（岩土工程专业论文）卸荷路径下软土力学性状的试验研究及基坑开挖对临近桩基影响的分析.pdf

中文摘要 当前，天津市区的城市建设正处于高速发展阶段，出现了一大批有影响的 深基坑工程。对于这些重大的基坑工程，延用传统的以常规加荷试验结果为基 础的工程设计计算方法是不合适的，因此，迫切需要引入考虑土体卸荷应力路 径影响的设计计算方法，以指导设计和施工。另外，随着基坑规模和深度不断 加大，由此产生的城市环境岩土问题成为工程建设中的重点难点问题。尤其是 基坑开挖引起的土体位移对临近建筑物桩基的影响越来越得到工程界的重视。 因此，本文在总结以往研究成果的基础上，以天津市区基坑工程为依托，开展 了以下几个方面的工作： 1 根据试验需要，研制了能够满足试验需要，具有较好的稳定性、精度和 可操作性的应力一应变联合控制式三轴试验仪。 2 根据基坑开挖施工过程中主动区、被动区土体所经历的应力路径特点， 按不同卸荷应力比确定试验方案。针对天津市区第一海相层粉质粘土，进行了 一系列凰固结排水卸荷试验，定性地分析了基坑开挖卸荷应力路径下土体的变 形特性，表明，天津市区软土的应力一应变关系与应力路径密切相关，应力一应 变曲线为双曲线形式，对于同一类应力路径试验可以用固结围压归一化。通过 对卸荷应力路径下土体卸荷模量的分析，发现卸荷模量远大于加荷模量，而且随 着应力路径和固结围压的变化而变化。 3 通过数值计算确定主动区、被动区典型部位土体经历的应力路径，并以 此作为试验依据，针对天津市区第一海相层粉质粘土，通过一系列特殊三轴试 验、常规三轴试验，对比分析了不同试验条件下土体抗剪强度指标的不同及其 变化规律，表明土体的总应力强度指标与应力路径密切相关，- 常规三轴试验测 得的内摩擦角明显小于蜀固结条件下主动区、被动区排水卸荷应力路径下的结 果，而各种试验路径下土体的有效应力强度指标基本相等，说明应力路径对有 效应力强度指标的影响不大。 4 以天津市区某基坑工程为例，从现场实测和数值模拟两个方面研究基坑 开挖对临近桩基的影响：发现了当排桩桩间距较大时，其后止水帷幕的水平位 移可能大于排桩水平位移的重要现象；讨论了桩基和基坑间距、桩基刚度、桩 头荷载和桩基顶部约束条件等对桩基附加弯矩、位移的影响，并进行了评价分 析，以期为有关的设计和施工提供参考。 关键词：基坑卸荷应力路径变形特性强度特性临近桩基 a b s t r a c t n o w a d a y s ，u r b a nc o n s t r u c t i o n so ft i a n j i na r ed e v e l o p i n gg r e a t l y ag r e a td e a l o fd e e pe x c a v a t i o ne n g i n e e r i n gh a sb e e nc o m i n gf o r d l t ot h e s ep r o j e c t s ，i t sn o t a p p r o p r i a t et od e s i g nb yc o n v e n t i o n a lm e t h o db a s e d o nt r i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t s s o ， t h ed e s i g nm e t h o db a s e do nu n l o a d i n gs t r e s sp a t h st e s t ss h o u l db ea d o p t e d i n a d d i t i o n ，t h eg e o - e n v i r o n m e n t a lp r o b l e m sb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti n d e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fs u b s t r u c t u r e sw i t ht h es c a l ea n dd e p t ho fe x c a v a t i o n i n c r e a s i n g e s p e c i a l l y , t h ep i l er e s p o n s ed u et oa d j a c e n te x c a v a t i o n - i n d u c e ds o i l m o v e m e n t sg e t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n sf r o mt h ee n g i n e e r o nt h eb a s i so ft h e p r e s e n tr e s e a r c ho ne x c a v a t i o na n dt h en e e d so fe n g i n e e r i n gp r a c t i c ei nt i a n j i nc i t y , t h em a i nw o r ko ft h i st h e s i si sa sf o l l o w s ： 1 i no r d e rt o s a t i s f yt h en e e d so ft e s t s ，t h e t r i a x i a lm e a s u r e m e n ts y s t e m a s s o c i a t e dc o n t r o lo fs t r e s sa n ds t r a i ni sd e v e l o p e da n da d o p t e dt oi n v e s t i g a t et h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc l a yu n d e rs p e c i a ls t r e s sp a t h s t h et e c h n i q u eh a sb e e n t e s t i f i e dt ob ea v a i l a b l e ，a c c u r a t ea n de a s yo p e r a t i o n 2 b a s e do ns u m m a r i z i n gs t r e s sp a t h su n d e r u n l o a d i n g s t a t ed u r i n ge x c a v a t i o n ， t h et e s t i n gs t r e s sp a t h sa l ec h o s e nb yu n l o a d i n gs t r e s sr a t i o w i t ht h es e l f - m a d e t r i a x i a le q u i p m e n t , as e r i e so fk oc o n s o l i d a t i o na n dd r a i n e ds h e a rt e s t sh a v eb e e n c a r r i e do u tt os t u d yt h eu n l o a d i n gd e f o r m a t i o np r o p e r t i e so fat y p i c a ls o i li nt i a n j i n c i t y t h et e s ts h o wt h a tt h ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs o f tt i a n j i nc l a yi sh i 曲l y s t r e s sp a t hd e p e n d e n t a c c o r d i n gt ot h et e s tr e s u l t so fu n l o a d i n gs t r e s sp a t h , a l l c u r v e so ft h es t r e s s - s t r a i nr e l a t i o n s h i pa r eh y p e r b o l i ct y p e ，a n dc a nb en o r m a l i z e db y i n i t i a lc o n s o l i d a t i o nc o n f m i n gp r e s s u r ei ft h e ya r eo ft h es a m es t r e s sp a t ht y p e t h e u n l o a d i n gm o d u l u so fs o f tt i a n j i nc l a yi sh i g h l ys t r e s s s t r e s sp a t ha n di n i t i a l c o n s o l i d a t i o nc o n f i n i n gp r e s s u r ed e p e n d e n ta n dr e m a r k a b l yg r e a t e rt h a nt h el o a d i n g m o d u l u s 3 b ys i m u l a t i n ga l le x c a v a t i o nc a s eu s i n gp a r t i a le x c a v a t i n gm e t h o d , t w o t e s t i n gs t r e s sp a t h s ，r e p r e s e n t i n gi n d i v i d u a l l ys p e c i a ls t r e s sp a t h si na c t i v ea n d p a s s i v ez o n e s ，a r ec h o s e n w i t ht h es e l f - m a d et r i a x i a le q u i p m e n t , as e r i e so fs p e c i a l s h e a rt e s t sh a sb e e nc a r r i e do u tt os t u d yt h ee f f e c to fd r a i n e da n du n l o a d i n gs t r e s s p a t h so nt h es h e a rs t r e n g t h p r o p e r t i e so fat y p i c a ls o i li nz i a n j i ne i t y t h i ss h o w st h a t t h eu n l o a d i n gt o t a ls h e a rs t r e n g t hp a r a m e t e r so fs o f tr i a n j i nc l a yi sh i g h l ys t r e s sp a t h d e p e n d e n ta n dl a r g e rt h a nt h o s eo ft h et r i a x i a ll o a d i n go n e s o nt h eo t h e rh a n d , t h e u n l o a d i n ge f f e c t i v es h e a rs t r e n g t hp a r a m e t e r so fs o f tt i a n j i nc l a ya r ea l m o s te q u a lt o t h o s eo ft h et r i a x i a ll o a d i n go n e s 。t h i sc e r t i f i c a t e st h a tt h es t r e s sp a t hh a sa l m o s tn o i n f l u e n c eo nt h ee f f e c t i v es h e a rs t r e n g t hp a r a m e t e r s 4 w i t ha ne x c a v a t i o np r o j e c ta se x a m p l e ，t h ep i l er e s p o n s ed u et oa d j a c e n t e x c a v a t i o n - i n d u c e ds o i lm o v e m e n t si ss t u d i e di nt w ow a y s ：i n - s i t em o n i t o r i n gs t u d y a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a c c o r d i n gt ot h ef i e l dm e a s u r e m e n t , t h ed a t as h o wt h a t t h el a t e r a ld i s p l a c e m e n to fd m mw a l lb e h i n dt h ec o n t i g u o u sr e t a i n i n gp i l e si sb i g g e r t h a nt h a to fc o n t i g u o u sr e t a i n i n gp i l e s t h i sp h e n o m e n o ns h o u l db ep a i de n o u g h a t t e n t i o n b a s e do nf i e l do b s e r v a t i o n ，t h ei n f l u e n c e so fv a r i o u sp a r a m e t e r so np i l e r e s p o n s ed u et oa d j a c e n te x c a v a t i o na r es t u d i e du s i n gt h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t e e l e m e n tm o d e lt a k i n gi n t oa c c o u n tt h ed i s t a n c e sb e t w e e nd i a p h r a g mw a l la n d p i l e ， p i l er i g i d i t y , v e r t i c a ll o a do np i l e - h e a d a n dp i l e - h e a dc o n s t r a i n tc o n d i t i o n s o m e s u g g e s t i o n sf o rt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o nw e r eg i v e ni n t h i sp a p e r k e yw o r d s ：e x c a v a t i o n ；u n l o a d i n gs t r e s sp a t h ；d e f o r m a t i o np r o p e r t y ；s t r e n g t h p r o p e r t y ；a d j a c e n t ；p i l e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 颢杀秒健垡字日期：期刁年f ，月2 7 曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤壅盘堂一可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 颓之彬 l 签字日期：2 。可年f 月2 7 日 导燃；辫闩9导师签名；御闩；7 签字日期：叩年，月7 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 基坑工程的发展概况及特点 1 1 1 基坑工程的发展概况 基坑工程是岩土工程领域一个古老而又有时代特点的课题。早在远古时代， 人类就开始进行放坡开挖和简易木柱围护。2 0 世纪以来，伴随着土木工程的发展， 大量高层建筑以及地下工程不断涌现，深基坑工程数量迅速增多。地下空间作为 一种尚未开发的资源引起人们的广泛关注，深基坑支护结构的设计与施工问题成 为岩土工程的热点。 t c r z a g h i 1 b t 茸l p e c k 2 】等人早在2 0 世纪4 0 年代就提出了预估挖方稳定程度和支 撑荷载大小的总应力法，这一理论原理一直沿用至今，但已有了许多改进和修正。 b j e r r u m 和e i d e 3 】在5 0 年代给出了分析深基坑底板隆起的方法。6 0 年代在奥斯陆和 墨西哥城软粘土深基坑中开始使用仪器进行监测。此后大量的实测资料提高了预 测的准确性，并从7 0 年代起制定了相应的指导开挖的法规。我国7 0 年代以前的基 坑都比较浅，上海的高层建筑的地下室大多埋深在4 米左右。北京在7 0 年代初建 成了深2 0 米的地铁区间车站。改革开放以来，我国的国民经济高速发展，人们的 物质生活水平不断提高，对住房、办公、交通条件的改善要求日益增高。因此， 大中城市基本建设规模不断扩大，高层建筑如雨后春笋般拔地而起，基础埋深不 断增加。我国的工程技术人员开始对基坑工程进行广泛的研究。进入9 0 年代以后， 大中城市地价不断上涨。人们想方设法地提高土地的利用率，大量高层、超高层 建筑相继建成，其中超过l o o m 的超高层建筑约有2 0 0 多座。上海金茂大厦( 高 4 2 0 5 m ) 闱、深圳帝王大厦( 高3 2 5 m ) 、广州中天大厦( 高3 2 3 m ) 巍然耸立。高层、 超高层建筑的涌现，使得基坑工程向着大深度和大规模的方向发展，基坑的开挖 深度已从l o m 左右发展- 至u 2 0 m 、3 0 m 以上。进入2 1 世纪以来，伴随高层建筑向上部 空间的拓展，地下空问的开发利用也蓬勃发展【7 6 4 0 。北京、上海、广东、天津等 许多大城市正在修建新的地下铁路工程，地下车库、人防工程、地下商业街等地 下工程相继出现。三维城市空间已开始作为一种重要的自然资源加以开发【5 】。向 地下发展已成为二十一世纪土木工程的主题。 1 1 2 基坑工程的特点 基坑工程是受多种复杂因素相互影响的系统工程。它涉及土力学、水力学、 结构力学、材料力学、弹塑性力学、混凝土结构、土与结构的共同作用等多门学 科及专业。实践证明，深基坑工程具有以下特点： 1 地域性 岩土工程具有明显的地域性，基坑工程同样具有这一特点。在砂土地基、软 天津大学博士论文 粘土地基、黄土地基等工程地质和水文地质条件截然不同的地基中，基坑工程的 差异很大。由于土的性质千变万化，即使是同一城市的不同区域也往往有差别。 同时，基坑工程设计及施工还与基坑相邻建筑物、构筑物及市政地下管线的位置、 抵御变形的能力以及周围场地条件密切相关。因此，深基坑开挖要因地制宜，根 据当地实际情况，具体问题具体分析，不能简单的照搬其他工程的经验。 2 综合性 深基坑工程涉及土力学中的强度、变形及渗流三个基本课题，三者交融在一 起，需要综合考虑。在不同的基坑工程中，强度、变形及渗流的重要性可能完全 不同。在这种复杂情况下，抓住主要矛盾，综合考虑各种因素是基坑工程成败的 关键。 3 时空效应 深基坑的平面形状及开挖深度对深基坑的稳定性及变形有较大的影响。因此， 深基坑设计要注意深基坑的空间效应。同时，作用在支护结构上的土压力将随着 时间变化。特别是软粘土，由于其具有较强的蠕变性，将使土体的强度降低。因 此，基坑开挖应注意其时空效应。 4 环境效应 深基坑开挖是一个卸荷过程，必将引起周围地基中地下水位的变化和应力场 的改变，从而导致周围地基土体的变形，对相邻建筑物、构筑物以及市政地下管 线产生影响。如控制不当，将危及周围环境的安全稳定及正常使用。正因为如此， 基坑工程的环境效应己成为基坑工程新的研究内容。 5 风险性 一般情况下，基坑工程属于临时工程，为节省投资，其安全储备较小，因此 风险较大。由于深基坑工程的地域性、综合性，设计和施工中涉及的问题广，因 此，其安全度的随机性较大，事故的发生往往具有突发性。 综上所述，由于深基坑工程的特殊性，工程技术人员必须有针对性的在理论 分析、模型试验、现场监测等诸多方面进行深入细致的研究，从而保证基坑工程 的顺利实施。 1 2 基坑工程设计中面临的主要问题及选题依据 由于我国幅员广阔，几乎遍及全国的高层建筑和其他地下工程的基坑遇到了 不同的、甚至极其复杂的工程地质和水文地质条件，致使在我国许多城市，基坑 工程迅速成为当地建设工程中数量多、投资多、难度大、风险也大的组成部分【6 】。 同时，由于大多数城市进入了大规模的旧城改造阶段，许多地下空问的开挖位于 繁华的建筑密集区内，使得深基坑开挖与支护的难度日益增加，基坑工程事故时 有发生【7 l 】，例如：1 9 9 1 年，位于南京山西路广场的南京交通银行基坑工程，6 7 m 2 第一章绪论 深的基坑开挖后，东南角桩问大量涌土、流砂，支护结构位移达2 0 c m 以上，桩 后l o m 处地面出现较宽的裂缝，东南面的和平电影院严重开裂破坏，被迫拆除， 湖南路被迫加固；1 9 9 4 年9 月，上海某深基坑工程靠马路一侧约4 0 m 长的基坑地 下连续墙突然倒塌，路面以下的水、电、气等地下管道受到严重破坏，交通中断， 造成重大损失；2 0 0 3 年，上海轨道交通4 号线的险隋，不仅导致隧道部分坍塌， 而且波及到地面建筑、防汛墙等，尽管进行了补救但造成的经济损失不可估量， 教训极其深刻，等掣1 7 0 】。 基坑事故的发生主要有以下两方面的原因：设计不当与施工不当。据统计， 因设计不当而引发的事故占到整个基坑事故的4 9 5 ，基坑施工开挖不当而导致 的事故占到4 1 5 r r l 。常见的事故现象有护坡滑坡、围护桩及工程桩桩顶的过大 位移、周围建筑物及管网的过大沉降或开裂、基坑的涌水流砂、基坑大范围的隆 起等等。 基坑工程设计不当的原因主要涉及两方面问题：设计中的土力学计算问题及 基坑工程中的环境效应问题。 1 2 1基坑工程设计中的土力学计算问题 基坑工程中的土力学问题指的是对土的基本力学性状的认识问题。由于土压 力是作用在基坑支护结构上的主要荷载，因此造成基坑工程设计失误或处理不当 的原因，往往与对基坑主动区、被动区土体的应力一应变关系和破坏机理的复杂 因素认识不足有关。土的变形和破坏机理所包含的各种复杂因素可以概括为以下 五个方面的影响：第一，应力方面，包含应力类型、应力水平和应力路径的影响； 第二，应变方面，包括弹性、塑性、加工硬化、加工软化以及由此产生的残余强 度和逐渐破坏的影响；第三，孔隙水方面，包括固结排水条件、有效应力、吸力、 膨胀力以及凝聚力随含水量变化的影响；第四，加荷速率及受力时间方面，包括 冲击荷载、长期荷载、重复荷载和振动作用下土的瞬时强度、长期强度、蠕变和 动力反应等问题；第五，土的不等向性和不均匀性所产生的影响。 土力学问题的计算分析必须包括以下三部分内容：第一，建立能代表土的应 力一应变关系和破坏机理的数学式，即通常所说的“土的本构关系和“本构方 程”，这种本构方程必须包含影响其变形和破坏机理的主要因素，应尽可能地符 合于实际变化规律；第二，通过试验确定上述本构方程中所包含的每一个参数以 及实际工程的原始边界值；第三，运用数学的解析法或者数值分析法寻求土力学 问题的答案。 土力学问题计算结果的可靠性维系于两个关键：第一，本构关系与实际情况 是否近似及近似的程度；第二，模型中的计算参数是否能测得以及测定精确程度。 但是无论是本构关系的建立还是模型计算参数的测定，都需要建立在弄清土的基 天津大学博士论文 本特性的基础上。土的基本特性包括变形特性和强度特性，如前所述，影响土的 变形和强度的因素很多，面面俱到是不可能的，必须从基坑工程的实际出发、抓 住主要影响因素，才能更好地了解土的基本特性8 】【9 】【1 0 】【1 1 1 。 1 2 2 基坑工程的环境效应问题 深基坑工程作为一项综合性很强的系统工程，其环境效应相等显著，对基坑 开挖中的环境效应考虑不周往往是造成基坑工程事故的又一诱因。基坑工程的环 境效应问题包括围护结构和工程桩施工、降低地下水位。基坑土方开挖各阶段对 周围环境的影响，主要表现在以下几个方面： 1 基坑土方开挖引起围护结构变形以及降低地下水位造成的基坑周围地面 产生沉降、不均匀沉降和水平位移，影响相邻建( 构) 筑物及市政管线的正常使 用，甚至破坏； 2 ，围护结构和工程桩若采用挤土桩或部分挤土桩，施工过程中挤土效应将 对相邻建筑物及市政管线产生不良影响； 3 基坑开挖土方运输可能对周围交通运输产生不良影响； 4 施工机械可能对周围环境产生施工噪音污染和环境卫生污染( 如由泥浆 处理不当引起的挖土机挖破自来水管等) ； 5 因设计、施工不当或其他原因造成围护体系破坏，导致相邻建筑物及市 政设施破坏。 基坑工程对周围环境的影响是不可避免的，在实际工程中，由于对临近建 筑物的影响问题大多采用比较保守的考虑方式，缺乏大量的试验和现场观测， 在工程设计中，存在很大的盲目性。国外关于这方面的一些研究成果还没有很 好的在我国的实际工程中得以利用【1 2 】。因此，如何采取合理对策，保证基坑施 工过程中，相邻建( 构) 筑物和市政设施安全、正常使用是科研部门和工程界 一直讨论的话题。 在城市中进行基坑开挖时，基坑开挖对临近桩基础的影响是基坑工程环境效 应问题中考虑的重点。临近建筑物的桩基础受到基坑开挖引起土体位移作用，如 土体下沉固结造成桩产生负摩阻力和沉降，同时还很有可能发生桩基的不均匀下 沉而使得上部结构产生相应的不均匀沉降而倾斜。土体的水平位移导致桩身产生 附加弯矩、应力和位移，这对钢筋笼配置深度小的灌注桩可能会造成影响。当附 加弯矩、应力和位移达到一定的数值时，将引起临近桩基变形超过限度甚至破坏， 进而引起桩所支撑的建筑物或构筑物失稳或破坏【1 2 】【1 3 】。 天津市目前正处于大规模的房屋建设当中，与之相关的基坑工程也越来越 多。天津市紧靠渤海湾，地质条件复杂，土体以软粘土为主，土体的工程性质较 差，对基坑工程来说，其围护结构的变形较大。以开挖l o m 深度左右的基坑为例， 4 第一章绪论 由于实际工程中一般只采用一道水平支撑，在坑底处围护桩的水平位移可达到 3 c m 左右。这样，对于距坑边几米距离内的2 0 m 3 0 m 深度的建筑物桩基，当灌注 桩配筋深度只有l o m 上下时，工程桩的水平位移与弯曲可能会造成桩体开裂，见 图1 1 所示。根据一些实测资料也充分说明了这个问题。 目前，由于基坑开挖对临近建筑物桩基础的影响程度很难通过计算直接得 出，而对于目前城市的基坑工程，由于环境问题的重要性，其对建筑物桩基础的 影响又是一个不容忽视而又非常紧迫的话题。因此，施工前应该很好地预估基坑 开挖施工对周围建筑物基础的安全性可能造成的影响及其程度，从而采取相应的 措施，以确保建筑物的安全。 基坑开挖面 图l - 2 二l 基坑开挖围护结构及临近建筑物桩基变形不意图 1 3 国内外研究现状 1 3 1 应力路径对土体力学性状影响的研究现状 工程施工过程中，土体经历了复杂的应力状态和应变状态的变化或应变状 态。为了工程分析，我们常常借助某种理论方法( 例如莫尔应力圆) 来描述其 在发展过程中的某个特定时刻的应力或应变状态。当我们视土体为理想弹性体 时，往往认为其力学性状只取决于初始和最终的应力水平和应力状态，而认为 与加荷或卸荷过程中所取的方式方法无关，即与应力或应变发展的整个过程状 态无关。然而近代土性研究和非线性土力学的发展表明，土的力学性状不仅取 决于最初和最终的应力水平和应力状态，而且也与应力应变状态变化的方式和 此前的应力( 应变) 历史有关，而非线性应力一应变关系的了解则更要求人们重 视这个变化过程的发展概况，这就要求能够描述应力( 应变) 状态的历史变化 过程。 天津大学博：t 论文 应力路径( 应变路径) 便是这个历史过程的一种描述，它指的是在外部 ( 荷载) 条件下，土中某点应力( 应变) 的变化在应力( 应变) 空间中( 或坐 标系统中) 的轨迹，认识和提出应力路径和应变路径本身，表明人们了解到土 体具有非线性的本质，也是非线性土力学内容趋向丰富的表现之一。 应力路径分析方法已日益为岩土工程界所了解和掌握，近年来，国内外已 有许多人对不同的应力路径土体的基本力学性状进行了研究。 l a m b e ( 1 9 6 7 ) 4 】首先提出了应力路径方法( s t r e s sp a t hm e t h o d ) 。 l a d e 和d u n c a n ( 1 9 7 6 ) 1 5 1 通过对砂土试验研究表明，当起始应力状态和终 了应力状态相同，但应力路径不同时，应力应变曲线是不同的。 b a l a s u b r a m a n i a me t a l ( 1 9 7 8 ) 【1 6 】绘制了不排水试验的应力路径，根据有效 应力路径的相似性提出可以用固结压力加以归一化，但没有作应力路径试验。 l a m b e ( 1 9 7 9 ) 1 7 1 再次撰文阐述了应力路径方法，并就工程中如何考虑应力 路径的影响提出了具体的步骤。 n a g a r a jt s t l 8 】等人研制了自动进行不同应力路径试验的仪器，并进行了一 种较密砂土的不同应力路径的试验研究。 盛树馨等( 1 9 8 0 ) b g 用正常固结的饱和软粘土( 南京船厂和浙江温岭的未 扰动试样) 进行了吼不变、q 增大和吼不变、毋减小的轴向压缩试验；q 不 变、以增大和以不变、q 减小的轴向伸长试验；吼减小、吼增大的等p 试验 等五种应力路径试验，所有试验均为固结不排水试验。试验得到的结论：对正 常固结的饱和软粘土，不论压缩还是伸长试验，尽管施加的总应力路径差别很 大，而有效应力状态路径是一致的。压缩试验和伸长试验之间的差别，主要在 于施加应力的方向和中主应力的相对值的影响。 刘祖德等( 1 9 8 2 ) 2 0 1 对小浪底砂、平潭砂做了以等于常数、q 等于常数、等 p 和等主应力比排水试验，对小浪底低塑性粘土做了不排水试验。 方涤华等( 1 9 8 3 ) 2 1 1 、向大润( 1 9 8 3 ) 【2 1 1 用山西省曲峪坝的坝坡料做了等应力 比7 7 排水试验，认为土的应力应变关系可以适当地归一化。在整理试验资料过 程中，比较成功地采用了两种新的拟合函数，并确立了广义剪应变占、体积应 变占。和平均正应力p 、广义剪应力q 、应力比刁的试验关系。 窦宜等( 1 9 8 5 ) 【2 2 】对正常固结和超固结粘性土用不同应力路径进行了压缩和 伸长试验，试验采用人工制备的粘性土试样。论证了正常固结和轻微超固结粘 土，塑性应变增量的矢量与初始状态无关。以等塑性体应变为硬化参数的屈服 条件具有唯一性，塑性势函数等于屈服函数，流动法则是相适应的。同时，压 缩和伸长的屈服函数几何相似，可望通过常规三轴试验和已知的破坏准则来推 求三维应力空问的屈服函数，对于重超固结粘土试样，用等塑性剪应变为硬化 6 第一章绪论 参数的屈服函数代替破坏线的一般假定，对具有驼峰的应力应变曲线较为合 理。 盛树馨等( 1 9 8 5 ) 2 3 1 用人工制备的正常固结粘性土进行了平均有效主应力 保持常量和轴向应力保持常量、围压增大两种应力路径的伸长试验。试验表明， 正常固结粘土伸长条件下的不行特性与压缩时的变形特性相似，在不同应力路 径时伸长条件下土的弹性参数也是一个常量、塑性应变增量方向与应力路径没 有很大关系，以等塑性体应变为硬化函数的屈服面形状也是椭圆。 帅方生( 1 9 8 7 ) f 2 4 】用应力路径仪对红土做了等主应力比r 排水试验。 李凤鸣( 1 9 8 7 ) 【2 5 】用应力路径法计算粘土心墙壳坝的应力和位移，讨论了 应力路径对石坝应力、位移的影响，按不同应力路径计算得到的应力和位移的 分布基本上是一致的，计算的应力值一般相关不大，但位移的数值有相当大的 差别，特别是水平位移，反映出应力路径对土石坝应力、位移的影响是显著的。 孙岳崧等( 1 9 8 7 ) 【2 6 】对承德中密砂进行了六种不同应力路径和应力历史的三 轴试验：在等向固结条件下，o s 等于常数的固结排水三轴压缩试验；等向 固结条件下，平均主应力p 为常数的固结排水三轴压缩试验；不固结、排水、 等主应力比的三轴压缩试验；肠固结、d ，不变、增加q 的剪切试验；等向 固结、围压不变、减小竖向压力的伸长试验；固结不排水三轴压缩试验。认 为不同应力路径对砂土的应力应变关系有较大的影响，不同应力路径试验的应 力一应变关系曲线可具有完全不同的线型，这些应力路径的应力应变关系不能 完全归一化。因此要想用统一的数学模型来拟合它们就比较困难。而实际工程 中常见的等主应力比应力路径与常规三轴压缩试验应力路径相差最大，值得进 一步研究。在处理实际工程问题时，应搞清其应力路径及应力状态，尽可能利 用与实际应力路径相接近的路径做试验求得参数。凰固结试验与其它几种试验 相比，应力应变关系也有较大的差异。而肠固结条件更接近于工程实际情况， 所以应力历史的影响也是不可忽视的。不同应力路径和不同应力历史对砂土的 抗剪强度指标缈的影响不大。五种应力路径的抗剪强度指标缈的值相差l o 左右。 徐光日f ( 1 9 8 8 ) 【2 7 1 用应力路径仪对击实粘土做了几种应力路径试验，认为应 力路径对内摩擦角基本上是没有影响的，利用常规三轴试验测定内摩擦角是可 行的。应力路径对击实粘土变形影响的趋势是明显的。 陆士强( 1 9 8 9 ) 【2 8 】从应力历史和应力路径的观点出发，在大量的砂土排水试 验的基础上，建立了一种描述砂土应力应变和体积变化的方法。根据一种应力 应变双曲线关系的改进形式，对等围压条件下轴向压缩和轴向拉伸两类试验的 应力应变双曲线关系随固结路径的变化规律进行符合试验情况的描述。 s k i c h e u n gr o b e r tl o ( 1 9 9 0 ) 【2 9 】对粒状土( g r a n u l a is o i l ) 进行了等应力增量 7 天津大学博：f ：论文 比应力路径试验，将r o w e 剪胀方程和剑桥模型的能方程联合起来形成一新的 方法预测等应力比应力路径的应力应变关系。 陈永福等( 1 9 9 0 ) 3 0 】对上海地区灰色粘土进行了卸荷再加荷三轴试验，提出 了估算基坑回弹和全补偿沉降的计算公式，并探讨了三轴试验条件下土样的卸 荷一再加荷变形特性，建立了相应的应力应变模型。 朱百里( 1 9 9 1 ) 3 1 1 用粉质粘土进行了不同肠固结的应力路径试验，用以确定 修正剑桥模型参数，用于深基坑开挖分析。 刘祖德、孔官瑞( 1 9 9 3 ) 3 2 1 采用土工真三轴试验机对膨胀土进行了平面应变 状态下的卸荷变形试验，模拟渠道开挖过程，分析膨胀土的平面卸荷变形特性。 刘国彬、侯学湃1 ( 1 9 9 3 ) 【3 3 】进行了大量的应力路径试验，特别是模拟基坑开 挖和软土隧道施工过程中的应力路径，研究了上海地区几种典型软土的卸荷变 形模量与应力路径的关系表达式。 张于龙( 1 9 9 7 ) 3 4 1 模拟边坡开挖过程的土体应力应变特征，利用膨胀土原状 土样在室内进行了平面应变状态下的等主应力比卸荷试验研究。 孙淑贤( 1 9 9 8 ) 【3 5 】选取重塑土及某一深度的原状粘性土进行了压缩和卸荷试 验的对比，分析了基坑开挖引起地基土应力状态和地下水状态改变给土压力计 算带来的影响。 吴宏伟、施群( 1 9 9 9 ) 【3 6 】介绍和讨论了微裂硬粘土中1 0 m 深基坑附近的有效 应力变化，比较了现场观测到的应力路径和室内试验得到的应力路径，发现连 续墙前的有效应力路径与室内不排水伸长试验的应力路径相同；但是，那些墙 后的应力路径，除应力状态接近主动破坏外，与室内对原状土不排水压缩试验 得到的也不尽相同，通常假定的基坑迅速开挖中的不排水性质似乎在墙后土体 中也没有保持。 杨光霞( 1 9 9 9 ) 【3 7 】对深基坑工程设计所需的各种土参数，特别是抗剪强度指 标进行了研究，并依据不同的土体性质、排水条件和开挖条件，提出不同试验 方法，结合具体工程时间，分析了选择试验方法的各种因素，指出对卸荷问题 采用不固结不排水试验指标偏于不安全。 吴文、吴玉山( 1 9 9 9 ) 3 8 】通过现场试验，研究了深基坑桩锚支护体系主动区 土压力的分布规律，结合有限元和离心模型试验，提出了中等硬度粘土的深基 坑桩锚支护体系主动区土压力设计计算模式。 徐少曼( 2 0 0 0 ) 【3 9 】结合深基坑开挖课题，进行了符合规律的多土层土工模型 试验研究，试验表明：基坑开挖模拟试验可用作为对基坑开挖问题进行研究的 一种经济合理的有效方法。 程相华( 2 0 0 0 ) 4 0 l 选取原状淤泥质粘土，利用直剪仪进行了卸荷土体强度路 8 第一章绪论 径及强度特征试验研究，分析了土体卸荷与加荷两种受力状态下的不同强度特 征。 刘国彬、刘金元等( 2 0 0 0 ) 4 t 】通过对某基坑不同开挖阶段的静力触探、标准 贯入试验以及主、被动区土压力测试结果的分析，对土体力学特性在不同开挖 阶段的变化进行了研究，得出了开挖卸载下土体的强度变化以及对主、被动区 土压力的影响。 程玉梅( 2 0 0 1 ) 【4 2 】利用直剪仪进行模拟基坑开挖过程的试验，就卸荷土体膨 胀程度全面分析了各种情况下的卸荷抗剪强度。 潘林有、程玉梅等( 2 0 0 1 ) 【4 3 】通过室内直剪试验，提出了卸荷比、临界卸荷 比、极限卸荷比和强度残留率概念。用卸荷比来衡量应力水平的变化，以探讨 粘性土在卸荷状态下强度变化规律以及估算卸荷影响区的范围和影响区内强度 的衰减规律。 刘晓敏、王连俊( 2 0 0 1 ) 利用三轴试验，通过对非饱和土施工开挖时应力 路径的模拟，研究了由于基坑开挖所引起的扰动对土体的强度参数的影响，以 及这两个强度参数的变化特性。 李允忠( 2 0 0 2 ) 【4 5 】讨论了基坑开挖及降水过程中，基坑周围土体孔隙水压力 的变化过程，根据现场量测数据进行了分段线性拟合，得到了土体中孔隙水压 力变化规律，并对基坑周围土体孔隙水压力的变化机理及过程进行了分析。 何世秀，韩高升( 2 0 0 3 ) 脚】等对武汉地区某深基坑工程的2 0 个粉质粘土原 状饱和试样在肠状态下进行不排水卸荷试验，对其应力应变关系进行分析研 究。 刘熙嫒，闰澍旺等( 2 0 0 5 ) 【4 7 】通过三轴剪切试验对基坑开挖过程中土体卸荷 的应力路径进行模拟，研究了由于侧向卸荷对土体抗剪强度指标产生的影响， 并从土的微观结构角度分析了产生这一现象的原因。试验结果表明：基坑开挖 卸荷后，基坑外侧土体无论土的类别及历史成因如何，其三轴试验的抗剪强度 指标均有所降低；从土的微观结构变化来看，经历了侧向卸荷过程的土样，其 孔隙率较常规三轴试验土样大，从而解释了经历侧向卸荷过程后的土样抵抗剪 切破坏能力小于常规三轴试验的原因。 从现有研究成果看，有如下几个特点：对砂土研究的多，较深入，对粘性 土研究的少，较肤浅；不同应力路径下压缩试验研究的多，不同应力路径下伸 长试验研究的少；理论研究的多，工程应用研究较少；不排水试验多，排水试 验少；加荷试验研究较多，卸荷试验研究较少。 基坑工程是一种典型的卸荷工程，其主动区、被动区土体在基坑开挖施工 过程中都经历了复杂的应力状态和应变状态的变化。前人的研究和实践表明， 9 天津大学博士论文 软土在加荷、卸荷路径下的力学性状有着显著的差别，有必要进一步了解土体 在卸荷路径下的基本力学性状的研究。 1 3 2 基坑开挖对临近桩基影响的研究现状 基坑开挖对临近桩基影响的研究包括包括基坑周围地表沉降计算方法研究 和分析坑周土体位移对临近桩基的影响研究两个方面。 关于基坑周围地表的沉降计算，前人做过一些的研究。最有影响的是1 9 6 9 年p e c k 4 8 】通过工程实测统计得出的一套与土性及开挖深度有关的地表沉降估算 方法，并在实践的基础上提出了沉降影响曲线图1 2 1 ，至今仍被广泛引用。 离摹坑的距离 墨瓦瓦硒蹑_ i 。 ， ，一 。 。 1 i ， i i i 图1 - 3 - 1 地面沉降与距离关系( p e c k ，1 9 6 9 ) 注：i 区一砂土或硬枯土，一般的施工工艺和施工质量 i i 区一( a ) 软至非常软的粘土 l 、开挖面以下存在有限厚度的粘土 2 、开挖面以下粘t ：层较厚，但n b = n b 式中，n b = r h s t | h n c b = 5 1 4 r 为土体重度，h 为开挖深度，孓“为士的不排水抗剪强度。 o u c y ( 1 9 9 3 ，1 9 9 5 ，1 9 9 6 ，1 9 9 9 ) 4 9 】【5 0 】【5 1 】研究表明可以把由于基坑开挖 引起的坑外地表沉陷线型分为两种型式：凹槽型( c o n c a v et y p e ) ；三角槽 型( s p a n d r e lt y p e ) ，如图1 - 3 2 所示。 图1 3 2 不同沉陷曲线示意图( 引至o u c y ，1 9 9 9 ) 1 0 第一章绪论 俞建霖、赵荣欣、龚晓南( 1 9 9 8 ) 5 2 1 用有限元法首先就软土地基基坑开挖过 程中，影响周围地表最大沉降量的几个因