與基坑開挖過程有關(guān)的土體工程特性試驗(yàn)研究

與基坑開挖過程有關(guān)的土體工程特性試驗(yàn)研究隨著城市化建設(shè)推進(jìn),高層、超高層建筑,地下商城、隧道、地鐵等建設(shè)越來越多,建筑高度、基礎(chǔ)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(xué)過程,應(yīng)力路徑更加復(fù)雜化。土的力學(xué)性質(zhì)不僅取決于其最初和最終的應(yīng)力狀態(tài),而且與應(yīng)力狀態(tài)的變化方式及此前的應(yīng)力歷史有關(guān),土體加、卸荷力學(xué)性質(zhì)明顯不同。而現(xiàn)在工程設(shè)計(jì)計(jì)算極少考慮這一點(diǎn),忽略了固結(jié)狀態(tài)及工程行為作用下的應(yīng)力路徑對土體力學(xué)特性的影響。目前,基坑工程設(shè)計(jì)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(jì)算；土體力學(xué)參數(shù)亦是采用加荷路徑下的強(qiáng)度指標(biāo),未涉及應(yīng)力歷史、基坑開挖卸荷路徑對土體力學(xué)性質(zhì)的影響?；庸こ淘O(shè)計(jì)更多地是以經(jīng)驗(yàn)為主,其計(jì)算分析結(jié)果常與工程實(shí)際不符。本課題研究基坑開挖過程不同階段周圍土體應(yīng)力歷史狀態(tài)、應(yīng)力路徑及其對應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,結(jié)合數(shù)值分析及基坑足尺試驗(yàn),以期得到考慮土體應(yīng)力歷史、應(yīng)力路徑,符合土體實(shí)際工作狀態(tài)的基坑工程設(shè)計(jì)方法。主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新性成果如下：1.揭示了基坑開挖主動(dòng)區(qū)、被動(dòng)區(qū)土體荷載變形特征,并提出了相應(yīng)卸荷路徑下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系歸一化方法基坑開挖過程為土體卸荷過程,其坑內(nèi)、外土體應(yīng)力狀態(tài)差異很大,應(yīng)力路徑復(fù)雜。通過簡化分析,得到了三種基坑開挖土體卸荷應(yīng)力路徑,研究了相應(yīng)路徑下的土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。(1)應(yīng)力路徑①主動(dòng)區(qū)上覆壓力不變,側(cè)向壓力減小,以反映主動(dòng)區(qū)土體應(yīng)力狀態(tài)；該路徑下土體在卸荷比達(dá)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(yīng)力歷史的影響。②被動(dòng)區(qū)上覆壓力減小(以不同卸荷比),側(cè)向壓力增加,以反映開挖面以下較淺區(qū)域,支擋結(jié)構(gòu)擠壓土體,側(cè)向壓力增加,且側(cè)向壓力大于上覆壓力；該路徑下土體因初始應(yīng)力的預(yù)固結(jié)作用,應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為初始強(qiáng)度較高；土體卸荷狀態(tài)的強(qiáng)度指標(biāo)不符合正常固結(jié)黏性土不固結(jié)不排水剪的“φ=0”理論。上覆壓力減小,側(cè)向壓力不變,以反映開挖面以下較深區(qū)域,支擋結(jié)構(gòu)對土體擠壓不明顯,側(cè)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(dāng)卸荷比增至一定程度(一般在0.7以上),應(yīng)變急劇增大。(2)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系歸一化特征土體的非線性主要表現(xiàn)為其模量因應(yīng)力狀態(tài)不同而不同,針對上述三種應(yīng)力路徑,給出了土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的歸一化因子,并確定了歸一化方程表達(dá)式；以此建立基坑開挖主動(dòng)區(qū)、被動(dòng)區(qū)土體的非線性本構(gòu),并應(yīng)用于針對基坑工程的數(shù)值模擬,其數(shù)值分析結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)較為吻合。①主動(dòng)區(qū)(上覆壓力不變、側(cè)向壓力減小),土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系歸一化因子為：qc+R0·σ3c,歸一化方程為②被動(dòng)區(qū)(上覆壓力減小,側(cè)向壓力增加),土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系歸一化因子為：σ3c+c/tanφ,歸一化方程為③被動(dòng)區(qū)(上覆壓力減小,側(cè)向壓力不變),土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)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(yīng)力偏差、初始應(yīng)力偏差；σ3c、σ3c分別為初始最大、最小主應(yīng)力。2.提出了以考慮土體應(yīng)力歷史、基坑開挖卸荷路徑的土工試驗(yàn)結(jié)果作為計(jì)算參數(shù),進(jìn)行基坑支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的簡化分析方法分析土工試驗(yàn)、數(shù)值分析、現(xiàn)場測試所得數(shù)據(jù),確定了基坑工程支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。此方法以應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系確定了基坑開挖影響深度及潛在滑動(dòng)面；判定不同區(qū)域土體應(yīng)力狀態(tài),認(rèn)為淺層土體主動(dòng)土壓力與郎肯極限主動(dòng)土壓力較為接近,深層土體主動(dòng)土壓力大于郎肯極限主動(dòng)土壓力,被動(dòng)土壓力均小于郎肯極限被動(dòng)土壓力,但臨近開挖面處(基坑開挖影響深度范圍內(nèi))土體因支擋結(jié)構(gòu)擠壓較為明顯使得被動(dòng)土壓力接近郎肯極限被動(dòng)土壓力；給出了主動(dòng)土壓力、被動(dòng)土壓力的計(jì)算表達(dá)式,并以土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)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(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)接近。3.首次采用土中土壓力傳感器進(jìn)行土中壓力測試,測試數(shù)據(jù)與基于土體應(yīng)力歷史、基坑開挖卸荷路徑的土壓力計(jì)算分析結(jié)果較為吻合現(xiàn)場測試須反映原狀土體(擾動(dòng)很小)的應(yīng)力變化,測試效果的好壞取決于測試設(shè)備的合理性選擇及埋設(shè)技術(shù)。本課題選用新型土中土壓力盒,并研究了較為可靠的埋設(shè)技術(shù),在地面操作,較為成功地實(shí)現(xiàn)了在設(shè)計(jì)深度處埋設(shè)土壓力盒,且測試效