（岩土工程专业论文）深基坑开挖卸荷土体试验研究及有限元分析.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 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。长期以来，人 们采取“加荷”试验方法确定土体参数及本构模型，对设计计算深基坑开挖卸荷 土体显然是不合适的，用常规的土工加载试验参数进行深基坑工程的数值分析与 设计计算必然会产生较大的误差。目前对土体加荷状态下的性状研究较多，模拟 深基坑开挖卸荷过程的三轴试验研究所见不多，尤其是采用真三轴模拟深基坑周 边土体的平面应变状态卸荷过程的试验研究非常少。因此，本文采用真三轴，模 拟深基坑开挖土体的卸荷实际应力路径试验，来研究深基坑土体的工程特性以确 定土体参数与本构模型，使深基坑设计参数与设计理论更加符合实际工程状况， 这对于深基坑工程的数值分析与优化设计，保证基坑工程的变形、安全与稳定， 具有十分重要的理论意义和实际意义。 本论文的主要研究内容和成果如下： l 、对深基坑开挖过程中土体的应力路径进行了分析与简化，认为深基坑开挖 过程中的土体可以视为存在两种应力路径。 2 、用真三轴对深基坑周边主动区粉质粘土进行了平面应变条件下的固结不排 水加荷与卸荷试验、固结排水卸荷试验，对试验所得的各种曲线进行了分析。 3 、绘制了排水与不排水广义剪应力与广义剪应变关系曲线，其曲线形状与传 统应力应变关系曲线基本一致，呈现出良好的双曲线关系。进一步推导出平面应 变条件下卸荷土体的广义剪切模量的表达式。 4 、采用本次模拟深基坑开挖过程真三轴卸荷与加荷试验结果，利用a n s y s 大 型有限元程序进行无支撑深基坑开挖工程实例计算。比较采用土体卸荷与加荷参 数所得的基坑水平位移、作用在深基坑挡土墙上的土压力、坑周地表沉降、坑底 隆起的不同，为今后深基坑支护结构设计中土体参数的选择提供指导性建议。 关键词：深基坑开挖，真三轴卸荷试验， 广义剪切模骨有限元 湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ee m e r g e n c eo ft h eh i 【g h r i s ec o n s t r u c t i o na n dt h eu n d e r g r o u n dp r o j e c t , t h e q u a n t i t yo fd e e pf o u n d a t i o np i te x c a v a t i o np r o j e c tr a p i d l yi n c r e a s e s s i n c el o n ga g o ，t h e p e o p l ea d o p t “a p p l y i n gl o a d i n g t e s t i n gm e t h o dd e f i n i t es o i lp a r a m e t e ra n dc o n s t i t u t i v e m o d e l ，t ot h ed e s i g nc a l c u l a t i o ns t r u c t u r ee x c a v a t i o nu n l o a d i n gs o i li si n a p p r o p r i a t e o b v i o u s l y ；c a l t i e so nt h ef o u n d a t i o np i te x c a v a t i o nw i t ht h ec o n v e n t i o n a le a r t ha p p l y i n g l o a d i n gt e s tp a r a m e t e rn u m e r i c a la n a l y s i sa n dt h ed e s i g nc a l c u l a t i o nc a l lh a v et h eb i g e r r o ri n e v i t a b l y a tp r e s e n tt h e r eh a v em a n yr e s e a r c ho ft h es o i lc h a r a c t e ru n d e r a p p l y i n gl o a d i n gc o n d i t i o n ，t h es i m u l a t i o no fd e e pf o u n d a t i o np i te x c a v a t i o np r o c e s s t r i a x i a lt e s tr e s e a r c hi n s t i t u t ea r en o tc o l t a l o n e s p e c i a l l yu s e st h et r u l yt r i a x i a i s i m u l a t i o np i te x c a v a t i o np e r i p h e r a ls o i lt h ep l a n es t r a i nc o n d i t i o nu n l o a d i n gp r o c e s s e x p e r i m e n t a ls t u d yt ob ee x t r e m e l yf e w e r t h e r e f o r e ，t h i sa r t i c l eu s e st h en o r m a lt r i a x i a l a n dt h et r u et r i a x i a l ，s i m u l a t i o ns t r u c t u r ee x c a v a t i o ns o i lu n l o a d i n gs t r e s sp a t h ，s t u d i e s t h ep i te x c a v a t i o ns o i lt h ep r o j e c tc h a r a c t e r i s t i ct od e t e r m i n et h es o i lp a r a m e t e ra n dt h i s c o n s t r u c t i o nm o d e l ，t of o u n d a t i o np i td e s i g ns o i lp a r a m e t e rw i t ht h i sc o n s t r u c t i o nm o d e l s e l e c t i o nm o r ec o n f o r mt ot h ep r o j e c ta c t u a lc o n d i t i o n , t h i sh a st h ee x t r e m e l yv i t a l s i g n i f i c a n c et h e o r ya n dp r a c t i c em e a n i n gr e g a r d i n gt h ep i te x c a v a t i o np r o j e c tn u m e r i c a l a n a l y s i sa n dt h eo p t i m i z ed e s i g n t h ep a p e rm a i n l yr e s e a r c hc o n t e n ta n da c h i e v e m e n ta sf o l l o w s ： 1 b yw a yo fa n a l y z i n gt h es t r e s sp a t ho fs o i ld u r i n gt h ep r o c e s so fd i g g i n g f o u n d a t i o np i t st h e r ea r et w ok i n d so fs t r e s sp a t ho ff o u n d a t i o np i t sb e i n gd u g 2 f o rt h ep i te x c a v a t i o np e r i p h e r a la c t i v ea r e ac l a yc a r r i e do nu n d e rt h ep l a n e s t r a i nc o n d i t i o nw i t ht h et r u l yt r i a x i a lt os o l i d i f yu n d r a i n i n gw a t e ra p p l y i n gl o a d i n g a n dt h eu n l o a d i n ge x p e r i m e n t ，s o l i d i f i e st h ed r a i n i n gw a t e ru n l o a d i n ge x p e r i m e n t ，t ot h e e x p e r i m e n t a le a c hk i n do fc u r v et ot a k et h ea n a l y s i s 3 g e n e r a l i z e ds h e a r i n gs t r e s sa n dt h eg e n e r a l i z e ds h e a r i n gs t r a i nr e l a t i o n sc u r v e a r ed r a w nu pu n d e rt h ed r a i n i n gw a t e rw i t hu n d r a i n i n gw a t e r , i t sc u r v cs h a p ei sn e a r l y l i k ea st h et r a d i t i o ns t r e s s - s t r a i nr e l a t i o n sc u r v e ，p r e s e n t st h eg o o dh y p e r b o l i cc u r v e r e l a t i o n s f u r t h e ri n f e r st h ee x p r e s s i o no fg e n e r a l l ys h e a r i n gm o d u l u su n d e rt h ep l a n e s t r a i nc o n d i t i o nu n l o a d i n gs o i l 4 u s e st h i st e s tr e s u l to fs i m u l a t i o ns t r u c t u r ee x c a v a t i o np r o c e s st r u et r i a x i a l u n l o a d i n ga p p l y i n gl o a d i n g ，u s i n gt h ea n s y sf i n i t ec l e m e n tp r o c e d u r ed o e sn o t s u p p o r t st h ed e e ps t r u c t u r ee x c a v a t i o np r o j e c te x a m p l ec o m p u t a t i o n c o m p a r e dw i t h u s e st h es o i lu n l o a d i n gt oa p p l y i n gl o a d i n gp a r a m e t e ro b t a i n e dp i te x c a v a t i o nh o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n t ，t h ef u n c t i o no nt h ep i te x c a v a t i o nr e t a i n i n gw a l le a r t hp r e s s u r e ，e a r t h s u b s i d e n c eo fp i ts u r r o u n d ，r i s eo fp i tb o t t o md i f f e r e n c e ，t h a tw i l lo p e nf o rt h en e x td e e p f o u n d a t i o np i te x c a v a t i o ns u p p o r ti nt h es t r u c t u r a ld e s i g ns o i lp a r a m e t e rc h o i c et o p r o v i d et h eg u i d a n c es u g g e s t i o n k e y w o r d s ：d e e p f o u n d a t i o n p i t e x c a v a t i o n ，t r u et r i a x i a lu n l o a d i n ge x p e r i m e n t ， g e n e r a l i z e ds h e a rm o d u l u so fs o i l s ，f i n i t ee l e m e n t 1 i 诹d 亡工繁失港 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：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 趣孱日期：扣年月5 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业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，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：左众 日期：c 2 冲厂年，月岁日 指导教师签名： 日期：口年 忑，舔 6 瓦5b 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景及论文选题 深基坑工程是岩土工程学科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，随着世界经济的发展和 人们对居住条件要求越来越高，使城市规模不断扩大，土地供应与需求矛盾日趋 尖锐，愈益要求开发三维城市空间。大量高层建筑咀及地下工程不断涌现，深基 坑工程数量迅速增多【l _ 2 】。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。深基坑的开挖过程实质 上是基坑开挖面及挡墙面水平方向的卸荷过程，这一过程使地基土的初始应力状 态发生了改变，地下水位发生变化。有资料表明，卸荷状态下粘性土的工程性质 与加荷状态有很大差别。 为了保证基坑的稳定，满足变形控制的要求，以确保基坑周围原有建筑物、 构筑物、地下管线及道路等的安全，必须尽可能准确地预估深基坑开挖引起的土 体及支护结构的变形。这一方面依赖于应用有限元法等现代分析工具，另一方面 依赖于土的参数选择的正确性。如果选用的参数不符合深基坑工程开挖的实际情 况，理论上再完善的设计计算方法也不可能提供令人满意的结果。然而，长期以 来，人们己经习惯于常规的“加荷”的土力学研究方法，支护结构上土压力及变 形的计算并没有全面细致地考虑深基坑开挖的实际应力路径，这自然会导致基坑 支护结构设计的缺陷。因此，模拟深基坑开挖卸荷过程，选择符合深基坑开挖过 程应力状态的应力路径试验方法来探讨深基坑开挖土体的工程特性显得非常必 要，所得符合深基坑工程实际的本构模型及参数，结合现代设计计算手段，能够 使设计结果更可靠、准确。 论文在此背景下，结合湖北省自然科学基金项目“深基坑工程场地对城市环境 的影响研究”( 2 0 0 2 a b 0 0 1 ) 而开展研究。 1 2 论文研究的目的和意义 随着城市化、工业化发展进程加快，人们不得不在极其困难的工程环境中开 发建设巨大的工程项目，大大缩小了对环境的选择空间。地下空间的开发利用就 是这方面的例子。随着国民经济的增长，大规模的地下空间的开发利用有可能提 湖北工业大学硕士学位论文 到日程上来。与此同时，人们意识到，不恰当的工程作用造成岩土环境的失衡， 如高层建筑深基坑开挖造成场地周围地面沉降、裂缝以及对已建构筑物的影响， 都是不可低估的。 深基坑的设计和施工不仅要求基坑本身的安全与稳定，而且要求有效地控制 深基坑因开挖而造成的周围地面沉降、裂缝以及对周围环境的影响。随着周围环 境对基坑旖工引起的位移要求越来越高，以往由强度控制的基坑设计逐渐向变形 控制的设计方向发展，特别是在大城市的建筑改造中，深基坑工程往往集中于城 市中心地区，那里建筑物密集，对沉降、变形反映敏感，而这些地区又大多是城 市的繁华或生命线地带，施工场地狭小，施工条件复杂，对基坑工程的环境保护 方面要求很高，一旦发生事故，产生的后果与损失难以估量，其影响巨大。 深基坑的变形控制是时空效应的一个重要内容，也是深基坑工程中引人关注 的重大问题，其变形包括相邻基坑附近地区由于深基坑的开挖和降水引起的地面 变形，同时也包括深基坑支护结构本身的向基坑内倾变形等问题。由深基坑开挖 引起围护结构变形以及降低地下水位造成地面的沉降，是深基坑工程环境效应的 主要问题。如何控制深基坑工程因开挖引起的土体位移，如何在确保工程质量与 施工进度的同时，保护邻近建筑与市政道路、各种管线设施的安全，已受到岩土 工程界的高度重视，环境岩土工程为解决这些问题而发展起来。因此，有必要深 入系统地研究深基坑开挖过程中基坑周边土体的强度和变形规律。 本论文立足于深基坑开挖对场地环境的影响研究，探讨卸荷过程产生的力学 现象，进而研究卸荷土体的强度和变形规律，为研究周边地表沉陷、裂缝、深基 坑支护上的土压力变化等计算和发生机理提供理论基础，对深基坑工程设计有一 定的实用价值和理论意义。 本论文对在平面应变状态下，进行侧向卸荷试验，测试原状粉质粘土应力应 变的变化规律，研究粉质粘土在卸荷条件下强度及变形特性等相关问题。并对排 水与不排水条件下土体的性状进行了比较分析，以往对土体的加荷性状研究较多， 对土体卸荷性状研究很少( 特别是在三维应力下) ，本论文的研究方法及成果对今 后进行土体卸荷性状方面的研究具有借鉴与指导意义。 1 3 深基坑开挖土体的试验研究现状 1 3 1 土体的应力路径及三维应力状态试验研究 工程状态下的土体单元，在经历外部条件或荷载作用时，都要经历应力状态 和应变状态的变化。近代土性研究和非线性土力学【3 1 的发展已经表明，土的力学性 2 湖北工业大学硕士学位论文 质不仅取决于土体最初和最终的应力水平和应力状态，而且与应力和应变状态变 化的方式及此前的应力( 应变) 历史有关，而非线性应力应变关系的研究则要求 人们重视这个变化过程的发展状况。应力路径( 或应变路径) 就是对这一历史过程 的一种描述，它指的是在外部荷载作用下，土中某点的应力( 应变) 状态的变化在 应力( 应变) 空间( 或坐标系) 中的轨迹。对应力路径的认识提出和研究，表明人们 了解到了土体具有非线性的本质并相应采取的研究方式，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卜”j ，发 展日趋成熟，除可加深对土的基本性质的了解外，而且逐步应用在工程实践中， 发展并产生了应力路径分析或设计方法。可见，应力路径方法己成为人们认识土 性、发展土力学理论为实践服务的有效工具。国内外己有许多人对不同的应力路 径的应力应变关系进行了研究。 长期以来，人们通常在普通三轴仪上进行常规三轴试验来测定土的各项性质 指标，由于普通三轴仪只能对土体施加两个方向的应力，使土样处于轴对称的应 力状态，只能反映土样在轴对称应力状态下的强度和变形规律，而真三轴仪能够 在土样上独立地施加三向不等的主应力，并量测相应三个主方向上的主应变，因 此它能够模拟土体在真实应力状态下应力路径。7 0 年代开始，各种真三轴仪被广 泛地研制和改进，取得了很多试验成果i 悼删，这加深了对土的力学性质的认识， 也进一步推动了土的本构关系模型理论的发展。土体的真三轴试验研究主要在以 下几个方面： 1 、三维应力状态下土的强度和变形 研究中主应力对土体强度和变形的影响是早期真三轴试验的主要目的之一。 真三轴仪上不同土的试验研究表明，土的内摩擦角与反映中主应力比 b 。兰兰二! i 间的关系与土的性质、应力路线和仪器的边界条件等因素有关。 盯1 一盯3 l a d ea n dd u n c a n ( 1 9 7 5 ) 根据砂土的真三轴试验，关于土在n 平面上的破坏轨迹 提出l a d e 屈服条件，其表达式为：，( ，1 3 , k ) ，? k 1 3 - 0 ，l a d e 认为在平面 上，土的屈服面的形状为曲边三角形，在应力空间是锥面，中心轴线为等倾线。 殷宗泽、赵航俐( 1 9 9 0 ) 用小浪底土心墙土料进行了普通三轴和真三轴平面 应变试验，试验结果表明：中主应力对土体应力一应变关系的影响主要体现在对 强度的影响，在许多反映中主应力的破坏准则中，方开泽提出的准则比较简单实 用。 刘祖德、孔官瑞【捌( 1 9 9 3 ) 用日本生产的d t c - - 2 6 8 型真三轴仪对膨胀土进 行了平面应变卸荷试验，试验结果表明：大小主应力易向，应变陡增现象，是膨 湖北工业大学硕士学位论文 胀土组构和剪应力易向的反映，泊松比随侧向压力的卸除，从起始值1 0 逐渐减小 到0 5 ，再减到小于0 5 ，士的体积由剪缩过渡到剪胀。 朱俊高、卢海华、殷宗泽 2 6 1 ( 1 9 9 5 ) 对标准砂和风干粘土的击实试样进行了 真三轴应力一应变关系试验研究，发现当某一方向给土体施加压应力增量而其侧 向应力保持不变时，侧向变形未必都是膨胀的，也有可能是压缩的，即泊松比未 必总是正值，这是有异于经典力学理论的现象。 张于龙旧( 1 9 9 7 ) 在真三轴仪上做了膨胀土等主应力比卸荷试验，试验表明 膨胀土在平面应变状态下等主应力比卸荷时，应力应变关系均为双曲线型，这 反映了膨胀土在进行边坡开挖时，仍表现为较为明显的非线性性状。 徐志伟l 冽( 2 0 0 0 ) 根据实际工程中可能存在的某种应力路径，对粉砂、细砂 和中砂进行了几组真三轴试验。研究表明：在特定的应力路径下排水剪切，小主 应力方向膨胀，泊松比可以大于o 5 甚至大于1 ，中主应力方向首先压缩，随后膨 胀，泊松比可以小于0 ，这是现代土力学和有限元分析中不曾考虑的现象和结果。 邱斌、徐志伟【2 9 】( 2 0 0 2 ) 在真三轴试验条件下，采用与邓肯一张模型类似条 件：a 。2 - - - - o3 = o ，取o2 分别接近口3 、0 1 来验证中主应力对邓肯一张模型的影 响。试验结果表明：o2 在接近o3 时，用模型计算的应力一应变关系与试验曲线 比较接近，而当o2 接近0l 时，是模型未考虑中主应力影响的极端情况，这时计 算结果与试验结果相差较大，其主要原因是邓肯一张模型由于忽略了中主应力的 影响，其计算采用的弹性模量较小。 张鲁渝、孔亮、郑颖人 3 0 l ( 2 0 0 2 ) 以广义塑性力学为理论基础，对重庆粘土 的真三轴试验资料进行了分析，拟合出了偏转角a 与剪应力q 的关系式，同时提出 了一个新的，：、r f 屈服面表达式，经过已有试验数据的验证，证明了其合理性。 2 、中主应力比b 为常数的真三轴试验 为了研究在三维应力状态下土的应力一应变关系与常规三轴试验下的区别， 进行了较多的b 为常数的真三轴试验，这些试验中一般保持围压为常数或八面体 主应力为常数。 李广信【3 1 l ( 2 0 0 0 ) 用承德中密砂进行的真三轴试验表明：1 、随b 的增加，应 力一应变关系曲线变陡，峰值强度点提前，应变软化现象更显著：2 、随着b 的增 加，土的体变压缩量有所增加，剪胀量减少；3 、随着b 的增加，应力一应变的卸 载一再加载益线也变陡，卸载时有体积回弹现象。 孙红、袁聚云、赵锡宏【3 2 1 ( 2 0 0 2 ) 用上海淤泥质软土进行了真三轴试验，试 验保持中主应力比b 在剪切过程中保持不变，研究土在三维应力状态下应力一应 变的变化规律。试验结果表明：固结压力o3 一定时，偏差应力和应变关系曲线的 4 湖北工业大学硕士学位论文 初始斜率随中主应力比率b 的增加而连续增大，这表明在低应力水平，中主应力 对应力一应变关系是有影响的。b 值相近时，曲线的斜率随着固结压力的增加而增 大。 3 、用真三轴试验研究土的初始各向异性 l a d e ( 1 9 7 5 ) 用冰冻法取样来进行砂土的各向异性真三轴试验，试验结果表 明各向异性对抗剪强度的影响显著。 袁聚云、杨熙章、赵锡宏等i3 3 】( 1 9 9 5 ) 自行研制了岛固结真三轴仪，并对上 海软粘土进行了一系列的硒固结试验，试验表明：当土体中的初始应力状态为各 向异性时，中主应力对土体的抗剪强度和变形是有影响的。 袁聚云等 3 4 1 ( 1 9 9 6 ) 利用同济大学自行研制的真三轴仪对上海软土各向异性 进行研究，试验表明：对于上海软土，中主应力对土体应力一应变关系是有影响 的。随着中主应力比b 值的增加，土体强度和初始切线模量也增加，硒固结真三 轴排水剪切试验的强度和初始切线模量e 均大于各向等压固结真三轴排水剪切试 验的相应值。 1 3 2 土体卸荷变形试验研究 近些年，随着岩土工程的发展。越来越多的工程涉及岩土体的卸荷，由于土 体在加荷与卸荷条件下的性状有显著差别，为了建立适用卸荷条件下的土体本构 模型，人们对土体在卸荷状态下的性状逐渐关注并开展了一些研究。 曾国熙等【3 5 】( 1 9 8 8 ) 认为在卸荷过程中，正常固结饱和粘土的应力一应变关系 曲线可用双曲线拟和，提出了考虑应力路径的模量公式。 陈永福，曹明葆 3 6 1 ( 1 9 9 0 ) 对上海地区灰色粘土进行了卸荷一再加荷三轴试验， 提出了估算基坑回弹和全补偿沉降的计算式，并探讨了三轴试验条件下土样的卸 荷一再加荷特性，建立了相应的应力一应变模型。 刘国彬、侯学渊【3 7 - 3 8 ( 1 9 9 6 、1 9 9 7 ) 对上海地区有代表性的原状软土，用应力 路径三轴仪模拟基坑和隧道施工过程中的应力路径进行了不同类型的卸荷试验， 发现软土的应力一应变关系与应力路径密切相关。对软土的卸荷模量进行了系统 的分析，发现软土的加卸荷特性有着显著的差别，卸荷模量随着平均固结压力和 应力路径等的变化而变化，给出了初始卸荷模量及卸荷状态下的切线弹性模量的 计算公式，提出基坑开挖卸荷的残余应力概念，建议了一个可考虑实际应力路径 影响的基坑隆起量的实用计算方法，并给出了工程计算实例。 林宏达等【3 9 】( 1 9 9 4 ) 利用均向及自动化1 ( 0 压密三轴仪进行不排水蠕变试验，探 讨了深开挖基坑旁的台北粉质粘土在不同蠕变应力路径下的不排水蠕变特性。由 湖北工业大学硕士学位论文 试验知：台北粉质粘土的蠕变相当显著，且在不同应力路径下较高应力比时皆有可 能发生蠕变破坏。在均向压密轴向加载的情况下，不同超压密比的粘土具有相同 的蠕变特征，且与均向压密侧向减压的蠕变行为相似，但i ( o 固结后土体的蠕变特 征因初始剪应力的存在则略有不同。j ( 0 固结后因初始轴向应变量较大，土体刚度提 高，使得瞬间蠕变量即使是在高应力比情况下也很小，随着时问的增加蠕变量才 逐渐变大。 刘国斌、侯学渊【加】( 1 9 9 6 ) 对软土的室内应力路径试验研究表明：软土卸荷 模量远大于常规三轴试验所获得的压缩模量或弹性模量，应力路径对软土的模量 的影响非常显著，并建立了考虑应力路径影响的卸荷模量计算公式。 张于龙【4 1 】( 1 9 9 7 ) 模拟边坡开挖过程的土体应力一应变特征，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。 张荣堂【4 2 】( 2 0 0 0 ) 对汉口某地的淤泥质粘土进行了减p 应力路径试验。试验 表明：饱和软粘土的应力一应变性状与应力路径密切相关，在各种减p 应力路径 下的应力比与轴应变之间均存在着良好的双曲线关系。据此，建立了一个与应力 路径有关的归一化应力一应变双曲线模型。 程相华【4 3 l ( 2 0 0 0 ) 选取原状淤泥质粘土，利用自剪仪进行了卸荷土体强度路 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。 秦爱芳1 4 4 、y ul i ( 2 0 0 2 )以原状淤泥质粘土试验为基础，探讨了软土地区 基坑开挖坑底被动区土体处于卸荷状态时，其强度变化的特征及范围，结果对分 析基坑稳定、变形及确定坑底被动区土体加固范围等具有参考价值。 李守德、张土乔、王保田 4 5 】( 2 0 0 2 ) 在普通三轴仪上模拟了基坑周边土体侧 向卸荷应力路径试验，分析了天然固结地基土在基坑开挖侧向卸荷过程中墙后土 体的变形规律，并引用d u n c a n c h a n g 模型的计算参数推导了其模量公式。 张文慧、王保田、张福海嗍( 2 0 0 4 ) 对一种粉质粘土进行各向等压轴向加载 三轴压缩试验和等应力比固结侧向卸荷三轴试验获得的土体变形参数，对一个工 程实例进行了有限元分析，结果表明：等应力比固结侧向卸荷三轴试验获得的土 体变形参数的计算结果与实测资料比较吻合。 通过以上对土体应力路径及三维应力状态、卸荷变形条件下的试验研究的简 单回顾与分析表明，尽管诸多研究者都想努力建立能够良好反映和模拟土体实际 工程情况的土体性状及本构模型，但其中多数对土体性状及本构关系模型的研究， 采用的是加荷方式，不排水条件，对砂土的研究较多，粘性土研究较少，轴对称 应力下采用普通三轴研究较多，三向应力下真三轴研究较少。对于基坑工程，由 于开挖卸荷引起坑周及坑底土体的卸荷变形，要得到符合工程实际的土体设计参 6 湖北工业大学硕士学位论文 数及本构模型，就必需模拟基坑土体三向应力卸荷状态下的应力路径试验，由于 真三轴价格较贵，操作复杂( 特别是在卸荷条件下) ，所以模拟基坑开挖卸荷过程 的三轴试验研究所见不多，尤其是采用真三轴模拟基坑周边土体的平面应变状态 卸荷过程的试验研究非常少。为了合理确定基坑工程设计中土体参数及本构关系， 对武汉地区粉质粘土进行模拟基坑开挖的真三轴试验研究，分析卸荷对土体力学 特性的影响，对于指导基坑工程设计具有重要的参考价值。 1 4 本论文主要研究工作 深基坑的设计不仅要满足基坑稳定性( 强度) 要求，更要满足基坑土体的变 形要求，以确保深基坑周围原有建筑物、构筑物、地下管线及道路等的安全，在 设计时土体参数的确定尤其重要。长期以来，人们采取“加荷”试验方法确定土 体参数，对设计各类建筑物基础下加荷土体是适合的，对设计计算深基坑开挖卸 荷土体显然是不合适的，用常规的土工加载试验参数进行深基坑工程的数值分析 与设计计算必然会产生较大的误差。因此，采用真三轴，模拟深基坑开挖土体的 卸荷应力路径试验，来研究深基坑土体的工程特性以确定土体参数，对于深基坑 工程的数值分析与设计是十分重要的。为此，本文进行了以下方面的研究： 1 、分析了深基坑开挖过程中土体的应力路径，认为深基坑开挖过程中的土体 可以视为存在两种应力路径：深基坑周边为主动区土体，竖向荷载不变，横向卸 荷；深基坑内为被动区土体，竖向卸荷，横向荷载保持不变。 2 、用真三轴对深基坑周边主动区土体进行平面应变条件下的固结不排水加荷 与卸荷试验、固结排水卸荷试验，测量试验过程中三个主应力、三个主应变、及 空隙水压力，绘制土体的应力应变关系曲线、空隙水压力与毛变化曲线及e ，一s ，变 化曲线等，了解平面应变条件下排水与不排水卸荷土体的强度和变形规律。 3 、依据试验结果，对平面应交条件下卸荷土体的排水与不排水变形性状进行 分析研究，并对两者进行对比分析。 4 、绘制广义剪应力与广义剪应变关系曲线，探讨两者之间的关系，推求剪切 模量计算公式。 5 、采用本次模拟深基坑开挖过程真三轴卸荷与加荷试验结果，利用a n s y s 大 型有限元程序进行无支持深基坑开挖工程实例计算。比较采用土体卸荷与加荷参 数所得的基坑水平位移、作用在基坑挡土墙上的土压力的不同，为今后深基坑支 护结构设计中土体参数的选择提供指导性建议。 7 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章深基坑开挖过程的三维应力状态卸荷试验 2 1 引言m u 土体作为自然历史的产物，与金属、混凝土等材料在外力作用下产生的变形 和破坏机理有着显著的不同，因为土体不仅仅是一种材料，而且还是一个复杂的 应力、应变环境，因而土体的变形和破坏机理包含各种复杂因素，这些因素可以 概括为五个方面：应力方面，包括应力类型、应力水平和应力路径的影响；应变 方面，包括弹性、塑性、加工硬化、加工软化等影响；孔隙水方面，包括固结排 水条件、有效应力等影响；加荷速率及受力时间方面，包括冲击荷载、长期荷载、 蠕变等影响；土的不等向性和不均匀性所产生的影响。 深基坑工程是岩土工程领域中最具有特殊性的一个分支。土体在某一方面的 应力得到释放，从而破坏了原有的平衡状态，土体的变形是在开挖卸荷情况下发 生的，所引起的基坑隆起和桩侧向变形以及地面沉降等变形特性与一般工程问题 不同。因而，用常规的土工模型和土工参数进行基坑工程数值计算必然会发生较 大的误差，甚至引发工程事故，带来巨大的损失。因此，取具有代表性土体在室 内进行实际应力路径的试验来测定所需的参数，用于分析实际工程问题是比较合 理的。 深基坑工程中的土体，实际上是处在三维卸荷应力状态，一些文献已经对中 主应力的影响进行了研究【5 w 3 1 ，本章分析了基坑开挖过程中基坑周边土体的应力 路径，并对土体的这种特殊应力路径( 卸荷平面应变) 进行了排水与不排水条件 下的试验模拟，目的在于分析开挖卸荷过程中基坑周边土体的应力一应交关系， 了解该路径下土体的强度和变形规律。 2 2 试验仪器及校正 2 2 1 试验仪器简介及校正 本次试验在湖北工业大学土木系新购置的z s y 一1 型真三轴仪上进行，该真三 轴仪由河海大学、江苏溧阳市永昌工程实验仪器厂、南瑞集团公司大坝监测公司 联合研制。z s y 一1 型真三轴仪由压力室( 见图2 1 ) 、压力体交装置、微机测控数 据采集处理系统、试样制备部件、起吊设备等组成。 湖北工业大学硕士学位论文 压力室由底板、中主应力加压装置( 见图2 2 ) 、有机玻璃罩子部件，0 。加压 装置等组成。底板主要由试样底座、位移传感器固定杆、进( 出) 试样的水管和 小主应力进气管组成。o 加压装置安装在试验机罩子顶盖上，由步进电机通过液 压调压筒调节液压活塞，再由传压杆施加轴向应力。中主应力0 。由水压传递，加 压装置由安装在试样底板滚动轴承轨道上的滚动隔膜活塞缸和测量中主应力0 ：的 荷重传感器组成，中主应力的施加方式与大主应力相同。0 ，采用气压，通过调节 气压调压阀手动直接施加。有机玻璃罩子与底板之间通过不锈钢拉杆螺丝紧固后， 可使压力室处于密封状态。荷重和位移传感器装在压力室内，可直接测量试样的 应力和应交。 压力室的主要特点有：1 、加压支架的上部与轴向活塞的加压套筒紧密接触， 轴向活塞传力杆向下移动时，与轴向活塞加压套筒同步向下移动，而轴向压力传 感器安装在轴向活塞传力杆上，只采集直接旌加到试样表面的力。2 、中主应力o ：由加压板传递到试样上，加压板由薄铝板和许多小橡皮管逐层相问叠合而成，是 一种成层的复合材料，水平向刚性，可以传力，橡皮管具有压缩性。使加压板跟 随试样沉降的力是由轴向活塞加压套筒经加压支架传递到加压扳上的。加压板即 可以轴向压缩，又可以水平向自由移动，这样可以协调试样的竖向变形，使试样 边缘不再受干扰，试样平整，试样应变范围大。 压力体变装置由4 个单元系统组成，即p ，系统、p 。系统、0 ，系统、a - 系统。 压力形式分别是气压和液压二种，其中p 。系统、p ：系统是液压和o 。共用一个水罐 提供水源。o 。系统、o 。系统共用一个气瓶提供气压( 0 。系统既可以用水，也可 以用气压) 。 图2 1 压力室图2 2 中主应力加压装置 9 湖北工业大学硕士学位论文 试验所用的传感器有以下四种： l 、二个荷重传感器，分别测量试样的0 方向上的荷重和0 。方向上的荷重： 2 、一个孔隙水压力传感器，测量试样的孔隙水压力： 3 、反压传感器，测量试样内反压； 4 、六个位移传感器，分别测量试样上下、左右、前后方向上的位移，上下方 向上的位移传感器直接作用在试样帽上，测量0 。方向上的位移，前后方向上的位 移传感器直接作用在试样上，测量0 。方向上的位移，左右方向上的位移传感器作 用在加压板上，测量0 ：方向上的位移，因为加压板安装在底座的轨道架子上，可 在轨道上左右滑动，因此，当施加固压时，对该方向上位移的测量有一定的影响。 一般试验时由微机自动化控制，主要控制大、中主应力的施加速率与大小， 以及控制轴向大、中主应变速率与应变大小，采用自动化控制可进行等应变控制、 应力路径控制，可人为设定任意路径进行自动跟踪，实时显示应力路径，可进行 等向、不等向固结试验、平面应变试验。 2 2 2 仪器的校正 为了增加数据测量的可靠性，真三轴仪器的校正考虑了以下三个方面： l 、在真三轴仪中，刚性边界会对试样产生约束而在其边界上引起剪应力，故在刚 性边界面涂上性能良好的润滑剂以减小这种影响。 2 、中主应力加压板是由固定在板上的橡皮管组成，当试样压缩变形时，橡皮管与 乳胶膜之间存在摩擦，在加载板上用5 0 2 胶粘贴两片即可层叠又光滑的刚性薄 板，这样即可以协调竖向变形，又可以降低加载板上的摩擦力。 3 、传感器直接作用在试样上，由于与试样接触面积较小，会使试样产生局部过大 的变形，使采集到的0 。方向上位移偏小，故在传感器与试样接触处垫上小块 刚性薄板。 由于实验操作复杂，因此没有考虑温度、橡皮膜拉紧以及滤纸条的影响，并且 使各试样在剪切时加载速率保持一致。 2 3 试验方案、试验过程 2 3 1 试验方案 由基坑旆工过程中土体的应力路径可知，基坑周边为主动区土体，应力状态 是竖向荷载不变，横向卸荷；基坑内为被动区土体，应力状态竖向卸荷，横向卸 或加荷。本文主要研究基坑周边主动区土体性质，在真三轴仪上进行了该应力路 1 0 湖北工业大学硕士学位论文 径的固结不排水与固结排水两种卸荷试验，为了进行比较，又进行了平面应变固 结不排水加荷试验，加荷试验应力状态为竖向加荷，横向荷载保持不变，两种试 验均为压缩试验。假设土体天然固结状态符合各向等压固结过程，平面应变卸荷 试验的应力路径为0 a b ，平面应变加荷试验的应力路径为0 a c 。0 a 段为恢复土样的 天然状态过程，a b 、a c 段为剪切至破坏时的应力路径，控制试样在整个剪切过程 中中主应力方向上的应变，0 。从图中可以看出，土体沿a b 应力路径比a c 应力 路径更容易破坏。 值得注意的是，由于试验仪器的限制，试样在固结阶段( o a 段) 并不能保持 平面应变状态，因此，本文主要分析试样在剪切过程中( a b 、a c 段) 的性状。 图2 3 应力路径设计 基坑工程若采取快速施工的方法，基坑周边土体的水来不及排出，通常近似 为固结不排水过程，快速施工可以使最大变形量降低，因此对沉降、变形反映敏 感的城市建筑密集地区，基坑工程往往实行快速开挖，以缩短基坑开挖后的暴露 时间，减少基坑因开挖而造成的周围地面沉降、裂缝以及对周围坏境的影响。基 坑工程若施工进度较慢，排水条件较好，就应该采取真三轴固结排水卸荷试验。 因此，本次进行了真三轴的固结不排水与固结排水卸荷试验及固结不排水加荷试 验。试验方案如下： 表2 1 试验方案 a 组为固结不排水卸荷试验，其应力路径为o a b ，土体保持竖向应力不变，水平 向应力减小，即盯- 不变，吒减小：b 组为固结不排水加荷试验，其应力路径为o a c ， 1 1 湖北工业大学硕士学位论文 土体竖向应力增加，水平向应力保持不变，即吼增加，口，不变。c 组为固结排水 卸荷试验，其应力路径与a 组相同。 2 3 2 试验过程 1 、取样与试样制备 试验成果的可靠性，首先取决于土样的代表性及其背景，同时制样技术对成 果也有很大的影响。如果土样剧烈扰动，再精细的试验也不能补偿扰动的影响， 试验也就失去意义。本次试验所用原状土样取自武汉沙湖电力小区。用连续压入 法自浅而深均匀取样，标明取土深度，按取土深度施加固结压力，确保试样剪切 前为正常固结性质，土样为灰色、灰褐色，含有少量有机物腐殖质，略有异味。 土样在运输过程中力求轻拿轻放，制样过程中精心操作，保持试样的结构性、均 匀性。本次试验所用原状土样取自武汉沙湖电力小区高层住宅建筑基坑的工 地，为武汉市有代表性的长江i 级阶地冲积相粉质粘土，其物理力学性质 指标如表2 2 所示，土样的尺寸如下所示： 图2 4 试样尺寸 表2 2 试验土体物理力学性质指标表 2 、试样饱和 采用抽气真空饱和法。将装有试样的饱和器置于抽气缸内，缸边涂凡士林后 盖紧并开始抽气。当真空度达到0 9 5 大气压后，再继续抽两小时以上，然后开阀 放入清水并保持真空度稳定。待饱和器完全浸入水中后，停止抽气并解除真空， 让试样在抽气缸中静置1 0 小时以上。经测定，试样的饱和度均大于9 5 ，不需反 压饱和。 湖北工业大学硕士学位论文 3 、试样固结 本次试验所有试样采用等压固结，固结时间一般在2 4 小时以上。 在真三轴试验中，试验数据是采用计算机数据采集系统进行连续自动采集的，并 根据试验中的试样体变和各方向主应变作同步试验数据自动修正，因而对试样的 高度、面积、体积不需要再修正。 为使大主应力。的传力杆、中主应力o ：的加压板与试样保持接触，在试样固结过 程中，需预加一定的压力，本次试验两个方向所施加的压力均为5 n 。 4 、试样剪切 平面应变