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随着社会的飞速发展,人口的日益增长,城市空间变得愈来愈拥挤,城市可持续发展与城市用地缺乏的矛盾逐渐突出,开发地下空间不仅可以节约城市用地、减少空气污染、缓解交通压力,还对城市经济的可持续发展有着积极的推动作用。放眼世界,许多城市已经把开发利用城市地下空间作为解决人类发展与城市资源和环境危机的最现实途径,也是我国城市可持续发展的必经之路。而在城市地下工程的大规模建设中,不可避免的会遇到新建地下工程近接既有地上建筑施工的现象。对于这类新建结构临近既有结构的施工,并可能对既有结构产生不利影响的工程,称为近接工程,有关近接工程的施工又称为近接施工。
地下工程近接施工涉及的影响因素较多,如水文地质条件、施工方法和既有建筑与新建地下结构相对位置关系等,对土体、支护结构和既有建筑的影响效应(应力、内力、变形或位移)复杂,若处置不当极易引起施工安全问题甚至倒塌等严重事故,因此开展新建地下工程近接既有地上建筑施工的研究十分必要。为探索地下工程近接施工带来的科学问题,本文以地下工程明挖法近接施工为研究对象,首先基于工程实测研究明挖法施工的影响效应,其次采用模型试验探索各影响参数对土体及既有结构的效应,之后进一步建立有限元模型研究多种工况下的近接施工影响效应,最后提出土体影响效应理论解,并对比实际工程且最终给出地下工程近接施工的有关理论及方法。本文通过现场监测、试验研究、有限元数值分析和理论推导等多种方法和手段,开展系统的研究工作。具体研究内容如下:
(1)完成了铜陵市地下人防商业街近接既有地上建筑施工实地监测,通过分析与研究监测结果,得出了地下工程近接施工过程对附近土体、邻近既有建筑、支护排桩及临时支撑结构的影响效应变化规律。
(2)考虑不同尺寸参数的支护排桩、不同层数和基础形式的既有框架结构及地下结构与既有建筑相对水平距离影响参数,基于相似第一定理,设计地下工程近接施工室内缩尺模型,模拟实际地下人防商业街明挖法施工过程,完成了8组近接施工工况平行试验测试,获得了各影响参数对近接施工过程中地下结构周围土体及既有地上建筑的影响变化规律。
(3)依据室内缩尺模型试验,考虑土质参数、排桩支护尺寸、既有地上建筑结构形式及距基坑的相对距离等因素,建立了49个近接施工工况数值模型,得出了基坑附近土体的土压力和位移及既有结构沉降与各影响参数的变化规律,通过MATLAB编程对数值计算结果和各影响参数进行多项式拟合,给出了三维拟合曲面关系式。之后分别与监测结果和模型试验结果进行了对比,验证其得出规律的合理性。
(4)针对地下工程明挖法施工过程造成的基坑周围和底部土体变形等问题,基于Mindlin解理论,考虑施工过程土体开挖卸荷形成的均布面荷载,推导了既有建筑荷载存在条件下的Mindlin解,计算了开挖施工后基坑底部不同深度土体的变形,与数值模拟结果对比修正,并通过工程实例进行验证,最终给出对策措施。
本文通过深入研究明挖法地下工程近接既有地上建筑施工过程中涉及的关键问题,得出了近接施工对土体和既有建筑产生的影响效应变化规律,对今后的地下工程近接施工,具有实际的工程意义和理论指导作用。
地下工程近接施工涉及的影响因素较多,如水文地质条件、施工方法和既有建筑与新建地下结构相对位置关系等,对土体、支护结构和既有建筑的影响效应(应力、内力、变形或位移)复杂,若处置不当极易引起施工安全问题甚至倒塌等严重事故,因此开展新建地下工程近接既有地上建筑施工的研究十分必要。为探索地下工程近接施工带来的科学问题,本文以地下工程明挖法近接施工为研究对象,首先基于工程实测研究明挖法施工的影响效应,其次采用模型试验探索各影响参数对土体及既有结构的效应,之后进一步建立有限元模型研究多种工况下的近接施工影响效应,最后提出土体影响效应理论解,并对比实际工程且最终给出地下工程近接施工的有关理论及方法。本文通过现场监测、试验研究、有限元数值分析和理论推导等多种方法和手段,开展系统的研究工作。具体研究内容如下:
(1)完成了铜陵市地下人防商业街近接既有地上建筑施工实地监测,通过分析与研究监测结果,得出了地下工程近接施工过程对附近土体、邻近既有建筑、支护排桩及临时支撑结构的影响效应变化规律。
(2)考虑不同尺寸参数的支护排桩、不同层数和基础形式的既有框架结构及地下结构与既有建筑相对水平距离影响参数,基于相似第一定理,设计地下工程近接施工室内缩尺模型,模拟实际地下人防商业街明挖法施工过程,完成了8组近接施工工况平行试验测试,获得了各影响参数对近接施工过程中地下结构周围土体及既有地上建筑的影响变化规律。
(3)依据室内缩尺模型试验,考虑土质参数、排桩支护尺寸、既有地上建筑结构形式及距基坑的相对距离等因素,建立了49个近接施工工况数值模型,得出了基坑附近土体的土压力和位移及既有结构沉降与各影响参数的变化规律,通过MATLAB编程对数值计算结果和各影响参数进行多项式拟合,给出了三维拟合曲面关系式。之后分别与监测结果和模型试验结果进行了对比,验证其得出规律的合理性。
(4)针对地下工程明挖法施工过程造成的基坑周围和底部土体变形等问题,基于Mindlin解理论,考虑施工过程土体开挖卸荷形成的均布面荷载,推导了既有建筑荷载存在条件下的Mindlin解,计算了开挖施工后基坑底部不同深度土体的变形,与数值模拟结果对比修正,并通过工程实例进行验证,最终给出对策措施。
本文通过深入研究明挖法地下工程近接既有地上建筑施工过程中涉及的关键问题,得出了近接施工对土体和既有建筑产生的影响效应变化规律,对今后的地下工程近接施工,具有实际的工程意义和理论指导作用。