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圆形基坑土压力分布模式研究

刘发前  
【摘要】: 土压力是作用在挡土结构上的主要外荷载之一,同时也是基坑围护结构设计分析的关键因素。目前土压力的发展仍不能满足实际工程的需要,有待于进一步的研究。圆形基坑的围护结构为筒形地下连续墙,作用在其上的水土压力相互抵消,呈现出主要受压的特性,能更好地发挥混凝土的良好抗压性能。另外,由于基坑周围土体的环向拱效应的影响,作用在筒形地连墙上的土压力与平面土压力不同。一般来说,前者与后者相比偏小,因此,圆形基坑越来越受到岩土工程师的青睐。然而,实际工程中人们还是用朗肯或库仑理论来计算圆形基坑土压力,这必然将引起较大的误差。由此可见,对圆形基坑土压力进行研究具有很强的理论和现实意义。鉴于目前对圆形基坑土压力研究比较缺乏,本文以上海世博500kV地下变电站工程为背景,以理论研究为主,并对背景工程和上海交通大学深水试验池工程进行现场监测,辅以数值模拟,系统研究圆形基坑土压力的分布模式,提出合理的计算方法,发展圆形基坑土压力理论,为圆形基坑围护结构的设计提供参考。本文的研究主要针对于筒形围护结构发生了向坑内的位移,坑外土体处于主动状态的情况,主要内容包括以下几个方面: 1.采用轴对称滑移线法分析了圆形基坑主动土压力的特性。基于前人的研究结果,认为圆形基坑主动土压力亦由土体重度、粘聚力和堆载引起,分析了土体重度、土体粘聚力、内摩擦角、堆载和基坑半径对土压力的影响。验证叠加原理的可行性,建议采用类似于平面土压力的表达式,将圆形基坑主动土压力表示为土压力系数的函数形式,并在后续章节中给出土压力系数的结果,以供设计参考。 2.将轴对称滑移线法进一步拓展以考虑不均匀甚至任意分布的堆载、墙-土间摩擦、地面的坡度、支护结构的倾角(非竖直)、土体分层和地下水渗流等因素。系统地研究以上因素对圆形基坑主动土压力的影响。堆载的分布形式决定了地面的边界条件,将影响滑动区域的应力状态和作用在围护结构上的土压力。在墙-土间摩擦、地面坡度和支护结构倾角同时存在的一般情况下,根据以上参数值,提出了两种破坏模式并给出适用范围;采用滑移线法分析了堆载分布、墙-土间摩擦角、地面坡度和支护结构倾角对滑动土体体积和主动土压力分布的影响。将墙后滑动楔体区域分为主动变形区、对数螺旋区和被动变形区,假定主动变形区和被动变形区内第一主应力方向不变,滑移线为直线,推导了一般情况下圆形基坑主动土压力的解析解。将土层分界面作为应力间断面,导出了间断面两侧第一主应力方向和平均应力的关系,提出了适用于分层土的迭代计算公式,进而将滑移线法推广用以计算双层土和任意多层土的主动土压力。分析表明上软下硬的土层分布方案优于上硬下软的方案。分析了“水土合算”、“水土分算”和“考虑渗流的水土分算方法”的差异,通过假定流线为通过墙脚的直线,计算了渗透力并提出考虑地下水稳定渗流的圆形基坑主动土压力滑移线解。分析了墙体入土深度对圆形基坑水土压力的影响。 3.采用滑移线法和简化滑移线法分析了非极限状态圆形基坑土压力的性状,并推荐设计采用。目前地下结构的设计多以变形为控制标准,支护结构的变形受到严格限制,墙后土体很难达到完全主动状态,因此实际土压力应介于静止土压力和主动土压力之间。定义环向应力系数等于环向应力和第一主应力之比,并将之引入极限平衡方程,重新推导了极限平衡微分方程并给出了迭代计算公式。分析了环向应力系数对土压力影响。提出“初始主动状态”和“完全主动状态”的概念,完全主动状态的土压力比实际土压力小,不能用于实际工程设计,“初始主动状态”土压力具有更强的参考价值。“完全主动状态”下,环向应力系数恒等于1;而在达到“完全主动状态”以前,环向应力系数并非定值,应当介于1和静止土压力系数之间,是墙体位移和空间坐标的函数。假定环向应力系数自墙-土接触面至破坏面由1线性递减至K0,给出了“初始主动状态”土压力结果。分析了土体动用内摩擦角和墙-土摩擦角随墙体位移的发展,考虑到墙后土体的应变特性,认为两者并不完全同步。整个滑动区域的土体动用内摩擦角在“完全主动状态”时完全发挥,而墙-土间摩擦角在“初始主动状态”即完全发挥。考虑了土体动用内摩擦角、墙-土间摩擦角和环向应力系数随墙体位移的变化,给出了非极限状态下圆形基坑土压力的滑移线解和简化滑移线解。滑移线解的精度较高,适用于平移模式的单一均匀土;简化滑移线解适用于任意变形模式的分层土,其精度亦与滑移线法相差不大。分析了圆形基坑土压力随墙体位移的变化。当墙体位移为0时,所得应为静止土压力。由于环向应力的外扩效应(环向拱效应),圆形基坑静止土压力系数和主动土压力系数均比朗肯结果小,并与基坑深径比有关。分析了几种典型位移模式下土压力的分析性状。搜集了国内外部分圆形基坑的实测数据,分析了实测墙体位移模式和土压力分布特性。认为实测墙体位移虽未能使得墙后土体达到“完全主动状态”,但很多已达“初始主动状态”。采用本文提出的非极限状态下圆形基坑土压力的计算方法进行计算,并与实测土压力进行比较,以验证本文方法的合理性并给出主动极限位移的合理取值。 4.首次提出圆形基坑主动土压力的极限分析上限法。极限分析方法是土压力理论分析的主要方法之一,该方法通过上限定理和下限定理分别给出极限荷载的上限和下限,进而确定真实解的范围。滑移线法是通过求解破坏区域的应力场给出土压力(极限荷载)的结果,因此可证明是属于下限解的范畴。Haar von Karman完全刚塑性假定是摩尔-库伦屈服准则的轴对称形式,另外考虑了墙后土体环向压缩引起的内能耗散以修正完全刚塑性假定,进而提出了圆形基坑主动土压力的极限分析上限法(能量法)。采用库伦破坏模式、双三角形破坏模式和Log-sandwich破坏模式进行分析。以库伦破坏模式为例,将上限法进一步扩展以考虑地面坡度。定义环向应力系数为环向应力与平面竖向应力之比并用以计算内能耗散率。为使得滑动楔体的应变率场机动允许,达到主动状态时,环向应力应等于第一主应力,因此环向应力系数在滑动楔体内为变量,且与土体特性和基坑尺寸有关。分析了环向应力系数值对库伦破坏模式中破坏面的倾角、土压力合力和土压力系数的影响;分析了地面坡度和墙-土间摩擦对土压力结果的影响。土压力系数随基坑深径比的增大而减小,并且当土压力系数Kaq为0时土压力合力达最大值,相应的基坑深径比为“临界深径比”。分析了土体重度、粘聚力、基坑半径等对“临界深径比”的影响,并给出不同内摩擦角下临界深径比随土体粘聚力和基坑半径之比的变化,以供设计参考。为寻求合适的环向应力系数值,将上限解与滑移线解进行对比,认为环向应力系数等于静止土压力系数是足够的。 5.对本文的背景工程进行现场监测。对勘查资料进行分析,结合工程特点,制定合理的监测方案。对项目进行跟踪监测,分析实际工程墙体径向位移和坑外土压力的发展规律。以墙体实测位移为依据,采用本文提出的非极限状态土压力的简化滑移线法计算土压力的分布,并与实测数据对比,进一步验证本文推荐方法的合理性。采用ABAQUS有限元软件对本文背景工程建立考虑土体、地连墙、结构梁板和临时环形支撑共同作用的三维有限元模型,分析了墙体径向位移和土压力随基坑开挖的发展规律,比较了计算墙体位移和实测墙体位移的差异。将有限元所得土压力与理论计算结果和实测数据进行对比,结果表明三者吻合较好。本文的背景工程的监测和设计方法可为将来同类工程作借鉴。


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