基坑开挖坑底土体卸荷回弹试验研究及数值模拟分析

论文摘要

基坑开挖是一个卸荷过程。上部土体的挖出、自重应力的释放,势必引起基坑底部土体的膨胀变形,从而产生坑底土体的回弹。土体回弹是坑底中心部分隆起的主要原因,准确计算开挖后坑底回弹量的大小是判断基坑稳定性和将来建筑物沉降的重要因素之一,对于工程桩和立柱桩的设计与施工以及深基坑开挖引起的环境效应的定量评价也有着至关重要的意义。因此研究基坑回弹并计算回弹量是保证基坑稳定、减少沉降危害的有效手段之一。本文首先系统地总结和论述了现有的各种关于基坑开挖卸荷回弹影响深度和应力路径的试验研究,以及目前基坑开挖数值模拟分析研究的现状。其次,进行了基坑开挖卸荷影响深度的试验研究,使用固结仪在土样固结后进行卸荷回弹试验,通过分析卸荷比和回弹率、回弹应变以及回弹模量的关系曲线来确定临界卸荷比和极限卸荷比,从而用于计算回弹区及强回弹区的深度。使用直剪仪,在土样固结完毕后进行卸荷后的直剪试验,通过分析卸荷比和强度残余率关系曲线确定临界卸荷比和极限卸荷比,也可以用来计算开挖卸荷影响深度即回弹区深度及强回弹区的深度。通过对改造三轴仪、现有应力路径三轴仪的对比分析,表明GDS三轴仪在进行K0固结试验和应力路径试验时具有更多的优越性,能够很好的满足试验的需要。通过GDS三轴K0固结试验,得出了试验土样的K0值;进行不同应力路径试验,按轴向卸荷,径向不变或卸荷来模拟基坑开挖过程中被动区土体的受力情况;通过分析卸荷比和回弹应变的关系曲线来确定临界卸荷比;同时通过分析卸荷土体的应力-应变关系曲线,计算了初始卸荷模量,并推导了卸荷切线模量公式。应用PLAXIS建立基坑开挖二维平面模型,模拟计算不同开挖深度时回弹区、强回弹区深度,与试验计算结果吻合,说明试验设计及结果的准确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 土体卸荷回弹影响深度的试验研究及成果
• 1.2.2 三轴应力路径的试验研究及成果
• 1.2.3 基坑开挖卸荷回弹数值模拟分析
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第二章 基坑开挖卸荷影响深度试验研究
• 2.1 研究方法
• 2.2 试验设计
• 2.2.1 试验仪器
• 2.2.2 试验土样
• 2.2.3 试验方案
• 2.3 试验成果分析
• 2.3.1 固结回弹试验
• 2.3.1.1 试验曲线
• 2.3.1.2 试验成果分析
• 2.3.2 固结卸荷直剪试验
• 2.3.2.1 试验曲线
• 2.3.2.2 试验成果分析
• 2.4 卸荷影响区深度的估算
• 2.5 本章小结
• 第三章 三轴试验仪器的对比分析
• 3.1 实际基坑工程对试验仪器要求
• 3.2 普通三轴试验仪的改造
• 3.2.1 普通三轴仪进行卸荷试验的缺陷
• 3.2.2 改造普通三轴仪的实例
• 3.3 现有应力路径三轴仪
• 3.4 GDS 三轴仪的简介
• 3.4.1 硬件设备
• 3.4.2 GDSLAB 软件系统
• 3.5 试验仪器的对比分析
• 第四章 三轴卸荷应力路径试验研究
• 4.1 概述
• 4.2 卸荷回弹试验设计
• 4.2.1 试验仪器
• 4.2.2 试验土样
• 4.2.3 试验方案
• 4.2.3.1 试验过程的排水条件
• 4.2.3.2 基坑开挖过程中土体的应力路径
• 4.2.3.3 试验应力路径的选择
• 4.2.4 试验设计
• 4.3 试验过程
• 4.3.1 制备试样
• 4.3.2 试样饱和
• 4.3.3 施加反压及围压
• 0固结试验'>4.3.4 K₀固结试验
• 4.3.5 卸荷试验
• 4.4 试验成果分析
• 0固结曲线'>4.4.1 K₀固结曲线
• 4.4.2 应力-应变曲线
• 4.4.3 轴向卸荷比-应变曲线
• 4.4.4 应力-应变双曲线拟和
• 4.4.5 考虑应力路径的卸荷模量计算公式
• 4.5 本章小结
• 第五章 基坑卸荷回弹数值模拟分析
• 5.1 PLAXIS 软件简介
• 5.2 有限元数值模拟分析
• 5.2.1 计算模型的建立
• 5.2.2 本构模型及参数选择
• 5.2.3 有限单元的选择
• 5.3 开挖模拟计算
• 5.3.1 生成初始孔隙水压力
• 5.3.2 建立初始自重应力场
• 5.3.3 开挖过程模拟
• 5.4 成果分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与建议
• 6.1 主要结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 发表论文及参加科研情况说明
• 致谢