ANALYSIS OF EARTH PRESSURE ON THE RETAINING STRUCTURE DUE TO SURCHARGE NEAR THE EXCAVATION

通过理论分析和数值模拟对现行规范规程中有关基坑周边局部荷载引起支护结构上附加土压力的计算进行讨论。从弹性理论解确定了附加土压力值最大点的位置;利用有限元法对比分析了土体抗剪参数c和φ对附加土压力弹塑性解的影响,发现其与静止侧压力系数呈正比;针对土体分层情况,利用有限元法分析附加土压力的分布形式,并与均质地基时的情况进行对比;针对基坑周边建筑物荷载的作用,分析基础埋深对附加土压力的影响。     

基坑工程有限土体主动土压力计算分析研究

在深基坑工程中,拟开挖基坑距已有建筑物地下部分较近时,基坑支护体系承受的是有限土体的土压力,若根据Rankine理论计算,常导致计算土压力偏大,造成浪费。针对基坑工程中有限粘性土体的土压力计算问题,基于滑楔体平衡理论,本文推导了考虑土体变形情况的有限土体土压力计算模式,通过工程实例计算进行对比分析,提出了基坑工程中有限粘性土体土压力的计算方法,结果表明有限土体土压力分布模式及其量值与半无限土体土压力分布模式及其量值间存在显著差异,当有限土体宽度不大于坑深的0.75倍时,宜按有限土体土压力计算模式进行计算。     

考虑刚性桩复合地基影响的主动土压力强度计算方法研究

针对坑外邻近刚性桩复合地基条件下侧向土压力的计算,规范采用的是朗肯土压力作图法按天然地基计算,未能考虑桩体的荷载传递效应及附加应力随深度的变化。基于桩侧摩阻力分布假设,采用Mindlin解和Boussinesq解分别求得桩体与桩间土产生的竖向附加应力,并结合Mohr-Coulomb强度准则,依据极限平衡法推导出既有刚性桩复合地基条件下主动土压力强度计算公式,并将本文算法与规范算法和朗肯主动土压力进行对比分析。结果表明,本文计算土压力强度分布大于朗肯主动土压力而远小于规范计算值,并随深度呈非线性分布,桩体的荷载传递效应会对桩端附近土体产生附加土压力,0.5倍桩长范围内仅考虑桩间土的附加土压力。最后,通过室内模型试验结果与本文计算结果进行对比,证明了所提算法的合理性与有效性。     

既有上部建筑荷载下盾构施工引起土体附加应力分析

为考虑既有建筑下盾构施工对土体附加应力的影响,将建筑荷载按照土的有效重度等效为一定厚度的覆盖土层。基于弹性力学Mindlin解,给出既有上部建筑荷载下盾构施工过程中,刀盘正面推力、盾壳与土体之间的摩擦力引起周围土体附加应力的解析解;同时推导既有上部建筑荷载下盾构施工过程中,刀盘与土体之间的摩擦力引起周围土体附加应力的解析解。结合具体的计算案例,分析刀盘正面推力、盾壳摩擦力和刀盘摩擦力引起的土体附加应力的分布规律和对周围环境的影响;同时,针对不同上部建筑荷载对刀盘正面推力以及盾壳摩擦力引起的土体附加应力的大小和分布规律的影响进行分析。结果表明:既有上部建筑荷载下盾构施工引起周围土体的附加应力受刀盘正面推力、盾壳摩擦力的影响很大,为主要影响因素,具有一定程度的扩散性,其中沿推进方向的附加应力分量较为明显;而刀盘摩擦力对周围土体附加应力的影响较小,但具有一定程度的波动性,附加应力关于轴线近似成反对称分布。其中,刀盘正面刀具与土体之间的摩擦力引起的周围土体附加应力的波动效果尤为显著。不同建筑荷载对盾壳摩擦力引起的附加应力xσ和yσ的影响幅度和影响规律较为明显;其中xσ受建筑荷载影响的效果最为显著。该研究对指导盾构地铁隧道的设计和施工有着基础性的意义。     

既有桩基对盾构施工参数的影响研究

盾构隧道施工邻近桥梁桩基已成为目前研究的热点问题。针对盾构施工参数取值在工程中的应用价值,利用三维弹塑性有限元分析了桩基引起地层的竖向附加应力,反推出了Geedes式中的桩端阻力、桩侧阻力分担桩顶荷载的比例系数与桩长的数学表达式,并将Geedes竖向附加应力影响范围与Randolph提出的影响半径对比分析后,给出了桩基影响区域和非影响区域的界定半径;基于支护压力、注浆压力的理论取值范围及单位长度上土体损失量等于沉降槽面积的条件,利用三维弹塑性有限元进行计算分析,给出了支护压力、注浆压力在桩基非影响区域内的建议取值和土体损失的计算表达式;基于桩基非影响区域内盾构施工参数的建议取值及桩基对地层产生的附加应力,给出了桩基影响区域内盾构施工参数建议取值的数学表达式。研究结果表明:工作面的土压力阻力选取工作面静止土压力合力,注浆压力选取1.1倍的隧道埋深处水土压力时,对地层的扰动较小。     

考虑残余应力的基坑被动区土压力及强度计算

基坑开挖过程中坑内土体处于竖向卸荷状态,而土体在卸荷过程中是普遍存在残余应力的。为了分析土体卸荷引起残余应力对基坑被动区土压力及强度的影响,进行砂的静力模型加卸载试验,通过试验得到砂在卸荷过程中应力变化规律,即在卸荷初期砂中应力几乎不变,在荷载完全卸除后仍存在残余应力。通过分析影响土中残余应力的因素,建立归一化参数——残余应力系数ξ和卸荷比R之间的函数关系,结合坑内土体的受力特点,建立基坑被动区残余应力的计算公式。结合既有试验成果,提出利用考虑残余应力的竖向土压力和加载时的静止侧压力系数来计算基坑被动区土压力的方法。建立考虑残余应力的基坑被动区抗剪强度计算方法,并与室内试验结果进行对比,验证方法的正确性。     

柔性挡土结构空间土压力性状的三维有限元分析

为了研究基坑开挖对柔性挡土结构土压力空间分布规律的影响,进而为基坑的设计与安全防护提供相应依据,用ABAQUS建立基坑开挖的有限元模型,分析基坑开挖对挡土结构“单片墙”空间土压力的影响。考虑了不同刚度、有无支撑、不同开挖深度对挡土墙不同部位的土压力分布和挡土墙位移的影响,并将挡土结构三维土压力分布规律与二维数据进行了对比,验证了三维有限元模拟的必要性,对比了加支撑与否对基坑土压力空间分布的影响。结果表明:“单片墙”主动区土压力呈马鞍状分布,挡土结构后部土体的影响范围和下部土体的影响范围都约为2倍开挖深度;支撑结构极大地限制了墙后土体危险区域的范围,但是对墙下土体的限制作用并不是很明显。     

有限黏性土体主动土压力计算分析

当拟开挖基坑距已有建筑物地下室较近时,基坑支护结构承受的是有限土体的土压力,此时土压力不能采用建立在半无限假定基础上的朗肯理论或库伦理论进行计算。根据实际情况,建立有限黏性土体土压力计算模型,基于极限平衡理论及平面滑裂面假定,考虑地下室侧壁与有限土体间的相互作用力以及填土裂缝的基础上,建立有限黏性土体主动土压力计算公式,推导出有限黏性土体主动土压力系数表达式。通过与数值模拟结果及以往计算方法结果对比分析,考虑填土裂缝影响的黏性土体主动土压力计算方法更加符合实际。     

基坑开挖卸荷引起的公路桥梁桩基变形受力响应

采用两阶段分析法分析基坑开挖卸荷作用下公路桥梁的受力变形规律,首先基于明德林解析解,利用复合辛普森公式进行数值积分求解得出基坑侧壁卸荷与坑底卸荷同时作用下土体内桩体位置处的水平附加应力; 其次采用Kerr三参数地基模型建立公路桥梁桩基的挠曲微分方程,结合水平附加应力,利用有限差分数值计算方法得到桩基挠曲微分方程的数学解析矩阵表达式。利用所得计算公式对公路桥梁桩基附近有基坑开挖的工况进行计算,并通过与数值模拟计算结果的对比验证所提计算方法的有效性; 最后针对桩基轴向荷载大小、基坑与桩基距离及基坑三维尺寸进行了影响因素分析。结果表明:桩基轴向荷载的变化对桩基水平位移及桩身弯矩影响不明显; 随着桩基与基坑距离的加大,桩基水平位移及最大弯矩逐渐减小,并且在较大距离范围内桩基水平位移及弯矩变化愈发平缓; 开挖深度对桩基水平位移及弯矩的影响远大于开挖长度和开挖宽度,基坑开挖宽度对桩基的影响最小。     

双圆盾构"下穿"引起下立交底板的附加荷载分析

利用弹性力学Mindlin解,推导得到的双圆盾构正面附加推力、盾壳与土体之间的摩擦力引起的附加应力计算公式,对双圆盾构施工在下立交底板上引起的附加荷载进行了分析.研究结果表明:正面附加推力引起的附加荷载非常小,开挖面前方下立交底板上产生压力、后方产生拉力,拉力较压力小很多;盾壳摩擦力引起的附加荷栽分布规律与正面附加推力相似.但其引起的附加荷载较大,在两者共同作用中占主要地位;底板与盾构净间距、埋深、土体黏聚力对附加荷载大小及分布均有显著影响.     

堆载作用下被动桩的水平受力及位移分析

针对既有桩体在较大侧向堆载作用下会发生偏斜或挠曲变形甚至开裂折断,从而导致结构存在较大安全风险的问题,基于Flamant解建立条形荷载作用下的水平附加应力计算公式。考虑到桩-土界面的剪切效应,采用双参数地基模型进行桩后土体的桩-土受力分析。建立了被动桩的挠曲微分方程,采用MATLAB求解得到桩的内力及变形情况。采用文献中的不平衡堆载试验监测数据验证了计算公式的合理性。研究结果表明:堆载对桩基的侧向土压力影响主要分布在桩体的上半部分,受到的侧向土压力占桩体总侧向土压力的86%以上;随着堆载高度的增加,桩的侧向土压力、侧向位移和弯矩均呈现出增大的趋势;所得结论可为类似工程的安全性评价提供理论依据。     

相邻深大基坑安全距离理论分析与数值模拟

以两相邻深基坑为工程背景,采用极限平衡理论和平面滑裂面假定,对坑间有限土体建立了土压力计算模型。推导出考虑桩土摩擦、土质参数、坑间超载、基坑间距、邻近基坑支撑轴力等因素的主动土压力计算公式,给出了土压力保持不变时的基坑间距,即安全距离b的表达式。参数分析表明:安全间距b随两相邻基坑的开挖深度、桩土摩擦系数的增加而增大,随土体内摩擦角的增大而减小。接着采用PLAXIS有限元软件选取HS本构模型建立两相邻基坑数值模型,对安全距离的各影响因素开展了规律性研究,分析了不同基坑间距下土压力的数值解与本文理论解沿挖深的分布规律,发现二者有较好的吻合性,进一步验证了本文理论的合理性。     

地表超载作用下盾构隧道劣化机理与特性

对某软土地区地铁盾构隧道进行了调研与分析,发现盾构隧道在现有计算理论所允许的地表超载作用下极易发生横向变形超限,并引发管片纵缝接头破损与渗漏水,对此展开了模型试验、数值仿真及理论分析。研究表明:地表均布超载导致的隧道附加竖向土压力并不是均匀分布,且在隧道中心正上方一定范围内要大于地表均布超载;隧道的穿越土层越软弱,地表超载导致的隧道周围附加土压力对隧道结构抵抗横向变形越不利;隧道发生横椭圆变形过程中,管片纵缝接头是管片环中的最薄弱部位。最后提出了软土地区盾构隧道采用"刚性衬砌"的设计理念,并给出了加大管片纵缝接头强度与刚度的建议。     

地表堆载对既有盾构隧道纵向变形影响

临时基坑开挖弃土和建筑垃圾引起的地表堆载将对盾构隧道产生不利影响,威胁盾构隧道运营安全,因此有必要评估地表堆载作用下盾构隧道的变形。利用非线性Pasternak地基模型,考虑地基非线性变形特点,通过接头非连续盾构隧道计算模型反映盾构隧道环间接头的影响,利用两阶段法,推导得到地表堆载作用下盾构隧道纵向变形简化计算方法。首先,通过Boussineq解求得地表堆载下盾构隧道所受附加荷载; 其次,将附加荷载作用于盾构隧道,结合接头非连续盾构隧道模型推导得到盾构隧道在地表堆载作用下的纵向变形方程,并使用有限差分法对方程进行求解,最后结合2个工程案例验证了所提方法的合理性。结果表明:增加盾构隧道环间接头的转动刚度对减小隧道沉降的作用较小,但可以有效减小接头张开量; 增加堆载长度会同时增大盾构隧道沉降量和沉降范围,而增加堆载宽度只会导致隧道沉降量缓慢增加,但不会引起隧道沉降范围增大; 增大堆载边界线到隧道轴线的距离会有效减少堆载引起的沉降量。     

不平衡堆载作用下邻近结构桩的侧向受力机制

为了分析结构桩在邻近堆载作用下的受力特性,以条状梯形分布堆载为代表,基于布西奈斯克弹性理论解得出堆载作用下地基附加侧压力表达式,并据此通过对局部塑性变形理论模型的改进,推导得出桩前土体侧移作用下桩身实际附加荷载,同时考虑土体可能发生绕桩流动的极限状态,结合绕桩极限模型给出桩身被动荷载的合理确定方法;在此基础上,考虑地基土体塑性屈服和桩顶结构荷载的影响,基于三参数Winkler弹性地基梁模型,建立桩身自由段、被动受荷段和主动作用段的微分方程,并通过桩身离散与矩阵传递法给出结构桩被动受力特性的半解析解。实测结果、文献理论解与该解答的对比分析,验证了本文计算方法的可靠性。     

条形荷载不同分布模式下挡墙主动土压力研究

针对实际工程中墙后作用有不同分布模式的条形荷载、填土为黏性土,墙背与填土间存在黏着力,采用库仑土压力理论假设,从滑动楔体处于极限平衡状态时力的静力平衡条件出发,推导了适用多种复杂条件下的主动土压力计算式,并给出临界破裂角的显式解答以及各理论计算式适用范围的边界条件。该公式在多段条形荷载作用下可扩展应用,对于不分段条形荷载,只需作相应的简化后便可按相同的方法求解。受边界条件的限制,该公式存在一定的无解区。算例分析结果表明：条形荷载不同分布模式下,相关文献方法提出的主动土压力计算式与该公式的计算结果完全一致;由于未考虑条形荷载对滑动楔体临界破裂解的影响,规范方法得到的主动土压力偏小。     

复杂条件下挡土墙主动土压力解析解

基于库仑理论的平面滑裂面假设,综合考虑填土具有黏聚力和内摩擦角、挡土墙墙背和填土面均倾斜、填土与墙背间具有摩擦和黏着力、填土浅表具有张拉裂缝和表面有连续均布超载的复杂情况,采用薄层单元法,导出了作用于挡土墙上的主动土压力的解析解,可适用于黏性和无黏性填土的复杂条件;且证明现行经典朗肯理论和库仑理论主动土压力是解析解相应简化假设下的特例。多个工程实例计算均表明,公式计算结果与实测主动土压力非线性分布曲线吻合良好,因而解析解对实际工程中主动土压力的计算精度是可靠的,具有推广应用价值。     

高等级公路桥头软基真空联合堆载预压加固试验研究

对浃里陈大桥桥头试验段的孔隙水压力、分层沉降、地表沉降、土体水平位移等现场监测结果进行了分析;分析结果表明:在真空联合堆载预压加固软基的过程中,由负超静孔隙水压力与正超静孔隙水压力叠加后产生的联合超静孔隙水压力相对较小,一般小于0,有利于路堤的快速堆载;能大幅预消除沉降,工后沉降量小于100mm,满足桥头软基工后沉降要求;影响区土体水平位移沿水平方向距加固区边界20m之外相对较小,沿深度方向,15m以下基本上无水平位移。真空预压的有效影响深度可以大于10m。对地基土体的加固效果进行了检验,检验结果表明,真空联合堆载预压加固后,土体的强度明显增强,加固效果明显。最后结合试验监测成果,对真空联合堆载预压加固软基机理进行了分析,给出了附加应力分布图。     

地表超载对软、硬地层中既有盾构隧道影响的试验研究

为了探明地表超载对软、硬地层中既有盾构隧道的影响,通过隧道与地层相互作用的模型试验,对地表超载作用下隧道变形、土压力及土体沉降进行了量测。试验结果分析表明,相同的地表超载作用下,软土地层中的隧道横椭圆变形要大于硬土地层中的隧道横椭圆变形。当隧道穿越土层的土体压缩模量较小时,地表超载作用下隧道上覆土层表现为被动土拱土压力;当隧道穿越土层的土体压缩模量较大时则为主动土拱土压力。隧道竖向收敛变形与其穿越土层竖向压缩量之间的关系分析表明,隧道横断面变形刚度与穿越土层的土体压缩模量共同决定隧道上覆土层的沉降状态,从而决定了地表超载对既有盾构隧道的影响。研究成果定性地揭示了软土地区既有盾构隧道在地表超载作用下极易发生变形超限的机理。     

大面积堆载作用下轴向受力隔离桩的承载机制分析

 为分析大面积堆载作用下轴向受荷隔离桩的被动受力特性,首先从布辛奈斯克(Boussinesq)改进解出发,推导出各种形式堆载作用下水平附加压力的理论计算公式;在此公式基础上,从土体的运动和应力的传递方式入手,对考虑土拱效应的局部塑性变形理论进行改进,从而得到合理的隔离桩桩身被动荷载分布;最后,根据考虑土体局部塑性屈服及轴向荷载重力二阶效应影响的三参数Winkler弹性地基梁模型,建立桩身弹性段与塑性段的微分方程组,求解过程中采用矩阵传递法结合Laplace正逆变换的方法解得隔离桩桩身被动受力特性的数值解,并用试验数据进行验证。结果表明,数值解与模型试验实测值吻合较好,本研究中关于被动桩的求解方法具有较高的应用与参考价值。