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考虑非饱和土效应的基坑与边坡性状研究

作　者: 刘斌
导　师: 谢新宇；周建
学　校: 浙江大学
专　业: 岩土工程
关键词: 基坑工程非饱和土应力变量降雨基坑变形安全系数
分类号: TU43
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着人们对空间需求的日益增大,现代建筑向着更高更深的方向发展,越来越多的深大基坑工程应运而生。早在上世纪四十年代,就有学者对基坑工程进行了研究,其研究成果也不断涌现,在当今大力开发地下空间的环境下更是一个研究的热点。但现有基坑工程理论研究普遍滞后于实践应用,很多研究只是对实际工程的经验总结,缺乏严格的理论基础,故而容易出现一些工程问题；除施工质量欠佳外,设计方法缺乏严格的理论基础也是重要原因之一。基于这种现状,本文从理论出发,针对饱和土与非饱和土特性上的差别对基坑开挖的影响进行了分析和对比,以此来探索基坑研究的新方向。本文通过总结分析基坑研究现状,发现在工程中常常会由于水力环境的改变导致工程事故,而实际基坑中普遍存在的非饱和土具有独特的水力特性,但很多研究甚至设计规范中并没有考虑。对此,本文结合非饱和土理论对基坑开挖过程进行了初步探究。首先,将近些年的非饱和土本构模型进行分类,分析了模型中存在的问题,并从建立本构关系的应力变量上入手,基于微观结构、能量守恒、力学平衡三个方面对非饱和土应力变量进行分析判断,提出关于如何选取非饱和土应力变量的原则。在此基础上对现广泛应用的应力变量进行分析,旨在为非饱和土本构理论研究提供合理的指导和依据。随后,通过该选取原则,选取Lu提出的基于吸应力的非饱和土有效应力作为应力变量进行研究,将该有效应力与Mohr-Coulomb模型结合,建立了非饱和土本构关系。将该模型运用到某边坡工程实例中,建立一个边坡降雨过程模型,用于模拟降雨入渗对边坡应力应变的影响。模型模拟结果与实测结果对比发现,该模型能较好地模拟边坡降雨变形情况,也能反映应力变化的趋势。故模型能较好地反映降雨对非饱和土边坡的实际影响情况。最后,本文对非饱和土特性在基坑开挖中的影响进行了探索性研究。采用ABAQUS程序,建立理想的无支护粉土基坑放坡开挖模型,以便分析非饱和土特性在开挖和降雨过程中对基坑的影响。计算结果表明,在饱和与非饱和开挖下,基坑变形差别较大,且稳定性也有较大的差异,非饱和开挖比饱和开挖更为稳定性；通过对不同降雨强度下非饱和土基坑边坡的降雨分析发现,降雨会使坡面向坑内变形,安全系数也随之降低,且降雨强度越大,相对变形越大,安全系数越低。上述数值模拟结果表明,非饱和土特性对基坑开挖过程有着不可忽视的影响,尤其是降雨过程中,要特别注意边坡的稳定性。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-6
ABSTRACT  6-8
目次  8-11
1 绪论  11-28
  1.1 引言  11-12
  1.2 基坑工程研究现状  12-20
    1.2.1 基坑变形  12-13
    1.2.2 基坑稳定  13-19
    1.2.3 基坑渗流  19-20
  1.3 考虑非饱和土效应的基坑与边坡研究现状  20-26
    1.3.1 非饱和土在边坡工程中的应用  22-24
    1.3.2 非饱和土在基坑工程中的应用  24-26
  1.4 本文的研究意义和主要研究内容  26-28
2 非饱和土本构模型研究  28-64
  2.1 引言  28-30
  2.2 非饱和土本构模型现状研究  30-47
    2.2.1 弹性模型  30-33
    2.2.2 弹塑性模型  33-42
    2.2.3 基于热力学的孔隙介质理论模型  42-44
    2.2.4 其他模型  44-47
  2.3 本构模型存在问题探讨  47-62
    2.3.1 应力变量选取问题  48-58
    2.3.2 屈服面耦合问题  58-61
    2.3.3 参数确定问题  61-62
  2.4 小结  62-64
3 基于吸应力理论的非饱和土边坡降雨影响实例研究  64-92
  3.1 引言  64
  3.2 非饱和土理论模型  64-70
    3.2.1 应力变量  64-67
    3.2.2 本构模型  67-68
    3.2.3 水力特性  68-70
  3.3 工程概况  70-74
  3.4 数值建模  74-82
    3.4.1 数值模拟基本假定  74
    3.4.2 几何模型及网格划分  74-75
    3.4.3 基本方程  75-76
    3.4.4 渗流方程  76-77
    3.4.5 边界条件  77-78
    3.4.6 模型和土体参数  78
    3.4.7 有限元算法  78-81
    3.4.8 有限元计算过程  81-82
  3.5 结果分析  82-90
    3.5.1 水平位移  83-85
    3.5.2 孔压变化  85-88
    3.5.3 坡面竖向隆起  88
    3.5.4 水平膨胀应力变化  88-90
  3.6 小结  90-92
4 非饱和土有效应力模型在基坑开挖中的应用  92-125
  4.1 引言  92
  4.2 非饱和土模型选择  92-94
  4.3 基坑开挖模型简介  94-102
    4.3.1 几何模型及计算工况  94-95
    4.3.2 模型参数选取  95-97
    4.3.3 网格划分  97-98
    4.3.4 边界条件  98-100
    4.3.5 计算分析过程  100-102
  4.4 数值模拟结果分析  102-123
    4.4.1 饱和与非饱和开挖变形对比  102-109
    4.4.2 饱和与非饱和开挖稳定性对比  109-112
    4.4.3 降雨过程对基坑边坡的影响  112-121
    4.4.4 模拟结果定性对比  121-123
  4.5 小结  123-125
5 结论与建议  125-129
  5.1 结论  125-127
  5.2 建议  127-129
参考文献  129-140
作者简介  140

考虑非饱和土效应的基坑与边坡性状研究

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