考虑渗流应力耦合作用的深基坑开挖变形研究

基于土体渗流应力耦合效应及本构理论,针对某场地地下水埋深较浅、粉质黏土和粘土分布较厚的深基坑工程建立了相应开挖支护三维有限元模型.通过室内试验测定了基坑土体的修正剑桥本构关系参数并将修正剑桥本构关系应用于基坑开挖支护的数值模拟分析中.分别研究了基坑开挖过程中有无渗流-应力耦合效应的基坑整体变形、支护结构位移、坑外地表沉降及坑底回弹情况.研究结果表明:1含水粉质黏土和粘土采用修正剑桥本构关系较合适;2考虑渗流应力耦合作用时基坑支护结构水平位移、坑外地表沉降及坑底回弹量分别是未考虑渗流应力耦合作用时的0.57倍、0.07倍、0.59倍,基坑开挖变形应充分考虑渗流应力耦合作用;3坑底超前降水能显著减小坑底隆起.     

基坑降水开挖对坑底不同深度土体影响的试验研究

软土地区基坑施工通常采用分层降水与开挖,基坑降水开挖应力路径对坑底土体的变形及力学特性产生影响,且坑底不同深度土体所受影响不同。采用SLB—1型应力应变控制式三轴剪切渗透仪模拟基坑分层降水与开挖应力路径对坑底以下不同深度土体进行研究;并在应力路径试验之后进行不排水剪切试验。试验结果表明:基坑降水开挖对土体的影响随土体深度的增加而减小,研究针对的工程案例条件下基坑开挖的影响深度约为坑深2.2倍。对于降水路径,第一个降水步产生沉降随着土体深度的增加而减小,表明随深度增加变形模量逐渐增大;变形模量的增大可能与基坑降水引起的欠固结效应有关。对于开挖路径,总回弹值随着土体深度的增加而减小,表明随深度增加变形模量逐渐增大;随着基坑开挖的进行土体变形模量不断减小;变形模量的变化可能与基坑开挖引起的超固结效应有关。超固结比对变形模量具有一定影响,开挖路径土体变形模量E与1/(OCR-1)之间近似呈线性关系。同时,不排水剪切试验得到的应力-应变关系曲线呈现应变软化特性,也体现了基坑开挖过程中的超固结效应。基于基坑降水开挖对不同深度土体产生的不同效应,在研究基坑土体变形时,需要考虑坑底以下不同深度土体力学性质的差异及其对变形的影响。     

关于土体各向异性弹塑性模型的讨论

用剑桥模型和关口太田模型对偏载作用下的地基变形进行了有限元数值模拟,并结合真三轴试验成果比较分析了这2种模型柔度矩阵的特点.结果表明,这2种模型均不能合理地反映复杂应力状态下的土体应力各向异性.建议通过复杂应力条件下不同应力路径的真三轴试验,建立合理的各向异性屈服准则,进而建立各向异性非线性弹塑性模型.     

软土地基基坑开挖对坑底桩受力与位移影响的时效分析

深基坑开挖卸荷会对坑底工程桩的桩身受力和位移特性产生影响,同时在实际工程中,软土在开挖情况下具有较为明显的蠕变效应,但较少有人研究蠕变对坑底工程桩桩土相互作用的影响。采用两阶段分析方法,第一阶段基于H-K三参量模型推导出Mindlin的时域解,提出了一种用于计算基坑开挖卸荷引起的坑底土体竖向附加应力的计算方法,并进一步解得坑底土体竖向位移场的时域解。第二阶段通过建立桩身控制方程,利用有限差分法得到开挖卸荷后考虑坑底土体蠕变变形的单桩非线性分析方法。研究结果表明,得到的时域解能够较好地反映软土基坑开挖条件下考虑土体蠕变变形时坑底单桩的桩身轴力和位移特性发展趋势,为相关工程提供参考。     

基于数字图像测量技术的基坑开挖卸荷试验研究

以原状粉质黏土为试验土体,采用三轴数字图像测量技术为基础的测试仪器,对基坑开挖卸荷过程的土体应力路径进行模拟,研究不同应力路径条件下的土体应力-应变关系,分析侧向卸荷对基坑土体抗剪强度指标的影响.试验结果表明,经历侧向卸荷应力路径的土体抗剪强度指标与常规三轴加载试验明显不同.数值计算验证了不同应力路径的试验结果对基坑稳定与变形的影响.为了准确地分析基坑的稳定与变形情况,有必要在试验时尽可能模拟基坑的侧向卸荷应力路径.     

基坑卸荷回弹变形计算的一种简化分析法

为了有效地计算基坑坑底隆起变形,以基坑坑底所在的平面为基准参考面,把开挖隆起变形看作是坑底土体在上覆土重作用下固结稳定后的卸荷回弹过程,结合土力学中求解地基附加应力的Boussinesq解和“角点法”分析的叠加原理,并考虑残余应力的影响,建立了坑底以下任一深度处土体的卸荷应力和残余应力表达式。同时基于基础沉降计算分层总和法的思路推导了坑底土体回弹量的简化计算公式,从而可用土体的压缩性指标来确定其回弹变形。通过工程实例的对比分析,该简化公式是合理的,且在一定程度上反应了基坑开挖的空间效应。     

考虑土体侧向卸荷的基坑变形预测

基坑开挖过程中场地土处于卸荷应力状态,轴向加荷三轴试验的结果难以合理描述基坑土体的实际应力状态和变形特性。考虑土体侧向卸荷对基坑变形的影响,利用土的侧向卸荷应力应变关系,改进了基于塑性变形机制的可发挥强度设计(MSD)法,探讨了不同应力路径下的基坑变形。针对实际基坑工程案例,结合侧向卸荷应力路径三轴试验结果,用改进MSD法对基坑支护墙体水平位移进行了计算分析。研究结果表明:预测误差降低至30%以内,与实测结果具有良好的一致性,改善了墙体最大水平位移的预测结果。     

红粘土侧向卸荷真三轴试验及其力学特性分析

采用刚柔复合型真三轴仪,模拟基坑实际开挖过程,进行了三向主应力不同的单面侧向卸荷真三轴试验,分析了侧向卸载和竖向加载条件下红粘土的应力应变关系、变形破损过程及其强度参数随基坑开挖的变化特点。根据红粘土强度参数在基坑开挖过程中的变化特点和工程实践确定强度折减系数,采用双强度折减法对土体强度参数进行分步折减,并选用FLAC 3D程序和摩尔库伦模型对红粘土深基坑工程开挖的力学过程进行数值模拟。结果表明,加卸载条件下红粘土变形破损的力学机制完全不同,土体强度参数随基坑开挖深度的增大而减小,变化的范围、幅度和速度以递增方式变化。在相同竖向荷载条件下,开挖过程的土体较受压过程的土体更易变形破损而失稳。     

承压水基坑突涌机制离心模型试验与数值模拟

软土地区的深基坑工程,在承压水作用下容易发生管涌、流土和隔水层整体顶升等形式的突涌破坏.结合紧邻地铁枢纽深大基坑工程,设计了基坑突涌离心模型试验,模拟不同承压水位作用下黏性土体隔水层突涌状态,并建立有限元数值模型,分析试验水位压力下坑底土体的应力应变机制.离心模型试验和数值模拟结果表明,在承压水压力作用下,坑底隔水层产生向上的隆起变形,并且基坑中间位置变形量大,随着水位的升高,土体变形曲率增大;基坑围护墙附近的隔水层土体剪切应变大于体积应变,而隔水层与承压含水层的界面处体积应变较大,产生水压楔裂作用并形成有效应力为零的区域;黏性土体隔水层在剪切效应与界面楔裂效应的共同作用下,发生整体顶升破坏.     

盾构施工扰动土体强度及变形特性试验研究

依托无锡地铁1号线盾构区间开挖工程,利用先进的GDS应力路径三轴仪,根据盾构施工周边不同区域内土体的扰动特点,开展了一系列不同应力路径下原状软黏土固结不排水三轴试验,并对其土体强度和变形特性进行了详细分析.研究表明:不同应力路径下土体强度不同,加载应力路径下的强度大于卸载应力路径下的强度;压缩应力路径土体屈服时其应变比拉伸应力路径大,强度也较高.因此,在盾构施工中更需要关注卸载区域土体的安全.     

土与地下连续墙相互作用的非线性分析

本文采用有限元法对基坑开挖过程土与地下边疆墙相互作用进行非线性分析。分析时，对土体采用Ｄｕｎｃａｎ－Ｃｈａｎｇ双曲线应力－应变关系和Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ破坏准则，对土－混凝土墙体界面单元采用Ｃｌｏｕｇｈ－Ｄｕｎｃａｎ双曲线剪应力－剪切位移关系，参考有关试验确定计算参数，并模拟基坑的开挖程序和设置不同支撑构件的影响。分析结果与工程实测资料进行了比较，得出对设计和施工有价值的几点结论。     

非饱和土真三轴双剪新强度准则及验证*

依据非饱和土的双应力状态变量理论,在俞茂宏双剪新强度准则的基础上,建立了适用于非饱和土的真三轴双剪新强度准则,并用文献非饱和粉砂刚性与柔性真三轴试验结果进行了验证.研究结果表明:该分段线性的真三轴双剪新强度准则能反映非饱和土强度的中间主应力效应及其区间性与单轴拉压不等特性,且可线性逼近拓展的非线性Spatially Mobilized Plane准则;Mohr-Coulomb强度准则的预测值偏小、外接圆Drucker-Prager准则的预测值明显偏大,这两个准则对非饱和土的真三向应力状态及试验数据均不具有很好的适用性.     

一个基于砾质土的改进椭圆-抛物双屈服面模型

针对椭圆-抛物双屈服面模型,对其屈服面的硬化准则及其对砾质土的适用性进行分析和讨论,在此基础上,对椭圆-抛物双屈服面模型进行改进,采用幂函数关系式反映椭圆屈服面的硬化准则,并对抛物屈服面的屈服方程进行修改.采用改进的双屈服面模型对砾质土三轴试验的应力应变曲线进行模拟验证,模拟表明,改进的椭圆-抛物双屈服面模型更好地反映了砾质土的应力应变特性.     

砂土的形变能破坏准则

本文基于国内外有关中主应力对砂土抗剪强度影响的模型，讨论了中主应力对砂土抗剪强度的影响机理，导出了以形变能破坏准则为基础，适用于复杂应力条件的强度指标计算公式，较好地考虑了砂性土在三轴压缩与三轴拉伸条件下强度指标的差异和中主应力对强度指标的放大效应。本文公式在考虑粘结应力的情况下，也可推广到对粘性土强度变化的研究。     

土体小应变刚度特性的试验研究

土体的小应变刚度在深基坑或隧道开挖等以变形控制为主的工程中是起决定性作用的参数.利用固结仪、应力路径三轴仪和共振柱联合测定江苏常州地区3个典型土层原状土的小应变刚度特性,得到了土体小应变硬化模型(HSS)的相关参数,包括土体的初始剪切模量、模量退化曲线、土体强度参数、加卸载模量等.分析了土体有效应力对土体小应变刚度特性的影响,并对如何选择合适的小应变模型参数提出了初步建议.     

以塑性功函数为硬化参数的土的弹塑性模型

为解决清华弹塑性模型参数多和参数确定困难的问题 ,以永定河砂试验资料为基础 ,提出了以塑性功 Wp 的函数为硬化参数的土的弹塑性模型。给出了模型参数用等向压缩试验和常规三轴试验确定的方法。模型可用于三维应力状态的分析。应用所建模型对中密永定河砂的应力应变关系预测曲线与试验曲线进行比较 ,结果表明它可以较好模拟砂土变形的剪胀、剪缩特性     

考虑中主应力及三向应力状态影响的地基承载力分析

基于推广的SMP准则，建立了平面应变条件下和三轴压缩条件下土的抗剪强度参数关系的简单解析表达式．基于这一关系，采用各自应力状态下土的强度参数，用滑移线方法分析了条形基础、圆形基础承载力系数及圆形基础承载力形状修正系数．计算结果表明，若忽略应力状态对土的强度参数的影响而简单地用三轴压缩试验下土的强度参数，由此计算得到的条形基础承载力系数具有较大的误差，且这种误差随着土的内摩擦角的增大而增大．针对圆形基础，将计算结果与Terzaghi经验关系对比分析发现。Terzaghi的经验系数在多数情况下是合适的，但当基底光滑时，由土自重所引起的承载力系数所对应的形状修正系数取0．6是偏于不安全的，根据计算结果建议取为0．4．     

高填路堤的非线性有限元分析

从实际工点取土样,在通过常规三轴等试验和参照相关工程经验与参数敏感性分析成果的基础上,得到了永安高填路堤土的邓肯-张非线弹性模型的8个参数,编制了相应的非线性有限元程序,用于探讨该路堤的形变和应力等的演变规律.实践表明计算结果是合理的.     

基于推广SMP准则的边坡稳定性分析

相比土工问题中通常采用的Mohr-Coulomb(MC)准则,推广的SMP(spatially mobilized plane)准则考虑了中主应力对土体强度的影响,该文比较了基于上述两准则计算得到的边坡稳定性差异。首先,通过求解三次方程将推广的SMP准则转化为应力点到等倾轴的距离ρ和应力张量第一不变量I1的线性函数,从理论上推导了平面应变条件下推广的SMP准则与MC准则之间的等效关系。然后,推导了非关联流动法则条件下基于推广的SMP准则的理想弹塑性模型的向后Euler本构积分算法,并将其编入FLAC有限差分软件,通过边坡稳定性分析的数值计算验证了理论推导结果:在平面应变条件下采用非关联流动法则时,推广的SMP准则等效于土体强度参数提高15%后的MC准则,即基于推广的SMP准则的边坡安全系数比MC准则高15%。