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。     

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。     

各向异性软土基坑抗隆起稳定极限平衡分析

土体的各向异性与沉积环境和应力历史密切相关。以能够考虑土体特性的各向异性不排水抗剪强度公式为基础,利用圆弧滑动方法,并考虑破坏面上强度的折减（ ）,推导各向异性软土基坑抗隆起稳定极限平衡解。对软土基坑抗隆起稳定进行研究,系统分析了开挖深度H、围护结构插入深度D、最下道支撑与坑底相对距离He/H等几何因素及土体有效内摩擦角 、各向异性强度比k及强度沿深度非均质变化的斜率 等强度参数的影响。最后结合工程实例,验证了公式的适用性,为软土基坑工程抗隆起分析提供了新的思路。     

基于连续速度场的基坑抗隆起稳定性上限分析

传统的基坑抗隆起稳定分析上限法的变形机构在用于饱和黏土基坑时,往往不符合基坑的真实变形。根据软土地区基坑开挖引起的地表沉降曲线,构造了饱和黏土基坑抗隆起稳定性上限分析的变形机构和运动许可速度场,变形机构内部的土体作为连续变形体,且在边界处没有明显的破坏面。提出了一种新的基于上限法的基坑抗隆起稳定性分析方法,该方法采用的变形机构更符合实际的基坑变形,而且可以考虑支护结构入土深度对基坑隆起变形的影响。结合算例与工程实例,并与基于Terzaghi机构和Prandtl机构的上限法、多块体上限法进行对比,验证了本方法的合理性与适用性。     

土体强度各向异性基坑的抗隆起稳定性分析

天然土体通常为非均质、各向异性土体,目前常用的基坑抗隆起计算方法多是针对均质各向同性土体的。采用非均质非线性各向异性岩石破坏准则,考虑土体原生各向异性,假定Prandtl破坏模式,采用地基承载力模式进行基坑的抗隆起稳定性分析。根据滑移线理论计算承载力,利用有限差分法结合边界条件编制出相关计算程序,并定义基坑抗隆起稳定性系数。研究表明,各向异性比的提高会降低安全系数;内摩擦角和插入比的增大可有效提高基坑的稳定性。     

基于极限分析法求解基坑支护墙入土深度下限解

基于极限分析下限法构建满足一定规则的静力许可应力场,以极限平衡方程与屈服准则为基础,确定坑底土体的下限极限承载力,并根据其与基坑支护墙入土深度的关系推导出支护墙入土深度的下限解,并提出了基坑抗隆起稳定性分析的计算式。采用工程实例验证了支护墙入土深度的下限解及基坑抗隆起稳定性分析计算的可行性。     

非均质地基浅埋水平条形锚板承载力上限分析

考虑地基土体的非均质特性,采用非线性Mohr-Coulomb强度准则及其关联流动法则构造了浅埋水平条形锚板的曲线型破裂机制与机动许可速度场,根据极限分析上限定理推导了条形锚板抗拔承载力的表达式。利用变分极值原理求得了锚板抗拔承载力及其上方土体破裂面的上限解,分析了锚板埋深、土体非均质和非线性强度特性对锚板抗拔承载特性的影响,并将该上限解与已有计算方法进行了对比。结果表明:锚板埋深、土体非均质和非线性强度特性对其抗拔承载力与破裂面特征具有明显的影响。锚板埋深和土体非均质系数越大以及土体非线性强度系数越小,锚板抗拔承载力和土体破裂面深度、宽度均是越大。该上限解与极限平衡和极限分析有限元方法的计算结果基本一致,验证了所采用的曲线型破裂机制和地基非均质变化规律有效性,为条形锚板设计提供了一定的参考。     

非均质各向异性黏土光滑条基承载力上限解

黏土地基中土体强度的非均质和各向异性是比较突出的现象。在已有工作的基础上,根据目前常用的不排水条件下饱和黏土非均质和各向异性强度模型,采用已被证实计算光滑条基极限承载力相当高效的多块体离散模式,编制了考虑强度非均质和各向异性时黏土地基上光滑条基地基承载力计算的多块体上限解计算程序,实现了非均质各向异性黏土地基上光滑条基地基极限承载力的多块体上限解法。为验证多块体上限解法的应用情况,将计算结果与已有的上限解、滑移线解等做了广泛的对比发现,该处计算非均质和各向异性黏土地基上光滑条基极限承载力的上限方法是相当有效的。为方便应用,基于多块体上限方法给出了非均质和各向异性条件下地基承载力系数 的计算曲线。探讨了 随土体强度非均质和各向异性的变化规律。通过分析非均质条件对地基破坏面的影响,揭示了非均质对地基承载力影响的内在原因。     

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。     

考虑土体非均质和各向异性的锚索极限抗拔力研究

考虑土体的非均质性与各向异性,结合预应力锚索锚固段土体的破裂形式,利用非线性强度准则,根据极限状态下力的平衡原理,推导出一个可考虑土体非均质性、各向异性与非线性破坏性质等多种因素影响的锚索极限抗拔力计算公式,并通过理论计算,分析土体非均质性、各向异性以及非线性强度系数对锚索极限抗拔力的影响。计算研究表明,土体的非均质性与各向异性对锚索抗拔力的影响显著,随着土体非均质常数的增加,锚索极限抗拔力不断提高,而随着各向异性系数与非线性强度系数的增加,抗拔力则有所下降;当土体非均质常数与各向异性系数提高时,土体破裂范围不断增大,研究结果可为锚索锚固体的设计提供一定参考。     

软土中T型触探仪贯入阻力的数值模拟

T型触探仪近年来在国外的海洋软土地基原位测试中得到了广泛应用,但贯入速率、地基土强度的各向异性与渐进软化等因素对于贯入阻力的影响没有得到系统的研究。在大型有限元软件ABAQUS平台上进行二次开发,针对基于Tresca屈服准则的理想弹塑性模型进行了相应改进,使之可以比较合理地反映上述因素的影响,进而对软土中T型触探仪的贯入机制进行了比较系统的数值分析。计算结果表明,贯入速率、地基土强度的各向异性与强度软化效应对于T型触探仪的贯入阻力系数影响较大。通过与有关极限分析上限解的对比分析,在一定程度上验证了有限元分析结果的合理性。     

Rotational–translational mechanism for the upper bound stability analysis of slopes with weak interlayer

The presence of a weak interlayer has usually an adverse effect on the slope stability. However, the rotational failure mechanism in the conventional upper bound limit analysis cannot rationally describe the sliding of the failure mass along the weak interlayer. Therefore, a new failure mechanism was proposed in this study to evaluate the stability of slopes with weak interlayers using the upper bound limit analysis and the associated factor of safety was determined by the shear strength reduction technique. The new failure mechanism is comprised of rigid blocks undergoing rotational or translational movements, instead of the rotational movement in the conventional failure mechanism. It has also been extended to the stability analysis of slopes in presence of stabilizing piles and pore water pressures. Case studies were carried out on actual slopes with weak interlayers. The proposed rotational–translational failure mechanism was verified by the shear strength reduction finite element method (SSRFEM). Comparisons demonstrate the reliability of limit analysis method with the proposed rotational–translational failure mechanism for slopes with weak interlayers and therefore it can be used as a simple evaluation method for the engineering design.     

Simulation of yielding and stress–stain behavior of shanghai soft clay

In this paper, a simple bounding surface plasticity model is used to reproduce the yielding and stress–strain behavior of the structured soft clay found at Shanghai of China. A series of undrained triaxial tests and drained stress probe tests under isotropic and anisotropic consolidation modes were performed on undisturbed samples of Shanghai soft clay to study the yielding characteristics. The degradation of the clay structure is modeled with an internal variable that allows the size of the bounding surface to decay with accumulated plastic strain. An anisotropic tensor and rotational hardening law are introduced to reflect the initial anisotropy and the evolution of anisotropy. Combined with the isotropic hardening rule, the rotational hardening rule and the degradation law are incorporated into the bounding surface formulation with an associated flow rule. Validity of the model is verified by the undrained isotropic and anisotropic triaxial test and drained stress probe test results for Shanghai soft clay. The effects of stress anisotropy and loss of structure are well captured by the model.     

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。     

考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆机制

浆液在多孔介质中的扩散路径对渗透扩散范围和注浆效果具有非常重要的影响。采用理论分析,以分形特征与宾汉姆流体在多孔介质中的渗流运动方程为基础,揭示了考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆机制,并利用团队前期开展的渗透注浆试验对其进行了验证。分析了多孔介质孔隙率、宾汉姆水泥浆液水灰比、多孔介质渗透系数、注浆压力、地下水压力等对扩散半径的影响变化规律。同时,基于Comsol Multiphysics平台,采用计算机编程技术二次开发得到了考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆机制的渗透注浆三维数值模拟程序,并以此开展了宾汉姆水泥浆液在多孔介质中渗透扩散形态效果的数值模拟。研究结果表明：与不考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆球形扩散公式获得的扩散半径理论计算值相比,采用考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆机制得到的扩散半径理论计算值更接近试验值。该研究成果可为实践注浆工程提供一定的理论支撑。     

分层土中裙式吸力基础吸力沉贯特性模型试验研究

针对一种新型海上风电基础形式-裙式吸力基础,开展模型试验,研究其在分层土地基中的沉贯特性。讨论了土层分布形式（砂土、黏性土、上层砂土及下层黏性土（简称上砂下黏）、上层黏性土及下层砂土（简称上黏下砂））、沉贯方式的影响。研究表明：裙式吸力基础在分层土中具有良好的沉贯性能。与传统吸力基础相比,裙式吸力基础在砂土、黏性土、上砂下黏和上黏下砂地基中最终沉贯深度较传统吸力基础分别增加10.0%、2.3%、3.0%和9.6%,沉贯最大吸力值分别增加0.9%、14.4%、66.2%和92.2%。黏性土层位置和厚度对基础沉贯特性影响显著。上黏下砂地层中,基础最大吸力值出现在土层分界面处,最大吸力值随土层分布系数t（上层土厚度与土体总厚度的比值）的增加而逐渐增大,最终沉贯深度随土层分布系数增加而逐渐减小。上砂下黏地层中,裙式吸力基础最大吸力值出现在最大沉贯深度处,吸力最大值随土层分布系数的增加而逐渐减小,最终沉贯深度受土层分布系数影响较小。此外,同时抽吸主桶和裙结构内水体进行沉贯,最终沉贯深度大于只抽主桶情况。在砂土、黏性土、上黏下砂（ 0.4）和上砂下黏（ 0.4）等4种地基中,裙式吸力基础采用同时抽主桶和裙结构的沉贯方式,最终沉贯深度较只抽主桶情况分别增大了13.8%、3.4%、16.4%和4.6%。研究成果为进一步阐明吸力基础在分层土中沉贯机制及指导工程实践,具有借鉴意义。     

考虑挤土效应的筒型基础沉放阻力数值分析及试验验证

鉴于传统的筒型基础沉放阻力计算公式或数值分析方法均没有考虑筒壁内外侧挤土效应的差异,对于窄深型或是带分舱板的宽浅型筒型基础,由于筒壁或者分舱板的约束作用,基础内侧挤土效应有时远大于外侧,用传统方式计算沉放阻力可能存在较大误差。为揭示筒壁内外侧挤土效应的差异情况,采用显式的任意拉格朗日-欧拉（ALE）方法,针对土体大变形和接触非线性等问题,建立了能够实现筒型基础动态、连续沉放过程的有限元模型,模拟出了筒壁内外侧挤土效应。数值分析结果表明,当入土深度与筒径比达1.6时,筒壁内侧压力可达外侧的10倍左右。通过分析下沉过程中筒壁内外侧土体位移及应力分布,阐述了筒壁内外侧挤土效应差异的机制。最后,提出了考虑挤土效应的筒型基础沉放阻力计算公式,计算与试验结果吻合良好,大大提高了筒型基础沉放阻力的计算可靠性。