【摘 要】
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我国快速的城镇化建设促使城市基坑工程向深大方向发展。软土地区的深大基坑支护主要采用地下连续墙或粗大密集排桩,或辅以内支撑,导致软土地层的深大基坑支护结构与土体接触面积大,支护结构与土体之间相互作用明显,因此在支护结构土压力计算过程中,支护结构与土体界面相互作用不应被忽视。然而,基坑支护结构设计计算的规范法是基于经典的朗肯土压力理论和库伦土压力理论而建立的,并未考虑墙土之间的相互作用。即使其依据的挡
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我国快速的城镇化建设促使城市基坑工程向深大方向发展。软土地区的深大基坑支护主要采用地下连续墙或粗大密集排桩,或辅以内支撑,导致软土地层的深大基坑支护结构与土体接触面积大,支护结构与土体之间相互作用明显,因此在支护结构土压力计算过程中,支护结构与土体界面相互作用不应被忽视。然而,基坑支护结构设计计算的规范法是基于经典的朗肯土压力理论和库伦土压力理论而建立的,并未考虑墙土之间的相互作用。即使其依据的挡土墙土压力理论,也未能很好地考虑墙土之间的相互作用。另一方面,基坑工程环境复杂,目前土压力计算公式中未能涵盖通用的超载条件。本文从挡土墙土压力条件出发,对挡土墙与墙后黏性填土之间的相互作用进行研究,考虑复杂荷载作用,对现有的土压力计算方法进行改进与拓展,并通过算例与既有算法进行对比。最后,将改进的挡土墙土压力算法应用到软土地层深大基坑的土压力计算中,并通过基坑算例进行验证。论文的主要研究内容及结论如下:(1)目前考虑墙土界面黏结力时,假定挡土墙土压力合力与墙背法线方向的夹角为墙土摩擦角,有的还建立了简化滑裂角公式。本文针对库仑挡土墙条件,不限定土压力合力作用方向,重构楔形体力学模型,建立新的挡土墙土压力公式。两种方法的对比表明,限定土压力方向的方法实际上没有将墙土黏结力的作用项加入到土压力合力中,不仅使土压力合力和作用方向角偏小,更使主动土压力的合力随墙土黏结力的变化呈现相反的规律性;新方法所得主被动土压力的水平分量分别小于和大于限定土压力方向的方法的主被动土压力水平分量,主被动土压力的竖向分量则均大于限定土压力方向的方法的竖向分量。这使得新方法为我们正确认识墙土界面黏结力的作用,为挡土结构物的设计均提供更正确更精准的导向。此外,当前采用土压力部分组成项求极值得到的滑裂角并不是真正的滑裂角,以土压力分项求极值得到的滑裂角来计算土压力,可能会得到工程上不允许出现的大偏差,给工程带来严重的风险或过高成本。(2)对于朗肯土压力条件,墙后土体在墙土摩擦力和黏结力的影响下,主应力发生一定程度的偏转。通过对墙背及墙后土体单元应力状态的研究,根据莫尔圆几何关系,采用主应力旋转的方法建立黏性土的主动土压力和被动土压力计算新方法。基于新公式发现,由于墙土界面黏结力作用,土压力与墙背法线的夹角大于墙土摩擦角,主动土压力合力大于其他学者方法的计算结果,被动土压力合力小于其他学者方法的计算结果。(3)由于库仑土压力理论更易扩展到更一般情况,因此基于经典库仑土压力理论,考虑墙土界面黏结力与摩擦力作用,采用条分法对墙后土楔体进行分析,推导出更具普适性超载作用的黏性土挡墙土压力计算新方法,并对相关影响参数进行敏感性分析。研究表明,荷载作用距离不仅改变土压力合力大小和作用方向,而且也改变了滑裂角大小。主动和被动土压力均随荷载作用距离的增大而减小;随荷载作用距离的增大,主动滑裂角不断减小而被动滑裂角不断增大;主动土压力和被动土压力作用方向与挡土墙墙背法线之间的夹角随着荷载作用距离的增大而不断增大。(4)根据软土基坑支护结构的力学行为特点,提出以支护结构底部的支点为界线将支护结构体两侧土体分为四个区,并分区采用土压力计算方法:一区采用基于库伦土压力理论改进的新算法进行计算,以便适于支护结构后复杂的工程条件,二区~四区采用本文基于主应力旋转的土压力算法。针对无支撑地下连续墙支护、单支撑地下连续墙支护和多支撑地下连续墙支护的基坑算例,采用本文土压力方法、PLAXIS软件和理正深基坑软件进行计算,并将3种方法得到的土压力进行了对比分析,结果表明本文土压力新算法对基坑工程具有较好的适用性。
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