基于空心圆柱仪试验的各向异性软黏土基坑抗隆起稳定分析

已有研究表明,天然黏土的强度表现出明显的各向异性,但其规律未能经过严格的试验验证。基于空心圆柱仪（HCA）的杭州原状软黏土试验结果,对 法进行修正,提出大主应力方向为任意方向剪切时土体的强度公式。假定基坑开挖引起的土体滑动破坏模式为Prandtl模式,利用上述强度公式,得到基坑抗隆起稳定的塑性上限解。结合算例,讨论了土体强度各向异性比、挡墙入土深度比、墙底下卧硬土层深度、挡墙粗糙度等因素对基坑坑底抗隆起稳定的影响。采用该方法分析杭州某失稳基坑实例,通过与已有方法的结果对比,验证了所提方法的合理性。研究表明,不考虑土体强度各向异性和基于 各向异性公式的抗隆起分析都将高估杭州软黏土基坑的抗隆起稳定性。     

深厚软土地区基坑墙底抗隆起稳定性Prandlt计算式的讨论

深厚软土地区采用Prandlt公式计算基坑抗隆起稳定性常常不满足规范要求,给基坑支护设计带来较大困惑。本文在分析基坑开挖与Prandlt公式计算地基极限承载力的力学边界条件差异的基础上,指出采用Prandlt计算式、临界宽度法和计入基坑内侧土体抗剪强度等改进计算方法的不足,提出同时考虑基坑支护体内外两侧土体抗剪作用的改进计算公式。通过对4个计算公式各参数的敏感度分析,发现内摩擦角是影响基坑墙底抗隆起稳定性的首要因素,基坑挖深和支护体插入深度是主要影响因素,土体黏聚力是次要影响因素,土体重度的影响可以忽略。软土内摩擦角较小,在基坑挖深一定的条件下,只有通过加大支护体插入深度才能保证基坑墙底抗隆起稳定性,因此,考虑基坑支护体内外两侧土体抗剪强度的有利作用可合理优化基坑支护设计。本文通过工程实例研究,验证了计入基坑支护体内外两侧土体抗剪强度作用的合理性;同时,根据浙江软土地区多项工程墙底抗隆起稳定安全系数计算结果的统计分析,指出目前规范取值标准偏高,在软土地区不尽合理,建议在积累工程经验的基础上,适当降低规范计算方法的标准限值。     

非均质与各向异性黏土基坑抗隆起稳定分析

经典的Prandtl 机构不能很好地反映支护结构入土深度的影响,也不能反映土体强度非均质和各向异性的影响。根据塑性极限分析上限定理,基于修正的Prandtl机构,推导了既可以合理反映支护结构入土深度影响,又可以反映土体强度非均质和各向异性特性的基坑抗隆起稳定的上限解公式,同时基于商业化程序的二次开发,建立了可以考虑土体强度非均质和各向异性影响的强度折减弹塑性有限元方法。通过提出的修正Prandtl机构上限解与强度折减有限元方法以及多块体上限解的对比,验证了修正机构上限解以及强度折减有限元法的合理性和可行性,最后讨论了非均质系数、各向异性系数、支护机构入土深度等因素对基坑抗隆起稳定性的影响,并通过了实例的验证,相关结论可供工程参考。     

非均质软土基坑抗隆起稳定性的极限分析方法

考虑到实际工程中土体非均质以及软土地区基坑开挖过程中土体稳定性的特点,将极限分析上限方法应用于非均质软土基坑抗隆起稳定分析计算中,讨论了极限分析方法的适用性问题。选用Prandtl机构建立了非均质软土地区基坑抗隆起稳定分析的运动许可速度场,根据速度场推导了极限分析上限方法的计算公式。讨论了该方法中土体强度、基坑宽度、支护墙体入土深度、基岩埋置深度等因素对坑底抗隆起稳定的影响。通过几个工程的计算与对比,验证了该方法的适用性和优越性。     

考虑水位和孔压影响的基坑抗隆起稳定性上限分析

分析了基坑围护墙内外水位和孔压的分布规律,基于极限分析上限定理,将孔压做功作为外力功代入上限定理能量平衡方程,选用Prandtl滑动模式建立了考虑地下水位和孔压影响的基坑抗隆起分析方法及其验算公式。通过该计算方法对坑外水位、土体强度、硬土层深度和基坑开挖宽度等参数的影响分析以及工程实例的对比计算,验证了公式的适用性。分析结果表明,基坑内外水位和孔压变化以及地下水渗流对抗隆起稳定性产生重要影响,地下水是影响基坑稳定性的一个重要的不利因素。与经典的Terzaghi、Bjerrum和Eide方法以及Chang方法相比,该分析方法可以考虑坑内外水位和孔压对抗隆起稳定性的影响,为软土地区基坑抗隆起稳定性分析提供了合理的计算方法。     

软土地区基坑墙底抗隆起稳定性Prandtl计算式的改进

软土地区,应用Prandtl地基承载力计算式验算墙底抗隆起稳定性安全系数存在两个问题：一是不能反映随着围护体插入深度的增加,墙底抗隆起稳定性安全系数也随之增大;二是不能体现基坑宽度对墙底抗隆起稳定性安全系数的影响。本文在分析基坑开挖卸荷与应用Prandtl公式计算地基承载力的力学边界条件差异的基础上,认为现有的Prandtl计算式不足以反映基坑隆起破坏滑动模式;依据极限平衡计算原理,提出考虑围护体墙底以上基坑内外两侧土体抗剪作用的改进计算模式。按基坑宽深比为3的标准划分宽、窄基坑,并分别给出宽窄基坑抗隆起稳定性安全系数计算式。通过工程实例计算表明：本文提出的改进公式与成功实施的工程实例安全状况相符,能解释在软土地区随着围护体插入比的增大,基坑抗隆起稳定性得到提高的规律;按照宽窄基坑划分,可以合理计算窄基坑的抗隆起稳定性安全系数。本文研究结果可有助于软土地区基坑抗隆起稳定性计算评价和基坑围护结构的优化设计,也有待于进一步理论研究的补充完善和工程实践的验证。     

内撑式支护的软土基坑开挖抗隆起稳定性分析

采用强度折减法有限元方法（SSRFEM）,分析了不排水条件下软土地基中内撑式排桩支护基坑开挖的抗隆起稳定性,并研究了软土不排水抗剪强度、支护结构条件、基坑尺寸对基底抗隆起的影响。研究表明,以往通常采用的极限平衡公式,对基坑开挖基底抗隆起稳定分析不能完全考虑支护结构的影响,也不能考虑基坑侧壁位移的影响,在一些条件下误差较大,而SSRFEM分析方法是求解基坑极限状态实际而自然的破坏形式,可很好地分析基底隆起稳定性。     

软土狭长深基坑抗隆起破坏模式试验研究

针对软土地区基坑底土层为饱和软黏土的情况,设计了狭长深基坑的抗隆起离心模型试验,分析不同开挖深度和水位条件下的基坑围护墙弯矩、土压力分布、水平位移以及基坑隆起稳定破坏机制。基于离心模型试验的基本参数和工况,建立了有限元数值模型,分析试验工况基坑的抗隆起稳定性与破坏状态,并进行对比验证。试验结果表明：随着开挖深度和坑外水位的增加,坑底软土层产生向上的隆起变形,当隆起变形较大时,围护墙由于坑内土体侧向约束的减弱,底部产生较大的向坑内的水平位移,同时导致支撑轴力增大,基坑最终表现出围护墙绕某道支撑点向坑内的转动踢脚破坏。数值计算结果表明：随着坑外水位的升高,基坑抗隆起稳定性安全系数逐渐减小,当发生抗隆起稳定破坏时,基坑底产生较大的隆起位移,破坏机制与离心模型试验结果相同。     

考虑土体硬化的基坑开挖性状及隆起稳定性分析

基坑开挖过程中,土体应力路径、卸载回弹再压缩特性与简单加载或卸载不同,采用常规的理想弹塑性模型模拟基坑开挖,得到的围护墙位移、坑内土体回弹以及坑外沉降较大。分析了基坑开挖不同区域土体的性状,采用土体硬化模型模拟基坑开挖的卸载与土体硬化行为,结合工程算例,对比土体硬化模型和理想弹塑性模拟以及实测的围护结构土压力、围护墙水平位移和坑外土体沉降,并利用强度折减法分析基坑的稳定性。计算结果表明,考虑土体硬化的HS模型有限元方法能体现土体卸载再加载与开挖的特性,所得土压力、围护结构水平位移以及基坑抗隆起稳定性符合软土地区基坑工程的实践。     

考虑假想基础宽度的基坑抗隆起稳定性

在深厚软土地区,有大量的基坑工程符合下列特征：（1）围护墙插入比为1:2.0～1:2.2;(2)开挖过程顺利;（3）抗隆起安全系数不满足现行相关标准要求。为减少理论与实践之间的不符,基于既有地基承载力模式的计算公式,通过引入假想基础宽度,建立了可考虑土体应力状态和抗剪能力的基坑抗隆起稳定性分析方法。定义了抗隆起安全系数在数学上为最小值的假想基础宽度为临界宽度。除临界宽度外,假想基础宽度的选取还应考虑基坑宽度、软土层厚度等因素。结合已完成工程实例,对比了现有不同稳定分析方法的抗隆起安全系数,分析了软土地层结构、土体内摩擦角等对稳定性的影响。分析结果与实际情况更加接近,且表明土体抗剪能力的影响在采用临界宽度作为假想基础宽度时有限。     

Reliability Analysis of Excavation Induced Basal Heave

The present study deals with the reliability analysis of basal heave caused by excavation considering uncertainty in the soil properties. The case study considered in the present work has been analyzed deterministically by Hsieh et al. (Can Geotech J 45:788–799, 2008). Taiwan building code is adopted in the method for analyzing the basal heave failure. The random variables (undrained shear strength and total unit weight of clay) are assumed to be normally distributed and uncorrelated. A series of parametric studies have been conducted to calculate the reliability index on the basis of the matrix formulation for the second moment method by Hasofer and Lind (J Eng Mech ASCE 100(1):111–121, 1974) considering different coefficient of variation of undrained shear strength and total unit weight of clay layers. It has been found that for a particular value of coefficient of variation of total unit weight, the reliability index with respect to occurrence of basal heave failure decreases with increase in the coefficient of variation of undrained shear strength. Moreover, the reliability index also decreases when the coefficient of variation of total unit weight increases. It has also been found that the probability of basal heave failure is lower with respect to factor of safety equals to 1.2, as compared to factor of safety equals to 1.0. Sensitivity analysis shows that the undrained shear strength of the bottommost layer and total unit weight of the second layer are the most significant random variables affecting the reliability index. Guidelines are provided for reliability based design where, for ‘target’ reliability index of 2.5 and 3.0, the factor of safety can be chosen such that all the related uncertainties are taken into account, especially with regard to undrained shear strength of the bottommost layer and total unit weight of the second layer. Design guidelines have been provided for this purpose.     

Three-dimensional undrained tunnel face stability in clay with a linearly increasing shear strength with depth

The undrained tunnel face stability in clay with a linearly increasing shear strength with depth was investigated by three-dimensional finite element analysis. Three parametric studies were performed to study the effects of the cover depth ratio, overburden stress factor and linear strength gradient ratio on the load factor of the undrained tunnel face stability. The influence of the linear strength gradient ratio on the predicted failure mechanism of the undrained face stability was discussed and examined. An approximate closed-form solution was proposed for three-dimensional undrained tunnel face stability in clays with constant or linearly increasing shear strength profiles with depth.     

Basal stability analysis of braced excavations in anisotropic and non-homogeneous undrained clay using streamline velocity fields

Acta Geotechnica - A basal heave stability analysis in anisotropic and non-homogeneous undrained clay by using the kinematic approach of limit analysis is presented. The proposed failure mechanism...     

对基坑抗隆起稳定安全系数的改进

基坑的平面形状、尺寸以及围护结构的入土深度都会影响基坑的抗隆起稳定性,但现行规范推荐的抗隆起稳定安全系数算法均不能反映这些因素的综合影响。为解决这一问题,区分不同情况,对基坑底隆起破坏可能的模式做了必要的分类,分别给出了不同破坏模式情况下抗隆起稳定安全系数的计算方法。基于此方法,基坑围护结构的强度、刚度和入土深度都会影响基坑的抗隆起稳定性。计算分析表明,无论是对于排水情况还是不排水情况,狭窄基坑都具有更好的稳定性,而围护结构的入土深度可提高基坑的稳定性。改造后的基坑安全系数使传统算法可以考虑更多因素,为狭窄基坑缩小围护结构入土深度提供了一个理论手段。     

珠江口海洋软土不排水抗剪强度及循环弱化特性试验研究

为了获得广东珠江口海洋软土的不排水抗剪强度,分别开展了不固结不排水剪切和固结不排水剪切三轴试验、无侧限抗压试验、现场取土离心机正常固结模型地基的T-bar静力贯入试验以及现场十字板剪切试验和静力触探试验（CPT）,并采用土力学经验公式进行计算,确定了珠江口海洋软土不排水抗剪强度沿深度的分布规律,并综合评价了各种方法的有效性。为了获得该区域软土的循环弱化规律,分别开展了循环动三轴试验、现场取土离心机正常固结模型地基的T-bar循环贯入试验和现场单桩水平循环加载试验,揭示了软土循环动模量比与循环次数之间的双对数线性关系,获得了3种试验条件下珠江口海洋软土的循环弱化因子。其研究结果可为该区域海洋建筑物设计提供直接依据,也可为其他类型工程提供借鉴。     

连云港海相软土不排水强度特征

连云港地区软土为碱性环境下沉积的非均质海积软土,软土抗剪强度具有固有各向异性。采用三轴不固结不排水剪切（UU）试验、无侧限抗压强度（UTC）试验、快剪试验和原位十字板剪切（FVT）试验4种方法,对连云港地区软土的不固结不排水抗剪强度特征进行了研究。结果表明：土体水平剪切面强度最低,竖直面抗剪强度最高;土体制样采用垂直方向的切取试样方式时,土体强度最高。根据三轴UU试验得出的黏聚强度和内摩擦角基于土体单元极限平衡理论恢复了土体剪切破坏时的应力状态,计算出土体实际抗剪强度。三轴UU试验得出的抗剪强度平均值约为13.13 kPa,试样破裂面与水平面的夹角在45.1°~45.7°区间最为集中。UTC试验测得的土体平均抗剪强度近似等于三轴UU试验测得的平均抗剪强度。FVT试验测得软土抗剪强度平均值为19.72 kPa,与三轴UU试验和UTC试验得出的抗剪强度平均值相比高了约6.60 kPa,这种现象与室内试验试样的机械扰动、土体应力状态改变和剪切面特征有关。     

Effect of rod friction on vane shear tests in very soft organic harbour mud

Very soft organic harbour mud is increasingly used as a filling and construction material in harbour construction and reorganization. The undrained shear strength of such soft sediments is the critical geotechnical soil parameter with regard to any specific construction design. Field and laboratory vane shear testing is a standard method to quickly determine this important parameter. So far, the effect of rod friction on vane shear tests in very soft organic soils is unclear. In this study we present results from laboratory experiments on harbour mud from a construction site in northern Germany. Relations among vane and rod geometry, penetration depth, water content, rod friction and undrained shear strength are derived. Based on these relations the influence of rod friction on vane shear test results is investigated. The results indicate that field and laboratory vane shear test measurements may be significantly influenced by rod friction. Methods are proposed to correct for the rod influence, which is shown to increase with rising water contents.