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现有的基坑围护结构设计中,主要以保证基坑稳定为目的,只要强度满足即可,即设计由强度控制。较少会注意如何减少对周围环境的影响,多年在软土地区的基坑工程实践中发现由于地下施工引起地层变形而损坏地面建筑或地下管线的现象经常出现,往往引起严重后果,而基坑支护结构尚无破坏迹象,因此,基坑支护结构除满足强度要求外,还需满足变形要求,在软土区或周围环境要求较高的基坑工程后者往往占主导地位,即设计应由变形控制。基坑变形控制设计方法的关键是变形预测分析,变形预测分析的方法主要有估算法、解析法、数值法三种,公式估算法主要估算地表沉降与支护结构水平位移,而解析法和数值法中的杆件有限元法只能求支护结构的水平位移。连续介质有限元法,作为一种新兴的数值计算方法,能进行基坑变形的三维计算,在考虑桩土相互作用和基坑支护各施工工况的基础上。可计算出基坑开挖与支护的全过程基坑任意位置的应力场、位移场,是一种非常有用的方法。而国内外对于结合数值模拟分析工具进行深基坑变形控制分析的研究还不多,本文利用有限差分软件FLAC3D对深基坑变形进行预测分析,分析探讨深基坑的变形规律,对于深基坑的变形控制研究有着十分重要的意义。
本文以武汉江底隧道江北竖井为研究对象,采用对比分析的方法对基坑进行支护设计,并采取定性与定量相结合的方法对不同方法的计算结果进行分析,然后采用FLAC3D软件对初步支护设计方案进行变形预测分析,评价变形控制效果。本文主要的研究内容如下:
1)根据《建筑基坑支护技术规程》中水平荷载标准值与水平抗力标准值的计算方法计算土压力,并采取等值梁法计算墙体的墙体的内力和入土深度,同时利用弹性支点法计算墙体的墙体的内力和水平位移,将二者的内力计算结果进行比较,择优选取一种计算结果作为后续的设计计算依据。
2)根据墙体内力计算结果进行地下连续墙的配筋计算,内支撑的设计计算与受压验算,圈梁的配筋计算,立柱的受压验算与立柱桩的承载力验算,然后对基坑进行稳定性验算和止降水的设计。
3)用FLAC3D软件建立基坑三维地质模型,并模拟基坑开挖的工况,进行有限元数值模拟计算,得出位移场。通过查询几个剖面上的系列关键点的位移计算结果,按照地表沉降、坑底隆起、支护结构水平位移三个方面分析基坑各个开挖工况下基坑不同位置的位移变化情况。
4)将变形预测分析结果,和变形控制标准作比较,评价本基坑支护设计方案是否满足满足变形控制要求。
5)根据数值模拟计算结果,分析地表沉降、坑底隆起、支护结构水平位移三者之间的关系。
本文在采用对比分析以及定性与定量相结合的方法对基坑的支护设计计算方法进行探讨的基础上,通过工程现场调查与室内计算、室内数值模拟试验相结合的方法对江北竖井深基坑进行研究,得到以下几方面的结论:
1)等值梁法计算的墙体弯矩图正负弯矩相差很大,且主要为负弯矩,而弹性支点法计算出的挡土结构弯矩图正负弯矩较平均。从轴力计算结果来看,等值梁法计算的轴力,最下层最大,而弹性支点法计算的轴力中间层最大。因此采用弹性支点法计算的结果较为合理。
2)通过FLAC3D软件对本基坑进行变形预测分析,得出本基坑开挖地面最大沉降=26.6mm<43.11mm,支护结构最大水平位移=63.8mm<64.67mm,抗隆起安全系数=2.8>2.0,因此从变形控制的角度来说,本设计满足变形控制要求。
3)开挖深度较浅时,地表沉降较小,沉降槽不明显;随着开挖深度的加深,沉降曲线呈三角形沉降曲线形式分布,沉降最大位置出现在墙体的附近,距离墙体的距离大约6米处,有明显的沉降槽出现。
4)基坑支护结构水平位移,变形形态起初表现为反弯形,随着开挖深度的增加,变形形态逐渐由反弯型变为弓形。最大水平位移的位置随着开挖的加深,往下移动。
5)随着基坑开挖深度的加大,坑底的隆起值也不断加大,第五步、第四步开挖坑底的回弹隆起量小于第三步开挖。
6)通过分析地表沉降与支护结构水平位移的关系可看出,地表最大沉降大约为支护结构最大水平位移的0.52倍。