超深基坑水、土與圍護結(jié)構(gòu)相互作用及設(shè)計方法研究.pdf

1、深基坑工程的研究已經(jīng)取得了很多重要的成果，各國相繼頒布了建筑基坑工程的行業(yè)標準，超深基坑工程的設(shè)計、施工也已積累了很多寶貴的經(jīng)驗。但隨著基坑開挖的不斷加深、新的支護方法與施工工藝的出現(xiàn)以及人們對基坑工程的安全提出了更高的要求，超深基坑工程凸顯出更多新的問題，圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計方法與分析理論需要不斷改進。 本文以杭州地鐵試驗段超深基坑工程，上海世博變超深基坑工程科研項目為依托。針對超深基坑工程水、土、圍護結(jié)構(gòu)之間的相互作用問題，對超深基

2、坑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計方法進行了研究，并取得了相應(yīng)的成果： (1)通過超深基坑應(yīng)力路徑試驗，研究了應(yīng)力路徑對土體參數(shù)的影響，得到了杭州地區(qū)砂質(zhì)粉土的應(yīng)力路徑試驗結(jié)果：水平卸荷初始切線模量Ei的影響系數(shù)λ為80左右；豎向卸荷初始切線模量易的影響系數(shù)λ在470～510之間：豎向卸荷應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線的強度參數(shù)b=1/(σx-σz)uh=4.6一0.0043σz。 (2)通過對基坑工程受力模式分析，提出了考慮應(yīng)力路徑與基坑空間尺寸影響的

3、圍護結(jié)構(gòu)受力變形分析模型。以彈性半空間理論的Melan解為基礎(chǔ)，推導(dǎo)了彈性半無限空間內(nèi)部作用條形荷載的應(yīng)力解和位移解，得到了適用于該分析模型的水平基床系數(shù)K=α.λ.γs·z。其中：α系數(shù)反映了基坑空間尺寸的影響，λ系數(shù)反映了應(yīng)力路徑的影響。結(jié)合反映土單元體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系非線性特性的Duncan-chang模型，得到了考慮荷載水平影響的水平基床系數(shù)。通過超深基坑開挖算例分析：本文分析方法能夠很好地反映基坑空間尺寸、應(yīng)力路徑和荷載水平的影響

4、，圍護結(jié)構(gòu)受力變形分析結(jié)果均與連續(xù)介質(zhì)有限元法較為接近，同時能夠很好地模擬坑內(nèi)外土壓力的變化情況。 (3)結(jié)合橫觀各向同性材料的本構(gòu)關(guān)系，通過理論推導(dǎo)，得到了考慮坑內(nèi)工程樁影響的橫觀各向同性復(fù)合地基模型，該模型能夠同時考慮工程樁對坑內(nèi)土體不同方向的加固效果，同時給出了考慮工程樁影響的水平基床系數(shù)計算方法。坑內(nèi)工程樁的存在，能夠有效地減小坑底回彈量，同時能在一定程度上增大坑內(nèi)土體水平基床系數(shù)，有利于減小圍護結(jié)構(gòu)變形。 (4

5、)采用自制的基坑滲流、滲透破壞模型試驗裝置，對基坑滲流特征與滲透破壞進行了模型試驗研究。研究了土體密實度、土體性質(zhì)、樁土界面摩擦特性、坑內(nèi)工程樁以及滲漏等因素對基坑滲流、滲透破壞的影響，揭示了滲透破壞前后滲流場、位移場的變化規(guī)律以及滲透破壞模式。圍護結(jié)構(gòu)表面光滑時，破壞模式為楔形體頂升破壞，圍護結(jié)構(gòu)表面粗糙時，破壞模式為表面砂沸破壞。 (5)通過均質(zhì)地基基坑工程滲流場分析，研究了滲流對坑內(nèi)外水土壓力、水平基床系數(shù)的影響。提出了綜

6、合考慮應(yīng)力路徑、基坑空間尺寸以及滲流影響的超深基坑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計方法：分析模型的荷載采用考慮滲流影響的靜止土壓力和水壓力；坑內(nèi)外分別采用考慮空間尺寸、應(yīng)力路徑以及滲流影響的水平基床系數(shù)。 (6)在模型試驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合有限元數(shù)值模擬，對基坑工程滲透破壞機理進行了研究，提出了基坑工程滲透破壞判定標準與判定方法。土體豎向有效應(yīng)力為零不能作為基坑滲透破壞判斷的唯一標準，須結(jié)合塑性破壞判斷標準K=(σ1-σ3)/(σ1＋σ3)將滲透破壞過

7、程分為三個階段： a)圍護結(jié)構(gòu)底部土體首先進入塑性狀態(tài)，此時坑內(nèi)土體處于臨塑階段： b)坑內(nèi)土體塑性區(qū)貫通，形成剪切破壞帶，處于塑性破壞臨界狀態(tài)； c)在塑性破壞臨界狀態(tài)的基礎(chǔ)上略微增大水頭差，發(fā)生流砂破壞。 (7)通過理論分析與數(shù)值模擬，對基坑工程滲透破壞安全系數(shù)進行了分析：滲透破壞安全系數(shù)與基坑開挖深度、寬度、圍護結(jié)構(gòu)插入深度以及下臥透水層厚度等因素有關(guān)。綜合考慮滲透破壞安全系數(shù)與滲透破壞對圍護結(jié)構(gòu)受