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《武汉大学》 2004年
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深基坑水土压力共同作用试验研究与机理分析

张彬  
【摘要】:合理计算作用于支护结构上的荷载大小是基坑工程设计的核心内容之一,也是事关基坑工程安全性及投资合理性的重要前提。基坑支护结构承受的侧向荷载主要包括土压力、水压力,其他一些荷载如周边建筑物的垂向荷载、施工荷载等也都是通过土体以侧压力的形式作用于支护结构上,因此水土压力的计算是支护结构荷载取值的关键。然而对于这一关键性问题,学术界及工程界的认识并不统一,紧紧围绕“水土分算”及“水土合算”问题而展开的学术讨论非常激烈,这一问题涉及到经典土压力计算理论的适用性、水土压力共同作用机理、土中孔隙水压力的作用方式、水土压力计算时强度指标的合理选择等方方面面。因此,深入了解基坑支护结构上水土压力共同作用机理,合理选择计算方法及强度指标,是一项具有重要理论意义及工程实用价值的课题。 基于上述背景,本文从探讨粘性土微观结构特性着手,研究了水土共同作用的微观机理;进行了不同类型粘土孔隙水压力传递试验,建立反映孔隙水压力传递机理的数学模型;结合实际工程开展了水土压力长期现场监测;设计了模拟基坑开挖工况的试验装置,选取本地区代表性土样进行模型试验研究;基于水平层单元模型及土拱效应理论,提出一种能反映位移—时间效应的非线性土压力模型;在上述研究基础上,系统地分析了影响基坑水土压力共同作用的诸多因素,结合典型算例进行了“水土分算”与“水土合算”对比研究,并将计算结果同实测成果比较,综合评价其合理性。 本文的主要研究内容包括: 1.探讨了粘性土的微观结构特征及其对宏观工程特性的影响,研究了土中孔隙的形态特征,分析了孔隙水的存在类型及相互转化机理;指出地下水通过其化学场及渗流场的改变对土的微观结构进行破坏和重构,进而影响土体的宏观工程特性,土结构特征的改变反过来影响土中孔隙水的存在形式及渗流特征;提出“临界密度”的概念及估算公式,以此判别密实粘土能否传递孔隙水压力,研究了土中弱结合水运移的微观机制及概念模型,分析了“起始水力坡降”的微观机理;基于微观角度,认为现有基坑工程中涉及的粘性土,一般都能传递孔隙水压力,水土压力应当区别对待。 2.选取不同类型粘性土及砂土,在考虑多种影响因素条件下进行孔隙水压力传递试验。试验结果表明:土中孔隙水压力的传递规律受多方面因素制约,其中土质类型及其结构特性的影响最为显著,土的含水量、密实程度、渗透系数大小、土体所处的围压环境等对其孔压传递的时程及传递的程度也有显著影响;研究证实不管是渗透性强的砂土还是低渗透性的粘性土,均能传递孔隙水压力,只是不同土体在不同影响因素下,孔压传递所需的时间及传递的程度存在差异,低渗透性粘土存在显著的时间滞后性。结合实验成果提出了反映孔隙水压力传递机理的数学模型。综合试验成果及机理分析,证实 了水土压力计算时采用有效应力原理将水土压力区别计算的合理性,澄清了水土压力合 算理论中的模糊认识。 3.结合某水库“除险加固”工程,在现场埋设了大量土压力计、孔隙水压力计和 测压管,进行了水土压力的长期监测。实测成果反映了水、土压力随施工工况以及库水 位的变化规律,实测的孔隙水压力值并不等于理论静水压力。 4.选取本地区代表性粘土进行基坑悬臂支护模式及桩锚支护模式的模型试验。试 验结果表明:作用于支护结构上的水土压力均呈非线性分布,与Rankine、Cloufomb理 论计算结果存在明显差异;水土压力的大小受墙体位移的影响显著,当土体处于非极限 平衡状态时,主、被动侧水土压力介于静止土压力和Rankine、cloulomb理论计算值之 间,总的趋势是主动侧水土压力逐渐减小,被动侧水土压力逐渐增大;大多数情况下基 坑周边土体都处于中间状态,相对而言,主动侧土体较之被动侧更易于达到极限平衡状 态,由于锚固作用有效地限制了基坑的变形,桩锚支护模式土体较之悬臂模式土体更难 达到极限平衡状态;悬臂支护模式与桩锚(或内撑)模式的水土压力分布规律存在很大 差别,悬臂模式的主动土压力具有类似“梯形分布”的特征,而桩锚模式的主动土压力 则具有“R形分布”特征,并且在锚固点附近出现明显的应力集中现象,而中部则有应 力减小趋势;悬臂模式最大位移发生于模型主动侧上部,而桩锚模式则出现在开挖面略 偏上部位,并呈现“鼓肚形”特征,前者的最大变形明显大于后者;实测孔隙水压力在 填土阶段大于理论静水压力,而开挖阶段则不同程度地低于理论静水压力。最后,基于 模型试验成果结合本地区地层及地下水特征,提出了两种典型基坑支护结构的水土压力 经验分布图。 5.基于土压力非线性分布特征,本文综合水平层单元模型及土拱效应理论,引入 考虑位移一时间效应的数学模型,提出了一种反映位移一时间效应的非线性土压力模 型,并结合试验资料进行算例分析,考察各参数的影响,验证模型的合理性。 6.结合相关算例分析了影响基坑水土压力的诸多因素,系统总结了常见的水土压 力算法,通过算例分析结合工程实测开展“水土分算”及“水土合算”的比较研究。研 究表明:“水土合算”算法机理不明确,通常会得
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