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复杂荷载作用下软土基坑变形特性研究

作　者: 郑坚昭
导　师: 陈晓平
学　校: 暨南大学
专　业: 结构工程
关键词: 软土基坑卸荷强度车辆荷载基坑变形数值分析
分类号: TU447
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着我国经济建设的发展,特别是沿海地区经济的快速发展,越来越多的建筑物被建设在软土地区上,而随着软土地区建筑物的密集度越来越高,预测与控制软土基坑的变形对工程具有更为深远的意义。本文以广州地区软土基坑为研究对象,考虑软土的开挖效应及基坑坑顶行走车辆等复杂荷载,采用数值计算方法,对基坑开挖的变形特性进行了研究。主要研究内容如下：1.通过对基坑土体在卸荷条件下的强度特性进行研究讨论得出,土体在卸荷条件下强度指标有所降低。根据实验结果可知,卸荷土体的临界状态线的斜率比加荷条件下的小,即土体经过侧向卸荷之后,其抵抗破坏的能力有所降低。根据某典型灰黑色淤泥质软土在两种剪切条件下(加荷与侧向卸荷)的试验结果整理得出相应的临界状态线的斜率分别为1.2和1.07。通过讨论土体卸荷影响深度给出了软弱基坑数值计算模型深度应不小于基坑开挖深度的3.33倍。2.通过现行规范和已有研究成果,探讨了基坑坑顶超载的计算模型。通过一个算例指出,由于基坑问题和挡土墙问题在平面尺度、深度尺度方面的不同及荷载扩散方式的不同,如果取基坑的一个支护断面进行平面分析时,采用等代土层厚度法来模拟车辆荷载是不合适的。3.分析了不同的坑顶]车辆荷载模型及车辆荷载动载系数。可通过选取适当的车辆荷载模型并适当简化,同时将车辆动载换算成拟静力荷载,即可适当地考虑车辆的动载效应,这种简化方法对于实际工程有实用价值。4.分析了几种常用土的本构模型在基坑工程中的适用性,选择了修正剑桥模型作为软弱基坑开挖过程变形分析土的本构模型。通过某典型灰黑色淤泥质软土的试验结果确定了所需的模型参数为λ=0.135,κ=0.028,M=1.2,卸荷时M=1.07。提出在数值计算中通过修正土体本构模型的参数来考虑软土的卸荷效应。5.基于上述软土卸荷特性、车辆荷载模型、土体本构模型研究,建立了有限元计算模型。通过对各种荷载条件和土体状态的综合计算,得出了基坑在开挖与支护过程中坑周土体的变形规律和支护结构的变形特征。计算结果表明：若以一般基坑设计中坑顶均布超载作为对比基础,则考虑开挖过程中的卸荷效应时,坑周土体和支护结构的变形都将增加；而考虑车辆荷载静载时,坑周土体及支护结构的变形已接近规范报警值；当考虑车辆动载时已超过规范规定报警值,在同时考虑卸荷效应及车辆动载时,其变形更是明显增加。因此常规设计中不考虑卸荷效应和车辆荷载效应对于基坑来说是偏于不安全的。6.计算结果也表明,坑顶车辆超载的大小及形式对开挖范围内的上部土体及支护结构的水平位移影响较大,沿基坑深度逐渐减小,达到一定深度时可以忽略。土体的卸荷效应对坑周土和支护结构的变形及支撑轴力产生的影响深度明显大于坑顶荷载的影响。这一结果可为支护结构设计提供指导。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-8
目录  8-10
第1章绪论  10-20
  1.1 引言  10-11
  1.2 研究现状  11-18
    1.2.1 软土开挖条件下的强度特性  11-13
    1.2.2 车辆荷载特性及分析模型  13-16
    1.2.3 软弱基坑开挖的分析方法  16-18
  1.3 本文主要研究内容  18-20
第2章基坑开挖土体卸荷特性及坑顶车辆荷载  20-33
  2.1 引言  20
  2.2 软土在卸荷条件下的强度特性及变形特性  20-26
    2.2.1 基坑开挖中土体的应力路径  20-21
    2.2.2 土体在卸荷条件下的强度特性  21-25
    2.2.3 土体卸荷影响深度  25-26
  2.3 基坑坑顶车辆荷载模拟  26-33
    2.3.1 坑顶车辆超载的形式  27-30
    2.3.2 车辆动载系数  30-31
    2.3.3 车辆荷载的影响深度  31-33
第3章土的本构模型及参数  33-45
  3.1 引言  33
  3.2 土的弹性模型及开口型弹塑性模型  33-37
    3.2.1 土的线弹性模型  33-34
    3.2.2 土的非线性弹性模型  34-35
    3.2.3 土的开口型弹塑性模型  35-37
  3.3 剑桥模型及修正剑桥模型  37-41
    3.3.1 正常固结曲线和回弹曲线  38
    3.3.2 临界状态线(CSL)  38-39
    3.3.3 屈服面函数  39
    3.3.4 硬化和软化行为  39-40
    3.3.5 弹性参数  40-41
    3.3.6 模型计算参数的确定  41
  3.4 基坑开挖土体本构模型的选择  41-45
第4章软土基坑开挖数值模拟  45-68
  4.1 引言  45
  4.2 基坑开挖数值分析模型  45-49
    4.2.1 ABAQUS简介  45
    4.2.2 有限元模型及边界条件  45-46
    4.2.3 本构模型及模型参数  46-48
    4.2.4 初始应力场  48
    4.2.5 基坑开挖数值模拟步骤  48-49
    4.2.6 基坑开挖数值计算方案  49
  4.3 基坑开挖数值计算结果  49-68
    4.3.1 仅考虑坑顶常规均布荷载基坑开挖  49-54
    4.3.2 考虑土体侧向卸荷的基坑开挖  54-56
    4.3.3 考虑坑顶车辆静载条件基坑开挖  56-59
    4.3.4 考虑基坑坑顶车辆动载基坑开挖  59-62
    4.3.5 同时考虑土体卸荷效应及基坑坑顶车辆荷载基坑开挖  62-65
    4.3.6 计算结果分析  65-68
第5章结论与展望  68-70
  5.1 结论  68-69
  5.2 进一步研究的建议  69-70
参考文献  70-75
致谢  75

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