（岩土工程专业论文）基坑开挖土体的变形性状及本构模型试验研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 随着高层建筑、地铁、核电站等大型重要工程的建设和发展，深基坑工程已 成为岩土工程领域的重要课题。基坑工程的特殊性在于开挖卸载，不同部位土 体的卸载应力路径是不一样的，施工过程中不仅要保证基坑本身的安全与稳 定，而且要有效的控制基坑周围地层移动以保护周围环境。土体在开挖卸荷条件 下的力学特性是确定深基坑工程模拟分析和设计计算特征参数的依据。长期以来， 深基坑数值分析与设计计算所采用的土体强度参数均由常规三轴土工加载试验方 法获得，忽略了深基坑开挖卸荷的特定条件，使得基坑支护结构的土压力及变形 实测值与计算值存在一定的差异。 本文结合基坑开挖工程的实际特点，采用普通三轴和真三轴模拟深基坑开挖 土体的卸荷实际应力路径试验，来研究深基坑土体的工程特性以确定土体参数与 本构模型，使深基坑设计参数与设计理论更加符合实际工程状况，这对于深基坑 工程的数值分析与优化设计，保证基坑工程的变形、安全与稳定，具有十分重要 的理论意义和实际意义。 本论文的主要研究内容和成果如下： 1 针对深基坑开挖卸荷的实际应力状态，通过对常规应变控制式三轴仪的改 造，设计了符合基坑开挖特点的三轴试验方法，选取武汉地区具有代表性的饱和 粉质粘土进行了模拟排水条件下基坑开挖侧向卸荷过程的试验研究，并对试验所 得的各种曲线进行了对比分析。 2 根据普通三轴和真三轴试验的结果，对d i i n c a n c h a n g 模型进行了研究， 运用基坑开挖侧向卸荷过程中的变形模量计算公式来代替邓肯一张模型中基于 玛一船t 推导出的切线模量公式，以验证d 岫c a n c h 柚g 模型对于复杂应力路径 下土体应力一应变特性的适应性。 3 将d u n c a n c h a n g 非线性弹性模型应用于平面应变情况，针对d 帅c a i 卜a l 卸g 模型不能反映中主应力的影响，对邓肯一张模型进行了改进，确定了模型中的参 数，并用理论计算所得应力一应变关系曲线和试验所得应力一应变关系曲线进行 对比分析，探讨了该模型对于卸荷工程这类特殊应力路径的适应性。 关键词：基坑开挖，侧向卸荷，三轴试验，模量公式，d l m c a n c h 柚g 模型 湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hc o n s t r u c t i o na n dd e v e l o p m e n to fs o m el a r g ei m p o r t a n te n g i n e e r i n gp r o j e c t s s u c ha sh i g h r i s eb u i l d i n g s ，s u b w a y s ，n u c l e a rp o w e rs t a t i o n sa n ds oo n ，d e e pe x c a v a t i o n h a sb e e nac r i t i c a l q u e s t i o ni ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g t h ep r o j e c to ff o u n d a t i o np i t p a r t i c u l a r i t yl i e si nt h eu n l o a d i n gi np r o c e s so fe x c a v a t i o n s o i lo nt h ed i f f e r e n ts p o th a s d i 疵r e n tu n l o a d i n gs t r e s sw a y i nt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s sf o u n d a t i o np i t ss e c u r i t ya n d s t a b i l i t yn o to n l ym u s tb eg u a r a n t e e d ，b u ta l s ot h es t r a t u mm i g r a t i o nm u s tb ec o n t r o l l e d e f f e c t i v e l yt op r o t e c tt h ee n v i r o n m e n t i nu n l o a d i n gc o n d i t i o n ，t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s f o ras p e c i f i e ds o i la r et h eb a s i so fd e t e r m i n i n g p a r a m e t e r sr e q u i r e dt o s i m u l a t i n ga n a l y s i sa n dd e s i g no fd e e pe x c a v a t i o n f o ral o n gt i m e ，p a r a m e t e r so fs h e a r s t r e n g t ho fs o i lu s e di nd e s i g no fe x c a v a t i o na r eo b t a i n e db yn o r m a lt r i a x i a l t e s t u n l o a d i n gc o n d i t i o ni nt h ee x c a v a t i o np r o c e s si su s u a l l yi g n o r e d i tr e s u l t si nt h e d i 自f c r e n c eo fm e a s u r e de a r t hp r e s s u r ea n dd i s p l a c e m e n ta n dc a l c u l a t e dv a l n eo nt h e s u p p o a i n gs t r u c t u r eo fe x c a v a t i o n t h i sa r t i c l eu s e st h en o r m a lt r i a x i a la n dt h et r u et f i a x i a l s i m u l a t i o ns t r u c t u r e e x c a v a t i o ns o i l u n l o a d i n gs t r e s sp a t h ，s t u d i e st h ep i te x c a v a t i o n s o i lt h ep r o j e c t c h a r a c t e r i s t i ct od e t e r m i n et h es o i lp a r a m e t e ra n dt h i sc o n s t r u c t i o nm o d e l t of o u n d a t i o n p i td e s i g ns o i lp a r a m e t e rw i t ht h i sc o n s t r u c t i o nm o d e ls e l e c t i o nm o r ec o n f o r mt ot h e p r o j e c ta c t u a lc o n d i t i o n ，t h i sh a st h ee x t r e m e l yv i t a ls i g n i f i c a n c et h e o r ya n dp r a c t i c e m e a n i n gr e g a r d i n gt h ep i te x c a v a t i o np r o j e c tn u m e r i c a la n a l y s i sa n dt h eo p t i m i z e d e s i g n t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ta n da c h i e v e m e n th a v e b e e no b t a i n e da sf o l l o w s ： 1 a c c o r d i n gt ot h er e a l i s t i cs t r e s sp a t ho fd e e pe x c a v a t i o n ，n o r m a lt r i a x i a l a p p a r a t u so fs t r a i nc o n t r o lw a st r a n s f o r m e da n dt r i a x i a lt e s tc o n f o r m i n gt od e e p e x c a v a t i o nc h a r a c t e r i s t i cw a sd e s i g n e d t h e s et e s t sw e r ed o n ew i t hs a t u r a t e ds o i lo f w u h a nu r b a nd i s t r i c t sa n dt h e na n a l y z i n gt h ec u l n e so b t a i n e df r o mt h er e s u l t so ft e s t 2 a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft r u l yt r i a x i a lt e s ta n dn o r m a lt r i a x i a lt e s t s t u d i e sa r e d o n et od e c i d et h ep a r a m e t e ro ft h ed u n c a n c h a n gm o d e l u s eam o d u l u sf o r m u l af o r t h ef o u n d a t i o ns o i l i nt h el a t e r a lu n l o a d i n gs t r e s sp a t ht e s t st or e p l a c et h em o d u l u s f o n l l u l ao fd u n c a n c h a n gm o d e lb a s e do nt h e 以- c o i l sti no r d e rt o v e r i f yt h e a d a p t a b i l i t yo ft h ed u n c a n c h a n gm o d e jt ot h ec o m p l i c a t e ds t r a i ns t r e s sp a t h 3 a p p l yt h ed u n c a n - c h a n gh y p e r b o l an o n l i n e a re l a s t i cc o n s t i t u t i v em o d e lt o s i m u l a t et h ep l a n es t r a i nt e s t am e t h o dt oi m p r o v et h ea b i l i t yo fd u n c a n c h a n gm o d e l t ot a k ei n t oa c c o u n tt h ee f f e c t so ft h ei n t e r m e d i a t ep r i n c i p a ls t r e s so nt h es t r e n g t ha n d d e f o r m a t i o nh a v eb e e np r e s e n t e da n da l lt h em o d e ip a r a m e t e r sh a v eb e e nd e t e r m i n e d t h ea d a p t a b i l i t yo ft h em o d e lt ot h es t r e s sp a t ho fu n l o a d i n ge n g i n e e r i n gi sv e r i f i e db y c o m p a r i n g t h et h e o r e t i c a ls t r e s s - s t r a i nr e l a t i o n s h i pa n dt e s ts t r e s s - s t r a i nr e l a t i o n s h i p 湖北工业大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：e x c a v a t i o n ，l a t e r a lu n l o a d i n g ，t r i a x i a lt e s t ，m o d u l u sf o r m u l a ，d u n c a n - c h a n g m o d e l m 佩 l 亡工案火港 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：柯惶日期：卿年6 月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名： 何坦 日期：坷年6 月占日 指导教师签名：茬。穗 日期：】时年月亭日 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景及论文选题 基坑工程是岩土工程学科一个古老而又有时代特点的课题。早在远古时代， 人类就开始进行放坡开挖和简易木柱围护。2 0 世纪以来，随着世界经济的发展和 人们对居住条件要求越来越高，城市规模不断扩大，土地供应与需求矛盾日趋尖 锐，为充分利用空间以缓解城市用地困难，现代化城市采用向高空于地下发展的 策略，即房屋高层化、交通立体化、市政管线紧密集中化的空间立体集约发展模 式。大量高层建筑以及地下工程的不断涌现，深基坑工程数量迅速增多“。地下 空间作为一种尚未开发的资源引起人们的广泛关注，深基坑支护结构的设计与施 工问题成为岩土工程的热点。 基坑工程是大型的土体开挖工程，其最直接的后果是引起周围土体应力应变 场的改变与重分布，导致周围地层的移动。在老城市的建设改造中，基坑工程往 往集中于城市中心地区，那里建筑物密集，设施大多老化，对沉降、变形反应敏 感，而这些地区又大多是城市的繁华或生命线地带，在基坑工程的环境保护方面 要求也很高。一旦发生事故，产生的后果与损失将难以估量，影响巨大。深基坑 的开挖过程实质上是基坑开挖面及挡墙面水平方向的卸荷过程。1 ，这一过程使地基 土的初始应力状态发生了改变，地下水位发生变化。这种应力路径与筑路、建坝 等典型的土体加荷工程的应力路径是完全不同的。应力路径的不同，对于土的有 效强度参数影响不大，但对于土的变形特性却有强烈的影响”1 。有资料表明，卸 荷状态下粘性土的工程性质与加荷状态有很大差别”“。 随着基坑工程的发展，深基坑的设计与施工不仅要求基坑本身的安全与稳定， 而且要求有效地控制基坑周围地层移动，减少由基坑开挖引起坑周地表沉降与不 均匀沉降，这体现了深基坑工程由强度和稳定控制设计向变形控制设计发展的要 求，对软土地区尤其如此。为了保证基坑的稳定，满足变形控制的要求，确保基 坑周围原有建筑物、构筑物、地下管线及道路等的安全，必须尽可能准确地预估 深基坑开挖引起的土体及支护结构的变形。 目前，在使用经验理论进行变形控制的设计与施工中，存在理论模型的计算 参数取值问题，理论计算的准确程度取决于两点：其一是理论的模型与实际情况 的拟合近似程度；其二是所用模型中各计算参数在工程中能否测定以及其精确程 湖北工业大学硕士学位论文 度。如果选用的参数不符合深基坑工程丌挖的实际情况，理论上再完善的设计计 算方法也不可能提供令人满意的结果。然而，长期以来，人们己经习惯于常规的 “加荷”的土力学研究方法，支护结构上土压力及变形的计算并没有全面细致地 考虑深基坑开挖的实际应力路径，这自然会导致基坑支护结构设计的缺陷。因此， 模拟深基坑开挖卸荷过程，选择符合深基坑开挖过程应力状态的应力路径试验方 法来探讨深基坑开挖土体的工程特性显得非常必要，所得符合深基坑工程实际的 本构模型及参数，结合现代设计计算手段，能够使设计结果更可靠、准确。 1 2 论文研究的目的和意义 随着城市化、工业化发展进程加快，人们不得不在极其困难的工程环境中开 发建设巨大的工程项目，大大缩小了对环境的选择空间。地下空间的开发利用就 是这方面的例子。随着国民经济的增长，大规模的地下空间的开发利用有可能提 到日程上来。与此同时，人们意识到，不恰当的工程作用造成岩土环境的失衡， 如高层建筑深基坑开挖造成场地周围地面沉降、裂缝以及对已建构筑物的影响， 都是不可低估的。 深基坑的变形控制是时空效应的一个重要内容，也是深基坑工程中引人关注 的重大问题，其变形包括相邻基坑附近地区由于深基坑的开挖和降水引起的地面 变形，同时也包括深基坑支护结构本身的向基坑内倾变形等问题。由深基坑开挖 引起围护结构变形以及降低地下水位造成地面的沉降，是深基坑工程环境效应的 主要问题。如何控制深基坑工程因开挖引起的土体位移，如何在确保工程质量与 施工进度的同时，保护邻近建筑与市政道路、各种管线设施的安全，已受到岩土 工程界的高度重视，环境岩土工程为解决这些问题而发展起来。因此，有必要深 入系统地研究深基坑开挖过程中基坑周边土体的强度和变形规律。 土的工程性质是十分复杂的，土的种类繁多，而且任何一种土的工程性质又 随它的存在状态和外界条件而有很大变化，在没有深入了解土的力学性质的变化 规律以及没有条件进行复杂的计算以前，不得不将土工问题的解决办法做一定程 度的理想化和简化。六十年代以来，由于电子计算机和计算技术的发展，特别是 有限单元法的发展，已可以将更接近于土的本质的各种复杂的模型纳入计算中去， 现代科学技术的发展，也提高了土工试验的测试精度，为研制数学模型和正确测 定各项参数提供了重要依据。但是，相对来说，由于土的结构性和其力学性质的 复杂性，使得对土性计算参数的确定和本构定律的研究远远落后于计算技术的发 展，土性计算参数选择不当引起的误差，也往往远大于计算方法本身的精度范围。 2 湖北工业大学硕士学位论文 因而，对土的基本力学性质的研究和对本构定律与计算方法j 下确性的验证，已成 为两个重要的研究方向，引起土力学界的普遍重视。结合与土力学密切相关的大 型土建工程( 如高层建筑下深基坑、软土区隧道开挖等) 中土单元体的应力状态， 进行土的工程性质试验研究具有重要的理论和实践意义。 本论文立足于深基坑开挖对场地环境的影响研究，探讨排水条件下基坑开挖 侧向卸荷过程产生的力学现象，进而研究排水条件下基坑开挖卸荷土体的强度和 变形规律，以及该应力路径下土体所适合的本构模型，为研究周边地表沉陷、裂 缝、深基坑支护上的土压力变化等计算和发生机理提供理论基础，同时对深基坑 工程设计有一定的实用价值和理论意义。 本论文分别在轴对称状态和平面应变状态下，进行侧向卸荷试验，测试原状 粉质粘土的应力应变变化规律，研究粉质粘土在排水卸荷条件下强度及变形特性 等相关问题，并对不同应力状态下土体的变形性状进行了比较分析，同时对排水 卸荷条件下土体的本构模型进行了分析和验证。本论文的研究方法及成果对今后 进行土体卸荷性状方面的研究具有借鉴与指导意义。 1 3 基坑开挖土体的试验研究现状 1 3 1 二维应力状态下卸荷试验研究 对于深基坑而言，开挖卸荷效应是不容忽视的重要问题，开挖卸荷的特殊加 荷方式不同于一般土工问题，为了建立适用卸荷条件下的土体本构模型，人们对 土体在卸荷状态下的性状逐渐关注并开展了一些研究。曾国熙教授曾对粘性土地 基基坑开挖性状进行了研究，模拟不同应力路径作了试验，试验表明，沿不同应 力路径土体的应力应变关系差异很大。 z m o r o za n dv a n o r r i s ( 1 9 8 2 ) “”指出岩土材料在卸荷过程中并不表现为纯 弹性，屈服面只包围了加载点附近的一个很小的弹性区域，在某些情况下屈服面 根本不存在，一个有潜力的模型理论应允许在极端情况下，取消弹性域和定义反 向加载事项。 m p a s t o r ，0 c z i e n k i e w i c za n dk h l e u m g ( 1 9 8 5 ) “”在模拟砂土的循环变形 特征中，引入了卸荷塑性模量。 巢斯( 1 9 8 8 ) 1 用原状粉质粘土作了拉伸试验、拉伸再压缩试验及各向等压 的加卸荷试验，提出了补偿式深基础的变形沉降计算方法。 曾国熙等( 1 9 8 8 ) “”认为在卸萄过程中，正常固结饱和粘土的应力一应变关系 湖北工业大学硕士学位论文 曲线可用双曲线拟和，提出了考虑应力路径的模量公式：置，2 y 。f ，l 。, e 1 - rs 、， 陈永福，曹明葆( 1 9 9 0 ) “”对上海地区灰色粘土进行了卸荷一再加荷三轴试验， 提出了估算基坑回弹和全补偿沉降的计算式，并探讨了三轴试验条件下土样的卸 荷一再加荷特性，建立了相应的应力一应变模型。 刘国彬、侯学渊( 1 9 9 3 、1 9 9 4 ) “”“8 “”对上海地区有代表性的原状软土，用应 力路径三轴仪模拟基坑和隧道施工过程中的应力路径进行了不同类型的卸荷试 验，发现软土的应力一应变关系与应力路径密切相关。对软土的卸荷模量进行了 系统的分析，发现软土的加卸荷特性有着显著的差别，卸荷模量随着平均固结压 力和应力路径等的变化而变化，给出了初始卸荷模量及卸荷状态下的切线弹性模 量的计算公式，提出基坑开挖卸荷的残余应力概念，建议了一个可考虑实际应力 路径影响的基坑隆起量的实用计算方法，并给出了工程计算实例。 林宏达等( 1 9 9 4 ) 1 利用均向及自动化l ( 0 压密三轴仪进行不排水蠕变试验，探 讨了深开挖基坑旁的台北粉质粘土在不同蠕变应力路径下的不排水蠕变特性。由 试验知：台北粉质粘土的蠕变相当显著，且在不同应力路径下较高应力比时皆有可 能发生蠕变破坏。在均向压密轴向加载的情况下，不同超压密比的粘土具有相同 的蠕变特征，且与均向压密侧向减压的蠕变行为相似，但l ( 0 固结后土体的蠕变特 征因初始剪应力的存在则略有不同。l ( 0 固结后因初始轴向应变量较大，土体刚度 提高，使得瞬间蠕变量即使是在高应力比情况下也很小，随着时间的增加蠕变量 才逐渐变大。 刘国斌、侯学渊( 1 9 9 6 ) 。”对软土的室内应力路径试验研究表明：软土卸荷 模量远大于常规三轴试验所获得的压缩模量或弹性模量，应力路径对软土的模量 的影响非常显著，并建立了考虑应力路径影响的卸荷模量计算公式。 袁静( 1 9 9 7 ) 1 采用杭州地区有代表性的饱和软土进行卸荷应力路径的l ( o 固 结三轴试验，以k 固结常规三轴试验作为参照进行分析。确定出不同应力路径的 应变、孔压、孔隙水压力系数与时间的曲线、应力应变曲线，初始切线模量、 不排水抗剪强度的变化规律以及有效应力路径与轴向固结压力的关系，建立了地 基反力系数k h 与初始切线模量的相关公式，确定开挖状态下基坑各部分土体在各 自应力状态下的m 值变化规律，推导出包含应力路径影响的m 参数的表达式。 程相华( 2 0 0 0 ) “”选取原状淤泥质粘土，利用自剪仪进行了卸荷土体强度路 径及强度特征试验研究，分析了土体卸荷与加荷两种受力状态下的不同强度特征。 张荣堂( 2 0 0 0 ) “1 对汉口的黄色和深灰色淤泥质亚粘土做了减p 应力路径试 验，在试验数据的基础上建立了减p 路径下饱和秸性土的简化本构方程，认为软 粘土的应力轴应变关系可用归一化双曲线关系来表示。 4 湖北工业大学硕士学位论文 i i 秦爱芳、y ul i ( 2 0 0 2 ) ”以原状淤泥质粘土试验为基础，探讨了软土地区基 坑开挖坑底被动区土体处于卸荷状态时，其强度变化的特征及范围，结果对分析 基坑稳定、变形及确定坑底被动区土体加固范围等具有参考价值。 李守德、张土乔、王保f 开等( 2 0 0 2 ) “通过侧向卸荷应力路径试验，在普通 三轴仪上模拟了基坑周边土体侧向卸荷应力路径试验，分析了天然固结地基土在 基坑开挖侧向卸荷过程中墙后土体的变形规律，并引用d 仰c a n - c h a n g 模型的计算 参数推导了其模量公式。 韩高升。”对取自武汉某深基坑工程的粉质粘土进行了大量的l ( 0 固结不排水三 轴试验，对卸荷状态下的基坑土体的变形性状进行了研究，推导了基坑土体卸荷 切线模量计算公式： 伸长试样：e 一【1 一乏磊i 者衰兰专兰r ，】2 e ( 1 - 1 ) 2 c c o s 妒+ 幻，s i n 妒一露，0 一s j n 妒) 。 压缩试样：。【1 + 上二里塑竺竺) 一一r ，】z e ( 卜2 ) 2 c c o s p + 幻，s i n 妒+ q 。( 1 + s j n 妒) 1 张文慧、王保田、张福海( 2 0 0 4 ) ”1 对一种粉质粘土进行各向等压轴向加载 三轴压缩试验和等应力比固结侧向卸荷三轴试验获得的土体变形参数，对一个工 程实例进行了有限元分析，结果表明：等应力比固结侧向卸荷三轴试验获得的土 体变形参数的计算结果与实测资料比较吻合。 1 3 2 三维应力状态下卸荷试验研究 近年来国内在有关卸荷方面的试验研究，所用仪器大都采用普通三轴仪，这 种仪器系大多数单位作常规三轴试验的常用仪器，由于普通三轴仪只能对土体施 加两个方向的应力，使土样处于轴对称的应力状态，只能反映土样在轴对称应力 状态下的强度和变形规律，并不能很好的模拟基坑土体在天然状态下所受三向应 力下的应力状态，因此通过常规三轴试验所测定的土的各项性质指标并不能很准 确的描述土体的真实受力状态，从而用于工程实践中时也会和实际工程有一定的 差别。从7 0 年代开始，各种真三轴仪被广泛地研制和改进，该仪器能够在土样上 独立地施加三向不等的主应力，并量测相应三个主方向上的主应变，因此它能够 模拟士体在真实应力状态下的条件，对研究土体的各项性质指标起到了巨大的推 动作用，近年来通过真三轴仪研究土体的受力变形特征取得了很多试验成果”1 1 ， 这加深了对土的力学性质的认识，也进一步推动了土的本构关系模型理论的发展。 刘祖德、孑l 官瑞( 1 9 9 3 ) ”1 用日本生产的d 1 n c _ - 2 6 8 型真三轴仪对膨胀土进 行了平面应变卸荷试验，试验结果表明：大小主应力易向，应变陡增现象，是膨 胀土组构和剪应力易向的反映，泊松比随侧向压力的卸除，从起始值1 0 逐渐减小 5 湖北工业大学硕士学位论文 到0 5 ，再减到小于0 5 ，土的体积由剪缩过渡到剪胀。 朱俊高、卢海华、殷宗泽( 1 9 9 5 ) 3 对标准砂和风干粘土的击实试样进行了 真三轴应力一应变关系试验研究，发现当某方向给土体施加压应力增量而其侧 向应力保持不变时，侧向变形未必都是膨胀的，也有可能是压缩的，印泊松比未 必总是正值，这是有异于经典力学理论的现象。 袁聚云、杨熙章、赵锡宏等( 1 9 9 5 ) “”自行研制了i ( 0 固结真三轴仪，并对上 海软粘土进行了一系列的l ( 0 固结试验，试验表明：当土体中的初始应力状态为各 向异性时，中主应力对土体的抗剪强度和变形是有影响的。 袁聚云( 1 9 9 6 ) “2 1 利用同济大学自行研制的真三轴仪对上海软土各向异性进 行研究，试验表明：对于上海软土，中主应力对土体应力一应变关系是有影响的。 随着中主应力比b 值的增加，土体强度和初始切线模量也增加，l ( 0 固结真三轴排 水剪切试验的强度和初始切线模量e 均大于各向等压固结真三轴排水剪切试验的 相应值。 张于龙( 1 9 9 7 ) “3 1 在真三轴仪上做了膨胀土等主应力比卸荷试验，试验表明 膨胀在平面应变状态下等主应力比卸荷时，应力一应变关系均为双曲线型，这 反映了膨胀土在进行边坡开挖时，仍表现为较为明显的非线性性状。 徐志伟( 2 0 0 0 ) “”根据实际工程中可能存在的某种应力路径，对粉砂、细砂 和中砂进行了几组真三轴试验，研究表明：在特定的应力路径下排水剪切，小主 应力方向膨胀，泊松比可以大于0 5 甚至大于1 ，中主应力方向首先压缩，随后膨 胀，泊松比可以小于0 ，这是现代土力学和有限元分析中不曾考虑的现象和结果。 李广信( 2 0 0 0 ) ”5 1 用承德中密砂进行的真三轴试验表明：1 随b 的增加，应 力一应交关系曲线交陡，峰值强度点提前，应变软化现象更显著；2 随着b 的增 加，土的体变压缩量有所增加，剪胀量减少；3 随着b 的增加，应力一应变的卸 载一再加载曲线也变陡，卸载时有体积回弹现象。 董建国、李蓓、袁聚云( 2 0 0 1 ) 1 对上海绿色粉质粘土的真三轴不排水试验 结果表明：上海暗绿色粉质粘土原状土样存在局部化变形，土样经历了剪切带开 始形成、峰值偏应力、剪切带完全形成等阶段的渐进性破坏过程；局部化变形和 剪切带开始形成在峰值偏应力达到前产生，上海暗绿色粉质粘土剪切带开始形成 的竖向应变值在1 5 4 3 之问，应力水平较高的土易产生局部化变形。 邱斌、徐志伟( 2 0 0 2 ) “”在真三轴试验条件下，采用与邓肯一张模型类似条 件：o2 = o3 = o ，取o2 分别接近o3 、al 来验证中主应力对邓肯一张模型的影 响。试验结果表明：o2 在接近o3 时，用模型计算的应力一应变关系与试验曲线 比较接近，而当a2 接近ol 时，是模型未考虑中主应力影响的极端情况，这时计 6 湖北工业大学硕士学位论文 算结果与试验结果相差较大，其主要原因是邓肯一张模型由于忽略了中主应力的 影响，其计算采用的弹性模量较小。 张鲁渝、孔亮、郑颖人( 2 0 0 2 ) m 1 以广义塑性力学为理论基础，对重庆粘土 的真三轴试验资料进行了分析，拟合出了偏转角口与剪应力q 的关系式，同时提出 了一个新的r ：、r 孑屈服面表达式，经过已有试验数据的验证，证明了其合理性。 孙红、袁聚云、赵锡宏( 2 0 0 2 ) 1 用上海淤泥质软土进行了真三轴试验，试 验保持中主应力比b 在剪切过程中保持不变，研究土在三维应力状态下应力一应 变的变化规律。试验结果表明：固结压力o3 一定时，偏差应力和应变关系曲线的 初始斜率随中主应力比率b 的增加而连续增大，这表明在低应力水平，中主应力 对应力一应变关系是有影响的。b 值相近时，曲线的斜率随着固结压力的增加而增 大。 我院岩土工程实验室的师兄师姐们采用武汉地区具有代表性的长江i 级阶地 冲积相粉质粘土，运用1 9 9 8 年河海大学殷宗泽教授完成国家自然科学基金资助项 目研制的一种新型真三轴仪，模拟了基坑开挖过程中周围土体在不同应力状态下 的应力一应变性质，研究了排水和不排水条件下卸荷土体广义剪应力与广义剪应 变的关系，并根据土体实际应力路径定义了中主应力系数，推导出了土体卸荷剪 切模量的计算公式等，在真三轴研究土体应力一应变性质方面取得了一定的研究 成果。 通过以上对土体二维应力状态、三维应力状态卸荷变形条件下的试验研究的 简单回顾与分析表明，尽管诸多研究者都想努力建立能够良好反映和模拟土体实 际工程情况的土体性状及本构模型，但其中多数对土体性状及本构关系模型的研 究，采用的是加荷方式，不排水条件，对砂土的研究较多，粘性土研究较少，轴 对称应力下采用普通三轴研究较多，三向应力下真三轴研究较少。对于基坑工程， 由于开挖卸荷引起坑周及坑底土体的卸荷变形，要得到符合工程实际的土体设计 参数及本构模型，就必需模拟基坑土体三向应力卸荷状态下的应力路径试验，由 于真三轴价格较贵，操作复杂( 特别是在卸荷条件下) ，所以模拟基坑开挖卸荷过 程的三轴试验研究所见不多，尤其是采用真三轴模拟基坑周边土体卸荷过程的试 验研究非常少。为了合理确定基坑工程设计中土体参数及本构关系，对武汉地区 粉质粘土进行模拟基坑开挖的普通三轴及真三轴试验研究，分析卸荷对土体力学 特性的影响，对于指导基坑工程设计具有重要的参考价值。 1 4 土的本构模型研究现状 土体的本构模型是在整理分析试验资料的基础上提出来的。用压缩仪、常规 7 湖北工业大学硕士学位论文 三轴仪、平面应变仪、真三轴仪等进行试验，可得出土的应力应变关系。这种关 系反映了土的变形特性。本构模型是用数学手段来体现试验中所发现的土体的变 形特性。土体的变形特性很复杂，总结起来，有这样一些规律：( 1 ) 非线性和非 弹性；( 2 ) 塑性体积应变和剪胀性；( 3 ) 塑性剪应变；( 4 ) 加工硬化和软化；( 5 ) 受应力路径、应力历史、中主应力和初始应力状态等的影响；( 6 ) 各向异性及结 构性等。要在本构模型中全部反映这些特性是不可能的，也是不必要的。应该抓 住影响变形的主要特性去建立合理的本构模型。所谓合理的本构模型，就是在理 论上满足连续介质力学基本原理关于连续性、稳定性、和唯一性的理论要求，实 际上能很好地符合各种试验材料并容易根据标准试验的数据决定材料参数的数学 模型。从工程设计的实际需要与本构模型研究的发展情况来看，当前关于简单条 件加载下土体本构模型的研究已日趋成熟，而复杂荷载条件下土的本构模型研究 尚在初始阶段。不过，不管是简单还是复杂荷载条件下的本构模型都应该是针对 具体的工程实践和特定的土类，能包括主要的影响因素，尽可能简单而又有足够 的精度，而不是一般化的、全能的土本构模型。 近三十年来，已经提出了大量的土体本构模型理论。其中作为主流的模型， 归纳起来有两大类：一是非线性弹性模型。它以弹性理论为基础，在各微小的荷 载增量范围内，把土看作弹性材料，从一个荷载增量变化到另一个荷载增量，土 体的弹性常数发生变化，以考虑非线性；二是弹塑性模型。它认为土体的变形包 括弹性和塑性两部分，把弹性理论和塑性理论结合起来建立本构模型。 非线性弹性模型以邓肯一张( d u n c a n c h a n g ) 双曲线模型为代表，它属于e p 型模型，其模型参数由常规三轴试验来确定。该模型的优点是能正确反映土 体变形的主要规律，简单方便，参数的确定已在应用中积累了不少经验，因此在 工程中得到了广泛应用。其不足之处是不能反映土体的剪胀性，也不能反映中主 应力的影响等。另外，有学者认为伽，当土体的加荷路径与试验时的路径相差较 大时，有误差的弹性常数会使计算应力产生较大的误差，在有限元计算中以会影 响到下一级荷载的计算，甚至会出现不合理的结果。不过，这一问题可通过模拟 现场加荷条件的应力路径试验确定合适的弹性常数来解决。 除e p 型非线性弹性模型外，还常用体积压缩模量k 和剪切模量g 这两个 弹性参数组成的所谓k g 模型。近年来新的k g 模型有很大的进展，其中重要 的一点是已明确建立了体积应变l 是平均主应力p 和广义剪应力q 的函数，考虑 了土体变形的这种交叉作用。 弹塑性模型方面，现国内外学者已提出许多不同模式。由简单到复杂可分为 单屈服面模型、双屈服面模型和多屈服面模型等。 湖北工业大学硕士学位论文 修正的剑桥模型为有代表性的也是最早提出的土体弹塑性模型之一，它是由 英国剑桥大学罗斯科( r o s c o c ) 等人提出的用于正常固结或弱超固结粘土的模型， 该模型是一种“帽子”模型，它相应的屈服轨迹为椭圆曲线。它能反映土体的剪 缩，在许多情况下能较好地反映土的变形特性，尤其对正常固结和弱超固结粘土 还是适合的。 【丑d e 和d l l n c a n ( 1 9 7 5 ) “根据砂土的真三轴试验结果，提出了一种适用于 非凝聚性土的弹塑性模型，该模型假定屈服面与破坏面相似，将屈服函数写成与 破坏函数相同的形式，即 t ， ，= = k ( 卜3 ) 1 3 式中，i ，和i ，分别为第一、三应力不变量，k 为屈服参数，它不是常数，而是随 塑性功变化的变量，也即k 是以塑性功w 9 为硬化参数的函数，由三轴试验资料可 以整理f 与w 9 的关系，得出硬化规律为： t2熹+ft(1-4)a+bw p j l 此外，假定流动法则是不相关联的，塑性势函数为： g1 r - k 2 1 3 ( 卜5 ) 包含在上面两式中的a 、b 、k 2 ，又分别由以下三式确定： n 2 他 6 ， 萨南(1-7)kf f 屯= 4 ，+ 2 7 ( 1 4 ) ( 1 8 ) 模型所用的弹性常数v = 0 ，e 取邓肯模型的回弹模量： h p 倒 ( 1 9 ) 这样，模型包含了k ，、丘、m 、l 、0 、a 、k 。，和n 共8 个参数，可由三轴排水试验 确定。该模型所含的屈服面和塑性势面都是开口的锥形面，它能较好地反映土的 剪胀性，能考虑中主应力的影响，又比较简单，便于实际应用。 上述修j 下剑桥模型和l a d c - 嘞n c a n 模型都是单屈服面模型，它们在反映土体 变形特性方面是有局限性的。锥形单屈服面模型只反映剪胀，不反映剪缩，也不 能反映各向相等的压力p 增加会引起的塑性体积应变；“帽子”型单屈服面，往往 9 湖北工业大学硕士学位论文 不能较好地反映剪胀性，也不能反映减p 路径时会引起的塑性剪应变。鉴于单屈 服面模型的这些不足，不少学者把这两种屈服面结合起来，提出了双屈服面模型， 例如修正的l a d e 和d u n c a n ( 1 9 7 7 ) 模型、殷宗泽椭圆一抛物线双屈服面模型、南 京水利科学研究院沈珠江的双屈服面模型等。 上面只是简要地介绍了土体的几种代表性模型。近二十年来，岩土工程界对 发展地质材料的本构模型表示了极大的关注，提出了许多不同类型的本构模型。 从近期提出的某些土的弹塑性本构模型来看，土的本构模型的发展趋向于如何模 拟更复杂荷载条件下的土的本构特性，以致本构模型的数学表达式较为复杂，确 定模型的材料常数需要更详细的试验资料。但这并不意味着土的本构模型的发展 是数学上越复杂就越高级。判断一种模型是否成功，不仅是一个理论问题，更是 一个实践问题。一种成功的本构模型，不仅从力学观点来看在原理上是正确的， 而且还要易于为所使用者所理解，能用少量的材料标准试验来决定模型的待定参 数，并能在工程经验所允许的精度内解决实际问题。另外，需要注意的是：由于 土体这种天然地质材料的复杂性，要想找出一个数学模型来全面地、正确地表达 所有应力路径条件下的土的本构特性是完全不可能的，也是徒劳的。所提出的本 构模型都只能是模拟某种加载条件下土的主要特性的特定模型，所以使用模型来 对土体的应力一应变关系进行验证的时候一定应该充分考虑模型的适用性，并考 虑模型中参数变化所引起的模型的敏感性，才能正确地使用这些模型来解决实际 工程问题。 1 5 本论文主要研究工作 深基坑的设计不仅要满足基坑稳定性( 强度) 要求，更要满足基坑土体的变 形要求，以确保深基坑周围原有建筑物、构筑物、地下管线及道路等的安全，在 设计时土体参数的确定尤其重要。长期以来，人们采取“加荷”试验方法确定土 体参数，对设计各类建筑物基础下加荷土体是适合的，对设计计算深基坑开挖卸 荷土体显然是不合适的，用常规的土t n 载试验参数进行深基坑工程的数值分析 与设计计算必然会产生较大的误差。因此，采用三轴试验，模拟深基坑开挖土体 的卸荷应力路径试验，研究深基坑土体的工程特性以确定土体参数，对于深基坑 工程的数值分析与设计是十分重要的。为此，本文进行了以下方面的研究： 1 分析了深基坑开挖过程中土体的应力路径，认为深基坑开挖过程中的土体 可以视为存在两种应力路径：深基坑周边为主动区土体，竖向荷载不变，横向卸 荷；深基坑内为被动区土体，竖向卸荷，横向荷载保持不变。 l o 湖北工业大学硕士学位论文 2 分别用普通三轴和真三轴仪对深基坑周边主动区土体进行固结排水侧向卸 荷试验，测量试验过程中的主应力、主应变，绘制了土体的应力一应变关系曲线、 ，一s ，变化曲线及，一e 3 变化曲线等，分析了轴对称和平面应变条件下排水侧向卸 荷土体的强度和变形规律。 3 依据试验结果，对轴对称条件和平面应变条件下侧向卸荷土体的捧水变形 性状进行分析研究，并对两者进行对比分析。 4 根据普通三轴和真三轴试验的结果，对d u n c a n c h a n g 模型进行了研究， 运用基坑开挖侧向卸荷过程中的变形模量计算公式来代替邓肯一张模型中基于 0 3 ，c o n 3 t 推导出的模量公式，以验证d u n c a n c h a n g 模型对于复杂应力路径下土 体应力一应变特性的适应性。 5 将d u n c a n c h a n g 双曲线非线性弹性模型应用于平面应变情况，针对 d u n c a n c h a n g 模型不能反映中主应力的影响，对邓肯一张模型进行了改进，确定 了模型中的参数，并用理论计算所得应力一应变关系曲线和试验所得应力一应变 关系曲线进行了对比分析，探讨了该模型对于卸荷工程这类特殊应力路径的适应 性。 1 1 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章排水条件下基坑开挖过程的二维应力状态 卸荷试验研究 2 1 引言 在基坑开挖工程中，土体处于卸荷状态，因此，基坑工程中土体的应力应变 分析成为岩土工程领域中较具特殊的一个分支。基坑开挖卸荷引起的坑底隆起、 坑侧土体位移等问题与一般土工加载问题所表现特性明显不同。用常规的土工加 载试验参数进行基坑工程数值分析与计算必然会产生较大的误差。因此，对比常 规的土工加载试验，研究探索更适合基坑工程特点的土工试验方法，获得与土体 卸荷应力路径相适应的土工试验参数对于基坑工程的数值分析具有重要意义。 2 2 常规三轴试验中土体应力路