基坑开挖对建筑物基础安全性的影响分析

论文价格:150元/篇 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis 编辑:vicky 点击次数:109
论文字数:44585 论文编号:sb2021022409501434671 日期:2021-03-08 来源:硕博论文网

本文主要结论有:(1)以广佛环线的科学中心站基坑开挖为工程背景,以已有的测量尺寸数据为依托,运用 MDASI NS 分析基坑开挖时,其支护桩刚度、长度变化,基坑开挖深度变化,邻近建筑物桩基础的刚度和桩顶荷载等变化对于支护结构和建筑物桩基础水平位移的影响规律。结果表明:在考虑不同因素变化时,支护桩和建筑物桩基础水平位移是有不同程度的影响。其中对建筑物桩基础水平位移影响较大因素是:支护桩的刚度、基坑开挖深度以及基坑壁到建筑桩的距离。

第一章 绪论

1.1 选题背景及研究意义
随着我国经济和社会的高速发展,城镇化进程的推进,大量人口向中心城市聚集,给城市交通带来巨大压力。以广州市为例,到 2020 年,广州市总人口规模将达到 1500万;广州管辖的城市总面积 7434.4 平方公里;截止 2020 年底,广州市登记在册的机动车持有量己经超过 318 万辆。这些因素迫使广州市的建设只能向高空发展以及占用城市绿地,这些导致了交通阻塞、环境污染、建筑空间拥挤、基础设施落后、城市防灾能力薄弱等“城市综合症”。给城市生活带来了严重的影响,也极大地限制了经济和社会发展的步伐,是现代城市可持续发展的绊脚石[1]。我国大城市交通紧张状况,在改革开放初期就已呈现出来。目前,各大城市交通条件严重恶化,车均道路面积以 10%~15%的速度下跌,发达国家所经历的机动车剧增,道路交通严重阻塞的僵局又在中国大城市重演[2]。
回顾发达国家的大城市发展,其发展的历程也说明地面空间、地下空间与上部空间协调发展的城市立体化再开发,是城市中心区改造唯一现实的途径,城市立体化开发需要充分利用地下空间[1]。当今发达国家为实施可持续发展,解决城市人口、环境、资源三大危机和医治“城市综合症”,其良药就是地下空间开发与利用:城市快速轨道交通,以及市区修建地下铁路,用以拓展交通空间代替地面汽车交通,不仅可以缓解地面道路阻塞和居民乘车难的问题,而且其相对于汽车绿色环保,更有利于城市环境保护,这是如今最为可行的办法[2]。我国一些发达地区已经进入了大规模建设地铁的时代,如广州市已经拥有了 14 条地铁线,截至 2019 年 12 月,广州地铁在建线路共有 12 条。
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1.2 本课题的国内外研究现状及发展趋势
1.2.1 竖向受荷桩理论分析现状
目前,桩的受力分析最主要的形式是数值计算方法,桩基础所受荷载在其设计承载力范围之内,弹性理论的分析方法也足以反映桩基础的主要工程受力性状。桩受荷载影响的分析方法主要有:有限单元法、弹性理论法以及近年来提出的积分方程方法等。
有限单元法适用性十分广泛,不仅弹性分析可以使用,而且在理论上还可以考虑非线性、非均匀性及界面滑动等各种特性,不过在实际工程的分析中,其建立的模型相当复杂,施工过程的仿真包含大量的细节模拟,难度较别的分析方法要大得多,而且其计算结果的精度又受多方面因素制约,因此有限元离散的计算结果也会存在不小的误差。
弹性理论法是将桩周土体等代于各向同性且均质的弹性体,同时地基土性质不因桩的存在而发生变化,又假定桩土之间是不产生相对滑移,应用半无限体内受集中力的Mindlin 解答求得土体位移,从而得到桩身应力和位移的分布。而 Poulos[8]则逐步完善了弹性理论法,将其完善成比较系统的分析理论,使得弹性理论法成为桩基础研究分析的一种重要理论方法。
积分方程方法是基于 Muki & Sternberg 在 1970[9]提出的虚拟桩模型,采用 Hankel积分变换和积分方程理论,建立群桩相互作用的第二类 Fredholm 积分方程进行求解,结合传递矩阵方法还可用于求解成层地基中的桩基问题。该方法在理论上可求解层状地基中的大规模群桩、混合群桩问题。积分方程方法近年以来得到较多地重视,因为在理论上较为严密,计算量也相对较小,被一些学者认为是值得推广的分析方法之一。
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第二章 基坑开挖对周围桩基影响机理以及数值模拟方法

2.1 桩基的作用机理
桩的荷载传递规律:当单桩桩顶受到竖向荷载,桩身受力会产生向下的位移,同时桩侧相对于土体会受到向上的摩阻力,桩身荷载通过桩侧摩阻力传递到桩周土层中,致使桩身荷载和桩身压缩变形随深度递减。同时,如果桩顶荷载不断增大,桩身压缩和位移量会随之增长,桩身下部摩阻力在荷载到达一定程度时也会开始起作用,桩底的土层也因受到桩的挤压而产生桩端阻力。而且,桩端土层压缩量的增加会增大桩土之间的相对位移,这样桩侧摩阻力就越来越大,当桩侧摩阻力达到极限后,若继续增大荷载,这些荷载增量将全部由桩端的土体来承担,当桩底的荷载达到桩端持力层土的极限承载力时,桩端持力层土体大量压缩和塑性挤出,位移增长速度显著增大,使桩发生急剧的不停滞的下沉而发生破坏,此时桩所受的竖向荷载就是桩的竖向极限荷载。
由桩的荷载传递规律得知,桩顶荷载一般由桩侧摩阻力和桩端阻力共同承担,桩侧摩阻力先于桩端阻力发挥,其中桩端阻力直接传递至桩端持力层,桩侧阻力以剪应力的形式传递给桩侧土体。
图 2-1 模型位移图
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2.2 桩侧阻力的影响因素
桩侧阻力对桩基础承载力有很大的影响,但是它受到很多因素的影响,桩顶荷载的大小、桩土相对位移、土的性质、桩身刚度、桩长、桩径等。
摩擦力的产生依赖位移,同理桩侧阻力需考虑桩与桩周围土体的相对位移。当桩土相对位移较小时,桩侧阻力与桩土相对位移之间存在近似的线性关系。随着两者的相对位移增大,桩周土体的侧压力和桩土的相对位移对桩侧阻力都有较大的影响。最大桩侧阻力出现在这两个因素的最佳组合中。随着桩土相对位移的增大,桩土相对位移逐渐增大。随着水平的增加,桩侧最大抗力增大,桩位下移。桩土的相对承载力。位移达到极限后,桩侧阻力不再增加,我们称桩侧阻力为极限侧压力。
其中,桩的侧阻力是由桩与周围土体相互作用引起的,因此桩周土体的性质是也是很重要的。
土体的性质是会直接影响桩侧阻力。桩身通过周围土体的剪切变形会把桩荷载传递给周围土体。一般情况下,桩侧阻力随桩周土体强度的增大而增大。桩周土的其他一些性质,如剪胀性、湿陷性和液化,都是特殊的。在一定条件下,桩侧阻力也会有不同程度的降低。
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第三章 基坑开挖对邻近建筑物桩基础影响的有限元分析.....................24
3.1 有限元程序 MIDAS/GTS 简介.....................24
3.2 MIDAS/GTS 模拟理论基础............................24
第四章 基于人工神经网络的基坑开挖对邻近建筑物桩基础影响的预测.................51
4.1 人工神经网络.........................51
4.2BP 神经网络结构的确定...................52
第五章 基坑开挖对上部结构的影响分析..............................60
5.1 工程概况.................................60
5.1.1 建筑概况........................61

第五章 基坑开挖对上部结构的影响分析

5.1 工程概况
广佛环线位于经济发达的城市中心区,设计边界条件极其复杂,具有多项城际铁路建设的第一。同时由于全线工程设置复杂,是目前城际铁路建设项目综合指标最高的项目。
珠三角城际广佛环线 GFHD-1 标二工区起点为广州市番禺区内的大石站,终点在广州市番禺区内的科学中心站。其中科学中心站 560 米(含 5 ~8 号工作井及明挖配线段),位于广州市番禺区大学城科普路,施工位置处于广东科学中心的广场地带。科学中心站(含 5 ~8 号工作井及明挖配线段)南侧靠近珠江,北侧靠近官洲河,车站距珠江后航道最近处约 150 米。
主要工程:1 个车站,2 个明挖配线段,5#、6#、7#、8#工作井。其中科学中心车站长 272.4m;明挖配线段长(123.8m×2);5#、6#工作井长 20m;7#、8#工作井长 20m。科学中心站基坑开挖深度为 32.4 米,开挖宽度为 33.9 米(标准段),为地下三层单岛式车站,结构类型为 2 柱三跨框架结构。
图 5-1 地铁围栏施工范围
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第六章 结论与展望

6.1 结论
本文以广州市番禺区内的大石站基坑开挖为工程背景,采用以多种数值模拟方法及人工神经网络等方式去研究地铁深基坑开挖对于邻近建筑物桩基础水平位移的影响。并成功使用 BP 人工神经网络对基坑开挖邻近建筑物桩基础的水平位移进行了预测,有良好的结果。本文主要结论有:
(1)以广佛环线的科学中心站基坑开挖为工程背景,以已有的测量尺寸数据为依托,运用 MDASI NS 分析基坑开挖时,其支护桩刚度、长度变化,基坑开挖深度变化,邻近建筑物桩基础的刚度和桩顶荷载等变化对于支护结构和建筑物桩基础水平位移的影响规律。结果表明:在考虑不同因素变化时,支护桩和建筑物桩基础水平位移是有不同程度的影响。其中对建筑物桩基础水平位移影响较大因素是:支护桩的刚度、基坑开挖深度以及基坑壁到建筑桩的距离。
(2)运用有限元模拟软件 ANSYS 对基坑开挖时桩侧土体刚度的变化作为主要依托,考虑 Winkler 模型对桩基础进行模拟,并将其结果与实际实验数据进行对比分析。结果如下:实验数据和模拟数值结果较为相近,能够反映桩基础变形受力情况,而实验值一般大于模拟值,这是由于实际工程有较多不确定因素,数值模拟不能完全表示实际工况。
(3)运用 MATLAB 软件中的 Neural net Clustering 中的 BP 神经网络对固定土层参数和基坑开挖距离情况下,考虑六种因素:基坑开挖深度,支护桩的刚度,内支撑的数量,建筑桩的刚度、桩顶荷载以及桩径的变化,通过 MIDAS 建立相应有限元模型,并得到不同因素变化的 270 组数据,将其中 240 组作为 BP 神经网络的训练样本进行神经网络模型的搭建,随机抽取的 30 组作为测试样本验证神经网络模型的正确性,最终对于建筑桩基础的桩顶位移预测精度较高,将其运用到实际工程中有一定的可行性。
参考文献(略)


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