土体在小应变上力学特性的实验与理论研究及其在城市大型地下空间开发安全性分析中的应用

It is important to understand the soil behavior at small strains so that reasonable prediction can be made on the influence of large underground construction on adjacent environment in urban areas. In the proposed research, advanced laboratory testing will be carried out to study the behavior of typical soil at small strains under complex loading conditions. Field testing will also be performed in comparison with the results from laboratory testing. Then a constitutive model will be established based on those test results. At the mean time, field monitoring will be carried out to study the soil deformation around large underground construction. Three-dimensional numerical simulation will then be performed to analysis the influence of large underground construction on adjacent buildings, base on which a simplified calculation method will be proposed.

土体在小应变上的力学特性对于合理分析城市大型地下空间开发对周边环境的影响具有重要意义。在本项研究中，将选取我国典型的天然土体，对复杂加载状态时土体在小应变范围内的力学特性进行深入的室内实验研究，并探索通过原位测试来推导天然土体小应变力学特性的方法，进而建立起能够较为全面反映土体在小应变上力学特性的数值本构模型。同时，通过系统的现场监测来研究城市大型地下空间开发过程中周围土体的变形与内力的发展变化规律。在这些研究的基础上，通过三维数值模拟来研究城市大型地下空间建设对周边建筑的影响及其机理,进而提出简化的安全评估方法。

本项研究首先对粘土和砂土在小应变上力学特性进行了系统的实验研究，揭示出土体在小应变范围内表现出高模量、高度非线性等特点；进而建立起能较为全面反映土体在小应变上力学特性并且实用的本构模型。同时，通过理论推导的方法，提出了基于旁压仪原位实验获取小应变刚度参数的方法；采用离散元数值模拟，研究了可破碎粗粒土在不同应力路径上的小应变刚度特性。.在上述研究的基础上，综合采用多种研究手段，将土体小应变力学特性研究成果应用于分析三种不同地下结构与土的相互作用：.（1）通过现场监测研究了盾构隧道施工引起周边土体及邻近结构物变形的发展变化规律；进而通过三维数值模拟，考虑土体小应变刚度特性，分析盾构隧道开挖对地面建筑影响的机理，并提出一种改进的评估方法以更合理评估隧道开挖对房屋影响，同时对隔断结构的保护效果进行了探讨。.（2）通过离心机实验，研究地面荷载作用下大直径地下埋管的变形与内力的发展变化规律，进而通过反分析提取土体小应变刚度参数，在此基础上通过三维数值模拟分析不同工况下大直径地下埋管与周边土体相互作用的机理。.（3）通过数值模拟分析了整体式桥台在施工过程中以及在地震作用下的静动力反应，重点研究了桥台及其背后土体的变形与内力的发展变化规律，分析了主要因素的影响。