圓形基坑土壓力分布模式研究.pdf

1、土壓力是作用在擋土結(jié)構(gòu)上的主要外荷載之一，同時(shí)也是基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析的關(guān)鍵因素。目前土壓力的發(fā)展仍不能滿足實(shí)際工程的需要，有待于進(jìn)一步的研究。圓形基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)為筒形地下連續(xù)墻，作用在其上的水土壓力相互抵消，呈現(xiàn)出主要受壓的特性，能更好地發(fā)揮混凝土的良好抗壓性能。另外，由于基坑周圍土體的環(huán)向拱效應(yīng)的影響，作用在筒形地連墻上的土壓力與平面士壓力不同。一般來說，前者與后者相比偏小，因此，圓形基坑越來越受到巖土工程師的青睞。然而，實(shí)際工程中

2、人們還是用朗肯或庫侖理論來計(jì)算圓形基坑土壓力，這必然將引起較大的誤差。由此可見，對(duì)圓形基坑土壓力進(jìn)行研究具有很強(qiáng)的理論和現(xiàn)實(shí)意義。鑒于目前對(duì)圓形基坑土壓力研究比較缺乏，本文以上海世博500kV地下變電站工程為背景，以理論研究為主，并對(duì)背景工程和上海交通大學(xué)深水試驗(yàn)池工程進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測(cè)，輔以數(shù)值模擬，系統(tǒng)研究圓形基坑土壓力的分布模式，提出合理的計(jì)算方法，發(fā)展圓形基坑土壓力理論，為圓形基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。本文的研究主要針對(duì)于筒形圍護(hù)結(jié)

3、構(gòu)發(fā)生了向坑內(nèi)的位移，坑外土體處于主動(dòng)狀態(tài)的情況，主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：
　　 1.采用軸對(duì)稱滑移線法分析了圓形基坑主動(dòng)土壓力的特性?；谇叭说难芯拷Y(jié)果，認(rèn)為圓形基坑主動(dòng)土壓力亦由土體重度、粘聚力和堆載引起，分析了土體重度、土體粘聚力、內(nèi)摩擦角、堆載和基坑半徑對(duì)土壓力的影響。驗(yàn)證疊加原理的可行性，建議采用類似于平面土壓力的表達(dá)式，將圓形基坑主動(dòng)土壓力表示為土壓力系數(shù)的函數(shù)形式，并在后續(xù)章節(jié)中給出土壓力系數(shù)的結(jié)果，以供設(shè)計(jì)參考

4、。
　　 2.將軸對(duì)稱滑移線法進(jìn)一步拓展以考慮不均勻甚至任意分布的堆載、墻-土間摩擦、地面的坡度、支護(hù)結(jié)構(gòu)的傾角(非豎直)、土體分層和地下水滲流等因素。系統(tǒng)地研究以上因素對(duì)圓形基坑主動(dòng)土壓力的影響。堆載的分布形式?jīng)Q定了地面的邊界條件，將影響滑動(dòng)區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)和作用在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力。在墻-土間摩擦、地面坡度和支護(hù)結(jié)構(gòu)傾角同時(shí)存在的一般情況下，根據(jù)以上參數(shù)值，提出了兩種破壞模式并給出適用范圍；采用滑移線法分析了堆載分布、墻-土間

5、摩擦角、地面坡度和支護(hù)結(jié)構(gòu)傾角對(duì)滑動(dòng)土體體積和主動(dòng)土壓力分布的影響。將墻后滑動(dòng)楔體區(qū)域分為主動(dòng)變形區(qū)、對(duì)數(shù)螺旋區(qū)和被動(dòng)變形區(qū)，假定主動(dòng)變形區(qū)和被動(dòng)變形區(qū)內(nèi)第一主應(yīng)力方向不變，滑移線為直線，推導(dǎo)了一般情況下圓形基坑主動(dòng)土壓力的解析解。將土層分界面作為應(yīng)力間斷面，導(dǎo)出了間斷面兩側(cè)第一主應(yīng)力方向和平均應(yīng)力的關(guān)系，提出了適用于分層土的迭代計(jì)算公式，進(jìn)而將滑移線法推廣用以計(jì)算雙層土和任意多層土的主動(dòng)土壓力。分析表明上軟下硬的土層分布方案優(yōu)于上硬下

6、軟的方案。分析了“水土合算”、“水土分算”和“考慮滲流的水土分算方法”的差異，通過假定流線為通過墻腳的直線，計(jì)算了滲透力并提出考慮地下水穩(wěn)定滲流的圓形基坑主動(dòng)土壓力滑移線解。分析了墻體入土深度對(duì)圓形基坑水土壓力的影響。
　　 3.采用滑移線法和簡化滑移線法分析了非極限狀態(tài)圓形基坑土壓力的性狀，并推薦設(shè)計(jì)采用。目前地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)多以變形為控制標(biāo)準(zhǔn)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形受到嚴(yán)格限制，墻后土體很難達(dá)到完全主動(dòng)狀態(tài)，因此實(shí)際土壓力應(yīng)介于靜止土

7、壓力和主動(dòng)土壓力之間。定義環(huán)向應(yīng)力系數(shù)等于環(huán)向應(yīng)力和第一主應(yīng)力之比，并將之引入極限平衡方程，重新推導(dǎo)了極限平衡微分方程并給出了迭代計(jì)算公式。分析了環(huán)向應(yīng)力系數(shù)對(duì)土壓力影響。提出“初始主動(dòng)狀態(tài)”和“完全主動(dòng)狀態(tài)”的概念，完全主動(dòng)狀態(tài)的土壓力比實(shí)際土壓力小，不能用于實(shí)際工程設(shè)計(jì)，“初始主動(dòng)狀態(tài)”土壓力具有更強(qiáng)的參考價(jià)值?！巴耆鲃?dòng)狀態(tài)”下，環(huán)向應(yīng)力系數(shù)恒等于1；而在達(dá)到“完全主動(dòng)狀態(tài)”以前，環(huán)向應(yīng)力系數(shù)并非定值，應(yīng)當(dāng)介于1和靜止土壓力系數(shù)之

8、間，是墻體位移和空間坐標(biāo)的函數(shù)。假定環(huán)向應(yīng)力系數(shù)自墻-土接觸面至破壞面由1線性遞減至K0，給出了“初始主動(dòng)狀態(tài)”土壓力結(jié)果。分析了土體動(dòng)用內(nèi)摩擦角和墻-土摩擦角隨墻體位移的發(fā)展，考慮到墻后土體的應(yīng)變特性，認(rèn)為兩者并不完全同步。整個(gè)滑動(dòng)區(qū)域的土體動(dòng)用內(nèi)摩擦角在“完全主動(dòng)狀態(tài)”時(shí)完全發(fā)揮，而墻-土間摩擦角在“初始主動(dòng)狀態(tài)”即完全發(fā)揮?？紤]了土體動(dòng)用內(nèi)摩擦角、墻-土間摩擦角和環(huán)向應(yīng)力系數(shù)隨墻體位移的變化，給山了非極限狀態(tài)下圓形基坑土壓力的滑移

9、線解和簡化滑移線解?；凭€解的精度較高，適用于平移模式的單一均勻土；簡化滑移線解適用于任意變形模式的分層土，其精度亦與滑移線法相差不大。分析了圓形基坑土壓力隨墻體位移的變化。當(dāng)墻體位移為0時(shí)，所得應(yīng)為靜止土壓力。由于環(huán)向應(yīng)力的外擴(kuò)效應(yīng)(環(huán)向拱效應(yīng))，圓形基坑靜止土壓力系數(shù)和主動(dòng)土壓力系數(shù)均比朗肯結(jié)果小，并與基坑深徑比有關(guān)。分析了幾種典型位移模式下土壓力的分析性狀。搜集了國內(nèi)外部分圓形基坑的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了實(shí)測(cè)墻體位移模式和土壓力分布特性

10、。認(rèn)為實(shí)測(cè)墻體位移雖未能使得墻后土體達(dá)到“完全主動(dòng)狀態(tài)”，但很多已達(dá)“初始主動(dòng)狀態(tài)”。采用本文提出的非極限狀態(tài)下圓形基坑土壓力的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，并與實(shí)測(cè)土壓力進(jìn)行比較，以驗(yàn)證本文方法的合理性并給出主動(dòng)極限位移的合理取值。
　　 4.首次提出圓形基坑主動(dòng)土壓力的極限分析上限法。極限分析方法是土壓力理論分析的主要方法之一，該方法通過上限定理和下限定理分別給出極限荷載的上限和下限，進(jìn)而確定真實(shí)解的范圍。滑移線法是通過求解破壞區(qū)域的應(yīng)

11、力場給出土壓力(極限荷載)的結(jié)果，因此可證明是屬于下限解的范疇。Haar& von Karman完全剛塑性假定是摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則的軸對(duì)稱形式，另外考慮了墻后土體環(huán)向壓縮引起的內(nèi)能耗散以修正完全剛塑性假定，進(jìn)而提出了圓形基坑主動(dòng)土壓力的極限分析上限法(能量法)。采用庫倫破壞模式、雙三角形破壞模式和Log-sandwich破壞模式進(jìn)行分析。以庫倫破壞模式為例，將上限法進(jìn)一步擴(kuò)展以考慮地面坡度。定義環(huán)向應(yīng)力系數(shù)為環(huán)向應(yīng)力與平面豎向應(yīng)力之比并

12、用以計(jì)算內(nèi)能耗散率。為使得滑動(dòng)楔體的應(yīng)變率場機(jī)動(dòng)允許，達(dá)到主動(dòng)狀態(tài)時(shí)，環(huán)向應(yīng)力應(yīng)等于第一主應(yīng)力，因此環(huán)向應(yīng)力系數(shù)在滑動(dòng)楔體內(nèi)為變量，且與土體特性和基坑尺寸有關(guān)。分析了環(huán)向應(yīng)力系數(shù)值對(duì)庫倫破壞模式中破壞面的傾角、土壓力合力和土壓力系數(shù)的影響;分析了地面坡度和墻-土間摩擦對(duì)土壓力結(jié)果的影響。土壓力系數(shù)隨基坑深徑比的增大而減小，并且當(dāng)土壓力系數(shù)Kaq為0時(shí)土壓力合力達(dá)最大值，相應(yīng)的基坑深徑比為“臨界深徑比”。分析了土體重度、粘聚力、基坑半徑等

13、對(duì)“臨界深徑比”的影響，并給出不同內(nèi)摩擦角下臨界深徑比隨土體粘聚力和基坑半徑之比的變化，以供設(shè)計(jì)參考。為尋求合適的環(huán)向應(yīng)力系數(shù)值，將上限解與滑移線解進(jìn)行對(duì)比，認(rèn)為環(huán)向應(yīng)力系數(shù)等于靜止土壓力系數(shù)是足夠的。
　　 5.對(duì)本文的背景工程進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測(cè)。對(duì)勘查資料進(jìn)行分析，結(jié)合工程特點(diǎn)，制定合理的監(jiān)測(cè)方案。對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，分析實(shí)際工程墻體徑向位移和坑外土壓力的發(fā)展規(guī)律。以墻體實(shí)測(cè)位移為依據(jù)，采用本文提出的非極限狀態(tài)土壓力的簡化滑移線法