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地基软弱夹层极限荷载及破坏模式研究

殷勇  
【摘要】:软弱夹层是地基中的关键地层,其极限荷载关系到地基承载稳定的核心问题。与一般的天然层状地基不同,软弱夹层形式多样,并且其极限状态受到多方面因素的影响,对此目前还缺少较系统的研究。论文采用理论分析、数值计算及室内试验相结合的方式对软弱夹层的极限荷载、破坏模式进行了研究。在平面应变及轴对称条件下分别推导了流塑性软弱夹层、一般岩土材料软弱夹层极限荷载计算公式,并与现有相关理论及规范进行了对比分析;研究了软弱夹层破坏模式与极限荷载之间的相关关系以及相关因素对两者的影响规律,探讨了不同破坏模式所需具备的条件。首先,基于Prandtl塑性材料挤压模型,利用经典塑性理论导出了软弱夹层的应力分量及夹层面挤压力的下限解,完善了原Prandtl解的应力边界条件,得到能反映层面粗糙条件影响的软弱夹层极限荷载计算公式。其次,根据极限分析上限法,对平面问题、轴对称问题及考虑侧向挤出效应的软弱夹层极限荷载进行了分析。结果表明,软弱夹层厚宽比、层面粗糙程度、夹层材料自重、夹层两侧超载等因素均对极限荷载有影响;层面完全粗糙时,本文极限荷载上、下限解较为接近,能够较好界定真实解的范围,规范解则偏于不安全,Prandtl解偏于保守。利用挤压试验分析了层面粗糙程度、厚度与层面滑移模式及挤压力的关系,验证了刚性平行板挤压塑性材料过程中层面的不同滑移规律。在此基础上,分别依据静力平衡原理和上限法原理,导出了一般岩土材料软弱夹层平面问题和轴对称问题极限荷载计算公式,并进行了相关因素分析。研究显示,层面滑移模式受层面摩擦系数及夹层强度参数影响较大,层面摩擦系数与夹层内摩擦角正切值相近时层面容易形成混合滑移模式;两者相差越大,层面越容易形成单一的粘着或库伦滑动滑移模式。本文静力平衡解及上限解考虑了层面滑移模式对极限荷载的影响,而且不同滑移模式下的极限荷载差异明显;由规范法、Mandel-Salencon理论得到的极限荷载在一定条件下偏高,实际应用时需要注意合适的安全储备。研究了软弱夹层的厚度、强度、层面粗糙条件、下层岩土力学性质等变化对其破坏模式及极限荷载的影响,分析了破坏模式的演变规律。结果表明,厚宽比取值较小时,软弱夹层的极限荷载受其变化影响较大,且存在破坏模式及极限荷载发生转变的临界厚宽比,该厚宽比的范围与夹层强度、层面粗糙条件及超载等因素有关。在临界厚宽比以下,软弱夹层发生侧向塑性挤出破坏模式,该破坏模式基本不受其他相关因素的影响,软弱夹层的极限荷载可以适用本文所导出的计算理论;在临界厚宽比以上,软弱夹层发生整体剪切破坏或向整体剪切破坏过渡,相应的极限荷载随厚宽比的变化不明显。其他条件不变时,软弱夹层下层岩土体与夹层的强度比增长至临界值以后其极限荷载将保持恒定,而且这一过程伴随着软弱夹层的破坏模式由整体剪切向侧向塑性挤出破坏转变的趋势。


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