軟土應(yīng)力各向異性及其對(duì)深基坑開(kāi)挖性狀的影響研究.pdf

1、深基坑開(kāi)挖不僅要保證基坑本身的安全與穩(wěn)定，而且還要有效地控制基坑周?chē)貙右苿?dòng)以達(dá)到保護(hù)周?chē)h(huán)境的目的，尤其是在地基土質(zhì)較差的城市內(nèi)進(jìn)行基坑開(kāi)挖施工時(shí)，經(jīng)常引起基坑周?chē)馏w較大的變形，從而影響基坑周?chē)慕ㄖ?、公共設(shè)施、道路、鐵路、管線、機(jī)器設(shè)備等的正常使用，甚至危及安全，造成破壞。因此，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)由于基坑開(kāi)挖而引起的土體移動(dòng)，不僅是基坑開(kāi)挖支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分，而且也是評(píng)估由于基坑開(kāi)挖對(duì)周?chē)h(huán)境影響程度的一個(gè)重要指標(biāo)。

2、 然而，在通常所使用的有限元進(jìn)行基坑開(kāi)挖的計(jì)算分析中，一般都沒(méi)有考慮土體的應(yīng)力各向異性，或者考慮了土體的應(yīng)力各向異性但所使用的本構(gòu)模型過(guò)于復(fù)雜，不便于工程界接受；而各向異性對(duì)土體的破壞和變形有著重要的影響(Yang，1997)。而且，在基坑的開(kāi)挖過(guò)程中，土體單元都要經(jīng)歷主應(yīng)力幅值改變的同時(shí)也伴隨著主應(yīng)力軸方向的旋轉(zhuǎn)變化，土體的不排水抗剪強(qiáng)度和變形等對(duì)大主應(yīng)力的方向有著強(qiáng)烈的依賴(lài)作用，如果將已改變應(yīng)力狀態(tài)土體的強(qiáng)度等同于未改變應(yīng)力狀態(tài)土體

3、的強(qiáng)度，對(duì)于土體的塑性屈服來(lái)說(shuō)，與實(shí)際的屈服強(qiáng)度之間存在著差異，影響著土體的塑性變形量的大小。為了更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)基坑開(kāi)挖后的變形性狀，必須考慮上述因素。基于此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，探討了土體的初始各向異性以及應(yīng)力誘發(fā)各向異性對(duì)基坑開(kāi)挖變形的影響，取得了如下研究成果： 1、利用魏星(2005)提出的各向異性彈塑性本構(gòu)模型，分析了具有初始各向異性土樣在等向固結(jié)三軸壓縮和拉伸試驗(yàn)中的變形特性。 為了將上述各向異性本構(gòu)關(guān)系應(yīng)

4、用到工程實(shí)踐中，并且便于工程界接受，在上述各向異性邊界面本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)三軸試驗(yàn)的不排水應(yīng)力路徑，推導(dǎo)了軟粘土不排水三軸壓縮和拉伸的各向異性強(qiáng)度公式，該表達(dá)式可以綜合考慮土的應(yīng)力歷史以及初始固結(jié)狀態(tài)對(duì)強(qiáng)度的影響。同時(shí)，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)，確定了上海典型軟粘土K<,0>固結(jié)條件下拉伸與壓縮不排水抗剪強(qiáng)度的比值。 對(duì)于在不排水條件下的彈塑性分析，本文考慮了能夠反映土體初始各向異性和由于土體單元主應(yīng)力軸的旋轉(zhuǎn)引起土體強(qiáng)度的應(yīng)力誘發(fā)各向

5、異性特性，并結(jié)合Casagrande和Carillo(1944)所提出的強(qiáng)度公式，推導(dǎo)了不排水條件下土體各向異性強(qiáng)度與von Mises屈服準(zhǔn)則所表示的強(qiáng)度之間的關(guān)系，對(duì)經(jīng)典的vonMises準(zhǔn)則作了改進(jìn)，使用改進(jìn)后的von Mises準(zhǔn)則作為土體的屈服準(zhǔn)則，改進(jìn)后的von Mises準(zhǔn)則可反映土體的各向異性強(qiáng)度特性。 2、以ANSYS9.0為平臺(tái)，將能夠反映土體各向異性的理想彈塑性本構(gòu)模型連接到該軟件中，并以此為基礎(chǔ)，首先使用

6、Poh等(1997)中的兩個(gè)分析實(shí)例驗(yàn)證了所耦合程序的可靠性，接著，對(duì)各向異性條件下基坑開(kāi)挖后的變形性狀進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析，具體有以下幾點(diǎn)結(jié)論： 在考慮土體的各向異性時(shí)，各向異性對(duì)基坑變形性狀的影響隨著各向異性程度的增強(qiáng)而增大，在一定的開(kāi)挖寬度范圍內(nèi)，各向異性對(duì)土體水平變形的影響要大于對(duì)土體豎向變形的影響。 各向異性對(duì)基坑開(kāi)挖后土體變形(水平變形和豎向變形)的影響隨著基坑開(kāi)挖寬度的不同而不同。在一定的開(kāi)挖深度范圍內(nèi)，隨

7、著開(kāi)挖寬度的增加，各向異性對(duì)土體變形的影響由對(duì)水平變形為主要影響對(duì)象，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫?duì)豎向變形為主要研究對(duì)象。 初始各向異性和應(yīng)力誘發(fā)各向異性對(duì)基坑開(kāi)挖后土體變形的影響程度是不同的，就軟土條件下的基坑開(kāi)挖而言，各向異性對(duì)土體變形的影響以應(yīng)力誘發(fā)各向異性為主，對(duì)于挖深在8m、開(kāi)挖寬度在40m左右的基坑來(lái)說(shuō)，應(yīng)力誘發(fā)各向異性對(duì)基坑變形(水平變形和豎向變形)的影響約占整個(gè)各向異性影響的70％。 逆作法條件下各向異性對(duì)土體變形的影