考虑位移效应的土压力计算理论及其在隧道基坑中的应用

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本文在现场调研和资料收集的基础上,通过理论研究、数值模拟等手段,以实验室实测数据为依据,以武汉某地铁隧道基坑为工程背景,从Rankine土压力理论出发,结合摩尔-库伦强度理论、强度折减理论和Coulomb土压力理论,引入了土体抗剪强度指标发挥值这一概念,并假定内摩擦角发挥值与位移成非线性关系,内聚力发挥值与位移成线性关系,进而提出了统一连续的位移土压力计算理论。通过该理论计算值与实验数据以及现场监测数据和有限元模拟数据的对比分析,得到的主要成果及结论包括以下几方面的内容:   1.研究了土体抗剪强度指标的发挥值与位移之间的关系。假定内摩擦角发挥值与位移s成非线性关系,内聚力发挥值与位移s成线性关系,并确定了土体抗剪强度指标的发挥值与位移之间的函数关系。   2.建立了统一的、随位移变化连续的,且能廓括表达任意非极限状态下的粘性土和无粘性土的任意变位方式下的主、被动土压力的计算模式,并分析了该计算模式的特点。   3.通过与实验实测值的对比,验证了无粘性土在不同变位模式下主、被动位移土压力计算理论的适用性,并分别找出了不同变位模式下在达到Rankine极限平衡状态所需要的位移量、土压力强度沿墙高度上的分布、土压力合力大小以及合力作用点的位置这四方面与实验值的符合程度以及其随墙体变位模式改变而变化的规律。   4.通过与离心模型实验实测值的对比,验证了粘性土在抗剪强度指标发挥值按三种不同方式折减时,其位移土压力计算理论的适用性。通过对比分析,证明了本文推荐的位移土压力计算理论的不管是从理论角度还是从计算数值方面的角度考虑都是三者中最合理的,但是它具有一定的适用范围,适用范围为,可推广至。超出此适用范围之外时,可使用其它两种方法进行计算。   5.运用Plaxis有限元计算软件,结合武汉市某深基坑工程,得出了基坑的开挖过程、桩墙体刚度、锚索预应力、桩土接触界面强度折减因子和虚拟厚度因子等因素对基坑支护结构水平位移的影响规律。   6.针对实际工程中柔性支护结构,结合某隧道基坑支护实际工程的现场对位移及土压力的监测值,对悬臂式支护结构、单支撑支护结构和双支撑支护结构这三种不同的支护结构类型上的土压力进行了计算,并将理论计算结果与有限元计算结果作对比分析,证实该土压力的计算理论对柔性支护结构上的土压力的计算是可行的。   本文的主要创新点如下:   1.根据摩尔-库伦强度理论,结合强度折减法的思路,指出土压力随位移变化而变化的过程实际上就是土体抗剪强度指标逐步发挥的过程;   2.假定土体内摩擦角的发挥值与位移成非线性关系,而土体内聚力的发挥值与位移呈线性关系,在此基础上建立了土体抗剪强度指标和位移之间的计算关系式,并赋予了各计算参数明确的物理内涵;   3.提出了考虑位移的土压力理论计算模式。该计算模式具有连续性,它随位移变化是连续的;具有统一性,它能廓括表达任意非极限状态下的粘性土和无粘性土的任意变位方式下的主、被动状态下的土压力;具有边界性,它能满足边界条件;对于无粘性土具有单调性和拐点,能够考虑墙土之间的外摩擦角的影响,还可用于估算土体的κo值。
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