[科普中国]-回弹变形

概述

基坑工程中由于上体的开挖与自重应力释放，致使坑底向上回弹，开挖后，基底以下部分墙体向基坑方向变位时，挤推墙前的土体，造成坑底隆起变形加剧。基坑隆起量的大小是判断基坑稳定性的重要指标。随着这几年深大基坑不断涌现，在大规模卸苘情况下，如何准确预测坑底回弹量，一直是岩土工程界研究的热点。

现阶段基坑回弹变形估算方法有很多，主要有传统估算方法、经验公式方法以及残余应力法等，但估算结果往往与实测值相差较大。在现有计算方法中，影响最大且岩土工程界普遍认可的是残余应力法，但该法存在考虑因素众多，地域性强，统计样本局限性等不足。

基坑回弹变形的计算传统估算方法传统估算方法将开挖视为等量卸荷，利用半空间表面沉降公式和分层总和法来预估回弹量，这也是规范的推荐方法，其计算公式为

式中：Sc为地基回弹量，φc为经验系数，n为计算深度分层数，Pc为基底以上土自重力，Eci为回弹模量，αi为附加应力系数。

传统估算方法与实际开挖边界条件有较大出入，估算结果往往数倍于实测值，但计算简单，如能合理确定回弹模量和回弹影响深度，在充分总结地区经验基础上加以修正，可一定程度上满足工程计算需要。1

经验公式候学渊等对基底隆起进行了系统的模型试验研究，提出计算坑底隆起经验公式：

式中：δ为基坑最终回隆量；H为基坑开挖等代深度，H=H+p/γ，p为地表超载；H为坑基开挖深度；γ为挖去土层的平均容重；D为挡土墙的入土深度；c为土体粘聚力；φ为土体内摩擦角。

该经验公式为室内模型经验统计公式，仅针对均质地基。1

级配碎石回弹变形特性级配碎石回弹变形特性概述级配碎石为松散性材料,具有不传递拉应力、拉应变的特性。因此,将级配碎石作为沥青面层与半刚性基层之间的夹层,用来吸收下卧层裂缝释放的应变能,从而阻止半刚性底基层的反射裂缝。对于这种道路结构的设计,选择能反映级配碎石力学特性的参数十分重要。回弹模量可以有效地描述级配碎石应力-应变的非线性关系,最为接近地模拟了材料在实际交通荷载作用下的变形特性。通过室内动三轴试验得到的数据可以较好地拟合非线性回弹模量模型。级配碎石的回弹模量随应力而变化,受到应力水平、材料级配和含水质量分数等因素的影响。在不同状态下得到的材料模型参数可引入相应的计算程序中,进行道路结构设计。有关研究人员采用CBR法,或在其基础上采用施加动荷载的简化试验方法,分析级配碎石混合料的动力变形特性。

级配碎石具有非线性的应力-应变特性，回弹模量是有效描述这一特性的参数，通过室内动三轴试验能够得到较好的模拟级配碎石回弹模量的模型。分析了影响级配碎石回弹变形特性的各种因素，并进行了试验验证。通过数据拟合发现,Uzan模型能更好地反映级配碎石的非线性回弹变形特性,且模型中的回归参数与级配中小于0.075mm筛孔的质量分数有一定的关联性。并针对影响级配碎石回弹模量的两个重要参数:级配中小于0.075mm筛孔的质量分数和含水质量分数,提出相应的取值范围建议。2

试验方案设计试验的影响因素

在进行三轴试验中，试样端部的约束,导致靠近试样端部土体的径向应变和轴向应变均偏小，高估了三轴试验土体的剪切强度；在三轴试样变形测量中，三轴试样的端部接触效应使得轴向变形被高估；试样端部存在影响排水量的“藏水区”，导致试样体积变化的测量误差。因此，在设计试验方案时，必须考虑这些不利因素的影响。

试验仪器

将道路材料试样在十分接近实际现场的模拟环境下进行测试。在荷载作用下,道路材料承受的荷载应力包括竖直和水平的冲击应力及剪切应力。同时,道路材料单元体受到的主应力随车轮荷载的靠近和离开而改变。因此,试验仪器应该能通过施加荷载模拟交通状况,操作简单,并可重复使用。动三轴试验能同时模拟级配碎石三向受压的复杂应力状态及反复动载作用,因而室内重复动三轴试验是研究级配碎石基层回弹模量最有效的方法。

应力波形、脉冲时间和频率

汽车对路面作用的荷载波形近似一个正弦波(负向力很小,可忽略不计)。考虑实际路面上的荷载作用,采用动三轴应力波形为:半正弦矢波脉冲动偏应力。应力持续时间0.1s,间歇时间0.9s,即频率为1Hz(60次/min)。

级配对回弹模量的影响

国外的研究表明,级配对材料的回弹模量有一定的影响,其中小于0.075mm矿粉的质量分数对回弹模量较为敏感。选取粗级配、中间级配和细级配在最佳含水质量分数下得到的回弹模量进行比较,在不同的应力状态下,回弹模量均呈现驼峰曲线状。在小于0.075mm矿粉的质量分数为6%时回弹模量最大。当矿粉质量分数大于或小于6%时,回弹模量均减小。2