與基坑開挖過程有關的土體工程特性試驗研究

與基坑開挖過程有關的土體工程特性試驗研究隨著城市化建設推進,高層、超高層建筑,地下商城、隧道、地鐵等建設越來越多,建筑高度、基礎埋深、建筑規(guī)模都在加大。工程行為作用下土體的受力狀態(tài)已不再是簡單加載,更多地包含了卸荷回彈及加載再壓縮等力學過程,應力路徑更加復雜化。土的力學性質不僅取決于其最初和最終的應力狀態(tài),而且與應力狀態(tài)的變化方式及此前的應力歷史有關,土體加、卸荷力學性質明顯不同。而現(xiàn)在工程設計計算極少考慮這一點,忽略了固結狀態(tài)及工程行為作用下的應力路徑對土體力學特性的影響。目前,基坑工程設計更多地考慮土體開挖卸荷對周邊環(huán)境的影響,以變形控制為主,土體并非完全處于極限平衡狀態(tài)。而現(xiàn)在土壓力分析卻仍假定土體為極限狀態(tài),以郎肯土壓力、庫倫土壓力理論計算；土體力學參數(shù)亦是采用加荷路徑下的強度指標,未涉及應力歷史、基坑開挖卸荷路徑對土體力學性質的影響。基坑工程設計更多地是以經驗為主,其計算分析結果常與工程實際不符。本課題研究基坑開挖過程不同階段周圍土體應力歷史狀態(tài)、應力路徑及其對應的應力應變關系,結合數(shù)值分析及基坑足尺試驗,以期得到考慮土體應力歷史、應力路徑,符合土體實際工作狀態(tài)的基坑工程設計方法。主要研究內容及創(chuàng)新性成果如下：1.揭示了基坑開挖主動區(qū)、被動區(qū)土體荷載變形特征,并提出了相應卸荷路徑下的應力應變關系歸一化方法基坑開挖過程為土體卸荷過程,其坑內、外土體應力狀態(tài)差異很大,應力路徑復雜。通過簡化分析,得到了三種基坑開挖土體卸荷應力路徑,研究了相應路徑下的土體應力應變關系。(1)應力路徑①主動區(qū)上覆壓力不變,側向壓力減小,以反映主動區(qū)土體應力狀態(tài)；該路徑下土體在卸荷比達到一定數(shù)值(文中定義為卸荷比R0)之前,基本沒卸荷變形,反映了其受應力歷史的影響。②被動區(qū)上覆壓力減小(以不同卸荷比),側向壓力增加,以反映開挖面以下較淺區(qū)域,支擋結構擠壓土體,側向壓力增加,且側向壓力大于上覆壓力；該路徑下土體因初始應力的預固結作用,應力應變關系表現(xiàn)為初始強度較高；土體卸荷狀態(tài)的強度指標不符合正常固結黏性土不固結不排水剪的“φ=0”理論。上覆壓力減小,側向壓力不變,以反映開挖面以下較深區(qū)域,支擋結構對土體擠壓不明顯,側向壓力因上覆壓力減小而減小,但減小程度小于后者；該路徑下土體在較大的卸荷比之下,土體變形仍很小,但當卸荷比增至一定程度(一般在0.7以上),應變急劇增大。(2)應力應變關系歸一化特征土體的非線性主要表現(xiàn)為其模量因應力狀態(tài)不同而不同,針對上述三種應力路徑,給出了土體應力應變關系的歸一化因子,并確定了歸一化方程表達式；以此建立基坑開挖主動區(qū)、被動區(qū)土體的非線性本構,并應用于針對基坑工程的數(shù)值模擬,其數(shù)值分析結果與實測數(shù)據較為吻合。①主動區(qū)(上覆壓力不變、側向壓力減小),土體應力應變關系歸一化因子為：qc+R0·σ3c,歸一化方程為②被動區(qū)(上覆壓力減小,側向壓力增加),土體應力應變關系歸一化因子為：σ3c+c/tanφ,歸一化方程為③被動區(qū)(上覆壓力減小,側向壓力不變),土體應力應變關系歸一化因子為：σm,歸一化方程為其中,q=σ1-σ3,qc=σ1c-σ3c,σm=(σ1c+2·σ3c)/3;q、qc分別為應力偏差、初始應力偏差；σ3c、σ3c分別為初始最大、最小主應力。2.提出了以考慮土體應力歷史、基坑開挖卸荷路徑的土工試驗結果作為計算參數(shù),進行基坑支擋結構設計的簡化分析方法分析土工試驗、數(shù)值分析、現(xiàn)場測試所得數(shù)據,確定了基坑工程支擋結構設計方法。此方法以應力應變關系確定了基坑開挖影響深度及潛在滑動面；判定不同區(qū)域土體應力狀態(tài),認為淺層土體主動土壓力與郎肯極限主動土壓力較為接近,深層土體主動土壓力大于郎肯極限主動土壓力,被動土壓力均小于郎肯極限被動土壓力,但臨近開挖面處(基坑開挖影響深度范圍內)土體因支擋結構擠壓較為明顯使得被動土壓力接近郎肯極限被動土壓力；給出了主動土壓力、被動土壓力的計算表達式,并以土體應力應變關系曲線得到的割線模量替代水平反力系數(shù)的比例系數(shù),其計算結果與實測數(shù)據接近。3.首次采用土中土壓力傳感器進行土中壓力測試,測試數(shù)據與基于土體應力歷史、基坑開挖卸荷路徑的土壓力計算分析結果較為吻合現(xiàn)場測試須反映原狀土體(擾動很小)的應力變化,測試效果的好壞取決于測試設備的合理性選擇及埋設技術。本課題選用新型土中土壓力盒,并研究了較為可靠的埋設技術,在地面操作,較為成功地實現(xiàn)了在設計深度處埋設土壓力盒,且測試效