本文是一篇土木工程论文，本文设计浅层水平掏土模型试验，在距基底500mm的位置进行孔径200mm掏土孔试验，应用布设在土层中的微型土压力盒获得掏土过程中掏土孔周围应力变化。
第1章 绪论
1.1 选题背景及研究意义
随着工程质量问题的出现，房屋纠偏、增层、改造等技术逐渐受到重视。依据《危险房屋鉴定标准》（JGJ125-2016），当建筑物倾斜率达到4‰及以上时，房屋使用者会有明显不舒适感，当建筑物倾斜率达到7‰及以上时，建筑便有可能会倾覆。过度倾斜造成建筑无法正常使用，对于主体结构完好的建筑重新修建会导致巨大的资源浪费，因此经济、实用的建筑纠偏技术在我国20世纪后逐渐受到重视。在建筑纠偏工程中建筑纠偏技术常与托换技术、平移技术及增层技术等地基基础加固技术联合使用，其中浅层水平掏土纠偏法应用范围较广。经过多年来的工程应用和试验研究，浅层水平掏土纠偏法被证明具有很好的纠偏效果，被广泛的应用到实际的纠偏工程。
浅层水平掏土纠偏法的应用前景广泛，随着监测技术不断发展和规范，浅层水平掏土纠偏技术相比于其他各类纠偏技术逐渐显现出经济、应用简单等优点。目前主要应用领域有：（1）地基问题引起倾斜的砖混建筑；（2）不规则基础的建筑。对于不规则基础的建筑需要纠偏的方式较为复杂，浅层水平掏土纠偏较为灵活，可以根据不同建筑基础来制定不同的掏土纠偏方案；（3）古代木结构建筑。浅层水平掏土纠偏被广泛应用，但目前研究不够成熟依然面临许多问题。
浅层水平掏土纠偏法在很大程度依赖以往的工程经验，在纠偏工程中需要严格的沉降测量，没有成熟的理论体系，这些限制了浅层水平掏土纠偏法的应用。由于浅层水平掏土纠偏涉及土体与上部结构相互作用、土体变形等复杂问题，在纠偏过程中会出现以下问题：（1）不能够精确控制沉降，主要依靠工程中精确的沉降监控和以往的工程经验；（2）没有考虑土体与上部结构共同作用的影响；3）根据浅层水平掏土纠偏试验[11]，纠偏中产生的土拱效应会影响孔的变形，导致地基沉降减小；（4）在纠偏沉降的过程中，建筑的各个结构部件沉降量不一样，导致受力情况也不同，致使构件可能出现裂缝甚至破坏。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 浅层水平掏土纠偏研究现状
浅层水平掏土纠偏作为一种新型工程技术，在国外研究起步较早。在20世纪前中期，美国和日本对建筑纠偏技术进行研究，通过试验和工程经验的积累，取得了一些早期成果，基本实现了计算机分析对实际工程的应用。综合来看，由于建筑纠偏涉及理论方面情形较为复杂，国外研究主要集中在计算机软件分析和工程经验方面，虽然在相关理论上有一定的成果，但还没有成型的理论体系对建筑纠偏进行设计指导[45-47]。
查阅资料，国外最早的建筑纠偏方案起源于西方政府对墨西哥城天主教堂倾斜治理规划。1961年政府计划对教堂进行掏土纠偏，但由于当时技术无法确定掏土位置和掏土量，掏土工作也不易操作，最后这种纠偏方案并未实施[48]。
加拿大特朗斯谷仓[49]装入谷物17个月后谷仓产生倾斜，原因是谷仓地基的承载力小于谷仓地基承受的上部压力，钢筋混凝土浇筑的仓筒并未产生破坏。基于谷仓的情况采取纠偏加固措施。比萨斜塔[48]从公元1173年-1350年进行建造，历时近200年的施工过程塔身不断倾斜，建成后的比萨斜塔依然在不停的倾斜。比萨斜塔作为历史建筑是世界文化的遗产，于1992年，比萨斜塔纠偏委员会决定在沉降小的北侧采用堆载850t来增加这一侧的沉降，比萨斜塔回倾2mm取得了初步成果。目前，斜塔已基本稳定对游客开放。
水平掏土纠偏法可将地基变形分散到大范围的基础上，减小了基础因大变形而产生破坏的可能性，且掏土次序、方式灵活、施工方便，对于不同类型的工程可以灵活布置。但我国建筑纠偏技术起步比国外较晚，近些年大量学者对水平掏土纠偏影响因素进行研究。
第2章 浅层水平掏土纠偏法中土拱效应理论分析
2.1 孔变形与地基沉降分析
在浅层水平掏土纠偏工程中，通过在建筑沉降较小一侧的地基处进行掏土，导致地基一侧的附加应力增大、应力集中以此来增大地基的附加沉降。建筑物随着一侧地基的附加沉降增大逐渐恢复到正常使用要求。地基的附加沉降由两部分组成：地基压缩变形产生的附加沉降；掏土孔周土体的塑性变形产生的附加沉降。其中孔周土体的塑性变形引起土体之间的相对位移，在孔周引发土拱效应，对地基沉降有很大影响。
浅层水平掏土纠偏引起的沉降为掏土孔周土体变形和地层压缩变形共同组成。掏土孔周土体变形会导致地表沉降变形，假设孔上方土体地层为均匀沉降。地基变形和孔变形之间的关系如图（2-1）所示。水平掏土纠偏地基变形问题可转化为土拱效应影响下土孔变形的问题进行分析。
直线𝐴𝐵为基础底面，𝐿为孔中心至地表的距离，𝑆𝐶为孔顶竖向变形，地表沉降与距离孔中心大小有关，距离孔中心越远，沉降越小，孔顶处地表沉降最大
2.2 考虑土拱效应的掏土孔受力分析
2.2.1 基本假定
由于掏土纠偏中孔周土体受力复杂，根据文献[15]孔顶的土体破坏最为严重，孔底土体基本没有产生破坏，孔周应力产生重分布和土拱效应，为此对孔周土体进行假定：
（1）圆孔变形为椭圆形。孔随着土压力增大而产生变形，向孔内位移，竖向位移在孔中心最大向孔壁两侧逐渐减小，圆孔压扁成一椭圆形。
（2）掏土孔周受到竖向均布应力和水平均布应力。由于同一平面上土体为均匀沉降且掏土孔都处于同一水平面，以此假设掏土孔上方荷载为均布荷载。为了简便计算认为孔周的水平应力为均布应力。
（3）孔周土体竖向均布应力不受相邻孔的影响，相邻孔对孔周水平均布应力产生影响。
（4）拱轴线各横截面大小相等，且弯矩为0，即合理拱轴线。由于土体无法承受拉力，只能承受剪力和压力，土体形成一个内弯矩为零的拱形结构物来承担上部荷载。
（5）土压力问题为一个平面应力问题，在三维状态下水平掏土纠偏中地基受到上部建筑的均布荷载，地基土压力竖直向下。
（6）土拱的强度符合摩尔库伦准则。根据土拱效应相关研究，土体形成土拱的必要条件为土体之间产生相对位移，极限状态下孔周土体达到摩尔库伦塑性破坏状态。
（7）相邻建筑物基础下的土层已经达到平衡状态。地基会在上部建筑荷载作用下逐渐固结，地基变形本身受到土体固结程度的影响，因此假设土体在开始纠偏之前完成固结即进入稳定状态。
第3章 浅层水平掏土纠偏试验研究 ............................... 29
3.1 浅层水平掏土纠偏基本原理 ................................... 27
3.2 模型设计 ................................... 30
第4章 浅层水平掏土纠偏有限元分析 ........................... 44
4.1 浅层水平掏土纠偏有限元模型 ........................ 44
4.1.1 模型建立 .......................... 44
4.1.2 掏孔前地基内力分析 ...................... 44
结论与展望 ..................... 77
结论 .................................... 77
展望 .................................. 76
第4章 浅层水平掏土纠偏有限元分析
4.1 浅层水平掏土纠偏有限元模型
浅层水平掏土纠偏中土拱效应会影响孔周受力和孔径变形，其中孔径、孔间距、埋深都是影响水平掏土纠偏建筑沉降的关键因素。由于土拱效应是在开挖掏土孔后开始发挥作用，因此在分析孔周受力和孔径变形前需要对开挖掏土孔前的地基进行分析。为了分析不同因素对孔周受力和孔径变形的影响，通过试验数据和有限元模拟结果进行对比验证有限元模型的准确性，通过建立的有限元模型分析不同影响因素（孔径、孔间距、埋深）下对孔周应力的影响。
4.1.1 模型建立
考虑土体为各向均质材料，粉质粘土地基模型采用均质壳单元，单元网格类型采用四节点减缩积分（S4R）；单元格网格类型选择八节点线性六面体单元（C3D8R）；地基尺寸采用1 500mm×1 000mm×1 000mm（长宽高）；模型上边界采用自由边界，四周边界土体约束水平方向的位移，下边界约束水平方向和竖直方向的位移；地基土本构模型采用摩尔库伦本构模型；上表面1 500mm×1 000mm的范围内施加60kPa的竖向均布面荷载。地基土的材料参数如表4-1所示，模型采用单个掏土孔，在距基底500mm的位置处设置直径为200mm的掏土孔。计算几何模型和测点布置如图（4-1）所示。
结论与展望
结论
本文设计浅层水平掏土模型试验，在距基底500mm的位置进行孔径200mm掏土孔试验，应用布设在土层中的微型土压力盒获得掏土过程中掏土孔周围应力变化。结合掏土孔的变形发展，研究水平掏土纠偏中的土拱效应对孔径变形和孔周土压力变化的影响规律，并通过有限元（不同掏土孔孔径、孔间距、埋深）对孔周应力进行分析，结论如下：
（1）通过结合以往土拱效应的理论研究，分析掏土孔孔顶位移计算公式及有限元模拟，得到孔径竖向变形计算公式。利用试验数据加以验证，得出掏孔径在竖直方向上减小至初始掏土孔半径的9/10。
（2）掏土纠偏中的土拱效应会影响孔周应力分布，掏土后最大土压力值与距离孔中心水平距离有关，距孔中心水平方向距离越大，土压力越小。孔两侧最大土压力会增大到初始土压力的2.6倍左右。
（3）掏土孔变形后，孔周土压力从孔顶转移到孔侧，产生土拱效应。掏土完成初期土压力变化剧烈，2h后孔周土压力变化趋于平缓，表明掏土孔在初期形成土拱效应，使孔周土体受力趋于稳定
