挤土桩施工侧向挤土位移模型的创建方法
【技术领域】
[0001 ]本发明具体涉及一种挤土粧施工侧向挤土位移模型的创建方法。
【背景技术】
[0002] 随着挤土粧施工工艺的复杂性增加，基粧的直径和长度增大，施工机械的不断升 级换代和施工的人工成本不断提高等问题的出现，通过各施工工艺的系统集成，并最终实 现现代化、无灾害、无事故施工是粧基工程施工的必然发展方向和趋势。
【发明内容】
[0003] 本发明要解决的技术问题，在于提供一种挤土粧施工侧向挤土位移模型的创建方 法。
[0004] 本发明是这样实现的：一种挤土粧施工侧向挤土位移模型的创建方法，包括以下 步骤：
[0005] (1)制作模型试验槽：用砖块和水泥砂浆砌成一个容积为800mm X 380 X 1200mm的 矩形试验槽，在试验槽的底部开设两个排水阀，试验槽的一墙面设有一矩形观察窗；
[0006] (2)放置土体和观测标志:首先在试验槽底部铺设IOcm厚度的细沙层作为隔层，然 后在细砂层上及试验槽的上壁都布置一层土工织布，在观察窗内侧涂抹凡士林;取软粘土 分批倒入试验槽，每次加软粘土高度为4cm后捣实均匀，再铺一层土工织布，且在土工织布 上均匀放置砝码和砖块;将带有直径为3mm的白色半球长大头针作为观察点，每隔3cm压入 软粘土内；
[0007] 关闭排水阀，在试验槽中注入水，静置48d，进行软粘土的堆载固结过程；然后在 试验槽中再注入水，并静置12d;
[0008] (3)压粧试验:试验采用180度扇形木粧为模型粧，顶端粧帽高2cm，粧长Im，直径 4 · 5cm，粧尖为半圆形渐缩，粧尖长为8cm;
[0009] 根据室内土工试验方法，对模型粧进行压粧挤土试验，在侧限条件下对模型粧施 加压力至土样完全排水固结完成后，快速施加水平剪切力直至破坏，测定模型粧周围的土 体径向位移、竖直向位移数据，统计各数据并建立侧向挤土位移模型：
[0011] 其中：
[0012] ur为径向位移分量;w为竖直向位移分量;H表示模型粧贯入深度，当模型粧完全贯 入土体后，H表示粧长;Π )表示粧孔初始半径;Uo为模型粧周围的土作用边界点的法向位移； A1、Bi为变分参数;Zo为曲线族参数;α为曲线外法线与z轴夹角。
[0013]进一步地，所述侧向挤土位移模型中，^PA1 J1的关系如下：
[0014] 贯入深度丑 // = 34 m // = 25 m II= 17m II= 9m A1 -I 00 -1.00 -1.()() -1.00 B1 -I 06 -1.07 -1.69 -5.00 "
[0015] 本发明的优点在于:本发明建立了可评判压粧挤土破坏程度的理论计算公式，并 根据理论公式可以设计地下构筑物隔离防护措施进行防护，减小了地下工程施工等对工 程场地周围的环境破坏影响，并可优化钢筋和水泥等材料的使用量。
【附图说明】
[0016] 下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
[0017] 图1是本发明中实际沉粧过程的粧土作用物理模型的示意图。
[0018]图2是本发明中沉粧过程粧孔扩张法扩张模型图。
[0019]图3是本发明中沉粧过程的粧土作用力学模型。
[0020]图4是本发明中挤土粧施工侧向挤土位移模型的示意图。
[0021]图5本发明中矩形试验槽的正投影图。
[0022] 图6是本发明中矩形试验槽的立体图。
[0023] 图7是本发明中试验粧和测斜管平面位置关系示意图。
[0024] 图8是本发明中r = 3d处不同贯入度时侧向挤土位移情况示意图。
[0025]图9是本发明中终孔时不同r处侧向挤土位移情况示意图。
[0026]图10是本发明中H=9m时侧向位移值随(r，z)变化情况示意图。
[0027]图11是本发明中H= 17m时侧向位移值随(r，z)变化情况示意图。
[0028]图12是本发明中H=25m时侧向位移值随(r，z)变化情况示意图。
[0029]图13是本发明中H=34m时侧向位移值随(r，z)变化情况示意图。
[0030]图14a是本发明中粧入土深度为9m时围护结构埋深情况示意图。
[00311图14b是本发明中粧入土深度为17m时围护结构埋深情况示意图。
[0032]图14c是本发明中粧入土深度为25m时围护结构埋深情况示意图。
[0033]图14d是本发明中粧入土深度为34m时围护结构埋深情况示意图。
【具体实施方式】
[0034] 1.计算公式推导
[0035]地下工程结构与地基土相互作用符合由式（1)所示的变分原理表达式，满足位移 与应力边界条件且使式(1)取极值的位移应力函数为变分问题的解答。
[0037]式中，A(Eij)为能量密度;Fi为体积力；￡ij为应变张量;P i为应力边界S1I力的取 值;m为位移向量。
[0038]对于空间轴对称问题，势能密度：
γ zr等4个应变 分量。
[0040]对于空间轴对称问题，位移应变关系表达式为式(2)。
[0042] 式中，Ur，w分别为径向位移分量及竖直向位移分量，Er，εθ，￡2分别为径向应变、环 向应变和竖向应变，γ zr为剪应变，r为径向计算半径。
[0043] 边界条件：
式中， 可r，为边界位移函数，u为挤土位移场，g(z，r )= 〇为粧土作用边界曲线方程。
[0044] 1.1变分位移函数
[0045]针对空间轴对称问题，建立图1和图2所示的粧土作用物理模型，以及图3所示的粧 土作用力学模型。图1和图2中：箭头表示粧侧土体隆起的方向，标识1表示天然地面，标识V 表示隆起的地面，标识2表示粧侧地体隆起的临界深度。图3即粧土作用力学模型用一族虚 曲线覆盖粧土作用影响区域，曲线族由式(4)表示。图3中，H表示粧贯入深度，当粧完全贯入 土体后，H表示粧长;标识8表示地面，标识6表示沉粧过程中粧孔扩张的初始小孔;标识7表 示沉粧过程中扩张后的粧孔。
[0047 ]式中，ZO为曲线族参数，ro表示沉粧过程中粧孔扩张的初始小孔半径，H表示粧贯入 深度，当模型粧完全贯入土体后，H表示粧长。当z〇 = H，
为孔壁边界曲线方 程。根据图3:当z = 0，r = r〇,当z = H，r = 0;当z〇 = H，
且根据空间 轴对称条件：
.根据图1、图2与图3模型及式(2)、（3)、（4)可得式(5)。
[0049]式中，Wo = UoTtcosa为结构挤土竖向位移分量初始项，该项取值满足结构和土体边 界位移条件;urQ = u〇TtSina为结构挤土径向位移分量初始项，该项取值满足结构和土体边 界径向位移条件；Wi = u〇TtMtcosa，Uri = UoTtMtsina，W2 = UoTtMt2Cosa，Ur2 = u〇TtMt2sina，…·分 别为结构挤土竖向位移分量变分项、径向位移分量变分项，取值满足在结构和土体作用边 界上位移为〇的条件丄，Bm为待定系数，Uo为该粧土作用边界点的法向位移，Tt = rQ/(ZQ-H+ r〇) Α?/ζ^α为式⑷所示曲线外法线与z轴夹角。图3所示u(z，r)的方向余弦为：
[0051 ] 1.2几何协调方程
[0052]考虑ur，w中的曲线族参数zo,几何方程式(2)进一步写为式(6)的形式。
[0055] 1.3确定势能密度
[0056] 假设粧土作用边界位移为Au，空间轴对称问题的应力分量表达为式(7)。
[0058] 式中，
Vq为泊松比，γ为土容重。
[0059] 势能密度可写为
为z，r，ZQ函数。式中，
[0061]综上分析，可得结构挤土位移函数式(8)即侧向挤土位移模型：
[0063] 2.计算结果和测试数据比较
[0064]根据式（1)~(7)计算可得式(8)的系数和泛函极值如表1与式(9)~式（12)。^为 泛函积分空间区域上限。
[0065]表1变分参数取值和能量值
[0067]当贯入深度:H=9m时位移函数：
[0069] 当贯入深度:H= 17m时位移函数：
丨：
[0071]当贯入深度:H=34m时位移函数：
[0073] 当贯入深度:H=25m时位移函数：
[0075] 一种挤土粧施工侧向挤土位移模型的创建方法，对称半模试验的双层对准直接观 测法因其原理简单，对设备的要求不高，易操作，故试验的土体位移观测采用该方法，模型 试验槽如图5、图6所示。模型粧紧靠一可视窗内壁贯入，通过观察窗观测土体中位移观测标 志的位移，以此得到土体的位移场，模型粧挤土试验具体包括以下步骤：
[0076] (1)制作试验槽：用砖块和水泥砂衆砌成一个容积为800mm X 380 X 1200mm的矩形 试验槽(见图5和图6)，在试验槽的底部开设两个排水阀，试验槽的一墙面设有一矩形观察 窗，观察窗为画有2cm*2cm方格网15哩的钢化玻璃;压入粧时，在试验槽靠观察窗一侧上下 架设两个铁架和必要受力的反力架装置，确保能垂直压入试验粧，并且在试验槽