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软土卸荷力学特性及软弱地层中基坑稳定性研究

周秋娟  
【摘要】: 随着我国大中城市的发展,城市能够利用的土地资源迅速减少,迫使城市开始往三维空间发展,城市地下空间的开挖利用越来越受到重视,城市轨道交通及城市地下空间综合开发利用项目在国内各大城市开展。而我国大中城市主要分布在沿海和河流中下游及湖泊附近地区,主要地基基础为软土,因此,开展各种开挖条件下软土力学特性研究对城市的地下空间开发利用具有十分重要的意义。其次,基坑工程作为地下空间开发的一个重要手段,对软弱地层中基坑工程的稳定性深入开展研究迫在眉睫,因此,进行软土基坑试验研究以及数值分析,探讨基坑工程的变形、安全、稳定,同样具有十分重要的理论和实际意义。鉴于此,本文定义土体只要有一个方向的应力减小就为卸荷,针对珠三角州相沉积的典型灰黑色淤泥质软土及软土开挖工程进行了系统研究,主要研究内容与成果如下: 1.为分析开挖工程中土体的侧向卸荷行为,对原状土样进行了侧向卸荷条件下的三轴剪切试验,结果表明:(1)侧向卸荷下土体的强度明显小于轴向加荷下的土体强度,即土体在侧向约束减小后所能承受的剪应力将降低;(2)在侧向卸荷时由于土体产生负孔隙水压力,使得有效应力强度反而低于总应力强度,与轴向加荷条件下的强度规律相反;(3)侧向卸荷条件下软土在p-q平面上的屈服条件满足Drucker-Prager模型的屈服条件;(4)建立侧向卸荷条件下的卸荷变形模量计算公式。 2.为分析开挖工程中施工过程或施工间歇对基坑稳定的影响,进行了不同卸荷路径下三轴卸荷流变试验,结果表明:(1)若土体为侧向卸荷而轴向荷载不变,此时土体的卸荷流变变形表现为压缩变形;即使在偏应力较小时,土体的总变形较小,但蠕变变形仍不可忽略;随着偏应力的进一步增大,应变随着偏应力的施加迅速发展直至土样产生鼓型破坏;(2)若土体为轴向卸荷或轴向侧向同时卸荷,则土体在仅发生轴向卸荷时产生明显的滞后回弹变形,且随平均固结压力的增大愈显著;而土体在轴向与侧向均卸荷路径下,土体产生剪切变形,无明显的流变特征,但在该路径下土体出现了负孔压,且卸荷压力越大,负孔压极值越大;(3)不论是何种卸荷路径,应变率与时间的双对数关系均为线性关系,因此,可建立软土卸荷流变模型为(?)=bt~m,其中b与m为流变参数,与卸荷路径、应力水平相关。 3.为分析开挖工程中土体的回弹行为,进行了不同卸荷路径、不同预压荷载条件下的一维压缩回弹试验,结果表明:(1)含水量、卸荷路径下对软土回弹模量的影响不大,而卸荷比、预压荷载越大,土体回弹将越明显;若卸荷比一定,则回弹变形与预压荷载成反比;(2)孔隙比、预压荷载与荷载之间存在相应的经验关系;(3)土体的回弹变形存在临界卸荷比R=0.8,当R<0.8,土体的回弹率很小;(4)次回弹系数随卸荷比增大而增大;(5)土体的回弹模量具有时效性,随卸荷比、时间、预压荷载而不断变化,回弹模量随着时间的增长而迅速减小,约在10min处达到稳定值。 4.为分析开挖工程中土体的渗透特性,进行了不同卸荷条件下的渗透试验,结果表明:(1)土体在不同初始固结压力下的逐级卸荷时,渗透系数将随卸荷比不同而随之变化,当卸荷比R<0.8时,渗透系数变化不大,当R>0.8时,渗透系数开始随着土体的卸荷比增大而迅速增大;(2)卸荷路径对饱和软粘土的渗透特性基本没影响,但渗透系数受初始固结压力影响较大,初始固结压力越大,卸至同一级固结压力下的渗透系数反而越小。 5.为分析开挖工程的破坏特征,针对一软弱基坑进行了模拟开挖及支护全过程的离心模型试验,试验中分别考虑了基坑的不同支护方式以及软土的强度等影响因素,获得了各种条件下的变形和破坏的最直观描述、以及深厚软土层中基坑工程稳定的基本条件。试验表明:(1)在有挡土墙无支撑支护情况下,随着基坑开挖深度的加大,基坑将由于挡土墙与坑侧土体变形过大而发生倾覆破坏,此时,坑侧土体大面积开裂,严重影响基坑的周边环境;挡土墙向坑内倾斜与坑侧土体发生侧向卸荷是坑侧土体发生沉降的主要原因;基坑开挖而引起的土体卸荷回弹变形是造成坑底土体隆起的主要原因;(2)在有挡土墙有支撑支护情况下,软土的强度对基坑的稳定性影响很大;随着基坑开挖深度的加大,基坑将由于坑底土体隆起变形过大、挡土墙向坑外倾斜、第1排支撑失去作用而使得基坑整个支护结构失稳破坏;造成基坑坑侧土体沉降的主要原因是挡土墙底部土体向坑内流动,同时这也是坑底土体产生隆起变形的主要原因之一;土体产生卸荷回弹变形是坑底土体发生隆起变形的另一主要原因。 6.为了分析基坑开挖卸荷造成的周边土体应力偏转问题,对应力偏转造成的变形、强度问题进行探讨:(1)对开挖卸荷后基坑周边土体应力场进行理论分析,通过引入应力矢量比概念,建立考虑主应力轴偏转的应力矢量本构关系;(2)通过对不同大主应力方位角下软粘土剪切试验可知,大主应力发生偏转后,土体的应力-应变仍为双曲线型,可进行归一化处理;土体的强度将降低,且变形模量减小,表明在基坑工程中若不考虑应力的偏转,将降低工程的安全性;(3)建立土体初始变形模量随大主应力方位角变化的折减公式。 7.基于前述室内试验结果和土工离心模型试验结果,对土工离心模型试验的原型基坑进行数值计算,结果表明:(1)不考虑应力偏转对土体变形与强度的影响下,计算所得到的变形规律与实测变形规律有相似性,但变形较小;在数值计算中,最大回弹位移发生在整个基坑的中部,而离心试验中,坑底最大回弹位移发生在所进行试验的坑底的中部;坑侧土体的流变效应明显于坑底土体;软土基坑开挖卸荷后,基坑周边土体将发生不同程度的应力偏转;(2)为考虑应力偏转对土体变形的影响,对每一计算步后的变形模量进行折减,结果表明,考虑应力偏转效应后,基坑周边土体变形明显增大,且流变效应相对明显。


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