑支护变形研究的现状以及进展。
2.介绍了该工程的概况以及施工监测方案,完成了本基坑工程大坑部分的现场监测工作,收集并整理了基坑工程现场的第一手监测数据,通过对监测资料的总结和分析,掌握了基坑周边土体水平位移和竖向沉降的变化规律,并重点了解和分析了支护桩和内支撑的变形规律,以及探索了引起变形产生的一些可能因素。
3.采用MIDAS/GTS有限元数值模拟分析软件,对该基坑的大坑部分建立了三维模型,并鉴于基坑现场施工的不确定性和复杂性,为方便建模和计算,对已建模型进行了一定的简化,在简化的基础上对该基坑在开挖施工过程中产生的变形进行了数值分析。将计算结果与实际监测结果进行了对比分析,得出有限元分析得到的变形曲线与实际监测得到的变形曲线的变化虽然存在一些差异,但在总体上其变化的规律基本是保持一致的,这也验证了软件的可靠性和可行性。
4.运用MIDAS/GTS有限元数值模拟分析软件模拟基坑的变形,获得了土体和桩撑支护结构的位移变化规律,将计算理论值和实测值进行了比较,并且对两者之间产生的差异作了一定的分析,结果如下:
(1)处于开挖面上部的支护桩桩身水平位移计算值因简化的模型忽略了一些外在施工影响因素而普遍小于监测结果。模拟中支护桩有两处位移较大,一处为桩顶的位移,另一处位于基坑中部至三分之二基坑深度处,这点计算结果与监测结果是保持一致的,这说明需对桩项和位于基坑深度三分之二处的桩身加强位移观测。总体来说,对于支护桩的变形,虽然计算结果与检测结果在数值上有些出入,但是桩身的总体变形趋势基本一致。
(2)在坑角处的角撑轴力计算结果变化规律基本与实际监测情况一致,且由于坑角效应随着深度的增加而逐渐减弱,其第一层角撑的轴力较第二层角撑的轴力大。同时,离坑角越远,坑角效应的影响就越小,轴力变化也就越小。总体来看,对于内支撑的变形,在刚刚施加内支撑时,两道支撑的轴力变化均比较明显,但随着基坑开挖的进行,轴力波动逐渐趋于稳定。
5.针对基坑支护的变形规律,介绍了基坑支护变形控制理论,并提出和总结了一些基坑支护变形控制方法,为该工程的基坑变形控制提供了一些依据。