基坑开挖卸荷土体的应力应变及抗剪强度分析

基坑开挖地应力场
基坑开挖地应力场是指在基坑开挖过程中，由于土体的移除和荷载的变化，导致地下土层中的应力状态发生改变的区域。

在基坑开挖前，土体处于原始的应力平衡状态。

当进行基坑开挖时，土体的一侧被挖掉，上方的土体重力失去支撑，导致土层中的应力重新分布。

这种重新分布的应力会在基坑周围的土体中产生应力集中和释放，形成了一个复杂的应力场。

地应力场的变化会对基坑的稳定性和周边结构的安全性产生重要影响。

如果地应力场得不到合理的控制和管理，可能会导致基坑坍塌、周边建筑物倾斜或破坏等问题。

为了评估和控制基坑开挖地应力场，工程师通常会采用数值模拟、现场监测和地质勘探等技术手段。

他们可以通过分析应力场的分布情况，制定合理的挖掘方案、支撑设计和加固措施，以确保基坑和周边结构的安全。

与基坑开挖过程有关的土体工程特性试验研究随着城市化建设推进,高层、超高层建筑,地下商城、隧道、地铁等建设越来越多,建筑高度、基础埋深、建筑规模都在加大。

工程行为作用下土体的受力状态已不再是简单加载,更多地包含了卸荷回弹及加载再压缩等力学过程,应力路径更加复杂化。

土的力学性质不仅取决于其最初和最终的应力状态,而且与应力状态的变化方式及此前的应力历史有关,土体加、卸荷力学性质明显不同。

而现在工程设计计算极少考虑这一点,忽略了固结状态及工程行为作用下的应力路径对土体力学特性的影响。

目前,基坑工程设计更多地考虑土体开挖卸荷对周边环境的影响,以变形控制为主,土体并非完全处于极限平衡状态。

而现在土压力分析却仍假定土体为极限状态,以郎肯土压力、库伦土压力理论计算；土体力学参数亦是采用加荷路径下的强度指标,未涉及应力历史、基坑开挖卸荷路径对土体力学性质的影响。

基坑工程设计更多地是以经验为主,其计算分析结果常与工程实际不符。

本课题研究基坑开挖过程不同阶段周围土体应力历史状态、应力路径及其对应的应力应变关系,结合数值分析及基坑足尺试验,以期得到考虑土体应力历史、应力路径,符合土体实际工作状态的基坑工程设计方法。

主要研究内容及创新性成果如下：1.揭示了基坑开挖主动区、被动区土体荷载变形特征,并提出了相应卸荷路径下的应力应变关系归一化方法基坑开挖过程为土体卸荷过程,其坑内、外土体应力状态差异很大,应力路径复杂。

通过简化分析,得到了三种基坑开挖土体卸荷应力路径,研究了相应路径下的土体应力应变关系。

(1)应力路径①主动区上覆压力不变,侧向压力减小,以反映主动区土体应力状态；该路径下土体在卸荷比达到一定数值(文中定义为卸荷比R0)之前,基本没卸荷变形,反映了其受应力历史的影响。

②被动区上覆压力减小(以不同卸荷比),侧向压力增加,以反映开挖面以下较浅区域,支挡结构挤压土体,侧向压力增加,且侧向压力大于上覆压力；该路径下土体因初始应力的预固结作用,应力应变关系表现为初始强度较高；土体卸荷状态的强度指标不符合正常固结黏性土不固结不排水剪的“φ=0”理论。

4．3．1 等效线性模型（Hardin-Drnevich 模型）
等效线性模型就是将土视为粘弹性体，采用等效弹性模量 E 或 G 和等效阻尼比 λ 来反
映土体动应力～动应变关系的非线性与滞后性。并且将模量与阻尼比表示为动应变幅的函
数，即 Ed = E(ε d )， λ = λ(ε d ) 或 Gd = G(ε d )， λ = λ(ε d ) ，同时在确定上述关系中考
4．2 应力应变关系的力学模型
从土受力后的表现可以抽象出以下三个基本力学元件（即弹性元件、粘性元件和塑性元 件），并且可用这三个元件的组合来近似地描述土的力学性能。
如果在上述每种力学元件上作用的应力σ 为往返动应力，即σ d = σ m sin ω ⋅ t ，则可以
看出，对于弹性元件（Hooke 模型），动应力应变关系为过原点的一条斜直线（如图 4-4a）， 直线的斜率取决于弹性元件的弹性模量 E，应力应变曲线内的面积等于零。对塑性元件
σ d ≥ σ 0 时为粘性元件的关系，因此组合成一个
如图 4-9 所示的曲线形态。
图 4－8
6
σ
σ σ0 o −σ0
σ0
c (Bigham 体)
σ
σ
σ
0
σ0
σc o εd
E1
σ
σ
E2
σ0
σd
σ0 1
o E
−σ0 1
E1 E 1 εd
图 4-9
图 4-10
对于双曲线模式如图 4-10 所示，当 σ d ≤ σ 0 时，σ d = (E1 + E2 )ε d ；当 σ d ≥ σ 0 时，
（3）变形积累性
由于土体在受荷过程中会产生不可恢复的塑性变形，这一部分变形在循环荷载的作用下

荷载作用下土体抗剪强度变化的原因1.液化：荷载作用可以导致土体中孔隙水的压力增加，进而减小土体的有效应力，从而降低土体的抗剪强度。

当孔隙水的压力超过土体的固结应力时，土体会发生液化现象，使土体失去抗剪强度。

2.初始状态：土体的初始状态也对其抗剪强度的变化起重要作用。

如果土体处于较松散的状态，荷载作用可能会使土体颗粒更加紧密，从而提高抗剪强度。

相反，如果土体处于较密实的状态，荷载作用可能会使土体颗粒更加松散，导致抗剪强度降低。

3.粒度组成和颗粒形状：土体的粒度组成和颗粒形状直接影响其抗剪强度。

通常情况下，颗粒间的摩擦力是土体抗剪强度的主要因素之一、当颗粒形状理想且颗粒间有较强的摩擦力时，土体抗剪强度较高；而当颗粒形状不规则或颗粒间存在滑动面时，土体易产生剪切破坏，抗剪强度较低。

4.孔隙水压力：荷载作用可以改变土体中的孔隙水压力，从而影响土体的抗剪强度。

适量的孔隙水压力可以增加土体的有效应力，提高抗剪强度；但孔隙水过多或过少，都会降低土体的有效应力，使抗剪强度变低。

5.应力状态：荷载作用会改变土体的应力状态，进而影响其抗剪强度。

例如，当荷载作用改变土体中的主应力方向时，土体抗剪强度会受到不同方向上的应力大小和应力比的影响。

6.历史荷载和应力历史：土体的抗剪强度还受到历史荷载和应力历史的影响。

一些土体在经历多次荷载作用后，其抗剪强度可能逐渐减小，形成剪切软化现象。

这是因为土体在反复荷载过程中，可能发生颗粒重新排列或颗粒破碎等情况，导致土体抗剪强度降低。

总之，荷载作用会引起土体抗剪强度的变化，这是由于液化、初始状态、粒度组成、颗粒形状、孔隙水压力、应力状态以及历史荷载和应力历史等多个因素的综合作用所致。

这些因素之间相互影响、相互制约，对土体抗剪强度的变化起着重要的作用。