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深基坑支护工程的设计和施工是一项比较复杂的工作,其支护结构的计算是一个综合性的岩土工程难题,既涉及土力学中典型的强度、稳定和变形问题,又涉及土与支护结构的共同作用问题。虽然到目前为止,我国的深基坑工程已经取得长足的发展,出现了许多新的设计方法和施工工艺,但总体来说,我国的深基坑理论水平发展还不是很完善和成熟。随着国家建设的发展,软土地区深基坑工程越来越多,基础埋深越来越深,施工难度越来越大,为满足基坑工程发展的需要,诸多的基坑支护方式被广泛采用,多锚撑支护就是其中之一。
现在,大量的深基坑开挖与支护的应力、变形分析,结合不可忽视的卸载问题(还有应力路径问题等)及其引发的土体应力、强度、变形性质以及其变化,提出了需要深入研究的课题。因此在深基坑工程设计和施工还不是很完善、支护理论有待发展的时期,研究多锚撑支护的受力特性以及对其进行变形分析,具有重要的理论意义和现实意义。
任何一个工程方面的课题的发展都是理论和实践密切结合并不断相互促进的结果。在国家重点工程—上海南站的建设工程中,出现了诸多复杂的情况,如多个基坑相连施工,多种基坑围护和支护工艺以及多种地基处理方式,还要保证北部沪闵路高架、地铁R1号线以及横穿整个工地的货运铁路沪杭线的运营安全,保护已经建好地铁R1线改线和明珠线上海南站地下站厅等,这些都给基坑工程的组织和施工带来了新的挑战和机遇。本文“软土地区深基坑多锚撑支护的受力特性和变形分析”就是来源于此工程实践,主要是针对Ⅲ期基坑工程中采用的SMW工法桩和多层锚杆围护的基坑支护方式,为保证基坑周边正在运营的沪杭线和已建好明珠线上海南站站厅的安全,研究其受力特性,并进行变形位移控制,指导信息化施工。
本文结合上海南站的工程实际,主要分析和总结了与基坑工程设计,特别是多锚撑支护相关的设计、施工、监测等问题的一些常用的分析计算方法;分析和总结了基坑工程中基坑变形的机理、基坑变形的影响因素以及基坑施工中的时空效应问题,并就基坑工程中的环境问题和发生事故的原因及对策进行了初步的探讨,研究了及时采用最新的实测数据去反演它的力学参数以指导下一步工作的方法。
本课题反演分析主要采用两种反演模型:一种是修正的动态位移反分析法,主要是综合考虑软土地基时空效应和开挖过程等因素,将常规的粘弹性蠕变位移反演分析与施工模拟过程结合起来,运用有限元方法分析深基坑开挖过程中围护结构水平位移、周围地表沉降的分步开挖效应;另一种是基于弹性地基有限元反分析法,即将基坑开挖分析方法与非线性优化方法相结合,利用反演分析中单纯形优化法对所建立的数学模型进行优化。通过这两种方法的反分析,本文主要得出了如下结论:
(1)考虑开挖过程的修正的位移反分析法和基于弹性地基有限元反分析法对于基坑工程的指导作用明显,通过当前施工阶段量测的全量或增量信息来反求初始地应力参数和预测下一阶段基坑工程的变形量,指导信息化施工,保障了沪杭线的正常运行和该工程后续工程的顺利进行,做到了安全性和经济性的统一。
(2)从实际工程的应力监测可以看出,随着基坑开挖越来越深,全长粘结锚杆开始发挥作用,其轴向应力开始增加,但增加的幅度越来越小,随着后续基坑的开挖和多层锚杆的施工,第一、二层锚杆的轴力有下降趋势,其他层锚杆轴力随时间不断增加,作用越来越明显。所以在设计中要考虑在基坑开挖到最低位置的过程中,锚杆的轴向应力不超出允许的应力范围。
(3)从实际工程的应变监测可以看出,随着基坑的逐步开挖,坡顶的侧向位移逐渐增大,而且从工况一到工况二的增幅比以后各步的增幅都大,这说明锚杆在减小位移量上发挥了作用,因为从工况一到工况二没有锚杆的加入,而以后的每一工况基本上都有一层锚杆加入。
(4)对多锚撑的SMW工法支护体系,围护结构测斜曲线在剖面上呈“鼓肚”型,其变形最大点不在围护桩顶部,而发生在基坑靠近底面附近。
(5)基坑围护水平位移最大值大致发生在基坑中部,从中部沿基坑向基坑转角其水平位移逐渐减小。在地层相差不大的基坑工程中,越靠近基坑中部,其位移变化速率也越快。