摘要
讨论在复合地层中,对深基坑的支护结构设计研究.复杂的地质条件;复杂的周边环境;结构埋藏浅、与邻近结构的影响;围岩稳定难以判断.诸多因素导致了基坑支护工作的困难.于是,对基础工程的设计和施工方法的选择就尤为关键.西南地区的土层薄且大量存在含有地下水和岩土混合体的卡斯特地貌.西南地区的地下工程发展时间短,仍处于发展和完善的阶段,不如东北有大量的工程经验.土岩组合地层结构形式的独特形式,对设计和施工提出了更多的要求,这种典型的地质结构的复杂性表现在:上覆土层与下伏岩层在厚度与刚度上的差异性较大,上覆土层的性质不同,常常含有地下水,下伏岩层的深度变化不均一,岩体风化程度差异性很大,甚至存在岩体断层以及破碎带,部分岩层含有承压水等因素,这些影响因素会给该区域的基坑开挖支护带来很多问题,上层覆土层和土岩组合交界面的支护问题,下层的岩层采用爆破开挖产生的振动波导致围护结构变形增大以及带来的边坡失稳问题.在这种情况下,本文就基坑支护设计为着力点,希望能根据实际工程状况,圆满解决支护结构设计关键问题.将计算结果与实际工程结果相对比,从而为设计提供一套较为完整的计算,使得设计更加科学合理.本文采用的计算方法:逐层开挖支撑力不变法也是国内外目前被广泛使用的,较为系统和完整,同时兼具实用性的方法之一.基坑支护是一门综合性科学涉及岩土工程、结构工程及施工工艺,是一门综合性很强的学科.而岩土工程经验性强又有其复杂性,不同的工程师,设计的结果可能不同,甚至依据每个工程师不同的经验而选择不同的支护形式.有的设计过于保守,而造成不必要的浪费.有的设计则容易容易造成事故,不安全,不适用.因此,在计算基坑支护结构变形分析之前,合理的设计和科学完整的计算与方法尤为关键,对之后结构的变形分析也起着决定性作用.目前国内外学者主要集中对软土地区基坑的变形进行了研究,提出了基坑外侧地表的沉降模式、沉降分布范围以及地表沉降最大值的范围,揭示了围护结构变形与地表沉降的关系,分析了影响软土地层基坑变形的主要因素,而关于土岩组合地层基坑变形机理的相关文献较少,所以本文对土岩组合地区粧锚支护基坑变形进行具体的研究很有必要.深基坑支护计算基本可分为三种方法.第一类是常规设计方法;第二类称为弹性抗力法;第三类是数值计算方法常规设计方法是最常用的方法,其要点是在选择一定的支护入土深度后,为满足整体稳定、抗隆起和抗渗要求的前提下、用经典土力学计算主动土压力和被动土压力.或是,对计算的土压力做某些经验的修正.然后对重力式刚性挡土墙验算其抗倾覆,抗滑移稳定性,安全系数沿用设计规范中对普通挡土墙的规定;或者计算柔性挡墙(比如悬臂式或有支锚结构)的内力,对墙身和支锚结构进行设计.这种方法对普通挡土墙或开挖深度不深的钢板桩是比较成熟的.但对深基坑,特别是软土中的深基坑支护结构设计就难以考虑更为复杂的条件和难以分析支护结构的整体性状.比如支护结构与周围环境的相互影响,墙体变形对侧压力的影响,支锚结构设置过程中墙体结构内力和位移的变化,内侧坑底土加固或者坑内,外降水对支护结构内力和位移的影响,压顶圈梁的作用与设计,复合式结构的受力分析等等.这些问题有时却成为控制支护结构性状的主要因素.弹性抗力法针对常规法中挡土墙内侧被动土压力计算中的问题提出了改进.其概念是由于挡土墙位移有控制要求,内侧不可能达到完全的被动状态,实际上仍处于弹性抗力阶段.因此,引用承受水平荷载桩的横向抗力的概念,将外侧主动土压力作为施加在墙体上水平荷载,用弹性地基梁的方法计算挡墙的变位与内力.土对墙体的水平向支撑用弹性抗力系数来模拟,支锚结构也用弹簧模拟.这种方法可以看做对常规法的改进,它仍没有解决前种方法的其余问题.计算与实际符合与否取决于基床系数的选取,通常用m法计算,及基床系数k随深度比例增长,比例系数为m.数值计算则提供了一种更为合理的设计计算方法,它可以从整体上分析支护结构及周围土体的应力与位移性状,而且可适用于动态模拟计算,不仅为事前设计与方案比较而且也为信息反馈施工信息提供实时处理的手段.从原理上说,常规方法存在的问题在数值计算方法中都可以不同程度的得到解决.目前,常用数值计算方法包括:有限元法、有限差分法、边界元法、离散元法等.有限元法及有限差分法能够较好的模拟材料在连续状态下的特性,是目前岩土工程分析中应用最为广泛的两种方法.其中,有限单元法最为常用,它在处理介质问题、复杂的非线性问题以及模拟分部开挖与施工过程等方面,相对于其他方法都有较为明显的优点.一般的用有限元计算时的位移通常较实测的结果要小,有时甚至差一两个数量级,究其原因主要是计算中忽略非线性大变形和沿弱面的不连续变形.可以看出,常规设计方法仍是目前支护结构设计的主要方法,但需要对它存在的问题加以研究改进.同时,发展数值计算方法使之实用化,系统化,成为支护结构计算机辅助设计软件系统,供设计与施工管理采用.三维数值模拟技术普及之前,一般以日本工程界提出的"山肩邦男法"、"弹性法"、"弹塑性法"等解析方法为主.这类计算方法力学模型简单,仅用静力平衡方程就能解其内力,在工程界得到广泛应用.但由于这类方法不能考虑开挖时支撑轴力和支护结构内力的变化,且支撑道数越多,计算误差越大,因此一般仅能用于1-2道支撑的支护结构.随着计算机数值模拟技术的发展,有限元法在支护结构内力分析中得到了广泛应用,出现了像FLACK-3D、ANSYS、MIDAS-GTS等一系列优秀的三维数值模拟软件.在有限元分析中,支撑结构、土体视作弹性体,在开挖施工的每个阶段,不仅可以计算出支护结构的内力,还可以计算出支护结构的变形、地面沉降及坑底隆起,计算结果与工程实际情况也较为吻合.随着本构关系的完善以及数值计算方法的进步,有限元法对复杂工程问题的分析及设计发挥了愈来愈重要的作用.
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