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基坑工程的变形分析和变形控制是确保基坑安全稳定的重要内容之一。但是,由于开挖卸荷效应和不确定性因素的影响,基坑的变形分析及其控制显得尤为复杂,至今理论上和实践上都还存在大量尚不能给予很好解决的课题。在变形分析与计算方面,目前仍较多采用的是以Coulomb和Rankine等经典土压力理论为基础的极限平衡原理,基本上没有考虑开挖卸荷后所出现的一系列与基坑变形和稳定性极其相关的力学效应。在变形控制方面,很少针对开挖卸荷效应和不确定因素进行计算和调控,基本都是根据最初的岩土特性一次性地进行设计与支护,不仅对已有变形不具有恢复能力,而且适应不确定因素影响的能力较差。
本文围绕开挖卸荷后基坑的变形及其控制这一主题,对基坑的开挖卸荷效应、共同变形特征、动态控制技术依次展开了讨论。取得的主要研究成果为:
1、在基坑工程领域,引入了支护能力可以随坑壁变形发展而调节变化的动态支护理念。以此为基础,提出了一种以拱形结构为支撑的动态支护技术和一种由千斤顶、支柱、两个或多个拱形支撑组成的、支撑能力可以复加的双拱自稳支撑。
2、提出了扰动后基坑变形的平面分区概念模型,用非线性弹簧件和非线性摩阻件,来分别表示弹性区域和塑性区域的应力应变随距离的变化关系,建立了考虑距离因素影响的流变力学模型,并推导出了相应的本构方程。在此基础上,推出了基坑周围卸荷拱的轴线方程、跨度和矢高的表达式。
3、建立了坑周岩土弹性变形问题的平面力学模型,推导出了弹性应力场、位移场的解析解。根据Kastner方程,给出了塑性区域应力位移场解析分析的基本过程,提出了基坑周围塑性应力场和位移场的一种解析计算方法。以此为基础,建立了坑壁土压力和坑壁位移之间的一一对应的关系式,给出了一种新的描述土压力与位移之间非线性关系的方法。
4、把坑壁位移量分解为支撑施加前的初始位移量、支撑压缩变形所引起的位移量、围护结构柔性变形所引起的位移量三部分,建立了一种考虑基坑一支护系统共同变形的简化计算方法,并给出了算例。
5、考虑开挖卸荷效应的影响,建立了直线形支撑的轴力和变形随坑壁位移变化而变化的关系式,结合算例,分析了坑壁初始位移、支撑点高度、土压力作用点高度、外摩擦角等因素对直撑力学特性的影响。同时,对拱形支撑动态支护作用下,三铰拱支撑和无铰拱支撑的内力、变形和坑壁位移的关系进行了分析,建立了坑壁位移和支撑变形之间的耦合关系。
本文的研究,对把握基坑的开挖卸荷效应和分析基坑一支护系统的共同变形特征具有重要的理论意义,同时对受开挖卸荷效应和不确定因素影响显著的基坑变形,具有很好的控制效果。