土钉墙位移的影响因素分析

土钉墙是粉砂土、黏性土等地区基坑开挖围护的主要形式之一,基坑开挖会导致基坑及周围土体、土钉墙面层和土钉中的应力重新分布,为了保持土钉自身的稳定和平衡,土钉面层、土体会被迫移动到新的位置而产生变形。今以ABAQUS有限元软件为工具建立土钉—面层—土体的相互作用模型,土体应用Mohr-Coulomb本构模型,土体与土钉间的接触性质为摩擦小滑移,土钉在整个开挖过程保持弹性,土体的压缩模量随深度线性增加,在此基础上构造正交试验,分析不同工况下土钉墙面层最大水平位移、墙后沉降的影响因素及各因素对于位移的作用大小。结果表明:对于面层的最大水平位移而言,基坑开挖深度5 m时,土钉长度为8 m的面层有最小位移,而大于和小于8 m则位移增大。土钉墙倾角与面层最大位移相关性最为明显,当土钉墙倾角小时位移小,随着土钉墙倾角的增大面层位移则增大。就面层最大位移来说,当基坑开挖深度5 m时,各因素的最佳组合为:土钉墙倾角60°~80°、土钉长度8 m、间距1.6 m、土钉倾角小于15°。控制土钉墙面层位移最有效的办法是减小土钉墙倾角、合理设置土钉长度。     

挡土墙上土压力的试验研究与数值分析

在土力学中,计算土体作用于结构上的作用力是一个古老的课题。经典的Coulomb和Rankine土压力理论,虽计算简单和力学概念明确,但也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;二是没有考虑挡墙变位方式的影响。再加上岩土工程的复杂性,土压力问题成为一个至今仍难以用理论计算作出精确解答的问题。 通过模型试验和数值分析,对作用于刚性和柔性挡土墙上土压力的大小及其分布规律进行了研究。对于刚性挡墙,作者采用自制的模型箱,进行砂性填土被动土压力的模型试验,研究不同的挡墙变位方式对被动土压力大小及其分布规律的影响。挡墙采用的变位方式为:平移、绕墙顶上某点转动和绕墙底下某点转动。当同时考虑土体的力学特性和土与结构接触面上的变形特性时,作者用有限单元法对刚性挡土墙上的主动土压力和被动土压力进行分析研究,土体采用弹塑性的Mohr-Coulomb本构模型,在土与结构接触面间引入无厚度的Goodman接触单元,接触面上剪应力和剪切位移采用弹塑性的本构模型。研究不同的挡墙变位方式、不同墙面摩擦特性以及土体变形特性等因素对土压力大小和分布的影响。 对于柔性挡墙,以基坑工程的围护结构为例,采用考虑土体应力路径影响的非线性有限元法,分析了基坑工程中不同围护型式时作用在围     

各向异性砂土主动土压力的离心模型试验研究

 利用新研制的土压力离心模型试验设备,通过土压力盒测量作用在挡土墙上的土压力分布,利用非接触图像测量系统(GIPS)测量土体位移,对各向异性的南京云母砂分别进行沉积面铅直和水平两个方向的土压力离心模型试验。通过对比试验得到的土压力分布与理论公式计算得到的各向同性砂土土压力分布,以及两种沉积方向的砂土的滑裂面位置,对各向异性砂土的土压力及土体变形破坏问题进行初步研究。结果表明：随着挡土墙向远离墙后填土方向运动的位移不断增大,作用在挡土墙上的土压力逐渐减小,墙后填土中各点的位移不断增大,在墙后土体中逐渐形成滑裂面。当挡土墙的位移量达到10－3H(H为试样模型高度)时,墙后填土达到主动极限平衡状态。受到片状云母颗粒排列方向的影响,沉积面铅直的土体滑裂面比沉积面水平的滑裂面略显平缓。     

基坑支护土压力计算

在软土深基坑土体压力的计算中,往往以朗肯公式作为计算土压力的基础,对与其假设条件不一致部分,也以各种方式简化,于是使得计算的结果与实际有较大出入。而库伦计算公式则综合考虑了挡墙墙背倾斜、粗糙、非水平填土、粘性土和砂性土等为朗肯公式所未顾及的因素,使得理论的计算与实际更接近。     

无黏性有限土体主动破坏及土压力离散元分析

建立在半无限土体假定上的朗肯土压力理论和库伦土压力理论,在挡土墙后填土有限的情况下不再适用。针对墙后无黏性填土,采用离散元方法分别对光滑、粗糙墙面平动模式下墙后有限宽度土体主动破坏的过程进行研究,分析了挡土墙运动过程中滑裂带发展、土体位移规律以及墙后水平土压力分布的情况。研究结果表明,墙体光滑情况下,滑裂带呈直线,墙后填土宽高比较小时,可以观察到滑裂带的反射,墙后土体呈多折线破坏模式,滑裂带倾角基本与库伦理论滑裂带倾角相等,且与土体宽高比无关,水平土压力合力受土体宽高比影响亦不大。墙体粗糙情况下,滑裂带呈曲线,反射现象随墙体粗糙程度增加而减弱,滑裂带倾角随土体宽高比增大而减小,最终落于库伦理论滑裂带内侧。此时,存在一临界宽高比,当墙后土体宽高比小于此值时,主动土压力随宽高比增大而增大,大于此值时,主动土压力不受宽高比影响。而无论墙体粗糙与否,墙后土体宽高比越小,达到极限状态所需墙体位移均越小。     

传统挡土墙设计的可靠性分析

长期以来，挡土墙的设计一直依据朗肯或库仑土压力理论。为得到闭合解，这些传统土压力理论均似定均质土体，实际上，土体性质是空间变化的，这样设计中就隐含两个问题：(1)取样获得的土体性质能否完全反映墙后所有填土的性质；(2)土体性质的空间差异是否会导致主动土压力与传统方法预测的结果有很大差别。本文把非线性有限元和随机场模拟结合起来，研究了这两个问题，并对目前设计方法的安全性进行了评价。本文对一个二维、墙壁光滑的挡土墙进行了实例研究，墙后是排水的无粘性填土，该挡墙用朗肯土压力理论进行滑移计算。设计所用的摩擦角和土体重度在模拟的随机场中某一位置取样获得，并被当作有效土体参数用于朗肯模型中。当修正后作用在挡土墙上的朗肯土压力小于实际土体参数的随机有限元计算结果时，挡土墙破坏。本文借助蒙特卡罗模拟方法，将传统设计方法的破坏概率用一个包含安全系数和土体空间变异性的函数评估。     

墙面倾角对模块式加筋土挡土墙结构影响的分析

基于FLAC3D建立了加筋土挡土墙数值模型，在验证模型有效性的基础上，通过调整墙面倾角，分析墙面倾角对模块式加筋土挡土墙的侧向变形、土压力和筋材拉力的影响。结果表明：当墙面倾角由90°逐渐减小至65°时，模块式加筋土挡墙的侧向变形、面墙后的土压力和筋材拉力均出现减小；侧向变形模式由外倾-平移式转为平移、平移-鼓胀式；面板后水平土压力沿墙高的分布规律由线性分布转变为非线性分布；墙内筋材的拉力峰值与墙面倾角间呈线性关系，筋材与模块连接处的拉力与墙面倾角间呈指数关系；75°是模块式加筋土挡土墙的合理倾角，不仅便于墙面绿化，而且可减少挡土墙变形，提高挡土墙的稳定性。     

基坑土钉支护的非线性有限元分析

土钉墙支护作为一种基于土体自身承载能力的挡土结构,在土体开挖和边坡稳定中应用广泛。结合土钉墙支护结构的特征及其施工过程,通过非线性有限元分析,对土钉墙支护结构的受力与变形进行了数值模拟计算。为了提升计算精度,在仿真模型中引入了接触面单元,对被支护土体与土钉墙结构之间的接触行为进行了模拟。通过与现场实测结果对比分析表明,利用非线性有限元计算,可以较好开展土钉墙支护的数值计算,计算精度较高,可以有效指导设计与施工。     

考虑非线性接触地铁基坑施工过程变形研究

探究土体与地下结构之间的接触行为,本文首先对砂土和粉质黏土与围护结构的接触面进行了试验,获得了两类土体与围护结构的接触面力学特性。其次采用基于Clough与Duncan应力-位移双曲线模型的无厚度Goodman接触单元,验证了接触面非线性的切向行为合理性。考虑实际工程中土体与围护结构的接触非线性问题,基于无厚度Goodman接触单元对地铁基坑施工变形过程进行预测,并结合模拟接触切向行为的罚函数法线性模型,对比罚函数法线性接触模型与Goodman非线性接触模型对基坑开挖变形的影响,研究包括围护桩墙后土体垂直沉降、围护桩墙侧向水平位移以及围护桩墙顶端水平位移。最后将研究因素与实际监测数据对比,结果表明:在考虑非线性土与结构相互作用的基坑开挖过程中,计算结果与实际监测结果的相对误差均保持在10%以内,计算结果更合理,为类似土与结构相互作用的岩土工程接触分析提供参考和理论基础。     

墙后有限宽度无黏性土主动土压力试验研究

针对无黏性土体,开展了刚性挡墙平动、绕墙底转动和绕墙顶转动3种墙体主动变位模式情况下墙后有限宽度土体土压力试验。通过观察墙后不同宽度土体的破坏过程及对土压力的全程量测,对其破坏模式及土压力分布规律进行了探讨。试验结果表明,墙后有限宽度土体的破坏面为一连续曲面,随着墙后土体宽度的增加,土体破坏面逐渐向外侧偏移,最终趋于某一固定位置,但始终位于库仑破坏面内侧。土压力值监测表明,库仑土压力理论并不适用于有限宽度土体。当填土宽度为有限宽度时,土压力值小于库仑主动土压力值,其差距随土体宽度减小而逐渐增大。当墙体平动时,土压力值沿墙高先增大后减小;墙体绕墙底转动时土压力值则呈线性增长趋势;而当墙体绕墙顶转动时,在挡墙上部出现了明显的土拱效应。     

刚性挡土墙被动土压力数值分析

采用有限单元法对作用于刚性挡土端上的被动土压力进行数值分析，土体采用弹塑性的Mohr-Coulomb本构模型，在土与结构接触面问引入无厚度的Goodman接触单元，接触面上剪应力和剪切位移采用弹塑性的本构模型，研究了不同的挡土墙的变位模式、不同墙面摩擦特性以及土体变形特性等因素对土压力大小和分布的影响。     

粗粒土渗透系数计算模型及试验研究

渗透系数是表征土体渗透能力的关键参数,较准确的渗透系数计算模型是研究难点。基于泊肃叶定律,把层流渗流土体等效为细管簇,建立渗透物理模型。根据水头损失细观机制,引入叠合系数,结合Darcy定律推导以孔隙率和等效粒径为基本参数的渗透系数理论计算公式,公式具有严谨的物理意义。对6种单一粒径组粗粒土进行渗透试验,利用试验数据对叠合系数进行拟合分析,得出可用于计算的叠合系数公式。通过渗透系数公式进行计算的结果与试验结果较为一致。为验证本文渗透系数公式的适用性,采用公式对相关文献中的砂性土、混合粗粒土试验数据作计算对比,计算结果与试验实测值接近。本文计算公式在较大粒径范围内比相关文献的渗透系数计算公式准确度有大幅度提高(验证范围为颗粒粒径≤20 mm的混合粗粒土和粒径范围在0.1～5 mm的砂性土),具有较高的准确性和合理性,最后对公式的适用性进行了分析和总结。     

不同墙趾约束条件下模块式加筋土挡墙离心模型试验

开展了墙趾正常约束、仅对模块–基座界面作光滑处理、仅对基座–地基界面作光滑处理,以及对基座–地基界面作光滑处理且将基座前方土体挖除这4组不同墙趾约束条件的模块式加筋土挡墙离心模型试验,以研究工作应力下墙趾约束条件对挡墙内部稳定性的影响。研究结果表明,墙趾约束条件对模块式加筋土挡墙内部稳定性影响显著;对模块–基座界面作光滑处理的挡墙,其底层模块沿该界面滑移,挡墙中下部的墙面水平位移和筋材应变明显增大,筋材连接力沿墙高呈三角形分布;对基座–地基界面作光滑处理的挡墙,基座前方地基土仍可给基座提供足够的墙趾约束作用,挡墙内部稳定性同墙趾正常约束情况;对于基座–地基界面作光滑处理后又将基座前方土体挖除这种模拟墙趾受到冲刷的挡墙,其基座沿该界面滑移,挡墙中下部的墙面水平位移和筋材应变显著增大,筋材连接力接近极限状态AASHTO法计算的筋材最大拉力,但挡墙仍能保持稳定;在墙趾可能受到冲刷的极端情况下,挡墙在设计上不应考虑墙趾的约束作用,而对于正常服役状态的挡墙,可采用考虑墙趾约束作用的K-刚度法进行挡墙内部稳定性的计算。     

土钉支护中土压力计算

土钉墙柔性面层结构上承受的土压力既不符合传统土压力理论计算适用条件,也没有现有理论可以求解,目前大多根据工程经验确定。基于土钉技术可充分发挥土体自稳性的特点,将上限理论推导出的计算式与实测数据结合起来,得到一土压力计算方法,并应用于一复合土钉墙实例。计算土压力与实测数据相符。分析结果认为,当开挖深度超过土体的自稳高度后,土钉结构上一定承受土压力,其大小与开挖深度、坡角、土层性质、支护结构布置相关。该方法适用于土钉墙、复合土钉墙土压力计算。     

饱和软土中深基坑主动土压力实测研究

对饱和软黏土中11.0m的深基坑进行了主动土压力与深层位移监测。基坑竖向支护体采用钻孔灌注桩,水平向采用两道钢筋混凝土内支撑。实测主动土压力大于按照朗肯主动土压力公式的计算值,实测值约是计算值的1.20倍,阳角处的主动土压力实测值与计算值的比值大于正常位置的比值,约是正常处的1.13倍。实测主动土压力与墙后土体水平位移关系符合双曲线规律。达到主动土压力状态时,对应的墙后土体水平位移约为开挖深度的0.1%。     

刚性挡土墙主动土压力数值分析

采用有限单元法对作用于刚性挡土墙上的主动土压力进行数值分析，土体采用弹塑性的Mohr-Coulomb本构模型，在土与结构接触面间引入无厚度的Goodman接触单元，接触面上剪应力和剪切位移采用弹塑性的本构模型，研究了不同挡土墙的变位模式、不同墙面摩擦特性以及土体变形特性等因素对土压力大小和分布的影响。     

考虑基坑锥型拱体的侧压力解析解及工程应用

土拱效应对挡土墙侧土压力具有重要影响,结合挡土墙位移特征,分析了墙后锥形拱体的形成过程。为了考虑拱体效应对挡土墙侧土压力计算的影响,结合提出的4条基本假设,通过应力莫尔圆及静力平衡方法推导出了考虑锥形拱体效应的侧压力合力解析解及合力作用点函数表达式,发现由于拱体的存在,侧压力的数值与土体内摩擦角、墙土摩擦角及拱体的展开角具有密切关系。针对土体内摩擦角的不同取值,拱体形状随摩擦角的增加而逐渐趋于平缓,计算结果与Paik实验数据较为吻合,然后在土体内摩擦角一定时,拱体的宽度及深度之比随着墙土摩擦角的增加而接近直线变化,且在墙土内摩擦角与土体内摩擦角相等时,计算得到的结果与Paik数据出现差异。结合两种算例,发现考虑拱体效应的水平侧压力随着墙土摩擦角的增加,水平侧压力逐渐转为线性增加;当δ=2φ/3时计算得到的侧土压力数值与徐日庆的模型数据高度吻合。     

顶管工程土与结构性状的理论研究

随着社会城市化进程的推进，地下空间的开发和利用越来越受到人们的重视。顶管法作为一种暗挖施工技术，可以在不开挖地表土的情况下将管道铺设完毕，具有无可比拟的优点，因而得到越来越广泛的应用。但是顶管法施工不可避免地会引起地面和地下土体的移动，在土中产生附加应力。当土体位移过大时，将对周围建（构）筑物和邻近地下管线构成危害。对顶管施工中管土相互作用、土体变形及工作井土体反力计算方法进行研究。主要工作和研究成果如下：（1）假定开挖面失稳时滑动块的形状为一个梯形楔体，滑动块上部为一梯形棱柱。采用太沙基松动土压力理论，根据滑动块的整体受力平衡，推导出砂性土中考虑成层土的开挖面最小支护压力计算公式。算例分析表明，该方法的计算结果小于楔形体模型的计算结果，更接近离心模型试验结果。（2）对顶进过程中管道纵向与环向钢筋应力及管土接触压力进行现场测试。结果表明，轴力和管土接触压力都随顶进距离增大而增大，顶进到一定距离后基本稳定。管道顶部和底部的内侧钢筋受拉，外侧钢筋受压；管道左右两侧的内侧钢筋受压，外侧钢筋受拉；环向钢筋受力很小，但变动较大。注浆对管顶接触压力影响较大，注浆后压力明显减小，对左右两侧接触压力影响较小。（3）对长距离直线顶管施工中管土相互作用进行分析后认为，管道在承受对角荷载时产生转动力矩，当管道端部的最大土体反力超过土体承载力时土体产生破坏，造成管道失稳。分析传统曲线顶管施工中管土之间的相互作用；采用考虑位移的土压力计算方法计算环向土压力，得出首节管道和后续管道的最大土体反力计算公式；提出长距离直线和曲线顶管施工中防止管道失稳的控制措施。     

非线性库仑主动土压力分析理论

应用突变理论方法，研究当挡墙墙背竖直、光滑，且墙后士体由应变硬化介质与应变软化介质组成时，两种介质相互作用产生主动土压力的非线性理论。给出主动土压力产生的的充要力学条件判据，发现主动土压力的产生与两种不同介质的刚度比k和材料的均匀性指标有极大关联性。当填土面水平且只有应变软化介质时，经典库仑和朗肯土压力理论只是非线性理论k=0的特例。研究结果表明：土压力强度σa随深度z的变化是非线性的关系：当k=0时，σa-z的关系是线性的：当应变硬化介质的剪切模量Gh较小时，σa-z关系呈近似线性关系；当Gh较大时，σa-z关系为明显的非线性关系。σa-z关系理论曲线与土压力模型试验和实测结果具有很好的一致性。     

现浇地下连续墙的新“伙伴”——预制地下连续墙

1 现浇地下墙的不足 在上海地区,将地下连续墙作为深基础的围护结构已较为普遍,但现浇的地下墙也存在着一些不足: 1.1 由于混凝土是在水下浇筑,混凝土中很容易夹泥,造成墙面的无规则渗水。 1.2 施工操作如有不当,会发生混凝土堵管,严重的甚至会发生断墙。 1.3 当土层软弱或为砂性土时,如果泥浆护