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基坑开挖的弹塑性与流变分析及其应用

马石城  
【摘要】: 目前基坑开挖的主要分析方法有两种,一是以极限平衡方法为主的经典分 析方法,另一种则为以平面有限元法为主的数值分析方法。在这两种分析方法 中,极限平衡方法将土体视为刚塑性体,不考虑土体的具体特性;以平面有限 元法为主的数值分析方法对土体的处理多种多样,所涉及到的土体本构模型包 括弹性模型、弹塑性模型及流变模型,相对来说,弹性模型及弹塑性模型用得 较多,流变模型则用得较少,且没有系统性。在实际工程中,东南沿海一带经 济发达地区的软粘土表现出很强的流变特性,这一带的基坑工程数量众多,基 坑工程的成功率也较地质条件好的地区低。因此,在基坑工程中,全面考虑土 体的流变特性是一很有意义的研究课题。本论文从基坑开挖的弹塑性分析入手 并全面推进到流变分析,建立了一整套用于基坑开挖流变分析的计算方法。主 要内容包括: 1、在对基坑开挖问题进行全面的弹塑性分析的基础上,针对传统分析方法 的不足,提出了带承压水的隔水土层的临界厚度计算方法,本文提出的方法力 学概念清晰、计算简单。通过对5个实际工程的计算,将本文方法和传统方法 的计算结果与实测结果进行了比较,结果表明:本文方法所得结果与实测结果 的吻合程度高出传统方法1倍;提出了圆形基坑直立开挖的临界高度的计算公 式,本公式扬弃了传统方法中将所有的直立开挖的临界高度问题都视为平面问 题的缺点,并对直径较小的基坑特别有用;本文还对基坑开挖引起的土中应力 分布,孔隙水压力变化等问题进行了改进,提出了相应的分析方法。 2、本文将一种新的流变模型理论:分数导数流变模型理论,引入了深基坑 开挖的计算之中,该理论克服了经典土体流变模型与实验结果吻合不好的缺点, 仅采用很少几个元件组合就可获得很好的效果。在很宽广的频率范围内,其动 态模量可以与实验数据吻合良好。利用这种模型理论,可以构造出各种与实验 吻合得很好的土体流变模型,可以很好地描述土体的瞬时弹性、延迟弹性、粘 性流、塑性等性能;并且本文还引入了一种不需要模型而直接构造松弛模量和 蠕变柔量的实用方法,该方法可以很方便地由实验数据拟合出所需的表达式, 具有计算速度快及自相谐调等优点。为研究土体这一天然材料的流变特性开辟 了一条新的道路。 3、在基于极限平衡方法的条分法中考虑土体的流变特性,提出了计算支挡 结构上土压力的时变特性的方法,本文可以描述土压力随时间变化的全过程, 概念清晰,计算简单,且具有通用性,即它可以用不同的流变模型来模拟土的 流变特性,且不会改变土压力的计算方法;并提出了一种计算土压力时变特性 的简化计算方法,该方法以现有计算理论为前提,在土力学参数中引入时间概 念,从而达到用经典的方法来描述土压力的时变特性。 4、提出了一种用于基坑及边坡整体稳定性的流变分析方法,该方法可以用 来描述土坡稳定破坏的全过程,采用这一方法,能对边坡各个阶段的稳定性进 行评估,从而可以根据施工工期及运营期限对边坡作出合理的设计;并提出了 一种用于边坡流变性状分析的简化方法,与传统方法不同,它将安全系数表述 为时间的函数,能对土坡的特性进行短期和长期评估,使得在边坡稳定性分析 中不仅考虑了安全系数,还考虑了土的长期强度影响。 5、在现行的边坡稳定和深基坑支护的设计方法中,引入本文对土压力流变 特性的研究成果后,再采用整套的经典土压力分析方法来计算边坡稳定性和深 基坑开挖问题,从而在边坡稳定性分析和深基坑开挖的设计中直接考虑土体流 变效应,使其更符合实际。 6、在传统的杆系有限单元法的基础上,提出了一种考虑时间效应的杆系有 限单元法。它用一流变模型来代替土抗力弹簧,得出土抗力弹簧的随时间变化 的刚度系数,使用增量法进行计算,用单元生死的方法来模拟基坑开挖的全过 程。 7、对于将土体视为连续介质的基坑开挖,提出用非标准 Maxwe谱模型来 描述土体的流变特性,非标准 Maxwell 谱模型能利用增加或减少谱模型中 Maxwell体的数目来逼近土体的流变特性,采用粘弹性单元,通过通用有限元 软件Ansys来分析基坑开挖的全过程,对开挖的模拟用单元生死法来实现。 8、如欲对基坑开挖进行二维或三维分析,用非标准的 Maxwe模型又不能 很好地模拟场地土的流变特性,本文提出了一种解决这种问题的实用方法,它 在经典的Drucker-Prager模型中,引入时变参数的概念,在计算过程中随时间 的变化而改变参数,从而达到考虑土体流变特性的目的。这一方法抛开了具体 的流变模型,采用第二章中引入的万能拟合公式,对实验数据进行拟合,可以 考虑任何土体的流变问题,是一种具有通用性的实用计算方法。


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