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软土应力各向异性及其对深基坑开挖性状的影响研究

廖俊展  
【摘要】: 深基坑开挖不仅要保证基坑本身的安全与稳定,而且还要有效地控制基坑周围地层移动以达到保护周围环境的目的,尤其是在地基土质较差的城市内进行基坑开挖施工时,经常引起基坑周围土体较大的变形,从而影响基坑周围的建筑物、公共设施、道路、铁路、管线、机器设备等的正常使用,甚至危及安全,造成破坏。因此,准确地预测由于基坑开挖而引起的土体移动,不仅是基坑开挖支护系统设计的一个重要组成部分,而且也是评估由于基坑开挖对周围环境影响程度的一个重要指标。 然而,在通常所使用的有限元进行基坑开挖的计算分析中,一般都没有考虑土体的应力各向异性,或者考虑了土体的应力各向异性但所使用的本构模型过于复杂,不便于工程界接受;而各向异性对土体的破坏和变形有着重要的影响(Yang,1997)。而且,在基坑的开挖过程中,土体单元都要经历主应力幅值改变的同时也伴随着主应力轴方向的旋转变化,土体的不排水抗剪强度和变形等对大主应力的方向有着强烈的依赖作用,如果将已改变应力状态土体的强度等同于未改变应力状态土体的强度,对于土体的塑性屈服来说,与实际的屈服强度之间存在着差异,影响着土体的塑性变形量的大小。为了更加准确地预测基坑开挖后的变形性状,必须考虑上述因素。基于此,本文在前人研究的基础上,探讨了土体的初始各向异性以及应力诱发各向异性对基坑开挖变形的影响,取得了如下研究成果: 1、利用魏星(2005)提出的各向异性弹塑性本构模型,分析了具有初始各向异性土样在等向固结三轴压缩和拉伸试验中的变形特性。 为了将上述各向异性本构关系应用到工程实践中,并且便于工程界接受,在上述各向异性边界面本构模型的基础上,根据三轴试验的不排水应力路径,推导了软粘土不排水三轴压缩和拉伸的各向异性强度公式,该表达式可以综合考虑土的应力历史以及初始固结状态对强度的影响。同时,结合室内试验,确定了上海典型软粘土K_0固结条件下拉伸与压缩不排水抗剪强度的比值。 对于在不排水条件下的弹塑性分析,本文考虑了能够反映土体初始各向异性和由于土体单元主应力轴的旋转引起土体强度的应力诱发各向异性特性,并结合Casagrande和Carlllo(1944)所提出的强度公式,推导了不排水条件下土体各向异性强度与von Mises屈服准则所表示的强度之间的关系,对经典的von Mises准则作了改进,使用改进后的von Mises准则作为土体的屈服准则,改进后的von Mises准则可反映土体的各向异性强度特性。 2、以ANSYS9.0为平台,将能够反映土体各向异性的理想弹塑性本构模型连接到该软件中,并以此为基础,首先使用Poh等(1997)中的两个分析实例验证了所耦合程序的可靠性,接着,对各向异性条件下基坑开挖后的变形性状进行了较为详细的分析,具体有以下几点结论: 在考虑土体的各向异性时,各向异性对基坑变形性状的影响随着各向异性程度的增强而增大,在一定的开挖宽度范围内,各向异性对土体水平变形的影响要大于对土体竖向变形的影响。 各向异性对基坑开挖后土体变形(水平变形和竖向变形)的影响随着基坑开挖宽度的不同而不同。在一定的开挖深度范围内,随着开挖宽度的增加,各向异性对土体变形的影响由对水平变形为主要影响对象,逐渐转变为以对竖向变形为主要研究对象。 初始各向异性和应力诱发各向异性对基坑开挖后土体变形的影响程度是不同的,就软土条件下的基坑开挖而言,各向异性对土体变形的影响以应力诱发各向异性为主,对于挖深在8m、开挖宽度在40m左右的基坑来说,应力诱发各向异性对基坑变形(水平变形和竖向变形)的影响约占整个各向异性影响的70%。 逆作法条件下各向异性对土体变形的影响要大于顺作法施工时各向异性对土体变形的影响,土体的各向异性程度越强,这种影响将越显著。 3、采用本文模型和Drucker-Prager模型对一具体基坑工程进行了三维空间的计算分析,两种模型的计算结果均与实测结果作了对比,对比表明:关于基坑的空间变形性状,考虑土体应力各向异性时的计算结果要与实际工程更为接近。 最后,关于进一步研究的方向进行了简要的讨论。


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