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考虑施工扰动效应的基坑性状分析

王景春  
【摘要】: 高层建筑以及地下工程不断涌现,基坑工程数量迅速增多。基坑施工过程中对土体不断扰动,扰动土体的应力应变关系与强度明显不同于施工前的土体,本文分析了基坑施工对土体的扰动影响因素,包括应力状态、应力路径的改变、孔隙比及含水量的变化、土体结构的破坏、土体成分的混合与置换、土体强度、变形特性的改变,在此基础上较全面研究了基坑施工对周近土体的扰动,这对于基坑工程的优化设计,保证基坑工程的变形、安全与稳定,具有十分重要的理论意义和实用价值。 首先,分析了施工扰动的影响,建立了广义扰动度的表达式和施工扰动的评价体系,基于土的三相组成的基本性质,推导出定量计算基坑施工扰动的表达式;选用Taylor级数展开式,求出了扰动对岩土强度指标的影响。建立了考虑施工扰动的Rankine主动土压力和基坑稳定性的表达式,并通过工程实例进行了分析,结果表明,在对基坑进行稳定性进行分析时不可忽视施工扰动的影响。从控制土方开挖、严格止(降)水措施等方面具体地阐述了控制基坑施工对土体扰动的措施。 第二,试验研究表明,杭州软土为高灵敏度土,其灵敏度为6.7,具有较强的结构性;单向压缩试验中原状样和重塑样的压缩特性有着明显的差异。试验中应力-应变曲线总体上呈应变硬化型,可用双曲线函数来表示,对同一应力路径的试样,其破坏应力随固结压力的增大而增大。应力路径对基坑土体的变形有着显著的影响,不同应力路径下,土体的变形性状也不一样。 第三,通过直剪试验,得出含水量对软土不排水抗剪强度及其参数有较大的影响,原状软土的内聚力和内摩擦角按含水量的二次三项式变化,随含水量的增大而递减。值得注意的是,含水量对内聚力的影响比对内摩擦角大得多,含水量对内聚力和内摩擦角的影响随含水量的增大而逐渐趋于相同,此时,内聚力和内摩擦角的大小主要取决于软土的结构强度和胶结作用。 第四,施工扰动的现场测试表明:土体的强度以及物理力学指标随基坑开挖扰动而变化,土体含水量、孔隙比均为先增加后减小。主动区静力触探试验表明,在基坑开挖后由于施工扰动,土体的锥尖阻力均有所降低,锥尖阻力与土体深度、距离基坑围护距离有关。 第五,对锚杆的现场测试表明:锚固体与土体间摩阻力沿锚杆长度的分布是不均匀的,在孔口附近最大,沿锚杆长度从孔口向孔底衰减。根据本试验,随着时间的延长,锚杆锚固体与土体之间的摩阻力是逐渐提高的,但是锚杆的摩阻力在不同的位置其增长的幅值却不是同时出现的。摩阻力的分布规律与摩阻力水平有关。锚杆对地下连续墙的水平位移有一定的影响,锚杆杆体的受力变化对基坑的开挖比较敏感。锚杆内的预应力变化与锚杆的位置、注浆量、锁定荷载有关,预应力对基坑的开挖很敏感。 第六,分析了基坑开挖过程中应力与变形变化的特征,从基坑边坡的稳定性入手,提出了基坑开挖强扰动区的概念。运用弹性理论中的楔形体理论对于放坡开挖的基坑进行分析,采用平面应变问题基本理论解析基坑分步开挖过程中的扰动区的范围,经实例计算结果的验证,具有较好的合理性。根据开挖扰动作用的分区,可以有针对性地研究各分区内变形特征与地层工程性质的对应关系,研究相应的基坑支护及加固措施。 第七,在前人的扰动函数表达式的基础上,提出了当量扰动度的表达式。土相对完整状态和完全调整状态分别用土弹性模型和修正剑桥模型表达,建立了基于扰动状态的本构模型,计算所得的结果与试验结果变化规律相似,有一致趋势。将考虑施工扰动的土体本构模型引入基坑工程的有限元分析中,数值分析的结果表明围护墙体变形的有限元计算结果与实测结果有较好的一致性,随着开挖的进行,土体发生扰动的区域逐渐扩展,扰动度的值也逐渐增大,在坑脚及围护墙周围有扰动集中现象,扰动区域与土体的应力路径有关。在围护墙厚度(刚度)、围护墙的入土深度、围护墙的弹模以及内支撑刚度四个影响基坑施工因素中,围护墙的刚度对土体扰动的影响较大。


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