考虑黏性土卸荷小应变特性的城市地下工程变形控制研究

The small strain behavior of soil is one of the research hotspots in geotechnical engineering. The stiffness of soil at very small strain (≤ 10-5) and small strain (10-5~10-3) were separately tested in other studies, the variation of soil stiffness with strain cannot be measured simultaneously in the range of very small strain to small strain. There is little in-depth study on the small strain behavior of soil around urban underground engineering under unloading condition. The impact of plastic index on the maximum shear modulus and the elastic threshold strain are controversial. The comprehensive study on non-limit earth pressures which can consider unloading stress paths and deformation of underground structures is scarce. Positive explorations will be made in these fields: ① the high precision test method of three triaxial tests for cohesive soils at small strain, ② the stiffness characteristics of cohesive soil at small strain under unloading stress paths, ③ the calculation method of non-limit earth pressures based on the unloading stress paths and deformation of underground structures and ④ the safety assessment of urban underground engineering considering the small strain behavior of soil. The deformation characteristics of urban underground engineering can be accurately predicted by the implementation of this project. And the design scheme can be optimized with high modulus characteristics of soil at small strain. It has great significance in enriching the small strain theory, saving the project investment and improving engineering benefit.

土体的小应变特性是目前岩土工程领域研究的热点之一。已有研究中对土体在非常小应变（≤10-5）和小应变范围（10-5~10-3）内的测试是独立的，无法测出同一个土样从非常小应变到小应变整个范围内的模量随应变变化特征，关于卸荷路径下城市地下工程周围土体的小应变特性尚缺乏深入的试验研究，关于塑性指数对黏性土最大剪切模量的影响、小应变刚度变化的门槛值仍存在争议，对小应变条件下同时考虑卸荷及地下结构变形影响的土压力计算方法缺乏系统的研究。课题主要围绕以下几个方面进行研究：①黏性土小应变三轴试验的高精度测试方法；②卸荷路径下黏性土小应变模量特性；③基于小应变试验的非极限土压力计算方法研究；④考虑土体小应变特性的城市地下工程安全性评估。该项目的开展可准确预测城市地下工程的变形性状，并利用土体在小应变条件下的高模量特性进行工程设计优化，这对丰富和发展土体小应变理论、节省工程投资、提高工程效益具有重要意义。

土体的小应变特性是目前岩土工程领域研究的热点之一。随着城市地下工程建设的蓬勃发展，充分考虑土体的小应变特性来准确预测基坑围护结构的变形性状及环境效应，不仅具有重要的理论意义和广泛的实际应用价值，而且是当务之急。本研究以苏州典型粉质粘土为研究对象，将弯曲元和霍尔效应传感器同时安装于三轴仪中精确测定出了卸荷应力路径下土样从非常小应变（≤ 10-5）到小应变（10-5 ~ 10-3）整个范围内的应力应变关系，研究了苏州典型粉质粘土在小应变区域内模量随应变增加而衰减的规律及其所表现出的高模量、非线性等特性，并确定了苏州典型粉质粘土小应变刚度变化的门槛值和小应变模型的计算参数。同时通过室内小应变试验，建议了弯曲元测试中宜采用的指标范围，研究了高精度剪切波速测试方法；通过弯曲元试验和现场波速试验，分析了苏州典型粉质粘土的小应变最大剪切模量Gmax的影响因素，提出了基于当前应力状态和孔隙比的苏州典型粉质粘土Gmax的计算公式。在小应变条件下土体卸荷应力路径试验的基础上，基于围护墙后土体应变状态的分区，建立了考虑土体卸荷及围护墙变形影响的非极限主动土压力计算方法，通过算例验证了该方法的可行性、合理性与准确性，详细分析了非极限主动土压力与围护墙侧移的关系、土体达主动极限状态所需的墙体侧移与深度的关系，得到了非极限主动土压力沿深度的分布规律。采用MIDAS/GTS软件，研究了考虑土体小应变特性的基坑工程数值模拟方法，对比分析了Jardine小应变模型和Mohr-Coulomb模型对基坑变形及其环境效应的预测效果，验证了Jardine模型的先进性，揭示了考虑土体小应变特性的必要性与合理性，并提出了适用于苏州轨道交通典型地质条件下基坑的坑外地表沉降预测线。在本基金资助下，在碎石桩挤密施工扰动效应、大直径超长桩钢筋笼埋后处理与机械回旋钻机穿越硬可塑黏性土层的关键施工工艺等方面也取得了进展，对相关地下工程建设具有一定的指导意义。