复合土钉墙变形特性的颗粒流模拟研究硕士论文答辩.ppt

,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,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,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)桩身埋置深度不同当桩身埋置10m时桩身水平位移相对于桩身埋置4m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0.3m扩大到桩径0.5m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97.50mm，92.44mm，80.36mm，74.38mm，76.35mm。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2107N/m变化到1108N/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1m，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51010Pam到31011Pam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6m宽，等效于一辆混凝土车的前后车轮,间距，荷载大小设定为20kpa，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1m，2m，4m，6m，8m，10m时对桩身水平位移的影响。其中超载距离侧壁6m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10S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20hz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2000步，4000步，6000步，8000步，10000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4.5m，3.3m，3.3m，1.5m，0.3m，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0.20m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4、5位于圈2的下方，随着深度的增加其应力逐渐增加。因此，对于水平应力和竖直应力而言，圈2、4、5的中的应力都是逐渐递增的。基于力会相互传递的原理桩右侧的颗粒有向右运动的趋势，对圈2处的颗粒形成挤压，同时圈3离墙体比较接近，其监测的颗粒不会有太多位移，从而2号圈内的颗粒在向右运动时受到圈3颗粒的阻碍，更深层次地增加了圈2颗粒的水平应力。因此，根据分析，对于测量圈123而言圈2颗粒的水平应力在初始是最大的。但随着基坑开挖过程的进行，圈123都有一定的应力损失，从而水平应力逐渐下降。,4)土体竖直方向应力变化由于基坑开挖，属于竖直卸荷。那么基坑开挖必定会引起坑底以下的土体向上运动从而形成基坑隆起。观查基坑土体位移场，基坑坑底下土体由左向右且由下向上运动，从而对圈2中的颗粒形成竖向压挤。在一定程度上，增大了圈2中的竖直应力大小。从而在圈1、2、3中圈2中的初始竖直方向应力最大，随着开挖施工进度的进展，竖向应力开始消散并逐渐降低，最终趋于稳定状态。对于测量圈2、4、5存在深度方向的关系，竖向自重应力随着深度的增加其竖直方向的应力必然也跟着增加。同时因为存在侧压力系数，且一般都小于1，所以水平方向应力相对于竖直方向应力而言数值要相对小些。从图5.25和图5.26中的水平和竖直方向初始应力也可以说明此结果的正确性。,(3)桩身轴力与剪力特征分析搅拌桩轴力和剪力沿长度分布规律大致相同，以分析桩身剪力为例。剪力分布规律一般为：在搅拌桩顶部附近，剪力由局部增大，到开挖面位置，剪力出现最小值(负值)，在搅拌桩嵌入土体部分，剪力又逐渐趋向于0。就开挖过程而言，随着开挖深度的增加，搅拌桩剪力的变化幅度逐渐增大，最小剪力也随着减小，搅拌桩底部的剪力也逐渐减小。从图中可以说明，在开挖面位置的土体对搅拌桩产生的剪力最大，方向朝向基坑外侧，这也正是搅拌桩附近基坑底部土体发生局部挤压破坏的原因。,(4)土钉轴力特征分析土钉受到的最主要的内力是轴力。以距离侧壁0.5m一段对第二根土钉的轴力进行分析，其轴力变化如图所示。可知同排土钉轴力随挖深增大而增大，距开挖面越远的土钉轴力增大幅度明显减小。其分布并不是沿土钉全长均匀分布，而是最大轴力发生在基坑壁后1/51/4钉长处。基坑开挖支护后，位于基坑中下部土钉的拉力最大值要高于顶层和底层土钉的最大拉力，土钉的最大拉力位置随着土钉埋深逐渐向土钉端部移动。,有待进一步研究和改进的内容,下一步工作的思路虽然本文对复合型土钉支护进行了研究，得出了可供工程人员参考的一些结论，但由于时间和水平的限制，在以下几方面还需要进行更进一步的深入研究：1.考虑三维条件下对复合土钉墙支护进行分析，更加接近实际情况。2.未考虑当不同的土层接触模型时对复合土钉墙的变形性状的影响。3.主要研究了影响桩身水平位移的各种因素，对于桩-土和土钉-土之间的相互作用机理探讨不够，需要更进一步地分析与研究。4.复合型土钉支护中当地下水渗流时产生的流固耦合问题。,已录论文,攻读学位期间发表的学术论文1沈一帆,胡敏云,计国贤.基坑水泥搅拌桩桩身水平位移影响因素的颗粒流数值模拟.浙江工业大学学报,2010(已录用).2计国贤,胡敏云,沈一帆.应力路径对砂土剪切模量影响的颗粒流模拟.浙江建筑,2010(已录用).,致谢,在论文的选题、研究和撰写等各个方