文摘

影响承压含水层,基底侵入事故引起的基坑开挖是常见的,和准确评估安全厚度的工程师的基础是一个大问题。本文的三维破坏机理基础侵入构造了矩形基坑。在该机制中,土体的强度沿深度,被假定为非齐次和土体失败针对摩尔-库仑强度准则满足线性和非线性。然后,基于极限平衡理论,安全厚度的预测方法对承压水的基本推导了侵入,并与现有的研究工作进行了比较。此外,土壤强度参数的影响规律,设计参数,和承压水压力临界安全厚度进行了分析。结果表明,临界安全厚度基本呈正相关的非线性系数和承压水压力,但负相关与凝聚力,内摩擦角,非均质系数、单位重量。土壤强度的一个关键因素影响基地安全厚度,应该足够重视工程设计和施工。本文的研究成果可以为预防和控制提供理论参考的承压水地层基底侵入事故。

1。介绍

近年来,随着城市化的不断发展,各种基础设施建设的规模也在增加,和表面空间正逐渐变得拥挤了。一系列的问题,如人口激增,交通拥堵,环境污染也变得越来越突出。合理开发利用地下空间能有效缓解上述问题;这是最重要的方法之一在未来实现可持续、健康的城市发展。在城市地下空间的开发过程,露天的方法是最常用的施工方法之一。在这种方法中,伴随着一系列复杂的项目,如城市地铁、效用隧道,和高层建筑,大量和复杂地质条件下深基坑出现近年来,工程安全施工带来巨大的挑战。根据现有的数据,地下水引起的基坑事故约占45% - -70%的各种事故。特别是在承压水区域,底部的侵入作用所造成的灾害承压水更常见,这很容易引起基坑的崩溃和毁灭的支持结构,这是工程设计和施工人员的大问题。

目前,基底侵入破坏机理的基坑受承压水一直是许多学者的关注。常用的研究方法包括理论分析、数值模拟和实验室检测。例如,Terzaghi [1]得出的渗透破坏区域附近的基坑基础主要是外壳结构根据模型试验,建立了基坑侵入判别的基础上,测试结果。Marsland [2在建筑研究车站)进行模型试验来确定故障的类型发生由于渗水noncohesive大摇大摆的片状的挖掘土壤和调查围堰宽度的影响,薄膜的穿透深度,土壤条件。刘和王3]分析了压力水浅粉对开挖的影响,提出了一系列措施,确保基坑开挖期间的安全。丰塔纳(4)评估的安全系数比较退出梯度和临界梯度和得出的实验数据和理论价值是亲密的厚度板桩和地表变形适当考虑。Wudtke [5)调查的种类和机理液压绞在粘性土壤的挖掘和可视化进行了一系列测试粘性土的破坏机理;最后,他提出了一系列因素,基本上取决于的故障类型。做et al。6]研究基底起伏深度挖掘软粘土的稳定和安全使用三种方法来估计因素对基底起伏。做et al。7]研究了四种故障机制的发掘和提出合理的发掘估计的稳定性的有限元弹塑性的情况下支持系统。丁等。8]分析了诱导因素的影响规律(承压水水头、长度和宽度的基坑)的塑性变形失效基坑侵入基于三维有限元计算模型。结果表明,隆起变形和侵入塑性变形下的土壤的失败与承压水基坑有非线性关系头和基坑的宽度。吴作栋(9)的基底隆起稳定性评估粘土防渗墙支持循环发掘利用有限元方法和提出了一个简化的方法评估基底起伏为轴对称支持挖掘安全系数。黄等。10]提出了一种新的失效机理评价排水系统的发掘与嵌入墙壁的基底稳定粘土和分析两个故障情况下各向异性土使用此机制。

在包含承压水地层,足够的基础基坑的安全厚度防止侵入灾难是非常必要的。例如,在当前的中国和日本,基坑代码基底侵入灾难的理论预测公式的基础上,给出了压力平衡的方法。在这种方法中,认为侵入发生故障时如果底部土体的重量小于承压水压力;土壤强度的影响被忽略。针对这个问题,马等。11)提出了一个计算方法的临界厚度基坑基础基于结构力学的相关理论。杨和郑12)把地铁站的开挖为例,提出了计算公式的基础侵入正确代码方法通过考虑土体的抗剪强度。王等人。13)获得临界厚度的确定方法基坑底板的基于弹性理论。刘等人。14]导出一个新的检查公式anti-inrush考虑基坑的抗剪强度和重量的基坑基础和考虑到基坑渗流的因素。太阳(15)进行了一系列的离心模型试验研究基坑的破坏机理,提出了一个理论基础深基坑的稳定性分析方法对承压含水层。陈等人。16]建立了数值模型的PIP做好开挖在上海软土上覆承压含水层和调查re-excavation的耦合效应和液压提升基础上的不稳定。胡锦涛et al。(17]提出了不稳定渗流的基本方程和压力耦合和稳定性的研究深基坑紧邻水。

应该指出的是,上述研究工作都是针对摩尔-库仑破坏准则的线性的基础上进行的。大量的实验室测试(18- - - - - -21)表明,土体的强度包络线是接近一个外凸曲线而不是传统的线性关系。因此,非线性准则更准确描述土壤质量的失败。与此同时,在地层长期重载作用下,土体可能存在明显的不均匀性。通过考虑这些因素,现有的研究工作基础上,失败的非线性特征和土壤质量的不均匀性是进一步整合,和一个三维的基底侵入构造矩形基坑的破坏机理。然后预测临界安全厚度的公式的基础的基础上推导出极限平衡方法。不同的土壤参数的影响规律,基坑设计参数和承压水压力临界厚度。本文的研究结果可以提供一个理论参考的基底侵入失败基坑承压水地层。

2。侵入矩形基坑的破坏机理

2.1。计算模型在当前技术规范

目前,在基坑的技术规范,在中国和日本,计算模型的基础上建立了基地侵入压力平衡法,如图1。在这个模型中,假设有一个承压含水层下坑的底部,承压含水层的水头高于坑的底部。的公式计算侵入稳定性受承压水可以表示如下: 在哪里是一个安全系数大于或等于1.1,单位重量的土壤质量,单位重量的水,是临界安全厚度基本对承压水的侵入,然后呢是承压水的高度。

2.2。侵入破坏机理在本文提出

在本文中,一个矩形基坑深度H、宽度B,长度l选择进行分析。根据当前的代码和研究工作由杨和郑12),刘等人。14),和太阳15),一个三维的失效机理的基础构造侵入,如图2。失败的侵入范围被认为是一个红色的方块图2。具体来说,假设当底部的承压水压力超过上部土体的强度和重量,侵入失败会发生。底部土体将沿着垂直向上滑动破坏面。相应的临界安全厚度 。同时,支护结构的影响被忽视在建议的机制,它可以被视为最不利的失败案例,可以确保工程的安全设计。与计算模型在当前代码相比,提出了失效机理图2认为土壤抗剪强度的影响,这可能是更接近现实。因此,正常的压力相应的土壤破坏面 ,和剪切应力 。

在机制如图2,我们假定基底土体的失败满足以下两个条件。

2.2.1。Mohr-Coulomb失效准则

Mohr-Coulomb失效准则是使用最广泛的力量之一,在岩土工程标准。及其形式很简单,能有效地描述土的剪切破坏特性。因此,正常的压力和剪切应力在任何时候土壤失败表面上应满足以下表达式: 在哪里和分别是凝聚力和内摩擦角。

2.2.2。针对摩尔-库仑破坏准则的非线性

大量的实验室测试(18- - - - - -21]表明,法向应力和剪切应力之间的关系对应土壤失败并不是严格的线性的。特别是在压力小的地区,土壤质量的强度包络线是一个外凸曲线接近。因此,针对摩尔-库仑破坏准则的非线性也用于描述土壤质量的非线性特征,如图3。相应的表达式是 在哪里是土壤质量的凝聚力,抗拉强度,是一个非线性系数。当 ,针对摩尔-库仑破坏准则的非线性方程(3)可以转化为针对摩尔-库仑破坏准则的线性。

此外,由于长期的表土和沉降,土体可能存在不均匀性的属性,这将产生重大影响其本身的抗剪强度。根据研究工作由黄等。22王),et al。23,刘等人。24),假定土体凝聚力的增加随深度线性图2,如图4。

基于非均质模型图4在地表,土壤凝聚力被认为是 。然后,在针对摩尔-库仑方程表达式(线性和非线性2)和(3),基底土体内部的凝聚力在任何深度可以表示如下: 在哪里是一个系数反映土体的不均匀性。

3所示。确定临界安全厚度的基础

3.1。针对摩尔-库仑失败准则临界安全厚度的基础上

根据基地的侵入破坏机理矩形基坑图2在任何位置,垂直载重压力土壤表面是失败

相应地,正应力在土壤表面是失败 在哪里侧压力系数。根据针对摩尔-库仑破坏准则的线性和土壤非均质和通过使用方程(2),(4)和(6),在任何点失败的土壤表面剪切应力可以表示如下:

总在土体的破坏面剪切力可以获得的积分方程(7),可以表示如下:

土壤质量的总重量在侵入失败基坑基地的面积

总流入所产生的破坏力下承压水基坑基础是:

侵入的失败基坑基地共同承担上部土体的自重和剪切力失败的表面。为了保证基坑的安全基地,在方程(指的是计算公式1)在当前的代码中,可以构建以下计算公式: 在哪里描述的是一个安全因素的侵入稳定基坑基础。

用方程(8)- (10)方程(11),下面的临界安全厚度的计算公式针对矩形基坑基底侵入可以获得:

当基坑的土强度参数和设计参数已知,临界安全厚度的理论计算值可以通过使用方程(12)根据侵入安全系数。

3.2。基于针对摩尔-库仑破坏准则的非线性临界安全厚度

根据针对摩尔-库仑破坏准则的非线性,用方程(4)和(6)方程(3),剪切应力在任何高度的基坑的破坏面基地可以表示如下:

通过积分方程(13沿着侵入)失败基坑基础表面,生成的总剪力失败表面可获得如下:

根据方程(9)和(10),方程(14)代入方程(11),临界安全厚度的计算公式还可以获得如下:

在这个时候,当非线性强度参数和基坑的设计参数是已知的,临界安全厚度下的矩形基坑基础针对摩尔-库仑破坏准则的非线性可以通过使用方程(15)。

4所示。讨论和分析

4.1。与现有的研究工作

在当前的代码,侵入计算模型建立了基坑基础压力平衡法的基础上,不考虑土壤强度的影响。为了解决这个问题,太阳(15)进行基坑侵入的离心模型试验,提出了一个关键的基础厚度的理论预测方法基于莫尔-库仑准则。为了进一步验证了计算方法的有效性,当大小 的基坑 , ,和 ,分别提出的方法,当前代码的方法,和方法提出的太阳15)用于比较分析在这一节中。具体计算参数如下:开挖深度 ,土壤凝聚力 ,内摩擦角 ,单位重量 ,和侧压力系数 。与此同时,这部分考虑两个非均质系数 和 ,分别进行比较分析。数据5- - - - - -7显示的临界安全厚度的变化曲线与承压水基坑基础侵入的压力 。从数据可以看出5- - - - - -7临界安全厚度的三种计算方法下的基坑基础承压水压力的增加而增加。与此同时,该方法的计算结果略小于太阳提出的方法(15),但这两种方法的结果接近对方,并计算结果均小于代码。这表明代码方法是相对保守的的前提下保证基坑的安全基地,而本文方法相对比较经济。此外,通过比较计算结果的数据5- - - - - -7也可以看到,开挖基坑的大小对基础稳定性也有一定的影响。随着开挖尺寸的增加,临界安全厚度的基础也相应增加。

4.2。针对摩尔-库仑参数线性的影响不同

基于传统的针对摩尔-库仑破坏准则,线性本节分析了非均质系数的影响规律,凝聚力,内摩擦角,单位重量的临界安全厚度在不同开挖基坑基础尺寸。以下参数被选中作为计算标准组:基坑大小 ,开挖深度 ,凝聚力 ,内摩擦角 ,单位重量 ,侧压力系数 ,承压水压力 ,和安全系数 。在分析一个土壤参数的变化,其他参数保持不变。当凝聚力是 ,内摩擦角是 ,单位重量是 ,和非均质系数是 ,相应的基底临界安全厚度的变化曲线如图所示8。从图可以看出8针对摩尔-库仑强度准则,根据传统的线性,凝聚力的增加,内摩擦角,单位重量,和不均匀性系数,整个土体的强度和基础对侵入的容量增加因此,和相应的临界安全厚度减少基坑的基地。

4.3。针对摩尔-库仑参数非线性的影响不同

同样,针对摩尔-库仑强度准则的非线性的基础上,本部分分析了影响法律最初的凝聚力在地面,非均质系数、非线性系数,单位重量的临界安全厚度基础在不同开挖尺寸。在计算过程中,基坑尺寸、开挖深度、最初的凝聚力在地面,侧压力系数、单位重量,承压水压力,安全系数是相同标准的组织部分4.2。当最初的凝聚力在地面是 ,单位重量的是 ,非均质系数是 ,和非线性系数是 ,基底的临界安全厚度的变化曲线在不同的非线性强度参数如图9。从图可以看出9针对摩尔-库仑强度准则,根据非线性,临界安全厚度基本是负相关的最初的凝聚力在地面,非均质系数、单位重量,符合的结论部分4.2。然而,临界安全厚度与非线性系数呈正相关米。也就是说,随着土体的非线性系数的增加,土体的整体实力下降,和相应的临界安全厚度基础也在不断增加。

4.4。对工程项目的建议

根据影响法律的不同参数对临界安全厚度的基地,为进一步指导基坑的设计支持和侵入防灾在承压水地层,本文为工程项目提供了以下建议:(1)由于考虑土壤强度参数的方法,相应的计算结果小于那些在当前的代码。这表明当前代码方法是相对保守的。特别是在实际工程,如果基坑基地的土壤强度高,它采用本文方法更节约;它可以减少侵入灾害的预防和控制的成本在一定程度上。(2)土壤强度的影响参数对基坑的侵入失败基础具有重要意义。如果底部土体的强度很低,底部土体的加固可以提前进行了水泥土搅拌桩、高压旋喷桩,或灌浆加固措施,提高土体的强度参数和安全的基础。(3)增加基底土体的单位重量也是一个有效的措施,防止基坑的侵入。在工程实践中,可以提高基底安全通过附加费负荷或用石头来代替土层防止侵入灾难。

5。结论

(1)本文聚焦于一个矩形基坑,基底侵入提出的三维破坏机理。通过使用这种机制,理论公式计算临界安全厚度对基底侵入的基础上推导出极限平衡方法,针对摩尔-库仑强度准则和线性和非线性。此外,给出了相应的工程建议,可以提供一些理论参考的基底侵入灾害的预防和控制基坑承压水地层。(2)验证了该方法通过比较与当前代码和现有的研究工作。本文计算结果接近那些在现有文献和小于在当前的代码。这表明当前的代码是保守的结果,而本文的方法相对比较经济。(3)不同开挖尺寸的影响规律,土壤强度参数和承压水压力基底临界安全厚度进行了分析。结果表明,临界安全厚度随凝聚力的增加,内摩擦角,非均质系数和单位重量,但增加而非线性系数和承压水压力的增加。土壤强度的影响参数对基底侵入失败是重要的,和足够的要注意在工程设计和施工。

缩写

:	临界安全厚度基本对承压水的侵入
:	单位重量的土壤质量
:	承压水的高度
:	承压水压力
:	安全系数来描述流入基坑的稳定基础
:	正常压力土壤破坏面
:	土壤的剪切应力破坏面
:	凝聚力
:	内摩擦角
:	最初的凝聚力
:	抗拉强度
:	一个非线性系数
:	系数反映土体的不均匀性
:	矩形基坑的深度
:	的宽度矩形基坑
:	土壤的垂直压力在任何位置失败表面
:	侧压力系数
:	矩形基坑的长度
:	土壤的总重量在侵入失败面积上的质量
:	总侵入承压水所产生的破坏力
:	总在土体的破坏面剪切力。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者也想承认金融支持中国的国家自然科学基金(51704177),中国博士后科学基金会资助的项目(2022 m711314),山东省高等教育项目的科技项目(没有。J16LG04),山东Co-Innovation民用建筑防灾减灾中心(没有。XTP201911),山东建筑大学的博士研究基金会(没有。XNBS1501)。