基于三轴试验的基坑变形特性研究

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基坑开挖对于基坑边坡土体而言是逐渐卸载的过程,而一直以来工程界多偏向于利用常规的土力学参数和建立加载模型对基坑的变形进行分析,这种差距促使现阶段有必要探索出一种与基坑开挖时边坡土体的应力路径相符合的土力学参数和计算模型。本文首先对基坑开挖时边坡土体的应力路径进行分析,通过试验来模拟基坑开挖时边坡土体的应力路径,然后将试验所得的各项土力学参数运用到数值模拟分析中,对基坑的变形特性进行研究。论文的研究对基坑工程的设计和施工有一定的理论和实践指导意义。本文的主要研究内容及成果如下:(1)根据基坑开挖边坡土体的应力路径变化情况确定试验方案,然后基于轴向应力不变,侧向应力减小的试验需求,参照应力控制式三轴仪的作用原理,对TSZ-3型应变控制式三轴仪进行了改造,使用改造后的仪器进行了三轴卸载试验,研究了原状黄土在三轴卸载条件下的变形特征,并与常规三轴压缩试验进行了对比分析。试验结果表明:三轴卸载试验条件下的试样的(σ13ε1关系曲线近似为弹性-理想塑性模型,即在试验初期呈现明显的弹性变形,弹塑性变形阶段较小,后期则呈现明显的塑性变形,(σ13ε1关系曲线逐步趋于水平,每一级卸载所对应的应变量变化较大;这是由于三轴卸载试验条件下试样发生破坏时的破坏比Rf≈1,表明试样在发生破坏时已经达到了承载力极限状态,以至于强度迅速衰减,应变量迅速增加,呈现出应变软化的现象。这说明三轴卸载试验更为符合基坑工程中边坡失稳征兆不明显,一旦失稳则破坏较为迅速的现象。(2)关于三轴卸载试验条件下所推导的各项土力学参数与常规三轴压缩试验存在一定的差别,如抗剪强度参数c值偏小、φ值偏大、初始模量Ei偏大等,为了进一步研究采用不同参数对基坑的变形进行分析时所具有的影响,而将不同试验条件下所推导出的抗剪强度参数运用到FLAC3D有限差分软件中,对算例基坑边坡的侧向变形进行了研究。FLAC3D数值模拟分析结果表明:采用三轴卸载试验所推导的抗剪强度参数对基坑边坡的侧向变形进行分析时,基坑边坡的侧向变形相对较大。而采用FLAC3D有限差分软件所预测的变形越大,在对基坑边坡的侧向变形进行控制时就需要更为安全的保障措施,从而使得基坑的安全性更高。这表明采用三轴卸载试验所推导的抗剪强度参数对基坑边坡的侧向变形进行分析以指导基坑的设计和施工时,相对于常规三轴压缩试验参数更为安全。总之,在对基坑的开挖与支护方式进行设计时,应当分析基坑开挖时土体的应力路径和应力状态,尽可能采用与土体的应力路径和应力状态相符合的土力学参数,既要保证安全、也要兼顾经济,以使得基坑工程的设计更为合理。
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