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基坑开挖过程的试验与数值模拟及土的微观结构研究

刘熙媛  
【摘要】:随着高层建筑、地铁、核电站等大型重要工程的建设和发展,深基坑工程已成为岩土工程领域的重要课题。土体在开挖卸荷条件下的微观结构和宏观力学特性是确定深基坑工程模拟分析和设计计算特征参数的依据。长期以来,深基坑工程数值分析与设计计算所采用的土体强度参数均由常规三轴试验方法获得,忽略了深基坑开挖卸荷的特定条件,使得基坑支护结构的土压力及变形的实测值与计算值存在一定的差异。 本文结合基坑开挖工程的实际特点,利用光学显微镜和分形理论研究了土体经过卸荷过程后的微观结构。对比常规三轴试验方法,对基坑开挖过程进行了试验和数值模拟。主要研究内容和成果如下: 1. 针对深基坑开挖卸荷的实际应力状态,通过对常规应变控制式三轴仪的改造,设计了符合基坑开挖特点的三轴试验方法。选取天津市区同一地点不同深度的饱和土体进行模拟基坑开挖过程的试验研究,并与相同土体的常规三轴试验结果进行了对比分析。研究表明:不同应力路径三轴试验方法得到的抗剪强度指标明显不同,说明不同应力路径对天津市区典型饱和土体抗剪强度指标具有一定影响。 2. 土的抗剪强度与土的微观结构密切相关。本文从土的微观结构入手,利用光学显微镜对不同应力路径三轴试验的土样进行孔隙大小及分布的对比研究。对比原状土的微观结构特性,定量地分析了不同应力路径三轴试验土体抗剪强度指标不同的原因。 3. 基于分形理论适合于研究复杂不规则图形的特点,本文对分形理论在土体微观结构研究中的作用进行了深入分析。定义了研究土体中孔隙分布状况的平面分形维数。利用MATLAB语言编写程序,对土体微观结构图片进行了平面分维计算,分析了不同应力路径三轴试验后土体微观结构的分形特征。 4. 采用本次模拟基坑开挖过程的试验结果,利用Plaxis大型有限元程序进行了典型的深基坑开挖工程实例计算。程序选用莫尔—库仑屈服条件,并模拟基坑的分步开挖过程,得到了采用不同抗剪强度指标的计算结果。通过分析,为今后深基坑支护结构设计中土体强度参数的选择提供了指导性建议。


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