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近年来随着基坑开挖深度的增加,基坑突涌问题已逐渐成为业内关注的焦点。但是,由于缺乏合理的理论指导及其本身的复杂性,对于如何判定基坑抗突涌稳定还没有统一的认识。本文以上海世博轴深大基坑工程为背景,主要研究软土地区承压水基坑的突涌破坏模式及作用机理,并在此基础上寻找基坑抗突涌稳定的判定方法。主要研究内容和研究成果如下:
(1)利用改进的L-30型离心试验机,进行了不同隔水层、不同坑内桩基类型和平面布置等对突涌稳定影响的试验研究。试验结果表明,软土地区承压水基坑突涌破坏模式主要有三种,即接触面涌水涌砂破坏、整体顶升破坏和表面砂沸破坏。
(2)根据离心模型试验结果及理论分析,揭示了承压水基坑发生三种突涌破坏模式的力学机理,即隔水层土体与地下结构接触面发生水力劈裂、接触面或附近土体发生剪切破坏以及隔水层土体发生复合的拉剪和剪切破坏。
(3)基坑内隔水层在开挖卸荷和下部承压水压力作用下,表面土体会出现拉应力。通过分析认为土体在内部出现拉应力时的破坏为“拉剪破坏”,且破坏准则符合摩尔一库伦准则;在此基础上,提出了利用常规剪切强度指标(c和ψ)及土体的单轴拉伸强度(σ1)来确定拉剪强度指标(cL和ψL)的方法;根据上海④层淤泥质黏土的特性,利用自行设计的挤出拉伸试验装置,得到了其在特定条件下的拉剪强度指标。
(4)根据离心试验和室内模型试验结果,定量分析了隔水层性质、桩基类型及平面布置、基坑平面尺寸对突涌稳定的影响。结果表明:上海地区④层灰色淤泥质黏土层较易发生整体顶升破坏,而⑥层暗绿色粉质黏土层发生表面砂沸破坏的概率较大;坑内存在桩基时,基坑主要发生接触面涌水涌砂破坏;在保证灌注桩施工质量以及预制桩与周围土体充分固结情况下,桩对基坑抗突涌稳定性具有积极的作用;基坑平面尺寸对其抗突涌稳定具有明显作用。提出将隔水层、桩基和围护结构作为一个系统来分析基坑的抗突涌稳定,且将影响基坑抗突涌稳定的因素分为系统强度和系统刚度。
(5)在离心试验基础上,结合有限元数值模拟,对基坑发生整体顶升破坏时的破裂面形式进行了研究,建立了破裂面形式与接触面强度指标之间的关系;在此基础上,通过理论推导得到了基坑发生整体顶升突涌破坏的定量判定方法;根据承压水基坑突涌破坏机理及土体的拉剪强度指标,推导了基坑发生表面砂沸突涌破坏的判定公式。
(6)基坑开挖过程是土体的卸荷过程,而土体在卸荷过程中是普遍存在残余应力的。在既有试验成果的基础上,建立了开挖卸荷引起坑内土体残余应力的简易计算公式,提出了被动区土压力、土体强度以及土与地下结构接触强度的计算新方法,明确了开挖卸荷对基坑抗突涌稳定的影响。