基于OFDR测试技术的岩石基坑支护桩受力变形特征研究

作     者：丁洪涛 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：韩涛;胡晓旭

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 081401[工学-岩土工程] 0814[工学-土木工程] 

主      题：岩石深基坑 支护桩 受力变形规律 分布式光纤 温度应变 

摘      要：近年来,我国基坑工程越来越向大型化、复杂化发展,其中一些以岩层为主的土岩混合深基坑跨季施工过程中,支护结构还会受气温变化的影响产生一定的附加变形,在各因素综合作用下,基坑支护结构受力变形模式不明确,支护方案、设计理论等尚未形成完善的体系,给基坑的设计、施工方案的优选以及工程安全带来很大的问题。基于此,本文以徐州地铁南三环站基坑支护体系中的钻孔灌注桩为研究对象,基于OFDR分布式光纤测试技术,采用试验研究、数值模拟与现场实测相结合的方法,研究了基坑开挖过程中支护桩的变形规律,提出了岩石深基坑支护桩的受力模式。首先,设计了混凝土受弯构件梁,将分布式光纤以沿梁表面粘贴敷设、沿梁内钢筋开槽粘贴敷设、沿梁内钢筋绑扎敷设的工艺布设于梁的受拉侧与受压侧,通过与应变片测值的对比,重点分析了拉、压区光纤的应变传递性能与应变测值的稳定性(拉应变为正,压应变为负),结果表明:(1)受压侧光纤的应变测试效果排序为:沿钢筋粘贴敷设(相对误差6%)(优于)沿混凝土梁表面粘贴敷设(相对误差8%)沿钢筋绑扎敷设(相对误差50%);受拉侧光纤的应变测试效果排序为:沿钢筋粘贴敷设(相对误差3%)(优于)沿钢筋绑扎敷设(相对误差12%)沿混凝土梁表面粘贴敷设(相对误差28%);(2)综合来看,沿钢筋开槽粘贴敷设的光纤在受拉和受压时均具有最优的应变传递性能与应变测值稳定性,在今后使用分布式光纤测试技术进行基坑支护结构变形监测时,推荐采用沿钢筋开槽粘贴的敷设方法进行测试光纤的布设。其次,以徐州地铁南三环站基坑东侧支护桩为原型建立桩-岩三维计算模型,研究了由气温年变化引起的支护桩内温度场以及温度应变场的分布规律(拉应变为正,压应变为负)。结果表明:(1)年气温在2.6～31℃变化时,温度场的最大影响范围为:沿桩径方向至桩周围1.5m范围内的岩体,沿桩深方向至开挖面以下约1m深度位置;(2)气温年变化引起支护桩基坑侧、迎土侧表面分别产生-70～190με、-30～60με的竖向温度应变,且温度应变沿桩深方向随桩的开挖趋于均匀分布,沿桩径方向呈单调递减的线性分布;(3)支护桩表面竖向温度应变随气温变化呈正弦变化的规律,当气温由最低(2.6℃)升至最高(31℃)时,支护桩基坑侧、迎土侧表面最大压应变增量分别为248.2με、79με;当气温由最高降至18℃时,支护桩基坑侧、迎土侧表面最大拉应变增量分别为115.6με、38.4με,由气温变化引起的支护桩基坑侧表面的应变增量约是迎土侧表面的3倍。最后,对南三环站基坑最深段的6根支护桩开展了长达10个月的现场实测研究(2019年10月～2020年7月),基于数值模拟研究成果对光纤的应变监测数据进行了温度修正处理,分析了岩石基坑开挖过程中支护桩的变形规律与受力模式(拉应变为正、压应变为负)。结果表明:(1)支护桩的受力变形模式主要分为两个阶段:在基坑开挖前期(支撑未施工时),桩身最大变形位于桩顶附近,变形量介于-200～-400με,桩的受力模式类似于一端嵌固受三角形分布荷载的悬臂梁,桩身变形呈上大下小的“三角形分布;在第一道支撑施工后,最大变形下移至开挖深度中部偏上位置,变形量约-220με,桩的受力模式类似于两端简支受三角形分布荷载的弹性梁,桩身变形由“三角形转变为两端小中间大的“鼓肚子状变形模式;(2)仅施工第一道支撑时,南三环站基坑支护桩的受力模式可简化为两端简支受三角形分布荷载的混凝土弹性梁模型;(3)岩石基坑中围护结构的变形大小与岩体侧压力系数的大小呈正比,利用本文提出的计算模型分析南三环站基坑支护桩的受力变形模式时,岩体侧压力系数的推荐取值为:K=0.25～0.3(基坑东侧)、K=0.15(基坑西侧)。通过本文的研究获得了徐州地铁南三环站这类以岩层为主的土、岩混合深基坑中支护桩的变形规律与受力模式,相关成果对有着类似特殊地质条件岩石深基坑支护结构的优化设计与施工有着重要的指导与借鉴意义。论文有图70幅,表14个,参考文献98篇。