武汉理工大学博士学位论文摘要高层建筑以及地下工程不断涌现，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，深基坑工程的设计与施工问题成为岩土工程的热点。深基坑工程的成败，主要取决于设计时土体参数与本构模型的选取是否符合工程实际状况，深基坑的开挖过程实质上是深基坑周边土体的卸荷过程，卸荷状态下土体的工程性质与加荷状态有很大差别。长期以来，人们采取“加荷”试验方法确定土体参数及本构模型，对设计计算深基坑开挖卸荷土体显然是不合适的，用常规的土工加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。目前对土体加荷状态下的性状研究较多，模拟深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深基坑周边土体的平面应变状态卸荷过程的试验研究非常少。因此，本文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 、对深基坑开挖过程中土体的应力路径进行了分析与简化，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。指出这种应力路径与筑路、建坝等典型的士体加荷工程的应力路径是完全不同的。2 、采用普通三轴对武汉地区粉质粘土进行了模拟深基坑开挖土体的轴对称应力卸荷与加荷试验，对加荷与卸荷土体的变形性状进行了分析研究，指出应力路径对深基坑土体的变形有着强烈的影响，不同应力路径下，土体的变形性状表现多样。不顾应力路径的影响，笼统地用基于常规加荷试验得到的理论和参数来对基坑工程进行计算不尽合理，应加以修正。得到卸荷土体的应力应变关系仍可以用D u n c a n - - Z l l a n g 模型表示，但卸荷模量小于常规三轴加荷模量，推导了基坑土体卸荷切线模量计算公式。3 、用真三轴对深基坑周边主动区粉质粘土进行了平面应变条件下的固结不排水加荷与卸荷试验、固结排水卸荷试验，对试验所得的各种曲线进行了分武汉理工大学博士学位论文析，得出：( 1 ) 真三轴卸荷不排水试验所得试样的应力一应变关系曲线随着固结压力的增加由应变硬化型转变为应变软化型，真三轴卸荷排水试验所得试样的应力一应变关系曲线均为应变硬化型；( 2 ) 在相同围压下，在剪切开始阶段，两条曲线差别不大，随着剪切的继续，土体在排水条件下由于硬化的发展，在曲线后半段，排水条件下剪切应力应变曲线变到不排水剪切曲线的上方，说明排水极限强度明显高于不排水强度。4 、在同一应力路径下，试样的受力状态不同，试验所得的应力一应变关系曲线有着显著的不同，由于中主应力的影响，关系曲线变陡，极限应变变小，说明了中间主应力在不等于大主应力或是小主应力时，土体能承受更大的破坏应力，但却在较小的应变下发生破坏，中主应力对土体应力应变关系有显出影响。5 、真三轴卸荷不排水试验试样在固结压力较低时，孔隙水压力增量与平均正应力增量近似成线性关系，孔隙水压力增量u 0 ，试样卸荷到一定程度，孔隙水压力随着平均正应力减小而同步减小，u 0 ，这是由于固结时试样处于压缩状态，试样卸荷初期需要抵消固结时的压缩变形。试样仍处于压缩状态，这种影响随着固结压力的增加而增加，试样卸荷到一定程度，孔隙水压力随着平均正应力减小而同步减小，u 盯：，口3 ，F 2 = 0 ，脚值在l 一1 之间，岛在3 0 。( 一3 0 。) 之间。对于三向应变状态，必须引入广义应变或八面体应变的不变量表述。相应的广义应变翻一言( 5 l + E 2 + F 3 ) 一f 8 ( 4 - 1 8 ) 歹粤抠了可可i i 再丽( t )y 为广义剪应变又称为剪变强度。根据平面应变条件下的土体卸荷试验结果( 图4 - 1 0 与图4 11 ) ，绘制广义剪应力一剪应变目一r 关系曲线图，如图4 - 1 7 与图4 1 9 。根据广义虎克定律，剪切模量G 的关系式g t3 G y ，作出二、歹关系曲线， g两者之间呈良好的线性关系，如图4 - 1 8 与图4 2 0 所示。因此可设两者之间的 关系为口：k( 4 1 5 ) 口+ D y当Y = o 时，n 的倒数即为起始切线剪切模量，当歹一一时，广义剪应力的极限值就是b 的倒数。则切线剪切模量G 可表示为： 铲等2 南a 啪，根据极限平衡条件，土体达到极限平衡时主应力之间的关系式为：武汉理工大学博士学位论文比为整理后，可得小善1S 1 n 小罴1S 斋I n一留一口训，一些瓮等塑( 4 1 7 )( 4 1 8 )试样破坏时的广义剪应力为q ；，它总是比极限广义剪应力口二小，定义破坏由( 4 - 1 5 ) 式得( 4 1 9 )。11Rr扣石。啜4 确沿。， R r 【1 + s i l l 妒J= - - - 一k ，( 2 c c o s t p + 2 盯：s i n 妒)3 5 03 0 02 5 02 0 0g 。1 5 01 0 05 00i 皇! 垡 1 - b q 00 0 20 0 40 0 60 0 80 10 1 2y图4 - 1 7 排水条件下q 一F 关系曲线( 4 2 1 )l i_ 一一一瓦0 一k篁 酊石=R武汉理工大学博士学位论文0 0 0 0 50 0 0 0 40 0 0 0 3y7o 0 0 0 20 0 0 0 12 5 02 0 01 5 0g 1 0 05 0O000 0 20 0 40 ，0 60 0 80 10 1 2y图4 1 8 排水条件下二F 关系曲线 qr 黛 卜璀 惹t妒井“_ 卜5 0 k p a 卜1 5 0 k p a 隆二一1 一2 0 0 k p a一_ 卜2 5 0 k p a r 3 0 0 k p ar -0O 0 50 1O 1 5O 2，图4 - 1 9 不排水条件下口一歹关系曲线武汉理工大学博士学位论文图4 - 2 0 不排水条件下Y - 7 F 关系曲线 口印商争吲r“_ 2 2 ) 卜尚) _ “ 叫，一高g 卜G t l 1 一面万1 一卜( 4 - 2 3 ) 式为平面应变排水条件下卸荷土体切线剪切模量的表达式，式中的系数七，反映了中主应力对士体强度和变形的影响a武汉理工大学博士学位论文室内真三轴试验是对土体三维受荷比较真实的再现而常规三轴试验只能研究轴对称的应力状态，不能研究中主应力的影响。 随着围压的增加，的强度和刚度都明显提高，应力应变关系曲线形状也有变化。土的变形模量随着围压而提高的现象，称之为土的压硬性。可用公式表示E = K p 。! ) “。 伽 在高围压下，粘土剪切时体变很小，其应力应变关系曲线是硬化型的。排水剪切比不排水剪切试验达到的破坏峰值要大，一方面是由于剪切速率的影响，另一方面是由于土体中孔隙水压力的影响。 从图4 1 7 、图4 一1 9 可以看出广义剪应力一剪应变关系曲线形状与传统应力应变关系曲线基本一致，呈现出良好的双曲线关系。推导出排水条件下平面应变卸荷土体的广义剪切模量的表达式为 G 叶一砸尝篇岛击瓜面丽面丽卜4 6 不同应力状态下不排水土体的变形性状比较在第二章与第三章对A 组土体分别进行了二维与三维固结不排水卸荷试验，对B 组土体分别进行了二维与三维固结不排水加荷试验。根据试验的成果，对四组试验进行对比分析，以了解土体在不同的应力路径、不同的受力状态下的剪切性状。为了便于比较，将同一固结压力四种试验应力一应变关系曲线绘制在一起，图4 2 1 为固结压力3 0 0 k P a 时的四种试验应力一应变关系曲线，其它固结压力下的关系曲线类似。武汉理工大学博士学位论文图4 2 1 围压为3 0 0 k P a 时应力一应变关系曲线从图4 - - 2 1 可以看出，对于真三轴试验，土体q 一吒) 关系曲线如不考虑峰值点后的应力一应变关系基本上呈现双曲线关系，拟合岛( 0 ，一0 ，) 毛的关系，均呈近似的线性关系。因此可以认为四组试验土体吼一0 ，) 毛关系均为双曲线关系，毛( o 一0 ，) 毛的关系为近似直线关系，直线的截距为a ，斜率为b ，1 a 为( 吼一吒) s ：关系曲线初始切线斜率，1 b 为( 吼一口，) 的渐近值。把不同围压下普通三轴试验土样破坏时的应变、主应力差、截距a 、斜率b 、1 a 、1 b 值列如表4 3 所示。由表4 3 与表4 1 可以看出，在同一固结压力下，普通三轴对比试样应力一应变关系曲线与真三轴对比试样应力一应变关系曲线规律相似。卸荷极限强度总是低于加荷极限强度，卸荷土体的压缩模量比加荷土体的压缩模量小得多，各组的曲线初始切线斜率均随固结压力的增加而增加。对比同一应力路径实验，试样应力一应变关系曲线的初始切线斜率，真三轴卸荷、加荷实验初始切线斜率总是分别高于普通三轴卸荷、常规三轴试验的初始斜率，这说明由于中主应力的影响使土体的初始强度得到提高。真三轴卸荷、加荷试验，土体的极限强度在固结压力较低时与普通三轴和常规三轴试验的极限强度数值较接近，在圃结压力较高时，分别高于普通三轴试验和常规三轴试验的极限强度，这也说明中主应力在固结压力高时，对土体的强度影响更大。真三轴试验中试样的破坏应变远小于普通三轴试验的破坏应变，破坏点出现的早晚随应力状态、应力路径的不同而有所差别，说明中主应力对土体的变形也有影响，土体往往在较小的应变下发生破坏，这点应在工程中充分重视。武汉理工大学博士学位论文表4 - 3 普通三轴试验成果表试固结破坏破坏时破坏时验时时的的主应截距a斜率bl ai b类的围围压力差的应变型压2 0 04 01 6 0O 1 68 5 2 E 一0 50 0 0 6 11 1 7 3 7 0 91 6 3 9 3 A 组3 0 01 3 51 6 50 1 23 2 5 E - 0 50 0 0 5 73 0 7 6 9 2 31 7 5 4 35 05 01 1 0 1 70 1 62 2 4 E 一0 40 0 0 7 74 4 6 4 2 91 3 0 7 21 0 0i 0 02 1 7 40 1 51 1 8 E 0 40 0 0 3 88 4 7 4 5 82 6 4 5 5 B 组 2 0 02 0 03 0 8 7 8O 1 71 0 8 E - 0 40 0 0 2 49 2 5 9 2 64 1 3 2 23 0 03 0 03 2 1 4 5O 1 25 1 3 E - 0 50 0 0 2 71 9 4 9 3 1 83 7 0 3 74 7 本章小结本章利用真三轴仪对武汉地区具有代表性的粉质粘土进行固结不排水和排水真三轴卸荷试验，对基坑开挖过程中基坑周边土体的应力路径进行了试验模拟，研究该路径下土体的强度和变形规律，试验结果表明：l 、真三轴卸荷不排水试验所得试样的应力一应变关系益线随着固结压力的增加由应变硬化型转变为应变软化型，排水试验的应力一应交关系曲线在不同围压下均成应变硬化型。在相同围压下，排水极限强度明显高于不排水强度。2 、排水与不排水条件下的广义剪应力一广义剪应变呈现良好的双曲线关系，以此为基础推导了平面应变条件下的广义剪切模量计算公式。3 、在同一应力路径下，试样的受力状态不同，试验所得的应力一应变关系曲线有着显著的不同，由于中主应力的影响，关系曲线变陡，极限应变变小，说明了中间主应力在不等于大主应力或是小主应力时，土体能承受更大的破坏应力，但却在较小的