与基坑开挖过程有关的土体工程特性试验研究

与基坑开挖过程有关的土体工程特性试验研究随着城市化建设推进,高层、超高层建筑,地下商城、隧道、地铁等建设越来越多,建筑高度、基础埋深、建筑规模都在加大。工程行为作用下土体的受力状态已不再是简单加载,更多地包含了卸荷回弹及加载再压缩等力学过程,应力路径更加复杂化。土的力学性质不仅取决于其最初和最终的应力状态,而且与应力状态的变化方式及此前的应力历史有关,土体加、卸荷力学性质明显不同。而现在工程设计计算极少考虑这一点,忽略了固结状态及工程行为作用下的应力路径对土体力学特性的影响。目前,基坑工程设计更多地考虑土体开挖卸荷对周边环境的影响,以变形控制为主,土体并非完全处于极限平衡状态。而现在土压力分析却仍假定土体为极限状态,以郎肯土压力、库伦土压力理论计算；土体力学参数亦是采用加荷路径下的强度指标,未涉及应力历史、基坑开挖卸荷路径对土体力学性质的影响。基坑工程设计更多地是以经验为主,其计算分析结果常与工程实际不符。本课题研究基坑开挖过程不同阶段周围土体应力历史状态、应力路径及其对应的应力应变关系,结合数值分析及基坑足尺试验,以期得到考虑土体应力历史、应力路径,符合土体实际工作状态的基坑工程设计方法。主要研究内容及创新性成果如下：1.揭示了基坑开挖主动区、被动区土体荷载变形特征,并提出了相应卸荷路径下的应力应变关系归一化方法基坑开挖过程为土体卸荷过程,其坑内、外土体应力状态差异很大,应力路径复杂。通过简化分析,得到了三种基坑开挖土体卸荷应力路径,研究了相应路径下的土体应力应变关系。(1)应力路径①主动区上覆压力不变,侧向压力减小,以反映主动区土体应力状态；该路径下土体在卸荷比达到一定数值(文中定义为卸荷比R0)之前,基本没卸荷变形,反映了其受应力历史的影响。②被动区上覆压力减小(以不同卸荷比),侧向压力增加,以反映开挖面以下较浅区域,支挡结构挤压土体,侧向压力增加,且侧向压力大于上覆压力；该路径下土体因初始应力的预固结作用,应力应变关系表现为初始强度较高；土体卸荷状态的强度指标不符合正常固结黏性土不固结不排水剪的“φ=0”理论。上覆压力减小,侧向压力不变,以反映开挖面以下较深区域,支挡结构对土体挤压不明显,侧向压力因上覆压力减小而减小,但减小程度小于后者；该路径下土体在较大的卸荷比之下,土体变形仍很小,但当卸荷比增至一定程度(一般在0.7以上),应变急剧增大。(2)应力应变关系归一化特征土体的非线性主要表现为其模量因应力状态不同而不同,针对上述三种应力路径,给出了土体应力应变关系的归一化因子,并确定了归一化方程表达式；以此建立基坑开挖主动区、被动区土体的非线性本构,并应用于针对基坑工程的数值模拟,其数值分析结果与实测数据较为吻合。①主动区(上覆压力不变、侧向压力减小),土体应力应变关系归一化因子为：qc+R0·σ3c,归一化方程为②被动区(上覆压力减小,侧向压力增加),土体应力应变关系归一化因子为：σ3c+c/tanφ,归一化方程为③被动区(上覆压力减小,侧向压力不变),土体应力应变关系归一化因子为：σm,归一化方程为其中,q=σ1-σ3,qc=σ1c-σ3c,σm=(σ1c+2·σ3c)/3;q、qc分别为应力偏差、初始应力偏差；σ3c、σ3c分别为初始最大、最小主应力。2.提出了以考虑土体应力历史、基坑开挖卸荷路径的土工试验结果作为计算参数,进行基坑支挡结构设计的简化分析方法分析土工试验、数值分析、现场测试所得数据,确定了基坑工程支挡结构设计方法。此方法以应力应变关系确定了基坑开挖影响深度及潜在滑动面；判定不同区域土体应力状态,认为浅层土体主动土压力与郎肯极限主动土压力较为接近,深层土体主动土压力大于郎肯极限主动土压力,被动土压力均小于郎肯极限被动土压力,但临近开挖面处(基坑开挖影响深度范围内)土体因支挡结构挤压较为明显使得被动土压力接近郎肯极限被动土压力；给出了主动土压力、被动土压力的计算表达式,并以土体应力应变关系曲线得到的割线模量替代水平反力系数的比例系数,其计算结果与实测数据接近。3.首次采用土中土压力传感器进行土中压力测试,测试数据与基于土体应力历史、基坑开挖卸荷路径的土压力计算分析结果较为吻合现场测试须反映原状土体(扰动很小)的应力变化,测试效果的好坏取决于测试设备的合理性选择及埋设技术。本课题选用新型土中土压力盒,并研究了较为可靠的埋设技术,在地面操作,较为成功地实现了在设计深度处埋设土压力盒,且测试效