隧道开挖对邻近既有桩基影响的流固耦合数值分析

发布时间：2018-03-15 21:18

本文选题：隧道开挖　切入点：群桩基础响应　出处：《北京交通大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：城市化进程的迫切需求与快速推进,极大地催生了城市地下空间的广泛利用和发展。在城市中心区,地铁穿越工程是不可回避的,其中涉及到的最普遍的形式之一就是穿越邻近既有桩基础,但如若控制不当影响极大。目前,降水施工被广泛应用在隧道建设领域,特别是在易发生涌水和突水危害的富水地层,但是降水施工对周围环境造成的负面影响也十分显著,并不是施工的最佳选择。考虑到以上因素,在富水地区,隧道施工不降水安全作业将是未来的发展趋势,但现阶段相关研究还不够成熟,研究中经常忽略流固耦合作用的影响。因此,为了降低对既有结构的损害,需要深入研究在"流固耦合"作用下隧道开挖稳定性以及对邻近既有桩基础的影响。这将有助于更加准确地模拟隧道施工的真实环境,并且促进隧道设计与施工水平的提高。本文按照"循序渐进,逐步深入"的研究思路,应用数值模拟的研究方法,分阶段进行了研究,选取隧道开挖对邻近单桩基础三维影响的离心机模型试验案例进行数值模拟反分析,对不同体量、形式和位置的群桩在隧道开挖下的响应进行剖析,并以实际工程案例为背景,对比考虑与不考虑流固耦合作用下隧道开挖围岩的稳定性,以及对既有群桩基础性能的影响。主要研究内容如下:(1)通过应用三维数值模拟分析与典型离心机模型试验案例分析相结合的方法,重现了试验结果的主要特征和趋势,验证了数值分析结果的合理性和可靠性。在研究过程中有效解决了桩-土接触参数合理确定这一难点问题,并在此基础上,围绕隧道开挖过程中桩基础的渐进式响应进行了分析。(2)对于隧道开挖下穿和侧穿工况,群桩基础的响应差异明显,通过增大群桩体量、对比有无承台约束以及变化隧道埋深,分析了隧道开挖对桩基础内力和变形的影响。并以群桩为例,对"遮拦效应"的影响进行了探究。(3)隧道开挖诱发的桩基础荷载传递机理,对于单桩与群桩是截然不同的。通过引入"自平衡"和"它平衡"的概念形象地阐述了其中的原理;大体量群桩受到竖向荷载作用时,各桩荷载分配差异明显,通过对比群桩在不同桩中心距和竖向荷载等级下的受力特性,归纳了各桩荷载的分配规律。(4)考虑流固耦合作用下,渗流场对隧道围岩稳定性影响显著。运用有效应力原理,分析并总结了渗流场对应力场、位移场和塑性区的影响和分布规律。在此情况下,隧道开挖诱发的桩基承载力的变化更加显著,隧道开挖引起的桩基础的沉降、侧向变形、弯矩和轴力分别增加了 66%、64%、56%和13.3%,桩身负摩阻力减小了 15.7%。因此,在富水地区进行隧道的设计与施工,必须充分考虑流固耦合作用的影响,以便客观地反映隧道开挖诱发的真实影响。
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【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：U456.3;TU473.1

【参考文献】