水-应力作用膨胀土力学特性与深基坑支护技术

本书针对我国广泛存在的膨胀类土体，首先通过X射线衍射、扫描电镜、CT试验、力学试验，探讨了膨胀土体的细观结构、力学特性及土水特征曲线演化规律，深入分析了水应力耦合作用下膨胀性土体的强度特性；在此基础上，从微细观结果和宏观试验结果出发，建立了微细观宏观力学模型与细胞自动机仿真计算模型；*后通过室内试验，分析了膨胀土中锚索的预应力变化规律，进而通过物理相似模拟分析了深基坑支护结构体系的受力变形规律，提出了膨胀性土体条件下深基坑支护桩的受力变形计算方法。
本书可作为土木工程专业研究生相关课程的参考教材，也可作为深基坑工程与土力学研究者及相关工程技术人员的参考书。
为方便教学，本书配有免费教学大纲、高品质的教学课件、章后习题详解、节后思考题解答、试题库等，凡选用本书作为授课教材的学校，均可来电（010-88379564）或邮件（[email protected]）索取，有任何技术问题也可通过以上方式联系。

前言
第1章绪论
1.1水应力作用下膨胀土特性研究现状
1.1.1膨胀土土水特征曲线影响研究
1.1.2膨胀土裂隙产生发展研究现状
1.2深基坑支护结构与膨胀土相互作用研究现状
1.2.1支护桩体与膨胀土相互作用研究现状
1.2.2锚索与膨胀土相互作用的研究现状
1.2.3支护结构土压力方面的研究现状
1.3本书研究的内容
第2章水应力作用下膨胀土物理
力学特性试验研究
2.1膨胀土矿物成分分析及细观结构研究
2.1.1膨胀土X射线衍射分析
2.1.2扫描电镜试验研究
2.2干湿循环对饱和膨胀土土水特征曲线的影响试验研究
2.2.1土水特征曲线基本概念
2.2.2土水特征曲线的数学模型
2.2.3滤纸法测土水特征曲线的试验原理与过程
2.2.4试验结果分析
2.3干湿循环对非饱和膨胀土的裂隙影响试验研究
2.3.1裂隙开展的原理
2.3.2裂隙定量描述
2.3.3重塑膨胀土裂隙演化试验研究
2.4膨胀土剪切强度试验研究
2.4.1非饱和土强度理论
2.4.2含水率对膨胀土抗剪强度的试验研究
2.4.3干密度对膨胀土抗剪强度的试验研究
2.4.4干湿循环对膨胀土抗剪强度的试验研究
第3章水应力作用下膨胀土微细观宏观物理力学特性研究
3.1土体微细观结构中土颗粒间的物理化学作用
3.1.1双电层静电斥力
3.1.2范德华力
3.1.3水合作用力
3.2膨胀土体微细观宏观强度理论研究
3.2.1黏土颗粒间物化作用力
3.2.2微细观几何模型的建立
3.2.3微细观几何模型与宏观强度关系研究
3.2.4基于微观结构模型的膨胀性
土体孔隙比计算
3.3膨胀土细胞自动机仿真模拟
3.3.1细胞自动机的基本规则
3.3.2膨胀模型
3.3.3轴向受压模型
第4章膨胀土中锚索应力变化规律试验研究
4.1预应力锚索支护原理
4.2锚索预应力值瞬时损失的影响因素分析
4.2.1张拉过程中影响因素分析
4.2.2锁定时的影响因素分析
4.3锚索预应力长期损失的影响因素分析
4.3.1土体介质蠕变的影响分析
4.3.2灌浆材料徐变的影响分析
4.3.3钢绞线松弛引起的预应力值损失
4.4环境因素对锚索预应力损失的影响分析
4.4.1降雨的影响分析
4.4.2温度的影响分析
4.5膨胀土中锚索应力变化规律室内试验研究
4.5.1试验设计与方案
4.5.2试验准备
4.5.3试验结果与分析
4.6膨胀土中锚索的预应力数值模拟
4.6.1数值计算参数的确定
4.6.2计算结果分析
第5章深基坑支护结构受力变形的室内模型试验研究
5.1模型参数的确定
5.1.1相似比确定
5.1.2材料选择
5.1.3试验布置及方法
5.2模型试验方案实施
5.3模型试验数据分析
5.3.1桩顶水平位移
5.3.2桩顶竖向位移
5.3.3支护桩桩身应力
5.3.4现场监测和模拟试验对比分析
第6章膨胀土地层基坑支护结构
受力变形计算理论
6.1引言
6.2桩体微分方程的推导
6.2.1开挖面以下桩身的挠曲微分方程推导
6.2.2开挖面以上桩身挠曲微分方程推导
6.2.3膨胀性岩土地层抗力函数p=p(x,y)的确定
6.3考虑开挖过程影响的分段独立坐标法
6.3.1开挖面以上桩体挠度的计算
6.3.2开挖面以下桩体挠度的计算
6.4桩体挠度方程的求解
6.4.1边界条件的确定
6.4.2挠度方程的求解
6.5膨胀性岩土复合地层现场工程概况与监测结果
6.5.1工程概况
6.5.2工程地质
6.5.3岩土分层及特征
6.5.4基坑支护结构体系
6.5.5基坑开挖与支护结构的施工
6.5.6监测内容设置
6.5.7位移与内力监测计算
6.5.8桩体测斜数据整理分析
6.5.9钢支撑轴力监测数据整理分析
6.5.10岩石土复合地层下监测数据分析
6.6实例计算分析
6.6.1遵循的规范与标准
6.6.2理论计算对象的选择
6.6.3荷载种类
6.6.4计算参数的选取
6.6.5侧压力计算结果
6.6.6桩体变形理论计算及结果分析
6.6.7桩体水平位移理论计算结果
6.6.8理论计算结果分析
参考文献

随着国民经济的发展和城市化水平的提高，城市化建设规模不断扩大，需要地上与地下建设协调发展，综合利用土地，形成多层次、立体化的现代城市系统。然而，在我国，不同城市地层条件差异较大，施工难度大，地面沉陷、基坑垮塌、隧道涌水、建筑损害或倒塌现象频发，往往造成严重的经济损失与社会影响。膨胀土具有特殊的性质，对建筑、路基、边坡及堤坝等工程危害极大，在国内外，几乎年年都会有膨胀土对工程造成巨大损失的事故发生，可见膨胀土地层水致损伤预控是地下工程建设中亟待研究的最重要问题之一。
围绕这一课题，作者选取西南地区典型膨胀性土体为研究对象，首先开展一系列土体物理力学性质、X射线衍射、扫描电镜、CT试验、力学试验等室内试验研究，测定不同干湿循环次数后膨胀土的基质吸力，进而获得了膨胀土的土水特征曲线，继而量测不同干湿循环次数后的膨胀土样表观裂隙，得到干湿循环对膨胀土裂隙演化的影响规律，并对膨胀土开展直剪试验研究了含水率、干密度、干湿循环次数对膨胀土抗剪强度的影响；然后从细观结果和宏观试验结果出发，建立了细—宏观力学模型与细胞自动机仿真计算模型；最后通过室内试验分析了膨胀土含水率变化对锚索预应力损失的影响规律，进而通过物理相似模拟分析了深基坑支护结构体系的受力变形规律，并基于弹性地基梁法理论，应用分段独立坐标法，提出了一种特殊地层条件基坑不同开挖深度下支护结构受力变形计算的方法。本书是上述工作的系统总结，具体内容如下：
第1章绪论论述了本书的研究依据与意义，对国内外研究现状进行了综述，从膨胀土土水特征曲线研究、膨胀土裂隙产生发展研究、支护桩体与膨胀土相互作用研究、锚索与膨胀土相互作用的研究、支护结构土压力方面的研究等几个方面详细介绍了此领域相关研究基础和进展。
第2章水应力作用下膨胀土物理力学特性试验研究，比较分析了成都膨胀土的土水特征曲线的拟合方程，研究了干湿循环次数与拟合参数间关系，获得了体积含水率、基质吸力、干湿循环次数之间的数学表达式；发现循环次数与裂隙面积率、裂隙长度比、裂隙分割土块数量表呈正相关；探求了含水率、干密度、干湿循环次数等因素对膨胀土抗剪强度指标的数学关系。
第3章水应力作用下膨胀土微细观宏观物理力学特性研究，简要叙述了非饱和土抗剪强度理论，研究了土体微细观层次中力的相互作用，建立了微观六边形几何模型。建立了膨胀性土体损伤破坏的细胞自动机模型，再现其水致渐进损伤演化特性，并通过计算机编程实现应力耦合下的水致渐进损伤破坏过程的细胞自动机模型模拟。
第4章膨胀土中锚索应力变化规律试验研究，采用室内模型试验研究了水应力耦合作用下膨胀土锚杆的预应力损失规律，测出锚杆应力稳定值并算出相应的预应力损失比，根据测出的结果并结合推导公式分析出锚固段的受力规律。
第5章深基坑支护结构受力变形的室内模型试验研究，运用相似模型试验，通过9组正交试验研究了附加应力大小、力—桩距和嵌固深度比对支护桩变形的影响大小，得到桩顶水平变形经验公式。
Ⅳ水应力作用膨胀土力学特性与深基坑支护技术前言第6章膨胀土地层基坑支护结构受力变形计算理论，基于弹性地基梁理论，考虑特殊地层条件及基坑开挖过程的影响，根据桩端边界条件、桩体分段处变形连续条件及力的平衡条件获得了方程的解。
本书主要研究成果是在国家自然科学基金（51508556、51274209、50674095、51508556）、教育部新世纪优秀人才资助项目、中国矿业大学（北京）青年越崎学者项目的资助下完成的。本书撰写过程中得到有关专家指导与帮助，在此表示感谢。
由于作者的水平有限，书中难免存在不妥之处，敬请读者批评指正。