考虑土体卸荷力学特性的基坑变形分析

基坑开挖过程中侧壁土体和坑底土体受到一定程度的卸载扰动,强度及模量均有一定程度的降低,采用常规三轴试验所确定的土体参数进行基坑变形计算将会产生一定误差。为了寻找在土体开挖卸荷作用下更适合于基坑变形计算的土体参数,对郑州某深基坑工程坑壁主要土层进行了常规三轴试验、轴向应力减小及侧向应力减小的 UU-1 卸载试验、轴向应力不变及侧向应力减小的 IU-1.5 卸载试验、轴向应力增大及侧向应力减小的LU-2卸载试验4种不同应力路径试验,得到适用于基坑变形计算的土体参数。通过数值模拟结果与现场监测数据的对比分析,发现不同应力路径对基坑侧壁土体水平位移和土体沉降影响很大,考虑轴向卸荷参数的数值模拟得到的曲线和实际监测得到的曲线比较接近,说明采用轴向卸荷实验参数对工程施工设计更具有参考价值。     

考虑坑侧堆载基坑开挖土体应力路径试验研究

基坑开挖过程中,基坑坑侧各区域土体受到不同程度的卸荷或堆载作用,从而呈现出复杂的应力路径。因此,开展了常规三轴固结不排水剪切试验、K₀固结不排水剪切试验、K₀固结侧向卸荷试验和K₀固结侧向卸荷轴向加荷试验等不同的应力路径试验,来研究基坑开挖前后基坑坑侧土体的不同应力路径变化情况,比较分析了各应力路径条件下土体的抗剪强度、应力应变的变化情况,归纳了基坑开挖前后复杂应力路径条件下土体的应力变形及强度特征。研究表明,在不同的应力路径条件下,土体所对应的应力变形及强度参数,具有明显的差异性;软黏土在不同的侧向卸荷应力路径情况下,应力应变曲线均呈现应变软化型,且侧向卸荷对土体强度影响较大,坑侧堆载引起的轴向加荷对土体强度变化也有一定影响。     

卸荷应力路径下饱和粉土静力特性的试验研究

选取杭州城东地铁5号线隧道周边的典型饱和粉土进行不同卸荷应力路径下的静力三轴试验，研究在临近基坑施工情况下地铁隧道周边影响范围内该类土体静力特性的变化情况，并通过加装压电陶瓷弯曲元装置进行弯曲元试验，从而探寻不同卸荷应力路径对土体抗剪强度和变形的影响程度。研究结果表明：土体的抗剪强度指标会随着轴向及侧向卸荷强度的增大而呈现不同幅度的减小，在轴向卸荷应力路径下饱和粉土各静力特性指标变化幅度小于侧向卸荷应力路径下的变化幅度，但在卸荷再加荷应力路径下，轴向应力路径与侧向应力路径的变化对饱和粉土的抗剪强度的影响并不明显。同时，土体抗剪强度与剪切波速之间可以用模型拟合来建立关系，在实际的卸荷工程中对准确获取土体力学参数有实际意义。     

改进邓肯—张模型在基坑减载土体中的应用

通过三轴试验模拟基坑开挖过程中侧向减载土体的应力路径,针对武汉地区具有代表性的粉质粘土,进行了一系列真三轴和普通三轴排水固结剪切试验。根据试验结果,对邓肯—张模型进行研究,用基坑开挖侧向卸荷过程中的变形模量计算公式代替邓肯—张模型中基于σ3=常数推导出的切线模量公式,并将该模型应用于平面应变情况,针对Duncan-Chang模型不能反映中主应力的影响,对邓肯-张模型进行了改进,确定了模型中的参数,并用理论计算所得应力-应变关系曲线和试验所得应力-应变关系曲线进行对比分析,验证了该模型对于卸荷工程这类特殊应力路径的适应性。     

土体侧向卸荷对基坑支护位移的影响

取武汉地区具有代表性的粉质粘土,在真三轴仪上按基坑开挖过程中侧向土体的应力路径进行模拟试验,得到平面应变条件下固结不排水卸荷试验结果,由试验结果可知,侧向卸荷土体其应力-应变关系随固结压力的增加,由应变硬化型向应变软化型转化;侧向卸荷土体可以在很小应变下发生破坏;通过对邓肯—张模型的修正,阐述了开挖卸荷土体模型中卸荷模量的适用范围。     

基于K_0固结排水卸荷应力路径试验粉土应力–变形特性研究

针对开挖土体复杂卸荷应力路径,按不同初始应力状态和卸荷应力比,对南水北调南干渠粉质黏土开展了K_0固结排水卸荷应力路径试验。试样首先在不同围压条件下K_0固结稳定,然后根据不同的轴向应力和径向应力卸荷比,进行卸荷试验,以模拟实际土体开挖过程中的应力路径。试验结果表明土体的应力应变特性与应力路径密切相关:不同卸荷应力比条件下,试样可能为压缩,先伸长再压缩或者为伸长变形;卸荷应力路径下压缩和伸长应力比临界值与初始固结状态和土性相关;相同平均应力增量条件下,卸荷应力比越小,试样体积膨胀绝对值越大;土体强度参数受加荷方式和应力路径影响不大。试验结果和常规三轴试验有显著区别,需要发展能够描述卸荷应力路径下的土体本构模型,对开挖土体开展符合工程实际的应力变形分析。     

大理岩卸荷条件下弹黏塑性本构关系研究

 利用TLW–2000型岩石三轴蠕变试验机对锦屏大理岩进行恒轴压分级卸围压应力路径下的三轴流变试验,得到轴压恒定、不同围压下的应力–应变–时间曲线。根据卸荷应力路径下锦屏大理岩的流变变形特点,以Cristescu本构模型为基础,通过试验结果确定模型参数,并在模型参数的确定过程中考虑卸荷应力路径的影响。所建模型克服了三维元件组合模型不能考虑应力路径影响以及不能很好反映侧向流变变形规律的缺点。最后,用该模型对流变试验数据进行拟合,结果表明：该模型可以很好地描述卸荷应力路径下大理岩的整体变形随时间的变化规律。     

考虑卸荷应力路径的基坑开挖土体变形研究

根据基坑开挖的特点,改进常规三轴试验仪器的控制程序。以此为基础,利用三轴仪对基坑开挖过程中土体的侧向卸荷过程进行模拟,获取土体变形参数,并对某工程实例进行有限元分析。分析结果表明,经过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数据更吻合。     

应力路径对基坑变形性状的影响对比分析

在工程实践中,由于实际条件的限制,人们常常采用普通三轴“加荷”的试验方法确定土体计算参数。这与深基坑开挖卸荷土体的应力路径显然是相悖的,故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也显然是不合适的,必然会产生较大的误差。在此,基于卸荷与加荷不同应力路径所得的土体试验参数结果,利用ANSYS大型有限元程序进行无支撑深基坑开挖工程实例模拟计算。分析比较在不同的两种应力路径下所得的基坑的变形性状,为今后深基坑支护设计中土体计算参数的选择提供指导性建议。     

基于三轴试验和联合强度理论预测盾构施工引起的地表变形

现有盾构施工引起地表变形研究中,将土体视为线弹性材料而采用弹性模型来预测地表沉降,具有很大的近似性。引入联合强度理论,分析盾构掘进中、离开后上部土体加荷–卸荷应力状态下的稳定性;通过模拟盾构掘进中、离开后土体的应力路径,开展三轴固结不排水试验,依据试验结果的应力–应变双曲线形态,推导出盾构上部土体竖向加、卸荷条件下的非线性切线弹性模量公式,并确定各参数值。研究结果表明:相同围压或相同固结应力比时,加荷路径土体强度大于卸荷路径土体强度;同一围压下,轴向加荷、卸荷土体破坏时主应力强度值均会随固结应力比增加而增加。预测地表变形时,应力路径法运用了三轴试验成果中轴向应变数据,弹性理论法运用了加、卸荷非线性切线模量及试验参数。以武汉过江隧道江南盾构段为例,应力路径和弹性理论法隆起和沉降量预测值分别相差4.2%和13.0%;两者隆起量预测值与实测值分别相差7.5%和10.7%,沉降量预测值与总沉降实测值趋势一致。