（道路与铁道工程专业论文）大连市城市道路检查井变形机理与对策研究.pdf

中文摘要 摘要 随着城市化进程不断地向前发展，许多基础设施必须要实现入地化，而为了 方便日后各种设施的维修，只能通过在道路中设置各类检查井来解决维修问题。 但由于检查井与周围土体材料性质的不同，两者很难形成整体，极易造成两者沉 降的差异，从而出现了检查井凸出地面、凹入地面以及一侧凸出地面一侧凹入地 面的情况。而此类情况对汽车的行驶，汽车使用寿命，交通顺畅情况，城市形象 以及相关部门的经济生产均产生不同程度的影响。 本文以道路和检查井为研究对象，通过改变影响道路和检查井沉降的主要因 素一土的压缩模量，对路面的沉降量、交通荷载作用于检查井井盖中央，土体与 检查井间摩擦系数不同时检查井的沉降量、交通荷载作用于检查井一侧井壁中央 时检查井的沉降以及检查井底部土体土质不同既检查井底部土的压缩模量不同时 检查井的沉降量分别进行了分析与计算。运用统计分析的方法，通过图表的形式 直观的表示了路面的沉降量和检查井的沉降量。通过对比检查井沉降量与路面沉 降量的差值，研究了路面与检查井的沉降差值处于相对合理区域时土体的压缩模 量范围。同时研究了出现检查井凸出路面、凹入路面以及检查井一侧凸出路面一 侧凹入路面时土体压缩模量的变化范围。仅考虑受附加应力一交通荷载的影响时， 采用土力学中的分层总和法对于路面的沉降进行了分析与计算。通过建立力学模 型，利用大型通用有限元软件a n s y s 分析计算了检查井周围填土力学性能指标、 检查井底部土体力学性能指标、交通荷载以及检查井周围填土与检查井井壁间摩 擦力对检查井沉降的影响，并提出了相应的解决措施。 关键词：检查井；压缩模量；沉降；有限元分析 英文摘要 a b s tr a c t w i t ht h ee n d l e s sd e v e l o p m e n to fu r b a n i z a t i o n , m o s ti n f r a s t r u c t u r e ss h o u l db u i l d u n d e r g r o u n d b u ti no r d e rt of a c i l i t a t et h em a i n t e n a n c eo ff a c i l i t i e si nt h ef u t u r e ，t h e o n l yw a yi st os e tm a n h o l e si nr o a dt os o l v ek i n d so fp r o b l e m s d u et ot h ed i f f e r e n t p r o p e r t i e so fm a t e r i a l sb e t w e e nm a n h o l ea n ds u r r o u n d i n gs o i l ，i t sh a r df o rt h e mt o w o r kt o g e t h e r ，a n di tw i l lc a u s ed i f f e r e n ts e t t e l m e n te a s i l y m a n h o l ea l la b o v eg r o u n d ， a l ls i n ki n t og r o u n d ，o n es i d ea b o v eg r o u n da n dt h eo t h e rs i d es i n ki n t og r o u n d a n d s u c hc i r c u m s t a n c eh a sa na f f e c to na u t o m o b i l ed r i v i n g ，c a rl i f e ，t h es m o o t hf l o wo f t r a f f i c ，t h ei m a g eo fc i t y ，a n de c o n o m i co fs o m ed e p a r t m e n t si nd i f f e r e n tl e v e l r o a da n dm a n h o l e sa r et h et a r g e to ft h i sp a p e r t h r o u g hc h a n g et h es o i lm o d u l u s w h i c hi st h em a i nf a c t o ro fs e t t l e m e n t ，t oc o m p u t es e t t l e m e n to fr o a d ，s e t t l e m e n to f m a n h o l e 、v i t ht r a 所cl o a d so nt h ec e n t e ro fm a n h o l ec o v e rw h i c hw i t hd i f f e r e n tf i - i c t i o n b e t w e e ns o i la n db o r e h o l ew a l l ；w i t l lt h et r a f f i cl o a d so no n es i d eo ft h ec e n t e ro f b o r e w a l l ，a n dt h es o i lu n d e rt h em a n h o l e 埘t hd i f e r r a n ts o i lm o d u l u s t h e na n a l y z et h e s e t t l e m e n to fr o a da n dm a n h o l eb yd i a g r a m c o n t r a s tt h es e t t l e m e n to fr o a da n d m a n h o l e ，f i n dt h em o d u l u sr a n g ew h i c ht h ed i f f e r e n c eb e t w e e nr o a da n dm a n h o l e s e t t l e m e n ti si nt h es u i t a b l er e g i o n a n df i n dt h em o d u l u sr a n g ei nw h i c ht h em a n h o l e a l la b o v eg r o u n d ，a l ls i n ki n t og r o u n d ，o n es i d ea b o v eg r o u n da n dt h eo t h e rs i d es i n k i n t og r o u n d f o rr o a ds e t t l e m e n t ，u s i n gd e l a m i n a t i o ns u m m a t i o n m e t h o dt oc o m p u t e ， b e c a u s et h er o a ds e t t l e m e n ti n f l u e n c e do n l yb yt r a f f i cl o a d b ye s t a b l i s h i n gm e c h a n i c a l m o d e l ，u s i n ga n s y sw h i c hi sak i n d so ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r et oc o m p u t et h e s e t t l e m e n to fm a n h o l ei n f l u e n c e db yt h em e c h a n i c a li n d e x e so fs o i la r r o u n dm a n h o l e ， t h em e c h a n i c a li n d e x e so fs o i lu n d e rm a n h o l e ，t r a f f i cl o a da n df r i c t i o nb e t w e e ns o i la n d b o r e h o l ew a l l ，t h e np r e s e n tt h ew a yt os o l v et h ep r o b l e m k e yw o r d s ：m a n h o l e ；m o d u l u s ；s e t t l e m e n t ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文二大连市城市道路检查井变形机理与对策研究二。除论文 中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公 开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者躲多椭狄 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子舨，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于： 保密口在年解密后适用本授权书。 不保密d ( 请在以上方框内打“” ) 论文作者签名：躺双导师签名：弱内 日贿：寥p 年7 月f日 大连市城市道路检甫升变形机理与对策研究 11 研究背景 第1 章绪论 111 检查井的定义及功用 检查井是城l j j 道路巾不可缺少的一部分，随着城市的基础设施如：供电、给 水、排水、通讯、有线电视、煤气管、路灯线路的入地化进程的实施，为维修安 装方便而设置了各类升，如：阀门井、碰头井、排气) f ：、脱察井、消防井和用丁 清掏、清淤、维修的各类作业井。检查井大多是山砖石砌筑或混凝土浇筑而成 其形状有圆形、方形和扇形等，现在也有由塑料在工厂预先制成，再到现场安装 使州的。检查井从上至下分为井盖、井筒、收门段、井室和水泥挚层。其中井盖 与井筒段要求不小十4 0 0 r a m ，收口段要求不小于8 4 0 r m ，井室一般要求为1 8 0 0 r a m 。 图1l 检查井铸铁盖 f i g 1ic a s t ir o n c o v e r o f m a n h o l e 第1 章绪论 图12 检查井混凝十盖 f i g i2 c o n c r e tc o v e r o f m a n h o l e 氆 图l3 检查井井擘 f i g l3b o r e h o l ew a l l & m a n h o l e ii 蕊 幽14 圆形枪青升 f i g i4c i r c u a rm a n h o l e 人连市城市遵路椅商井变形机理与对策研究 陶l _ 5 打形检青井 f i gi5 0 u 耐m * 日础。耙 112 大连地质概况 大连市位于欧大陆的东部、太平洋的西海岸，地处北半球的中纬度。市区 二面环海，一m j 连接陆地，形成依t l l 傍水的自然地理环境。市区位于辽东半岛南 端，滨临黄海，毗连陆地。本区为千山山脉南延的丘陵【；蔓，由于长期受地质构造、 风化剥蚀及水流侵蚀堆积等p q ，l 麻力的作用形成了不同地貌单元，地形复杂多变。 区内可分为丘陵、山前准平原、山日j 谷地、河谷及海岸等地貌单元。市区内分卸 的地层有土层和岩石两大类。 土层为第四纪堆积物，广泛分布于城建重点地带，主要土层有：粘士、亚粘 上、红粘土、轻亚粘上、泥砾、砾石、卵石、碎石、角砾、淤泥质士及回填 等。 老粘性上为卜更新圾其以前沉积的粘性土在区内有p 更新世及上更新世沉积 的枯性上多为枯土和亚枯土，轻亚粘士较少。红粘十是碳酸盐岩石风化后形成 的特殊类型土，于中更新世形成，大部分属于坡残积形成，少部分成困于坡洪积。 红粘土的孔隙比小压缩性小承载力较高。新近沉杠啉性土是伞新世以来沉积 的利- 性十，常见于区闪海滨地区和河流的入海地段，多位于地下水位以卜，所以 其含水黾大砾缩性高，相应的承载能力比较低。区内泥砾、卵石、砾石、碎石 发角砾等 t 衽犬丁2 毫米，颗粒超过全垂5 0 的土均为碎石土，其结构和密实度 不致，造成承载力也有筹芹。多以透镜体形式存在的砂土主要分布丁区内的滨 海地带投河沟谷小，大多处丁地下水位以f 。大连f f j 城建时问短，人上填十时州 不长，区内 ：要羊r 杂填土和索填t ，分栉于低f t 地及河沟符中。 第l 章绪论 岩石主要有石英岩、板岩、灰岩、白云岩、泥灰岩及辉绿岩等。石英岩与辉 绿岩容重大，孔隙度小，吸水率小，强度高。灰岩、白云岩、泥灰岩属于碳酸盐 岩石，具有岩溶性质，物理力学性质变化大。区内板岩有灰质板岩和泥质板岩， 后者遇水易软化，使强度降低。 1 1 3 检查井凸凹变形的影响 如今，随着中国进入w t o ，中国的基础建设在近几年得到了迅速的发展，城市 的扩建离不开道路，而大大连的建设对道路的需求也很大。大连道路现在以每年 5 1 的速度增长，道路中间的各种检查井也相应的增加，检查井凹凸变形的情况 也越来越多。随着时间的推移，检查井周围的路面出现沉降、破碎、凹凸变形， 影响到道路的平整性，减少道路的使用年限，也影响到城市的美观，对车辆的顺 利行驶也造成很大的影响。每到一处凹凸的检查井处，车辆必须减速行驶，在高 峰时间极易造成塞车现象，同时也会影响到车辆的使用寿命。当井盖凸出路面时， 由于多数井盖采用的是铸铁材料，其边沿十分锐利，对过往车辆造成威胁。如果 直接从井盖上驶过，不仅会使车辆产生颠簸，使乘车者明显感到不舒适，而且严 重的情况还会导致车辆爆胎，发生交通事故。另一方面遇到这种情况，多数驾驶 人会采取躲避方式绕行过去，但在道路上进行车道变换是十分危险的。当井盖低 于路面标高时，轿车驾驶员视线高度仅为1 2 米，无法准确观察到远处路面上的 障碍物，加上车速较快，等到发现路上有障碍物，特别是遇到破损的井盖时，已 无法避让，直接导致事故的发生。另外，也使我国的驾照考试中增加了一项特殊 的考试项目过饼。 从经济方面考虑，每年一部分检查井周圈的道路面层由于不同程度的损坏， 都需要重新铺设，一些变形严重的检查井甚至还要进行结构性的整体修复，而修 复过程中包括了人工费、材料费以及各种机械费用，每年这样的开支也是一笔不 小的费用，这是维修检查井直接需要的费用。而维修检查井时必定会对道路的交 通产生影响，极易造成塞车现象，对某些依赖交通运输创造生产价值的部门的经 济产生问接影响。 1 1 4 检查井凸凹变形的原因 检查井产生凹凸变形的原因主要是由不均匀沉降引起的。检查井一般采用砖 一4 - 大连市城市道路检查井变形机理与对策研究 石砌体砌筑，可以看作刚性材料，而检查井周围的土体属于弹性材料，两种不同 材质的材料很难形成整体，在道路施工完毕后的一段时间，两者在自重应力作用 下沉降差异并不显著，但是随着时间的推移，在交通荷载的施加以及地下水的影 响作用下，检查井周围回填土密实度以及路基的承载力的改变，导致两者的沉降 量出现较大差异，首先是检查井周边的路面产生裂纹，进而在交通荷载的影响下 扩大，检查井周围的沥青层脱离路面，露出土层，最终将出现检查井凸出路面和 凹入路面的情况以及半边井凸出路面，半边井凹入路面的情况。 当车辆行驶在道路上经过检查井时，车内人员或多或少都会有一定程度的颠 簸感，这主要就是由于检查井的凹凸变形导致的，道路修建的时间越长这种现象 越多，主要原因还是由于检查井周围回填土与检查井的沉降不均匀以及路基沉降 不均匀有关。在道路建设施工过程中，各种管道线路需要预先设置好，把检查井 的位置预留好，之后在进行检查井的砌筑或者浇筑，上述工程完毕后，进行回填 施工，这样，检查井及周围土体就很难构成一个统一的体系，为以后检查井凹凸 变形埋下了隐患。随着时间的推移，自检查井和道路施工完毕后，在自重荷载以 及后来的交通荷载影响下，路面以及检查井各自都在进行着沉降，自重沉降对于 道路的影响性较小，但是交通荷载对于检查井的凹凸变形影响就很大，当检查井 与周围路面出现差异形沉降后，车行驶到检查井处都会产生颠簸，这种同积月累 的震动加剧了检查井的变形。从而使检查井的变形进入了一个恶性循环的过程。 1 2 研究现状 目前，检查井凹凸变形引起的安全问题以及经济问题已经引起广泛的重视， 已经有多人着手进行研究。但是目前大多数研究是从现场施工方面以及设计方面 着手的，而理论方面的研究较少。目前仅有从以弹性理论、荷载传递理论、剪切 位移理论以及有限元理论为基础的桩纵向振动理论出发进行研究的。 1 2 1 从施工方面及设计方面的研究 目前从施工方面及没计方面的研究总结了如下几项： 1 ) 现场施工管理者质量意识淡薄，责任心差，对现场施工工人的工作缺乏有 针对性的监督与指导，任由工人随意施工。施工工人施工时不按照国家规定的规 范及图集进行施工，施工过程中偷工减料，不按照相关规程进行操作。而质量检 第1 章绪论 查人员也未尽其责，检查过程敷衍了事，更有甚者省略检查环节，上一工序未经 检查便同意下一工序直接开工； 2 ) 井室断面预留尺寸与操作规程的要求不相符。由于工作面狭小，导致最后 肥槽回填工作无法正常展开，分层夯实工作也难以实施，致使检查井周圈回填土 土层夯实度很难达到甚至达不到合格的要求； 3 ) 检查井肥槽回填过程未按照相关要求实施，而是将建筑垃圾及其他会造成 较大空隙度的杂物等填入其内造成回填质量隐患； 4 ) 检查井井室砌筑时灰浆不饱满，勾缝不严密，砂浆配比达不到标准，有时 新砌筑井室未达到规定强度便投入使用，使得经受一定时期的循环交通荷载后井 室砌体呈现松动状态，冬季水蒸气透过井壁进入井周土体中，遇冷结为冰冻体， 春融后使井周土体成为饱和状态，成为以后井室变形的重要隐患： 5 ) 施工人员在放线过程中未控制好井口标高，导致施工后井口与周围路面有 一定的高差，使得公路一投入使用便在井周围遭受交通荷载的跳跃震动，加速了 检查井的变形； 6 ) 道路设计者设计道路没有很强的针对性，道路设计过程“重线形、轻结构 的现象比较常见；衔接道路与市政公用设施的特殊部位没有经过特殊处理。通常 只是按常规设计方法对待，有时处理区域不足、所用材料不合适；极易造成检查 井周圈一些特殊部位的不均匀沉降，导致道路的早期破坏； 7 ) 在进行道路设计的过程中，设计者没能细致考虑检查井设置的位置是否合 理。检查井有时设置的位置正好被正常行使的车轮碾压，长期处于外部交通荷载 冲击振动作用下，造成检查井过早的破损，导致周边路基发生不均匀沉陷等； 8 ) 有些设计机构所用设计规范陈旧，设计人员没有结合实际情况进行设计， 沿袭一些陈旧的理念。另外就是道路设计与排水设计人员缺乏协调与沟通，使得 设计出的图纸没有统一性。 1 2 2 从理论方面的研究 目前针对道路检查井凹凸变形的理论研究较少，关于此方面的各种文献检索 几乎处于空白，仅有的研究检查井沉降的理论是基于桩振动理论出发的。桩振动 理论是以弹性理论、荷载传递理论、剪切位移理论以及有限元理论为基础的理论。 大连市城市道路检查井变形机理与对策研究 p o u l o s 、d a v i s 、m a t t e s 等人在2 0 世纪6 0 年代初，将弹性理论应用到对桩的 应力和变形研究中，他们系统化的分析了桩土的性状，将实际问题进行相对的简 化，从数学的角度能够相对容易的解决，再将模型不断的改进，使模型与现实更 加接近。d a p p o l o n i a 用m i n d li n 解系统的研究了桩基础的沉降，同时对下卧层 属于基岩的问题进行了修正。p o u l o s 以m i n d l i n 公式为基础，相对完善的推导出 单桩以及群桩的计算理论和计算表格。b u t t e r f i e l d 忽略了p o u l o s 的一些假设， 引入了桩侧径向力，利用虚构应力函数的求解方法。杨敏在分析层状地基中桩基 沉降问题采用了边界积分法。金波基于弹性力学轴对称基本方程，利用h a n k e l 变 换，利用传递矩阵方法得出层状地基在内部轴对称荷载作用下的位移解，建立了 层状地基中单桩沉降的计算方法。吕凡任提出桩土相对位移的“广义弹性理论法”， 考虑了桩周土的塑性，将其用于斜桩分析。弹性理论概念清楚，能够灵活运用， 但是很多假设阻碍了其在实际工程中的运用，只能在一些程序开发中加以运用。 荷载传递理论是由s e e d 、r e e s e 根据旧金山淤泥的现场测试结果最初提出的。 它是一种目前使用普遍的简化方法。这种方法将桩划分为多个弹性单元，各个单 元依靠非线性弹簧与土体联系，从而模拟桩土之间的荷载传递关系。k e z d i 以级数 法对柔性桩进行了分析，对刚性桩，采用了以指数函数作为传递函数的方法。佐 藤悟提出了考虑多层地基和桩露出地面情况的线弹性全塑性传递函数。 v i j a y v e r g i y a 考虑到桩周土体在受荷过程中的非线性的情况，采用了抛物线为传 递函数。g a r d n e r 、k r a f t 分别提出了两种表达形式不同的双曲线形式的传递函数。 潘时声依据工程地质报告中记录的桩侧土极限摩阻力和桩端土极限阻力提出了另 一种双曲函数来模拟传递函数。陈龙珠采用双折线硬化模型，分析了桩土特性参 数对荷载沉降曲线形状的影响。辛公锋提出了一个考虑桩侧土软化的三折线模型。 荷载传递法的关键是建立真实反映桩土界面摩阻力和剪切位移的传递函数。 剪切位移法是c o o k e 在摩擦桩周用水平测斜计量测桩周土体的竖向位移时发 现一定半径范围内土体的怪向位移分布呈漏斗状的曲线。据此，得出一种假设， 该假设认为沉降只与桩侧土的剪切变形有关。r o n d o l p h 将该方法扩展到可以考虑 压缩性桩，并且可以得知轴向位移和荷载的分布情况。k r a f t 在r o n d o l p h 的研究 基础上将单桩解推广到土体非线性情况。c h o w 将k r a f t 的解推广到群桩分析。王 启铜将r o n d o l p h 的单桩解从均质地基推广到成层地基。宰金珉将此法推广到塑性 第1 章绪论 阶段。剪切位移法可以将桩周土的位移变化场表现出来，较有限元法和弹性理论 法简单。 有限单元法是适应计算机应用而发展起来的一种比较新颖和有效的数值计算 方法，c l o u g h 等人于2 0 世纪6 0 年代将有限元理论应用到土力学计算分析的领域。 e 1 l i s o n 在分析硬结土中钻孔灌注桩的荷载传递机理过程中，首次将接触单元应用 到了桩侧和桩端。c h e u n g 分析单桩时引入了土体的弹塑性性质和土体的分层性质。 陈雨孙、周红( 1 9 8 7 ) 将节理单元以模拟桩土之间的滑移引入了在桩土之间的分析， 对纯摩擦型的钻孔灌注桩进行了有限元分析。汪克让和荆勇( 1 9 9 2 ) 对桩基进行了 三维的弹塑性分析。有限元方法难以模拟无限域的问题被沈伟跃和赵锡宏( 1 9 9 0 ) 克服，他们运用有限元与无线元祸合的方法对单桩进行弹性分析，得出了祸合方 法能对非均质土中桩的性状作出较好的预测的结果。吴鸣和赵明华( 2 0 0 1 ) 利用层 状各向同性弹性半空间的地基模型，采用有限元一有限层法对大变形条件下桩一土 共同工作性状进行了分析，开发出了相应的使用计算程序。 以上述几种方法为基础，国内外相关科研人员分别用频域和时域两种分析方 法来分析桩的纵向振动问题，也有研究人员利用频域和时域两种分析方法分析检 查井的纵向振动问题。 1 、频域分析方法 n o v a k 等假设桩周为无限延伸的均质、各向同性粘弹性介质( 滞回阻尼材料) 的土体，桩的截面为圆形、没有质量、长度无限的刚体，桩一土接触形式为完全的， 不分离的，变形很小等条件下( 桩周土满足平面应变条件) ，得出了桩周土体的动 刚度和阻尼参数表达式。n o g a m i 和n o v a k ( 1 9 7 6 ) 在充分考虑了桩一土纵向一起作用 的基础上，假定桩周土径向没有位移，波在同一时刻自桩表面以纯剪切波的方式 向桩周土中径向辐射传播，桩尖为刚性支撑条件下，求出了桩、土复刚度和桩土 位移的频域表达式。k u h l e m e y e r 导出了一种土模型- l m 土模型，给出了桩纵向振 动时的复刚度，同时依据l m 土模型和n o v a k 土模型求得的解析解与有限元计算结 果相比较，所得的结论为工程上需要的频域范围内，两者能够很好的吻合，但 k u h l e m e y e r 同时也作出了提醒：在瞬态激振时，l m 模型并不十分可靠。2 0 世纪 7 0 年代末至9 0 年代初，一批学者相继以解析解法或数值方法解出了成层土或非均 质土条件下桩的谐和振动问题。w m l i u 等运用有限元理论解决了横观各向异性成 大连市城市道路检查井变形机理与对策研究 层土中桩的动力问题。r k n d p a j ap a k s e 利用格林函数解出了弹性半空间中桩 及土的动力特性。 频域分析也有其本身的弊端，它是以谐和激振下桩基稳态振动为基础，但现 实中大量的振动问题以及交通荷载等所产生的振动均为随机振动或瞬态振动。 2 、时域分析方法 s t v e n a n t ( 1 8 8 3 ) 首先分析了在冲击力作用下一端固定的有限长杆的波动解。 i s a c s ( 1 9 3 1 ) 将经典的一维波动分程加入反映桩周土阻力参数项。e n f o x 在i s a c s 分析的基础上进行了许多简化的假设，对击桩过程做出了简要分析，获得了用于 打桩分析的波动方程解。s m i t h ( 1 9 6 0 ) 对真实的桩锤一桩身一土体运用了分离单元模 式，桩周反力模型运用三元件流变模型，并采用差分法、利用计算机解出了波动 方程数值解，依此来解决多种复杂的打桩问题。之后的十多年间，t n o g a m i 、 k k o n a g a i ( 1 9 8 6 ，1 9 8 8 ) 利用w i n k l e 假设，参照标准依照n o v a k 的平面应变模型， 得出了类似于平面应变模型的时域振频无关w i n k l e 模型。k k o n a g a i 和 t n o g a m i ( 1 9 9 4 ) 在推导“时域平面应变等效组合模型( p s e c m ) 时，采取了利用 了平面应变结果方程，将其简化后进行逆傅里叶变换，以此得出时域土模型近似 的解析表达式，但求解桩振动响应的过程中遇到了很多困难，最终并没有给出统 一的偏微分波动方程理论上的表达式，而是运用了时间上离散的数值求解方法。 s m m a m o o n 等( 1 9 9 2 ) 对均质弹性半空间土介质中浮承桩时域动态响应的研究是 利用格林函数，运用边界元和有限差分法共同完成的。z x l e i 等( 1 9 9 3 ) 运用时域 边界元对成层地基弹性半空间土层中桩的纵向瞬态响应的问题进行了研究。张德 文等( 1 9 9 9 ，2 0 0 0 ) 根据n o v a k ( 1 9 7 2 ) 频域土阻尼模型，利用逆傅立叶变换求解出了 单位脉冲力作用时的等值时域粘滞阻尼系数，并确定了多种计算公式，之后利用 有限差分法对桩振动时桩顶瞬态和稳念位移响应进行了运算，将得出的结果与f j 仃 人的试验成果进行了对照分析。 1 3 目前研究中存在的不足 1 ) 从施工方面的研究虽然从一定程度上缓解了检查井凹凸变形的现象，但是 并不能完全根除此类问题的产生，所以还需要从根本上，从理论方面解决检查井 凹凸变形的问题； 第1 章绪论 2 ) 目前相关文献检索关于解决此类问题的文章只有从桩基础为基础出发的研 究，并且有一定的成绩，但是检查井与桩基础还有一定的差异。桩基础与检查井 在截面直径相差不大，但是桩基础大部分埋地深度较检查井深，桩基础是柱状实 体，而检查井是环状中空的结构体。桩基础没有形状突变，完全是圆柱体，而检 查井井筒与井室之间有一个收口段使得检查井的外形有一个突变。 1 4 本文的研究内容 1 ) 通过经典土力学的相关知识结合受力分析找出引起检查井产生凹凸变形的 原因： 2 ) 利用相关理论知识以及选取合适的参数建立模型，利用a n s y s 计算出不同 情况下检查井的沉降值，并与路面沉降做对比； 3 ) 对最终的数据进行分析，找到影响检查井凹凸变形的主要参数的合理范围 以及检查井与周围路面沉降对比后的凹凸变形形式。 大连市城市道路检查井变形机理与对策研究 第2 章基本理论介绍 2 1 引言 本章将对一些土力学的相关理论做简要介绍，接着介绍一下有限元的一些基 本知识。 2 2 土的弹塑性理论 经典土力学计算地基应力及基础沉降均是以弹性理论为基础的。但是，现实 中的土不是纯粹的弹性体，也不是纯粹的塑性体，它是一种黏弹性的复杂物质。 随着现代计算方法及电子计算机的广泛使用，土力学的分析有了突破性的进展， 与此同时，土体材料的本构关系的研究也迅猛发展起来。2 0 世纪6 0 年代弹塑性剑 桥模型的提出标志着现代土力学的开端。 2 2 1 土的弹性本构关系 土的弹性本构关系包括线弹性本构关系和非线性弹性本构关系两类。 在线弹性模型中，只需两个材料常数即可描述应力应变关系，即e 、a 形式本 构关系，k 、g 形式本构关系，入、g 形式本构关系以及m 、g 形式本构关系。其应 力应变关系可表示为： l 鼻2 i l q 2 面 1 乞2 i a x p k y + d z o y u bz 七6 。 a z p i + ay = 掣 = 掣k 坛= 掣吆 ( 2 1 ) 式中e 为弹性模量；为泊松比；可舌7 万为剪切弹性模量，可以以g 表示。 上式也称为以应力表示应变的广义胡克定律。将剪切弹性模量带入式中可以写成 第2 章基本理论及建立模型参数选取 矩阵形式： 其中d 为6 x6 弹性矩阵，即： ne ( i - ) 肚万鞴 盯) = d h p 1 一l l 1 一 1 0 oo 00o o00 1 - 2 t 00 1 一 上丝 o 1 t 1 2 1 一 上式是由e 与表示应力应变关系的，所以称为e 、t 模型。 亦可令：k = 习两e ； d = g = 而e 丽，可得：2 ( 1 + ) 4 k + 二g 3 ooo 000 oo0 2 g00 2 g0 2 g ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 上式是由k 与g 表示应力应变关系的，所以称为k 、g 模型。 将k 、g 模型中的参数进行改写，使k + ；g = k + 詈g 一；g = 入+ 2 g ，k 一詈g = 入得出： 一1 2 - 尚。 l g g g 2 3 2 3 4 3 一 一 + k k k g g 2 3 4 3 一 + k k 大连市城市道路检查井变形机理与对策研究 d = 五十2 g名z0o0 a + 2 g力o0o 允+ 2 goo0 2 go0 2 go 2 g 上式是由五与g 表示应力应变关系的，所以称为兄、g 模型。 将e 、模型中的稿设为m ，踹2 m - 2 g ，m 称为压缩模量，故n 可表示为： d = mm 一2 g m 一2 g00o mm 一2 goo0 m00o 2 goo 2 g0 2 g ( 2 5 ) e e a e + 2 e t 一 ( 1 + , u ) ( 1 - 2 , u ) ( 2 6 ) 上式是由m 与g 表示应力应变关系的，所以称为m 、g 模型。 e 、模型的广义胡克定律是材料力学及弹性力学中常用的模型，材料参数e 、 1 也较容易获得，但由于模型没有将剪应力及平均应力完全分开，所以它不适合 用于塑性本构关系，而k 、g 模型将偏应力和平均应力及偏应变和平均应变完全分 离出来，故适用于塑性本构关系。旯、g 模型表示出的弹性本构关系较简便，一般 的理论书籍中引用较多，而实际工程计算中并不常用。m 、g 模型在土力学中经常 使用。以上四种弹性常数组合表示的线弹性本构关系从不同的侧面反映了材料的 弹性性质。 非线性弹性本构关系分为c a u c h y 型，g r e e n 超弹性型，次弹性型三种。 c a u c h y 弹性材料是假设弹性材料的应力唯一地取决于当前的应变或应力为前 提，它具有如下几个特征： ( 1 ) c a u c h y 弹性的应力和应变是可以相互转换的，并且与路径无关； ( 2 ) 由于c a u c h y 弹性的路径无关性导致在某些加载或卸载的循环过程中产 生能量，从而违背能量原理； ( 3 ) 弹性割线刚度矩阵和柔度矩阵一般不对称。 第2 章基本理论及建立模型参数选取 c a u c h y 弹性属于全量型的，意为当前的应力总量仅取决于当前的应变总量 或相反。因此，最简单的c a u c h y 弹性本构关系可以将线弹性本构关系中的弹性常 数e 、或k 、g 修改为当前应力状态的割线模量e 。、k 或l ( s 、g s ，这样就出现了 不同的c a u c h y 本构关系模型。 鉴于c a u c h y 弹性难以保证应力与应变的唯一对应关系及可能会违背能量原理 的问题，g r e e n 超弹性被提出，它是在c a u c h y 弹性的基础上作了进一步的能量的 限制，它具有如下特征： ( 1 ) 应力应变是可逆的，并且与路径无关； ( 2 ) 没有违背能量守恒定律； ( 3 ) 能够更多地反映材料的性质，如：材料的非线性、剪胀性、压硬性等； ( 4 ) 弹性矩阵一般不对称。 对比与c a u c h y 型g r e e n 型，次弹性型是为了与岩土材料本构关系更加接近的 一种与路径相关的本构关系，次弹性型减弱了对应力总量和应变总量为一对应的 要求。它具有如下特征： ( 1 ) 应力状态取决于当前应变状态和达到此状态的应变路径及应力路径； ( 2 ) 应力及应变具有增量上的可逆性； ( 3 ) 不同的初始条件和应力或应变路径将得出不同的本构关系； ( 4 ) 可能会违背能量守恒定律； ( 5 ) 材料参数确定复杂，需要实验产生。 上述三种非线性模型在工程中都有应用，尤其以次弹性模型应用较广，著名 的邓肯一张模型就是基于常规三轴试验而发展起来的次弹性模型。 2 2 。2 土的塑性本构关系 在经典土力学中，塑性理论很早就得到了应用，但这些塑性理论基本上是刚 塑性理论和弹性一理想塑性理论。要研究土的塑性应变性状，必须了解塑性应力、 应变理论的三个基本要求：屈服准则、流动法则和硬化规律。 土体在竖向循环荷载作用下，初期表现为线弹性，只产生弹性应变。经过不 断的加荷载一卸荷载一加荷载循环之后土体的屈服强度不断提高，如此往复下去， 直至土体破坏。土体的屈服强度随着塑性应变的增大而提高，称之为“应变硬化”。 大连市城市道路检查井变形机理与对策研究 当超过屈服点之后，土体既产生弹性变形又产生塑性变形，这种产生塑性应变的 起始状态称为“屈服条件。而屈服准则是建立屈服条件的前提，屈服准则与破 坏准则具有相同的形式，后者是前者的极限。 流动法则在塑性理论中用以确定塑性应变增量的方向或塑性应变增量张量的 各个分量间的比例关系。塑性理论规定塑性应变增量的方向是由应力空间的塑性 势面g 决定：在应力空间中，各应力状态点的塑性应变增量方向必须与通过该点 的塑性势面相垂直。所以流动规则也叫做正交定律。这一规则实质上是假设在应 力空间中一点的塑性应变增量的方向是唯一的，及只与该点的应力状态有关，与 施加的应力增量的方向无关，亦即： a r ， d e , p = d 五二垒- ( 2 7 ) 7 o a , j 硬化规律是研究应力变化过程中塑性应变发生、发展的规律。土体在受荷屈 服之后，随着塑性变形的不断增加，屈服面的大小、位置均要发生变化，它们不 仅与当前的应力状态有关，而且还与加载历史、应力路径、塑性应变等因素有关。 对于加工硬化材料，常用的硬化规律有等向硬化、运动硬化和非等向硬化。 2 2 3 土的弹塑性模型 1 、m o h r c o u l o m b 准贝0 m o h r c o u l o m b 准则在把岩土材料视为理想塑性的条件下。可以将其视为屈服 准则。其表达式为： f = f 一盯s i n 缈一c c o s 缈= 0( 2 8 ) 式中r 和仃为剪切面上的正应力和剪应力；c 为材料的粘聚力；缈为材料的内 摩擦角。 它能反映岩土材料的抗压强度不同的s d 效应与对正应力的敏感性。c 和矽可 以通过试验测定，所以m o h r c o u l o m b 准则在岩土力学中应用广泛。但是该准则由 于反映不出仉对屈服和破坏的影响，屈服面有棱角，使得计算变得复杂，收敛缓 慢。 2 、m is e s 准则 m i s e s 准则是对会属材料进行分析的基础上提出的。m i s e s 准则是考虑了三个 第2 苹基本理论及建立模型参数选取 主应力影响的能量屈服准则，表达式为： 厂= 0 一2 k = 0 ( 2 9 ) 式中七搠为实验确定的材料屈服常数。拉或压时k = - 吒7 ，纯剪时吒= t 。 当材料的形变能达到一定程度时就会发生屈服，故m i s e s 准则又被称为能量屈 服准则。而在金属呈现理想弹塑性性质时，m i s e s 准则则被视为破坏准则。 3 、d r u c k e p r a g e r 准则 1 9 5 2 年，0 r u c k e r 和p r a g e r 将m o b r c o u l o m b 准则屈服面改为光滑曲面，这 一屈服准则也是m i s e s 准则最简单的推广形式，其表达式为： 口，l + 以= k ( 2 1 0 ) 式中为应力第一不变量；以为应力偏量第二不变量；口、k 为实验常数，与 材料性质及模型选择有关，可以由粘聚力c 和内摩擦角矽确定。 为使在每个截面上d r u c k e r - p r a g e r 圆与m o h r c o u l o m b 六边形的外顶点相吻 合，则必须满足： 口2 而2 s i n # ( 2 1 1 ) k 2 丽6 c c o s # ( 2 1 2 ) 为使在每个截面上d r u c k e r - p r a g e r 圆与m o h r - c o u l o m b 六边形的内顶点相吻 合，则必须满足： 口2 骊2 s i n # ( 2 1 3 ) k 2 丽6 c c o s # ( 2 1 4 ) 用塑性理论分析土体一结构相互作用是基于假设土体是理想刚塑性材料，即无 论加载顺序，应力历史和加载速度如何，材料在达到破环应力前不产生任何变形， 而一旦产生变形，则不会再有应力变化。对土力学问题应用塑性理论时，将塑性 平衡方程与屈服( 破坏) 准则相结合，即可分析土体对荷载的响应。 对于岩土材料来说，应用最多的屈服准则或破坏条件有m o h r c o u l o m b 屈服准 大连市城市道路检查井变形机理与对策研究 则和d r u c k e p r a g e r 屈服准则。 2 3 土压力及土的沉降 2 3 1 土压力理论 经典的土压力理论有郎肯土压力理论和库仑土压力理论。郎肯土压力理论是 英国学者郎肯在1 8 5 7 年推导得出的，他的假设条件是表面水平的半无限土体处于 弹性平衡状态，其使用条件为：挡墙的墙背垂直，墙后填土表面水平，墙背光滑， 墙土问没有摩擦力，剪应力为零。 库仑根据墙后土楔处于极限平衡状态的力系平衡条件于1 7 7 6 年提出了库仑土 压力理论。库仑土压力理论考虑挡土墙可以墙背倾斜，可以墙背粗糙，可以墙后 填土面有倾危。库仑理论有三个假设，其中最重要的假设是平面滑裂面假设，还 有刚体滑动假设及楔体整体处于极限平衡状态，不计土体的压缩变形。 郎肯土压力理论是由应力的极限平衡来求解的，而库仑土压力理论是从挡土 墙结构后填土的滑动锲体处于极限状态时的静力平衡条件出发，求解主动或被动 土压力的。经典土压力理论都基于以下假定：挡土结构视为刚性体，土体是理想刚 塑性体，服从m o h r c o u l o m b 准则。依照经典土压力理论，得到的是极限平衡状态 下的土压力值，土压力为直线分布。经典土压力理论存在着两个明显的弱点：一是 要求土体变形达到极限状态的临界条件：二是经典土压力理论没有考虑挡墙的变 位方式对土压力的影响。 土压力分为静止土压力、主动土压力、被动土压力三种，在影响土压力的诸 多因素中，位移方向和位移量为最主要的因素，它决定了产生土压力的大小和方 向。如果挡墙在土压力作用下，不产生位移及转动，墙后土体处于平衡状态，此 时墙背所受的土压力为静止土压力。当墙背在土压力作用下产生背离土体的移动 或转动时，土中滑动面上产生阻止其下滑的剪应力，剪应力与土的抗剪强度相等 时，墙背上的土压力达到最小值，此时称为主动土压力。产生被动土压力需要有 外荷载作用在挡墙上，使其产生朝向土体的位移或转动，此时土体内部产生阻止 土体上滑剪应力，而墙背上的土压力增大，当滑动面上的剪应力等于土的抗剪强 度时，墙后土体达到被动极限平衡状态，此时作用在墙后的土压力达到最大，称 为被动土压力。实验研究表明，被动土压力产生的位移量大于主动土压力产生的 第2 章基本理论及建立模型参数选取 位移量。 2 3 2 土的应力及沉降 土受力后也会产生变形和应力，土体本身的重量产生自重应力，外荷载引起 的应力称为附加应力，由于附加应力的影响，地基土会产生竖向、横向及剪切变 形，从而使各点产生竖向和横向的位移。目前计算地基的附加应力时，通常把土 作为线弹性体来处理，使其应力与应变呈现线性关系，服从广义虎克定律，从而