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深基坑桩锚支护及工程应用研究

作　者: 曹剑波
导　师: 贾洪彪
学　校: 中国地质大学
专　业: 地质工程
关键词: 深基坑桩锚支护有限元数值模拟 ANSYS程序
分类号: TU753
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

基坑工程是岩土工程领域的一个十分重要的组成部分,也是建筑工程技术的一个关键环节,它的成败关系整个建筑的安全。随着城市建设高速发展,涌现出大量的高层建筑地下室的和城市地铁工程,由此带来的深基坑工程也越来越多。桩锚支护因为具有其特有的优势,已成为深基坑支护中一种最常用的支护结构之一。本文选取深圳某深基坑为研究对象,对其桩锚支护方法在各种不同工况下进行了有限元数值模拟。主要研究过程如下：首先通过大量阅读文献、专著和国内外深基坑支护的相关期刊,对深基坑桩锚支护及其研究现状进行研究,对深基坑有限元模拟存在的问题进行了总结：自重应力处理问题、土压力问题、支护结构与土体相互作用问题。从而为进一步的理论研究和工程实例应用提供了依据。接着对深基坑桩锚支护方法进行了研究。通过对深基坑工程概念的定义,引出了深基坑支护工程的主要内容,对深基坑支护形式进行了介绍。桩锚支护体系主要由排桩围护体系和锚杆锚固体系组成,土压力计算方法主要有郎肯土压力理论和库伦土压力理论,文章对两种理论进行了比较研究,提出了各自的适用范围。以两排锚杆的桩锚支护为例,结合工程实际的设计方法,分别给出了排桩和锚杆力学计算公式。然后对深基坑桩锚支护有限元法原理及本构模型进行了研究。有限元法在分基本思路是把结构体分解成连续的有限个单元组合,单元在节点相连,以节点为基本未知量,并用举证表示基本方程,列出有限个线性方程,然后求解。在土体破坏的有限元模拟中,主要的本构模型有Mohr-Coulomb模型和D-P模型。Mohr-Coulomb模型的物理力学概念简单明了,用到的参数少且易于实测,经过实践考验,基本上可以反映岩土体的塑性变形特征,因而在工程界得到了广泛应用。但由于该模型屈服面上具有角隅特性,不便于计算塑性应变增量,给数值计算带来了困难；D—P模型用较少的参数和简单的方法,考虑了静水压力p对屈服强度的影响,此外也可同时考虑岩土体材料的剪胀性,并且模型的屈服面光滑,在数值模拟中得以常用。本文以ANSYS程序作为基坑开挖的模拟有限元软件,采用其“生死”技术对基坑土体的移除及支护结构的施加,用其"ISWRITE、ISFILE"命令“读写”功能实现初始地应力、杆单元的初始应变实现锚索预应力的模拟,用其自带的TAGE170和CONTA173接触单元仿真桩土之间的接触。对这一系列技术的实现进行了研究。最后,选取工程实例单宽度建立有限元模型对基坑的开挖进行有限元计算。通过研究其应力、应变变化规律表明：随开挖深度的加深,桩体水平位移、坑底隆起、桩背边坡沉降及桩体等效应力均在加大。随着锚索预应力的增加,桩体水平位移在减小,最大水平位移点逐渐从桩顶向桩底转移,当采用550KN预应力锚索时,最大位移出现在0.4H(基坑开挖深度)；锚索预应力增加,坑底隆起和边坡沉降也在减小,但影响较小；锚索预应力同时也能改善桩体应力集中现象,通过锚索的拉力作用使开挖面以上桩体等效应力向桩后土体转移,同时,开挖面以下部分桩体等效应力稍有增加。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-12
第一章绪论  12-18
  1.1 选题背景及依据  12-13
  1.2 桩锚支护深基坑研究现状  13-16
    1.2.1 抗滑桩研究现状  13-14
    1.2.2 锚杆支护结构的现状  14-15
    1.2.3 桩锚支护结构的研究现状  15-16
  1.3 深基坑有限元模拟中的问题  16-17
  1.4 主要研究内容  17-18
第二章深基坑桩锚支护方法  18-30
  2.1 深基坑支护工程概述  18-20
    2.1.1 深基坑工程的概念  18
    2.1.2 深基坑支护工程主要内容  18-19
    2.1.3 深基坑支护结构的型式  19-20
  2.2 桩锚支护体系的设计理论  20-30
    2.2.1 深基坑桩锚支护的特点  20-21
    2.2.2 桩锚支护体系的构成  21-22
    2.2.3 土压力计算方法  22-27
    2.2.4 桩锚支护的力学分析  27-30
第三章桩锚支护有限元分析理论  30-39
  3.1 有限元法基本原理  30-33
    3.1.1 有限元法基本思路  30-32
    3.1.2 有限元法求解步骤  32-33
  3.2 土体本构模型  33-39
    3.2.1 本构模的型概述  33-34
    3.2.2 Mohr—Coulomb模型  34-36
    3.2.3 D-P模型  36-37
    3.2.4 硬化准则  37-38
    3.2.5 流动规则  38
    3.2.6 塑性体积应变和剪胀性  38-39
第四章基于ANSYS的桩锚支护研究  39-50
  4.1 ANSYS软件介绍  39-40
    4.1.1 ANSYS软件的特点  39-40
    4.1.2 ANSYS分析的基本过程  40
  4.2 采用的相关单元介绍  40-42
  4.3 基坑的开挖模拟  42-43
    4.3.1 开挖方法  42-43
    4.3.2 ANSYS单元生死技术  43
  4.4 初始应力及预应力模拟  43-47
    4.4.1 初始应力的论述  43-44
    4.4.2 初始应力的计算  44-46
    4.4.3 预应力模拟  46-47
  4.5 桩锚支护结构与土体的接触分析  47-50
    4.5.1 接触分析有限元方法  47
    4.4.2 ANSYS接触分析  47-50
第五章深基坑桩锚支护实例研究  50-80
  5.1 工程概况  50-52
    5.1.1 基坑介绍  50
    5.1.2 场地工程地质条件  50-52
  5.2 支护结构形式  52-55
  5.3 基坑开挖有限元计算  55-76
    5.3.1 几何模型  55
    5.3.2 有限元模型及边界条件  55-56
    5.3.3 计算过程  56
    5.3.4 工况分类  56-57
    5.3.5 计算结果分析  57-76
  5.4 支护条件对计算结果影响分析  76-78
    5.4.1 桩体水平位移  76-77
    5.4.2 坑底隆起  77
    5.4.3 边坡沉降  77
    5.4.4 桩体应力  77-78
  5.5 支护方案确定  78-80
第六章结论及展望  80-82
  6.1 结论  80-81
  6.2 展望  81-82
致谢  82-83
参考文献  83-85

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