深基坑装配式支护结构现场监测及变形特征研究

作     者：隋帅旗 

作者单位：河北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：余莉

授予年度：2024年

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

主      题：装配式支护结构 现场监测 数值模拟 优化设计 

摘      要：近年来,随着经济发展与城市化进程加快,建筑物高度不断增加。传统基坑支护结构施工速度慢且不可回收,造成施工低效和材料浪费。可回收装配式支护结构不仅可以减少对周围环境的影响,还能多次回收利用,提高工程效率与经济性。本文依托石家庄某深基坑工程,结合深基坑设计理论与工程实践,选择可回收装配式支护结构,通过理论计算和室内试验,研究了该种支护结构的设计理念、施工流程;通过现场监测及Plaxis 3D有限元数值模型分析了支护结构及土体在施工过程中的变形规律,对比分析了监测结果和数值模拟结果;分析了单因素变量对装配式基坑支护结构及土体的受力和变形规律的影响;通过敏感性分析,对支护结构进行了优化。论文的主要工作和取得的成果如下: (1)本文根据装配式基坑支护设计的方法,分析了装配式基坑支护结构设计计算的相关理论。通过采取现场土样,开展了室内土工试验,获得了土体的物理力学指标。在此基础上,进行了装配式基坑支护结构的初步设计,分析了其施工工序。 (2)通过对基坑装配式支护结构的现场施工监测,得到以下结论;随着开挖深度的增大,水平位移逐渐增加,最终达到了稳定,坡顶最大水平位移为12.6mm;基坑的竖向位移变化较小,最大值为6.5mm;纵向深度上的深层水平位移变化最大为5.0m深处,日均位移为0.069mm/d,支护完成后日均位移为0.023mm/d;支护结构工字钢上的土压力最大稳定值为259k Pa,土压力随着支护结构的作用时间的增加逐渐趋于稳定;锚索预应力会随着监测时间的进行而发生损失,并在30日后趋于稳定。 (3)通过采用Plaxis 3D数值模拟对基坑装配式支护结构的施工过程进行了有限元计算,获得结论为:随着基坑开挖,水平位移增大,最大的水平位移出现在开挖6m时为29.96mm,随着支护结构的作用,到开挖8m时,最大水平位移降低至4.3mm,说明开挖后及时支护能够有效地控制变形;基坑坡顶最大竖向位移为1.4mm,说明可回收深基坑支护结构对基坑的竖直变形有着较好限制作用;工字钢受力也会随着开挖深度不同的表现不同,其中开挖6m时,产生最大的弯矩为39.36 k N·m,最大位移为12.55mm,随着支护结构的施工,其值在开挖8m时逐渐减小;锚索在施作第三排时的最大位移3.5mm,锚固段的侧摩阻力最大值为17.9k N。通过对比现场监测分析和数值模拟分析,实测值小于模拟值,说明数值模拟中土体由于土体较均匀,在开挖和支护作用下,使得土体反映更加灵敏。 (4)通过分析单因素变量对支护结构影响可知:锚杆自由段轴向刚度、钢板模块板厚度及锚杆锚固段长度的变化与支护结构变形及内力变化均呈现负相关关系。当三种主要影响因素数值减小,支护结构变形及内力均增加且增长速率逐渐增大;当影响因素数值减小到小于影响因素对评价指标影响曲线上奇异点横坐标对应数值时,支护结构的变形及内力呈现非线性增加。 (5)由影响因素敏感性系数可知,敏感程度:锚杆锚固段长度锚杆自由段轴向刚度钢板模块板厚度。对于支护结构进行优化设计时,出于工程造价经济性的角度考虑,可首先选择钢板模块板厚度进行优化;不宜对锚杆锚固段长度进行单独优化。影响曲线奇异点所对应的横坐标,分别出现在了锚杆自由段轴向刚度为0.9EA及钢板模块板厚度为4.50mm时,依据此优化第二章支护结构设计方案,与原方案相比较在满足安全及规范要求前提下,节省了工程造价,提升了工程经济性。