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软土地基中进行深基坑开挖具有很高的风险性,研究结构性软土地基中深基坑围护结构受力变形特性与破坏机理,完善深基坑围护结构设计计算方法与稳定性评价方法,具有重要的理论和实际意义。本文围绕着结构性软土的特性及其对深基坑工程的影响展开研究:首先,通过杭州地区典型海相沉积结构性软土的单元体试验,研究了结构性软土的压缩特性、变形特性、强度特性,以及不同程度的扰动对结构性软土工程特性的影响,为本文理论分析奠定了基础;其次,通过有限元数值模拟,系统分析了围护结构施工、开挖卸荷、围护结构侧向变形挤压等因素对土体的扰动影响,得到了不同施工因素引起的塑性扰动区分布规律,并通过工程实例分析对这种扰动进行了验证;基于深基坑水平基床系数计算方法与结构性软土变形特性试验结果,提出了结构性软土地基深基坑水平基床系数的计算方法,同时研究了土体有效应力、基坑宽度、偏应力水平、扰动等因素对水平基床系数的影响,通过典型算例分析与典型工程实例分析,研究了结构性软土地基中深基坑围护结构的受力变形特性;基于围护结构、支撑体系与土体共同作用的有限元强度折减法,系统分析了不同支护形式深基坑的整体失稳特性,结合典型案例分析,研究了软土地基中超深基坑的破坏模式和机理;最后,通过斜桩单桩承载特性与斜桩群桩基础共同作用分析,研究了斜桩受力变形机理,提出了适用于超大深基坑工程的斜桩支护方法。通过上述研究得到了以下结论:
(1)在一定固结压力范围内,土的结构强度随着固结压力的增大而增大;土结构稳定系数mp=qp/pc(构强度 gp、固结压力 pc)随着固结压力增大逐渐减小,本次试验得到的软土结构稳定系数约为1.45~1.17。
(2)当三轴试验固结压力小于结构屈服应力,应力应变关系曲线峰值明显,应变软化效应显著;当试验固结大于结构屈服应力,结构强度对土体变形的影响逐步被固结压力所取代,应力应变关系曲线峰值不明显。固结压力越大,变形模量越大;偏应力水平越大,应变量增长速度越快,变形模量越小。
(3)从扰动对土体抗剪强度影响的角度,可以将扰动分为两部分:①剪切破坏对结构强度的扰动,结构强度对应的抗剪强度可表示为ck=(1-1/mp)c、tan()k=tan[(1-1/mp)()],土体剪切破坏后的残余抗剪强度就是无结构强度的抗剪强度,残余抗剪强度可表述为cd=c/mp、()d=()/mp;②土体有效应力发生改变的扰动,土体有效应力降低后抗剪强度及变形性能会进一步降低,直至变成没有经过固结的重塑土。
(4)围护结构成孔施工会在桩周产生塑性扰动区,泥浆比重越大,塑性扰动区半径越小;孔径越小、塑性扰动区越小;成孔深度越深,塑性扰动区越大。在侧向挤压变形作用下,坑内土体形成一个楔形扰动破坏区域。
(5)基坑开挖宽度增大,水平基床系数减小;土体应变量增大,变形模量减小,水平基床系数随之减小;开挖卸荷后坑底土负的超静孔压会慢慢消散,坑底土体有效应力会逐渐降低,水平基床系数也随之降低;受扰动后土体水平基床系数下降,扰动后的土体水平基床系数可通过土体强度的变化表示为Kd=(Su*/Su)·K=(Su*/Su)·α·Eo。
(6)深基坑破坏不是单纯的土体破坏或墙体、支撑破坏,基坑稳定性与围护结构的受力变形情况、土体的变形和应力状态相关,发生破坏的过程与模式是多种情况的综合表现。
(7)由斜桩组成的群桩基础能很好地利用桩轴向刚度大、承载力高的特点,通过轴向承载力来承担水平荷载。由直桩(作为挡墙)和斜桩(提供侧向支撑)组成的双排桩支护结构能充分发挥斜桩水平支撑作用,减小围护结构侧向变形与受力。随着斜桩倾斜角度增大,斜桩轴向承载特性在水平向的贡献逐渐增大;随着斜桩桩长增大,斜桩轴向刚度增大,在水平向的贡献也增大。
本文研究成果为结构性软土工程特性研究、软土地基中深基坑围护结构受力变形分析和基坑稳定性分析提供了理论指导,也为基坑工程围护结构设计提出了具体的计算方法,具有很好的理论意义与实践意义。