基于湿度应力场的膨胀土基坑边坡支护设计理论研究

摘要

膨胀土基坑边坡在连续降雨等涉水条件的影响下，易发生边坡变形持续增加、支护结构锚固失效、最终整体破坏的现象。目前在工程实践中，基坑边坡支护设计往往采用强度参数折减的经验计算方法进行支护结构验算，极易造成设计不足或过剩的情况。基坑边坡膨胀力分布的确定及其在边坡设计计算中的考虑，基坑边坡变形严格控制条件下的非极限土压力计算方法，是膨胀土基坑边坡支护设计理论的两大难点。随着膨胀土分布地区城市化建设的迅速发展，膨胀土基坑工程变形过大、整体失稳的问题日益凸显，考虑膨胀力作用的膨胀土基坑边坡支护设计计算方法是现阶段亟需解决的问题。
　　本文通过自行研制相关试验装置，给出了膨胀土岩土工程参数推荐试验方法，拟合出膨胀土相关岩土工程参数的经验公式;通过室内模型试验、现场模型试验以及数值计算建立了基坑边坡入渗深度计算模型，并给出了坡顶、坡面入渗深度计算公式;基于湿度应力场理论提出了工程实用型膨胀土弹塑性本构模型，并通过二次开发实现本构计算，本构模型用于膨胀土基坑边坡应力场数值分析。综合膨胀土基坑边坡序列数值计算结果，拟合了基于湿度应力场的膨胀力分布规律。通过分析边坡不同位移状态下的应力莫尔圆，推导了膨胀土基坑边坡非极限位移状态下的抗剪强度发挥值计算公式。采用水平层析法和莫尔库仑强度理论对桩后土体进行应力状态分析，在膨胀力分布作用下建立静力平衡条件，迭代计算搜索基坑边坡潜在滑动面，推导了非极限位移状态下膨胀土基坑边坡主动、被动土压力的计算理论，建立了以湿度场膨胀力为内涵的基坑边坡膨胀土压力计算理论。
　　采用本文提出的工程实用型膨胀土弹塑性本构模型以及膨胀土基坑边坡非极限状态下的主动、被动土压力理论对成都时代欣城膨胀土基坑边坡工程进行实例计算，计算的边坡变形曲线与现场测试的边坡变形曲线相近，验证了本文提出的本构模型以及非极限状态土压力计算理论的合理性。同时，综合对比分析了本文附加膨胀力分布的膨胀土基坑边坡土压力计算理论、前人的计算理论与现场测试结果的异同，验证了本文膨胀土基坑边坡土压力计算理论的适用性。最后，采用膨胀土基坑边坡土压力计算理论，对成都膨胀土基坑边坡不同开挖深度条件下的排桩支护形式的结构设计参数进行了序列计算，给出了膨胀土基坑边坡排桩支护形式结构参数的取值建议:开挖深度4m条件下，桩长9.0m，桩径0.8m，桩间距1.6m;开挖深度5m条件下，桩长11.0m，桩径1.0m，桩间距2.0m;开挖深度6m条件下，桩长13.0m，桩径1.2m，桩间距1.8m。同时，讨论了入渗深度范围内锚固失效的影响，建议桩长取值可附加入渗深度作为安全储备。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 膨胀土工程特性研究现状

1．2．2 膨胀土本构模型研究现状

1．2．3 非极限状态土压力理论研究现状

1．3 研究内容及研究方法

第2章 基于湿度应力场的膨胀力分布研究

2．1 基于湿度应力场的岩土特性参数试验

2．1．1 膨胀性试验

2．1．2 强度衰减试验

2．1．3 渗透系数试验

2．2 膨胀土基坑边坡湿度场分布研究

2．3 工程实用型膨胀土弹塑性本构模型

2．4 二次开发与本构模型实现

2．5 膨胀土基坑边坡膨胀力分布

2．6 不同方法膨胀力分布对比讨论

2．7 小结

第3章 膨胀土基坑边坡非极限主动土压力研究

3．1 非极限位移条件下抗剪强度发挥值

3．1．1 内摩擦角与位移的关系

3．1．2 黏聚力与位移的关系

3．2 桩后土体应力状态分析

3．3 非极限主动土压力计算推导

3．4 小结

第4章 膨胀土基坑边坡非极限被动土压力研究

4．1 非极限位移条件下抗剪强度发挥值

4．1．1 内摩擦角与位移的关系

4．1．2 黏聚力与位移的关系

4．2 桩前十体应力状态分析

4．3 非极限被动土压力计算推导

4．4 小结

第5章 膨胀土基坑工程实例验证

5．1 工程概况

5．2 现场测试及结果

5．3 膨胀土工程实用型弹塑性本构模型验证

5．4 膨胀土基坑边坡非极限土压力理论验证

5．4．1 非极限位移状态主动土压力计算

5．4．2 非极限位移状态被动土压力计算

5．4．3 支护结构变形验算

5．5 小结

第6章 膨胀土基坑边坡土压力计算及工程应用讨论

6．1 膨胀土基坑边坡土压力计算方法对比

6．2 膨胀土基坑边坡非极限土压力理论工程应用讨论

6．3 小结

第7章 膨胀土基坑边坡支护结构参数取值

7．1 支护结构挠度曲线

7．1．1 基坑边坡支护结构参数

7．1．2 基坑边坡变形允许值

7．1．3 符合设计要求的支护结构挠度曲线

7．2 膨胀土基坑边坡支护结构参数取值建议

7．3 支护结构参数建议取值的讨论

7．4 小结

结论

致谢

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果