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软土地区地铁基坑开挖引起立柱桩的力学行为研究

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第4章基坑立柱桩隆沉的数值模拟研究

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第4章基坑立柱桩隆沉的数值模拟研究

1、本章文中通过模拟地铁基坑开挖的过程，粗略地介绍了PLAXIS功能，用有限元软件 进行仿真计算，验证PLAXIS软件可以直接有效地应用于岩土工程； 2、通过深层土体的水平位移和立柱桩隆沉的验证，表明模型的土体本构模型选取是正确 的，模型中所应用的基坑围护结构中构件的参数取值是可信的，可为相关有限元软件提供参 考； 3、从土体的深层水平位移可以看出，由于模型中未能充分考虑部分围护结构的加固作用， 导致基坑模拟过程中，土体水平位移的模拟值略大于基坑开挖的实测值，但两者的性状几乎 致，并且土体的水平位移最大位置在基坑坑底的附近，并且模型模拟值为77.36mmTAF-WG4-AS0047-V1.0.0：2019 移动智能终端安全能力测试细则.pdf，基坑 开挖的实测值为82.26mm； 4、将基坑开挖的有限元模型与基坑实例工程相结合，表明基坑开挖中立柱桩隆沉的变化 过程，立柱桩在基坑开挖初期主要表现为沉降；随着基坑开挖深度的加深，立柱桩开始不同 程度地隆起；最后一层土的开挖，立柱桩的隆起趋势快速增长；当基坑开挖至底进行底板的 浇筑，立柱桩的隆沉趋热遂渐稳定， 不再发生过多的变化

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第5章立柱桩隆沉的影响因素分析

立柱桩隆沉的影响因素分析

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第5章立柱桩隆沉的影响因素分析

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第5章立柱桩隆沉的影响因素分析

5.1.1立柱桩插入比

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第5章立柱桩隆沉的影响因素分析

在软土地区，当立柱桩插入比为1:1.5时，立柱桩的隆沉量得到显著控制，立柱桩隆起量 减少24.93%。当插入比达到1:1.5以后，立柱桩的隆沉变化幅度不大，此时通过提高立柱桩 的插入比来限制立柱桩的隆沉，只会造成建筑材料的浪费

5.1.2土体加固深度

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第5章立柱桩隆沉的影响因素分析

5.2立柱桩的隆沉对钢筋混凝土支撑的影响

5.2.1立柱桩隆沉引起混凝土支撑弯矩变

不同插入比的立柱桩隆氵

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第5章立柱桩隆沉的影响因素分析

钢筋混凝土支撑跨中技

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第5章立柱桩隆沉的影响因素分析

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第5章立柱桩隆沉的影响因素分析

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第5章立柱桩隆沉的影响因素分析

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第5章立柱桩隆沉的影响因素分析

5.2.2支撑弯矩的线性拟合

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第5章立柱桩隆沉的影响因素分析

值和支撑设计的极限弯矩结合起来，验证了线性拟合曲线的正确性。基坑开挖结束时立柱桩 最大隆起值与立柱桩的极限隆沉值接近，立柱桩引起的弯矩值将接近支撑设计的极限值。在 该地铁基坑工程的围护结构设计中，证明了支撑刚度的设计合理性。 在大多数的实际工程中，第一道钢筋混凝土支撑的上部钢筋量按构造要求配筋，从而忽 现了立柱桩隆起产生的附加弯矩，配筋不当，会造成立柱桩与第一道钢筋混凝土支撑之间的 节点破坏，继而造成整体围护结构的失稳

桩与地下连续墙之间差异沉降的数值

5.3.1差异沉降的数值对比分析

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第5章立柱桩隆沉的影响因素分析

其它监测点处，最大差异沉降达到42.7mm，已超出上海市基坑工程设计规程定值。在 深基坑设计中，应仔细考虑立柱桩与地连墙的差异沉降影响。由于钢支撑连接立柱和地连墙， 差异沉降过大，导致节点处于平面外受力，产生多余的附加应力，最终导致节点开裂、甚至 破坏等危害

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第5章立柱桩隆沉的影响因素分析

生的附加弯矩，附加弯矩不能超出其设计的极限弯矩，是深基坑工程设计和施工中注意的问 题。

5.3.3预防差异沉降的措施

立程间及立程桩与地下连续墙间的差异沉降会使围护结构在开挖过程中处于平面外受 力，围护结构承受多余的附加应力需要进行结构的局部加固，因此在基坑开挖过程中，给出 减小差异沉降的措施有助于施工的顺利进行： 1、设计单位在设计围护结构时，应考虑围护结构所处位置因土质不同的状况进行不同设 计，避免同一开挖面处围护结构沉降不同而产生的差异沉降； 2、施工单位应确定合理的挖土方式，由监测数据可以表明，最后一层土的开挖是基坑立 柱桩快速隆起的阶段，同一时期，监测部门应频繁进行监测立柱桩及相关围护结构的隆沉状 况； 3、在施工过程中，尽量降低卸荷时对周围土体的扰动效应，以及减小施工的动荷载对周 围土体的扰动，稳定基坑周围土体的位移场，减弱软土地区土体回弹的效果； 4、施工监测单位在遇到重大施工阶段时，应多进行基坑围护结构的监测，监测重点不仅 仅是土体及结构的水平位移，同时围护结构的隆沉也应得到相应的监测

1、立柱桩的隆沉是由基坑土体卸荷导致基坑坑底土体的回弹，从而带动立柱 通过改变基坑坑底土体的加固深度和立柱桩的插入比，探讨影响立柱桩隆沉的敏居

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第5章立柱桩隆沉的影响因素分析

表明土体加固深度3m，立柱桩的插入比为1:1.5时，限制立柱桩的隆沉效果最为明显，避免 过度增加桩长或提高土体的加固深度来限制立柱桩的隆沉，节约建筑材料和工程成本； 2、立柱桩的隆沉会增加第一道钢筋混凝土支撑的节点弯矩，有限元模型表明立柱桩隆起 达到35mm时，节点弯矩会增加到600kN.m。结合支撑设计的极限弯矩和立柱桩极限隆沉值， 验证了支撑弯矩线性拟合的正确性。在软土地区地铁基坑工程设计中，要考虑基坑内立柱桩 的上浮所产生附加弯矩，设计不当，会造成支撑与立柱桩节点的破坏； 3、有限元软件模拟基坑开挖过程中立柱桩与地连墙之间的差异沉降量，当基坑开挖到底 时，立柱桩与地连墙之间的差异沉降量达到最大值，差异沉降值约为基坑深度的千分之一； 4、根据计算结果拟合出相关曲线，该曲线可以明确地反应开挖深度与立柱桩差异沉降的 关系，可作为相关工程的参考依据： 5、本章所提到的减小差异沉降的措施，可以在基坑设计以及施工中得到应用

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基坑土体卸荷导致基坑周围及底部土体向坑内运动，使基坑的围护结构不仅承受应力强 度的变化，还会使整个围护结构产生不同程度地位移，因此基坑开挖会引起体对围护结构 产生一系列的响应，同时基坑开挖的过程也是土体与围护结构变形协调的过程。软土地区土 质性能较差，具有高含水率、高压缩性和强流变性等特点，研究软土地区地铁基坑开挖引起 立柱桩的力学行为具有重要的意义，同时软土地区地铁基坑的开挖也是岩土工程研究的热点 题。本文归纳总结立柱桩的隆沉规律以及分析立柱桩在软土地区的受力特性，立柱桩的隆 沉会带动周围土体及围护结构的位移，位移的变化会对围护结构产生附加应力，使部分围护 结构构件处于弯、剪、扭等复杂的组合应力状态。本文考虑桩土之间的接触作用，通过有限 元软件PLAXIS模拟基坑开挖的过程，探讨敏感性因素对立柱桩隆沉的影响，得出立柱桩隆 沉对钢筋混凝土支撑弯矩的变化，结论主要如下： 1、以软土地区地铁深基坑工程为例，详细分析了基坑开挖过程中引起立柱桩隆沉的规 律，立柱桩的隆沉具有一定的时空特性，通过分析数据得到以下结论： （1）立柱桩的隆沉位移随基坑开挖深度的增加，其隆沉效应明显； （2）地铁基坑最后一层土体的卸荷是立柱桩快速隆沉的阶段： （3）立柱桩的隆沉具有时空效应，基坑两端处的立柱桩由于围护结构刚度大，立柱桩隆 沉缓慢；基坑中心处的立柱桩，隆沉发展速率快； （4）立柱桩的隆沉存在归一化的规律，基坑中心立柱桩的隆沉量与基坑开挖深度平方的 比值约为0.020%0，而基坑两端立柱桩大约为0.012%0； （5）立柱桩之间会产生不同程度地差异沉降，结果表明，差异沉降最大的位置不在基坑 中心或端头井处，而是在端头井与基坑中心的过渡位置； （6）地下连续墙与立柱桩沉降不均匀，导致立柱桩与地下连续墙之间产生差异沉降。 2、基坑开挖过程中，立柱桩与周围土体处于变形协调的状态，土体与立柱桩之间的摩阻 随桩体插入深度的变化而不同，通过分析立柱桩的隆沉特性，得到以下结论： （1）立柱桩隆沉与立柱桩插入土体深度有关，若立柱桩的插入深度小于土体的回弹影响 深度，则立柱桩会随着土体共同隆起：

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（2）若立柱桩的插入深度大于土体的回弹影响深度，回弹影响深度以下的立柱桩提供报 抗立柱桩上浮的摩阻力，立柱桩嵌入土体的深度越大，则限制立柱桩隆沉的效果越明显； （3）立柱桩隆沉的主要影响因素是土体的回弹； （4）根据立柱桩的隆沉特性，提出立柱桩隆沉的简化数学计算模型，可用于计算立柱 隆沉； （5）根据钢筋混凝土支撑的弯矩提出立柱桩相关的隆沉控制值，并反算支座竖向位移， 可以指导地铁基坑工程的设计。 3、应用有限元软件PLAXIS模拟软土地区地铁基坑的立柱桩隆沉，考虑坑外土体的加固 作用，并建立三维有限元模型。得到以下结论： （1）小应变土体硬化模型（HSS）可用于软土地区地铁基坑模型的建立： （2）分析立柱桩插入比和土体的加固深度，结果表明坑底土体加固宽度和深度为3m 立柱桩的插入比为1:1.5时，可有效限制立柱桩的隆沉； （3）立柱桩的隆沉引起钢筋混凝土支撑弯矩的变化，分析立柱桩支撑节点处的弯矩与跨 中弯矩，由于立柱桩与支撑节点处产生向上位移，跨中弯矩由正弯矩逐步转变成负弯矩，当 基坑开挖至坑底，跨中的负弯矩不再增长，而节点处的弯矩随立柱桩的隆起而持续增长； （4）将立柱桩的隆沉值与支撑节点处的弯矩变化量进行拟合，得出支撑弯矩与立柱桩隆 沉的变化曲线； （5）数值分析中，立柱桩与地下连续墙之间存在差异沉降，差异沉降随基坑开挖深度的 加深而增大，开挖深度呈线性关系，

在本课题进行的过程中，还有很多向题需要进行深人研究，在此期间也出现了一些研究 的新方向，下列未解决的问题可作为今后研究的主要内容： 1、基坑土体卸荷的顺序对坑内立柱桩的影响，不同位置的立柱桩会由于不同的卸荷顺序 而产生变化，基坑开挖导致土体位移场的改变，桩土之间界面摩阻力是立柱桩隆沉的关键因 素，深层土体的位移以及土体与桩体之间的接触是相关课题研究的首要问题： 2、关于顺作明挖法的地铁基坑，立柱桩的隆沉只会影响施工期间基坑工程的安全稳定性， 对于逆作法基坑，立柱桩的隆沉不仅影响着基坑的安全稳定性，并且还会引起永久性建筑结 构的内力变化例如梁、板与柱等。逆作法地铁基坑工程的施工，对于立柱桩的隆沉控制应更 为严格，

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3、在有限元模型建立过程中，未能考虑施工所产生的动荷载以及施工过程中对土体的扰 动情况，为了提高模型的精确度，应考虑周围环境、施工机械方式以及基坑搁置时间等因素。

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在这即将毕业的时刻，首先感谢我的导师王立峰教授，记得研一开学初期，王老师引导 我们在工地现场学习，一直到浙江大学实验室参观实践，王老师循循善诱学生的学业，学生 始终铭记在心。在学习方面，王老师不厌其烦地指导学生的研究课题和创新内容，为我们提 供了诸多的建议，让我们学到了王老师对待科研一丝不苟的精神。在生活上，感谢王老师和 闫老师像对待自已的孩子一样对待我们，生活上遇到的困难都可以与两位老师谈心，老师也 会帮我们参谋一些职业规划的问题。 感谢罗战友老师、程泽海老师、杨建辉老师、曹宇春老师、吴李泉老师、金炜枫老师、 邹宝平老师、肖志荣老师和张云连老师等各位任课老师的淳淳教海；感谢我们学院的分管老 师周梅群老师，谢谢她在生活上给与我们的关怀；另外感谢我的课题组庞晋师兄、逮武全师 兄和贾夫子师兄对课题的帮助，感谢陈建建、王甜、陈巧红师妹和俞钦钦师妹对本人的支持； 最后感谢我的舍友任俊博、张正唯同学的互相帮助，感谢张峰博、沈耀剑、齐武、李琪、储 意轩、徐云飞等各位同学积极参加班集体活动以及对班长工作的理解。 特别感谢浙江大学王金昌副教授对学生有限元学习的指导，王老师通过自已所掌握的有 限元分析方法，帮助我们思考讨论建立模型的各种问题，在王老师悉心指导下，最后完成有 限元数值模型，解决了本课题有限元分析的一大难题；感谢王婉娇、裴宏宇、徐超、房庆以 及邓燕玲等交通工程所的课题组成员，在浙江大学学习期间，我们一起深入学习有限元 Plaxis，空余时间互相讨论各自遇到的难题。 最后，非常感谢我的母校一一浙江科技学院，回首三年前十分有幸能来浙江科技学院完 成硕士研究生的学位，在这座环境优美、学习氛围浓厚的校园里领略西密湖的风光、欣赏银 否广场曼妙的四季，甚至可以坐在图书馆里听见咚咚的小溪，在这里认识了诸多良师益友， 为我的学习和生活指明了航向。我在这段美好的时光里不仅学到了丰富的专业知识，而且还 丰富了我的人生经历，在以后漫长的人生道路中是一笔宝贵的财富，感谢浙江科技学院！

GBT 29477-2012 移动实验室实验舱通用技术规范杨开放 2018年5月于校图书馆

2018年5月于校图书馆

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攻读学位期间参加的科研项目和成果

攻读学位期间参加的科研项目和成果

[1】浙江科技学院研究生创新基金：《软土地区地铁基坑开挖引起的力学行为研究》 No.2016YJSKC012)

[1]】杨开放，王立峰，陈建建TB 10402-2019 铁路建设工程监理规范，王甜，俞钦钦．软土地区深基坑立柱桩隆沉的计算分析[J]．科 技通报，2017.（录用） [2]王立峰，杨开放，王甜，陈巧红，俞钦钦.深基坑立柱桩与围护结构的差异沉降影响分析 [I. 建筑技术,2018. (录用)