复合土钉墙变形特性的颗粒流模拟研究硕士论文答辩

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2010,年,硕士论文答辩,复合土钉墙变形特性的,颗粒流模拟研究,研究背景与不足,研究思路与目的,论文要点,已录论文和致谢,1,2,3,4,论文框架,研究背景,随着我国城市化进程的加快，城市中的土木工程建设，包括房屋、交通和市政基础设施等正在全面展开。建筑物变得越来越密集，在这种情况下，基坑工程已成为城市岩土工程应用和研究中的热点内容之一。基坑支护结构在功能上不仅要保证基坑的稳定可靠，而且还要严格控制基坑坑壁的水平位移及周边地表的沉降，以降低对周围环境的不良影响，这对基坑开挖支护的要求大大提高了。,研究现状,1.,理论研究,(1),极限平衡法,(2),有限元法,2.,试验研究,大型模型试验、离心机试验以及现场测试,研究不足,支护位移场特征分析,桩身水平位移影响因素,研究中存,在的问题,内部机理和变形特性,研究思路,支护机理,变形特性,复合,土钉墙,水泥,搅拌桩,寻找,方法,研究,不足,研究目的,明晰内部机理,理解变形特性,支护位移场特征分析,桩身水平位移影响因素,内部机理和变形特性,论文要点,水泥搅拌桩,变形特性模拟,数值模拟,复合土钉墙,变形特性模拟,1,支护位移,场特征分析,2,支护变形形态和特性,3,桩身水平位移影响因素,两种支护形式的比较与影响因素,两种支护的土体位移场比较,坑壁侧移区与坑底隆起区,两种支护变形特性,复合土钉墙位移与纯水泥搅拌桩或者 简单土钉支护相比主要有,2,个不同点：,1),水平位移最大点在基坑中下部而不是跟纯水泥搅拌桩或者简单土钉支护一样水平位移最大点在基坑顶部。,2),由于搅拌桩的存在，水平位移大大减小，搅拌桩在初期的应用中主要是起止水帷幕作用，但从分析结果来看，搅拌桩对限制基坑壁的水平位移也起着至关重要的作用。,水泥搅拌桩桩身水平位移影响因素,1,桩身埋置,深度不同,2,桩身半径不同,3,土颗粒摩擦,系数的影响,4,土颗粒刚度,参数的影响,5,基坑开挖施工,进度的影响,(1),桩身埋置深度不同,当桩身埋置,10 m,时,桩身水平位移相对于桩身,埋置,4 m,时减小了,45.68%,，,可见桩身埋置深度的增加,可以有效地控制桩身水平,位移。,(2),桩身半径的影响,从上面三种情况下桩,身水平位移的数值大小可,得当桩径从,0.3 m,扩大到,桩径,0.5 m,时桩顶最大位,移减小,45%,，说明桩径大,小对桩身水平位移的影响,也比较大。,根据右边曲线可以看出，,在土体内摩擦系数,0.4,，,0.6,，,0.8,，,1.0,，,1.2,时桩身最大水平,位移分别为,97.50 mm,，,92.44,mm,，,80.36 mm,，,74.38 mm,，,76.35 mm,。通过数值模拟比较,分析可得，不同的土体内摩擦,系数对桩身水平位移曲线没有,显著的影响。,(3),土颗粒摩擦系数的影响,工程中土体性质的参数主要包含内摩擦角、,含水量、密度,(,容重,),、孔隙比、塑性指数、液性指,数等。,(4),土颗粒刚度参数的影响,土层性状的差异对水泥搅拌桩的桩身水平位移,也有一定的影响，在数值模拟中可以通过比较颗粒,刚度的大小来,进行分析。,从右边的曲线中可以看出当颗粒法向刚度从,210,7,N/m,变化到,110,8,N/m,时，桩身最大,水平位移减小值为,65.8%,。,(5),基坑开挖施工进度的影响,当每层开挖循环为,40,万或,50,万步时桩身最大水,平位移已趋于稳定。,即桩身水平位移并非无限制地,增大。,由每层开挖循环,50,万步的情况可知，桩身最大水平位移已达,1 m,，正好反映了基坑开挖过程中分层开挖的施工进度对桩身水平位移的影响是不可忽视的，值得人们的关注与重视。,复合土钉墙桩身水平位移影响因素,1,桩身刚度,的影响,2,地面超载的影响,3,振动荷载,的影响,4,土钉长度,的影响,5,土钉倾角的影响,6,基坑开挖施工,进度的影响,(1),桩身刚度的影响,实际工程中，不同桩体材料对基坑水平位移也,有一定的影响。利用模拟中水泥搅拌桩的平行粘结,刚度大小不同来反映桩身刚,度的影响。对于桩身平行粘,结刚度,510,10,Pam,到,3 10,11,Pam,时，减小了,70.39%,，说明提高桩身刚度,的提高对于基坑水平位移的,影响较为显著，在保证一定,的经济基础上应该尽量提高,桩身刚度大小，减少基坑位,移，具有一定的意义。,(2),地面超载的影响,在深基坑工程中，支护结构所受到的荷载主要,包括土压力、水压力、地面超载、邻近建筑超载、,道路动荷载以及地震荷载等等。而超载作用形式不,同对深基坑支护结构内力将会产生显著的影响。,通过在基坑外地表位置布置一排颗粒，限制这排颗粒只在竖直,Y,方向运动，固定,X,方向和旋转角度，将作为超载颗粒进行施加竖向荷载，荷载作用长度取,6 m,宽，等效于一辆混凝土车的前后车轮,间距，荷载大小设定为,20,kpa,，经过等效换算将线荷,载转换为单个颗粒的密度后，,分别考虑超载距离侧壁,1 m,，,2 m,，,4 m,，,6 m,，,8 m,，,10 m,时对桩身水平位移的影响。,其中超载距离侧壁,6 m,时是,7,种情况的“分界线”。,(3),振动荷载的影响,在土木工程中，土体经常会受到诸如天然振,源的地震、波浪、风和人工振源的交通、爆炸、,打桩、强夯、机器基础等引起的动荷载作用。在这些动荷载作用,下，土的强度和变形特性都将受到影响，可造成土体的破坏，也,可以利用改善不良土体的性质,(,如爆破法、强夯法、换填垫层法,等,),。同时，动荷载都是在很短的时间内施加的，一般是百分之,几秒到十分之几秒，如爆破荷载只有几毫秒，通常在,10 S,以内时,应看作为动力问题。采用颗粒流方法，可以通过设定循环步数来,控制荷载作用的时间。通过控制加载墙体的移动方向来控制加载,方向，因而可以实现振动荷载的模拟。,天然地震的频率一般在,20 hz,以下，模拟中选,取振动频率,10hz,并考虑里氏,2,级地震,(,振幅,100,微米,),的条件，对基坑模型底部墙体施加水平向正弦振,来近似模拟天然地震效应。,同时根据振动的循环时,步大小为,7.643e-5,秒，选取了,循环步数为,2 000,步，,4 000,步,，,6 000,步，,8 000,步，,10 000,步分别对应振动波循环了,0.153,秒，,0.306,秒，,0.459,秒，,0.612,秒，,0.765,秒,5,种振动情,况，振动次数分别为,1,、,3,、,5,、,6,、,8,次,。,(4),土钉长度的影响,实际工程中会根据不同的情况，考虑不同的土钉布置方案。,分别选用了全短、上长下短、中间长、上短下长、全长,5,种情况,下进行研究和分析。中间长和上短下长方案较接近，可根据实际土质情况的做适当的选择,，全短方案可以减少经济成本,，对位移的影响也不是很大，与中间长方案相比相差,0.73%,，但对于上长下短和全长的方案,，桩身最大位移是,5,种方案中,最大的，对基坑水平位移影响较大，并且全长方案对经济方面也不可观，值得慎重考虑。,(5),土钉倾角的影响,基于土钉长度的影响考虑之外，又结合不同的土钉倾角加以,考虑并比较与分析。通过土钉倾角分别为,0,、,5,、,10,、,15,、,20,，,5,种不同倾角方案来分,析其对桩身水平位移的影响。,其中倾角,10,时桩身最大水,平位移最小，其它不同的倾,角所产生的位移相比第三种,方案分别增大了,9.1%,，,6.2%,，,49.1%,，,73.7%,，说明土钉,倾角,10,方案是最佳方案。,实际工程中尽量保证土钉倾,角在,10,左右，以减少位移。,(6),基坑开挖施工进度的影响,模拟可得，每层循环步数的不同时桩身最大位移的位置也不,相同，桩身位移形态发生了改变。由图可得，从每层开挖循环,1500,步到,3500,步时，桩身最大水,平位移位置离开地表的距离,分别为,4.5 m,，,3.3 m,，,3.3 m,，,1.5 m,，,0.3 m,，从中可以看,出了随着每层开挖循环步数,的增加，桩身最大位移处的,位置从开挖面处附近逐渐向,上转移，直到每层循环,3500,步时基本呈现桩顶位移最大,的现象。,TEXT,TEXT,TEXT,TEXT,地表沉降特征,分析,基坑坑,底隆起,特征与,细观机,理分析,桩身轴力与剪,力特征分析,土钉,轴力,特征,分析,研究复合土钉墙支护的其他方面,(1),地表沉降特征分析,通过在地表处创建一排平行粘结的颗粒作为测量沉降的颗粒,，基坑开挖过程中这排颗粒必定会随着地表的高度变化而变化，,此排颗粒的参数与土颗粒参数一致，并通过修改平行粘结参数实,现其紧密与地表颗粒接触，从而更好的反应出地表沉降的变化。,(2),基坑坑底隆起特征与细观机理分析,通过自己编写一个小程序，寻找开挖面处一定高度区域内的,颗粒来监测基坑开挖前后引起的坑底隆起量变化。利用低于开挖,面,0.20 m,范围内的颗粒进行监测，虽然效果没有测地表沉降时来,的好，但是也可以平均反映出基坑坑底隆起量的变化大小。,土体细观机理的变化,软件的特色,对于有限元法比较集中地研究宏观现象的表征，而忽略了对其内部机理的研究与分析，造成分析角度和研究方面的不全面性。,为此，采用颗粒流方法研究基坑支护开挖过程中土体细观机理的变化就变得极为有意义。通,过在基坑坑底处水平方向和,坑底中间往下竖直方向分别,布置,3,个测量圈，以监测土体,细观参数的变化。通过布置,测量圈,1,、,2,、,3,、,4,、,5,可以有,效地来监测开挖施工过程中,土体中孔隙率变化、土体之,间接触程度变化、土体水平,方向和竖直方向的应力大小。,四个细观参数的变化,1),土体孔隙率变化,由于基坑开挖过程中，基坑坑底处土体一直处于回弹状态，,产生了坑底及以下土体向上和桩右边土体向右运动的趋势。地基,土生成是随着重力作用逐渐沉积形成的，其接近于天然实际的地,基土生成过程。那么对于测量圈,2,、,4,、,5,中土体的孔隙率必定会,随着深度的增加而减小，底部墙体处土体最为密实。圈,2,、,4,、,5,中的初始孔隙率分别为,0.132,，,0.124,，,0.121,，随着基坑开挖过程,的进行，土体往上运动形成隆起现象，土体孔隙率再次调整并逐,渐减小。对于圈,1,、,2,、,3,中的初始孔隙率分别为,0.139,，,0.132,，,0.130,这样的大小分布是因为在开挖过程中，桩右边的土体产生向,右运动的位移，从而对圈,2,、,3,有排挤作用，但是因为圈,3,的右边,有墙体作用，导致圈,3,内的土体向右运动时受到了阻碍。从而圈,3,内的土体逐渐被挤密，从而其孔隙率相比于圈,1,、,2,而言是最小的。,2),土体接触程度变化,结合图,5.24,中测量圈中配位数的变化图我们可以得出，对于,圈,4,、,5,内土体本身已经很密实，所以在,5,个圈中这,2,个圈内的土体,必然会接触程度最为明显。随着开挖过程的进行，测量圈,5,中配位,数基本没有太大变化，而测量圈,4,却相对于圈,5,有一定程度的减小,。同时考虑圈,3,中土体与墙体比较接近，圈内土体几乎不会发生太,多运动，圈,1,中颗粒有向右运动的趋势，运动就产生空隙，从而对,圈,1,内的土体接触数必然会有一定程度的折减，而对于圈,2,而言，,承受来自圈,2,下面土体向上运动的冲击和圈,1,向右运动的排挤，其,接触数大大增大，所以圈,2,中的配位数相比于圈,1,、,3,来说是最高的,。通过以上分析，较好地说明了在基坑开挖过程中基坑坑底处土,体接触程度的变化，反映了基坑开挖过程中坑底处土体的细观变,化。,3),土体水平方向应力变化,基坑开挖过程中，土体处于卸载状态，并会引起基坑坑底处,土体隆起，从而带来了负面影响。因此，对于研究基坑坑底处及,以下土体应力状态具有一定的意义。分析图,5.25,可得，对于测量圈,1,、,2,、,3,分布于同个水平位置，而测量圈,