深基坑開挖土體的卸荷試驗(yàn)研究及有限元分析.pdf

1、高層建筑以及地下工程不斷涌現(xiàn)，深基坑工程數(shù)量迅速增多。地下空間作為一種尚未開發(fā)的資源引起人們的廣泛關(guān)注，深基坑工程的設(shè)計(jì)與施工問題成為巖土工程的熱點(diǎn)。深基坑工程的成敗，主要取決于設(shè)計(jì)時(shí)土體參數(shù)與本構(gòu)模型的選取是否符合工程實(shí)際狀況，深基坑的開挖過程實(shí)質(zhì)上是深基坑周邊土體的卸荷過程，卸荷狀態(tài)下土體的工程性質(zhì)與加荷狀態(tài)有很大差別。長期以來，人們采取“加荷”試驗(yàn)方法確定土體參數(shù)及本構(gòu)模型，對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算深基坑開挖卸荷土體顯然是不合適的，用常規(guī)的土工

2、加載試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行深基坑工程的數(shù)值分析與設(shè)計(jì)計(jì)算必然會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。目前對(duì)土體加荷狀態(tài)下的性狀研究較多，模擬深基坑開挖卸荷過程的三軸試驗(yàn)研究所見不多，尤其是采用真三軸模擬深基坑周邊土體的平面應(yīng)變狀態(tài)卸荷過程的試驗(yàn)研究非常少。因此，本文采用普通三軸和真三軸，模擬深基坑開挖土體的卸荷實(shí)際應(yīng)力路徑試驗(yàn)，來研究深基坑土體的工程特性以確定土體參數(shù)與本構(gòu)模型，使深基坑設(shè)計(jì)參數(shù)與設(shè)計(jì)理論更加符合實(shí)際工程狀況，這對(duì)于深基坑工程的數(shù)值分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證

3、基坑工程的變形、安全與穩(wěn)定，具有十分重要的理論意義和實(shí)際意義。 本論文的主要研究內(nèi)容和成果如下： 1、對(duì)深基坑開挖過程中土體的應(yīng)力路徑進(jìn)行了分析與簡化，認(rèn)為深基坑開挖過程中的土體可以視為存在兩種應(yīng)力路徑：深基坑周邊為主動(dòng)區(qū)土體，豎向荷載不變，橫向卸荷；深基坑內(nèi)為被動(dòng)區(qū)土體，豎向卸荷，橫向荷載保持不變。指出這種應(yīng)力路徑與筑路、建壩等典型的土體加荷工程的應(yīng)力路徑是完全不同的。 2、采用普通三軸對(duì)武漢地區(qū)粉質(zhì)粘土進(jìn)行了

4、模擬深基坑開挖土體的軸對(duì)稱應(yīng)力卸荷與加荷試驗(yàn)，對(duì)加荷與卸荷土體的變形性狀進(jìn)行了分析研究，指出應(yīng)力路徑對(duì)深基坑土體的變形有著強(qiáng)烈的影響，不同應(yīng)力路徑下，土體的變形性狀表現(xiàn)多樣。不顧應(yīng)力路徑的影響，籠統(tǒng)地用基于常規(guī)加荷試驗(yàn)得到的理論和參數(shù)來對(duì)基坑工程進(jìn)行計(jì)算不盡合理，應(yīng)加以修正。得到卸荷土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系仍可以用Duncan-Zhang模型表示，但卸荷模量小于常規(guī)三軸加荷模量，推導(dǎo)了基坑土體卸荷切線模量計(jì)算公式。 3、用真三軸對(duì)深基

5、坑周邊主動(dòng)區(qū)粉質(zhì)粘土進(jìn)行了平面應(yīng)變條件下的固結(jié)不排水加荷與卸荷試驗(yàn)、固結(jié)排水卸荷試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)所得的各種曲線進(jìn)行了分析，得出：(1)真三軸卸荷不排水試驗(yàn)所得試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線隨著固結(jié)壓力的增加由應(yīng)變硬化型轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變軟化型，真三軸卸荷排水試驗(yàn)所得試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線均為應(yīng)變硬化型；(2)在相同圍壓下，在剪切開始階段，兩條曲線差別不大，隨著剪切的繼續(xù)，土體在排水條件下由于硬化的發(fā)展，在曲線后半段，排水條件下剪切應(yīng)力應(yīng)變曲線變到不排水

6、剪切曲線的上方，說明排水極限強(qiáng)度明顯高于不排水強(qiáng)度。 4、在同一應(yīng)力路徑下，試樣的受力狀態(tài)不同，試驗(yàn)所得的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線有著顯著的不同，由于中主應(yīng)力的影響，關(guān)系曲線變陡，極限應(yīng)變變小，說明了中間主應(yīng)力在不等于大主應(yīng)力或是小主應(yīng)力時(shí)，土體能承受更大的破壞應(yīng)力，但卻在較小的應(yīng)變下發(fā)生破壞，中主應(yīng)力對(duì)土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系有顯出影響。 5、真三軸卸荷不排水試驗(yàn)試樣在固結(jié)壓力較低時(shí)，孔隙水壓力增量與平均正應(yīng)力增量近似成線性關(guān)系，孔

7、隙水壓力增量△u＜0；隨著固結(jié)壓力的增加，平均正應(yīng)力逐步減小的同時(shí)，孔隙水壓力增量△u＞0，試樣卸荷到一定程度，孔隙水壓力隨著平均正應(yīng)力減小而同步減小，△u＜0，也就是試樣在固結(jié)壓力較低時(shí)表現(xiàn)為剪脹性，在固結(jié)壓力較高時(shí)試樣表現(xiàn)為先剪縮再剪脹。 6、繪制了排水與不排水廣義剪應(yīng)力與廣義剪應(yīng)變關(guān)系曲線，其曲線形狀與傳統(tǒng)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線基本一致，呈現(xiàn)出良好的雙曲線關(guān)系。進(jìn)一步推導(dǎo)出平面應(yīng)變條件下卸荷土體的廣義剪切模量的表達(dá)式。

8、7、對(duì)平面應(yīng)變條件下排水與不排水卸荷土體的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了研究，得到不排水條件下卸荷土體的本構(gòu)關(guān)系與Lade-Duncan模型、Duncan-Zhang模型符合的都不太好，在高圍壓下介于兩曲線之間。而排水卸荷土體的本構(gòu)關(guān)系與用不排水計(jì)算的Lade-Duncan模型符合很好。 8、采用本次模擬深基坑開挖過程真三軸卸荷與加荷試驗(yàn)結(jié)果，利用ANSYS大型有限元程序進(jìn)行無支承深基坑開挖工程實(shí)例計(jì)算。比較采用土體卸荷與加荷參數(shù)所得的基坑水平