干湿循环和施工振动下残积土的强度变形及应用

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.240593

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2025, Vol. 53 ›› Issue (10): 86-96.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.240593

干湿循环和施工振动下残积土的强度变形及应用

陈东霞¹, 唐佳润¹, 王东东¹, 陈波², 张婧怡¹

^1.厦门大学建筑与土木工程学院/福建省滨海土木工程数字仿真重点实验室，福建厦门 361005
^2.中铁南方投资集团有限公司，广东深圳 518000

收稿日期:2024-12-20 出版日期:2025-10-25 发布日期:2025-05-26
作者简介:陈东霞（1976 —），女，博士，助理教授，主要从事残积土工程特性、基坑工程、边坡工程及地基处理研究。E-mail： dongxiachen@xmu.edu.cn
基金资助:
福建省自然科学基金项目(2021J01010);福建省自然科学基金项目(2021J02003);中铁南方2022年科技创新计划课题(202208);厦门市科技局项目(2024CXY0115)

Strength-Deformation Behavior and Engineering Applications of Residual Soil Under Drying-Wetting Cycles and Construction Vibration

CHEN Dongxia¹, TANG Jiarun¹, WANG Dongdong¹, CHEN Bo², ZHANG Jingyi¹

^1.School of Architecture and Civil Engineering/Fujian Key Laboratory of Digital Simulations for Coastal Civil Engineering，Xiamen University，Xiamen 361005，Fujian，China
^2.China Railway Southern Investment Group Co. ，Ltd. ，Shenzhen 518000，Guangdong，China

Received:2024-12-20 Online:2025-10-25 Published:2025-05-26
About author:陈东霞（1976 —），女，博士，助理教授，主要从事残积土工程特性、基坑工程、边坡工程及地基处理研究。E-mail： dongxiachen@xmu.edu.cn
Supported by:
the Natural Science Foundation of Fujian Province(2021J01010)

摘要/Abstract

摘要：

在干湿循环和施工振动共同作用下，残积土的强度和变形参数将发生显著劣化，对基坑工程的安全产生影响和威胁。借助直剪和固结试验获得残积土在干湿循环和施工振动作用下强度和变形的规律及劣化后参数预测模型，并将其应用于某地铁基坑开挖精细化数值模拟。试验分析发现：黏聚力c随干湿循环次数n和振动时间t的增加呈非线性衰减，内摩擦角φ随n增加呈波动上升，振动作用对φ的影响随n增加而减小；未经历振动时随n增加，压缩系数a_v1-2呈线性增长，参考切线模量 $E o e d r e f$ 缓慢减小；经历振动后a_v1-2呈波动变化， $E o e d r e f$ 先快速减小、再缓慢减小、最后逐渐增大。考虑干湿循环和施工振动影响将基坑划分为6个影响区：干湿循环充分影响区、干湿循环影响过渡区、干湿循环和振动共同强影响区、干湿循环和振动共同弱影响区、仅振动影响区和无影响区。在各个区采用劣化后对应的土体参数开展基坑开挖精细化数值模拟，结果表明：随基坑边缘距离增大，地表沉降呈“先减小后增大”的变化趋势。随基坑深度增加，地下连续墙水平位移呈“两头小、中间大”的变化趋势；对于地表沉降和地下连续墙水平位移，有建筑物一侧的变形均小于无建筑物一侧的变形。考虑干湿循环和施工振动共同作用后的地表沉降、地下连续墙水平位移模拟结果更接近现场监测值，可为残积土基坑设计施工提供有效技术指导。

关键词: 残积土, 干湿循环, 振动, 强度, 变形, 数值模拟

Abstract:

Under the coupled effects of drying-wetting cycles and construction vibration, both strength and deformation parameters of residual soil undergo significant degradation, thereby compromising the safety of excavation support systems. Through direct shear tests and consolidation tests, this study characterizes the strength-deformation behavior of residual soil under drying-wetting cycles and construction vibration, develops predictive models for deteriorated parameters, and implements them in high-fidelity numerical simulations of a metro excavation project. The experimental results indicate that: cohesion c undergoes nonlinear decay with increasing drying-wetting cycles n and vibration duration t; internal friction angle φ exhibits oscillatory increase with n, while vibration effects on φ diminish progressively at higher n; without vibration, compression coefficient a_v1-2 increases linearly with n, whereas reference tangent modulus $E o e d r e f$ decreases gradually; under vibration, a_v1-2 shows triphasic evolution: rapid initial decrease slow secondary decrease eventual increase. By considering the effects of drying-wetting cycle and construction vibration, the excavation is divided into 6 impact zones: fully drying-wetting-affected, over drying-wetting-affected, strongly coupled drying-wetting and vibration, weakly coupled drying-wetting-affected, vibration-only, and unaffected. Degraded soil parameters corresponding to each impact zone were implemented in high-fidelity numerical simulations of the excavation sequence. Results reveal that surface settlement first decreases then increases with horizontal distance from the excavation edge. As the excavation depth increases, diaphragm wall horizontal displacement exhibits a “small-large-small” profile along the wall height. Both ground settlement and wall horizontal displacement are consistently smaller on the side adjacent to an existing building than on the unobstructed side. Incorporating the coupled effects of drying and wetting cycling and construction vibration, the simulated surface settlements and wall horizontal displacements match the field measurements more closely, thus providing a practical guidance for the design and construction of the residual soil excavations.

Key words: residual soil, drying-wetting cycle, vibration, strength, deformation, numerical simulation

中图分类号:

TU411.3

陈东霞, 唐佳润, 王东东, 陈波, 张婧怡. 干湿循环和施工振动下残积土的强度变形及应用[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2025, 53(10): 86-96.

CHEN Dongxia, TANG Jiarun, WANG Dongdong, CHEN Bo, ZHANG Jingyi. Strength-Deformation Behavior and Engineering Applications of Residual Soil Under Drying-Wetting Cycles and Construction Vibration[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2025, 53(10): 86-96.

图/表 23

图1

图2

图3

表1

图4

表2

干湿循环和振动作用下的黏聚力劣化度"

振动时长/min	$ξ t, n / %$
振动时长/min	n = 0	n = 1	n = 2	n = 3	n = 4	n = 5
0	0.0	4.5	10.5	14.8	30.3	35.9
15	26.2	33.1	37.9	40.3	38.8	42.6
30	39.7	36.6	40.6	44.8	44.8	43.1
45	41.4	36.9	41.4	42.8	49.1	58.6

表2

图5

图6

图7

图8

图9

图10

图11

图12

图13

图14

表3

岩土体主要物理力学参数1）"

参数	单位	杂填土	残积砂质黏性土	中风化花岗岩
γ	kN/m³	17	21	18.5
$E 50 r e f$	kN/m²	4 500	10 256	35 000
$E o e d r e f$	kN/m²	4 500	6 410	35 000
$E u r r e f$	kN/m²	13 500	46 793	75 000
c΄	kN/m²	10	29	30
φ΄	°	23	21.4	22
p^ref	kPa	100	100	100

表3

表4

表5

图15

表6

图16

图17

参考文献 20

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构件	模拟形式	γ/（kN·m^-3）	泊松比	弹性模E/GPa
地下连续墙	2D板单元	24	0.17	30.0
混凝土支撑及腰梁	1D梁单元	25	0.20	31.5
建筑物梁	1D梁单元	25	0.25	30.0
建筑物板	2D板单元	25	0.25	30.0
建筑物柱	1D梁单元	25	0.25	30.0
建筑物桩	植入式梁单元	25	0.25	30.0

阶段编号	模拟内容
1、2	初始渗流场及初始应力场分析
3、4	建筑物施工、地下连续墙施工
5	第1次降水
6	第1层支护及开挖
7	第2次降水
9	第2层支护及开挖
10	第3次降水
12	第3层支护及开挖

干湿循环和施工振动下残积土的强度变形及应用

Strength-Deformation Behavior and Engineering Applications of Residual Soil Under Drying-Wetting Cycles and Construction Vibration

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影响区域	干湿循环次数	振动时间/min
干湿循环充分影响区	5	0
干湿循环影响过渡区	1	0
共同强影响区	5	45
共同弱影响区	1	15
仅振动影响区	0	45
无影响区	0	0

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