硬化土模型在基坑工程中的应用

陈秀军

【摘 要】应用硬化土模型通过有限元软件MADIS/GTS对某软土基坑进行数值模拟，得出排桩内放坡留土的变形及受力数据。

【Abstract】The numerical simulation of a soft soil foundation pit is carried out by finite element software MADIS/GTS through using hardening soil model. The deformation and stress data of retaining soil in internal slope of row piles are obtained.

【关键词】硬化土模型； 有限元分析；基坑工程

【Keywords】hardening soil model； finite element analysis； foundation pit engineering

【中圖分类号】U652.2+2 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）07-0177-02

1 引言

目前我国深基坑工程也就越来越多，在当前的基坑工程中，由于各场地地形条件、工程地质条件、施工技术等越来越复杂，故建立尽量接近现场实际的计算模型是基坑分析的首要任务。本文以土的硬化模型为基础，通过有限元软件MADIS/GTS对唐山市汉沽开发区某项目进行数值模拟分析， 并且来探讨基坑开挖施工过程中支护结构的位移、受力等的变化规律，为变形控制设计与工程监测提供依据。

2 硬化土模型

硬化土模型由于具有可考虑土体压缩性、可模拟土体应力增量随应变逐渐减小的硬化现象、能更好反映土体卸荷时的应力–应变关系、 能考虑土体的剪胀性及中性加载、采用 MC 破坏准则、模型主要参数可通过常规三轴试验及固结实验获取等优点，而在基坑开挖支护数值分析中得到较广泛推广应用。[1]

由于塑性应变的影响，土的硬化模型屈服面在主应力空间中不是固定而是膨胀的，其包含剪切硬化和压缩硬化 2 种主要硬化类型，并能模拟包括软土和硬土在内的不同类型的土体变形行为。 硬化模型构造是以三轴加载下竖向应变和偏应力 q 之间的双曲线关系为基础，并做了 3 个方面的改进：① 使用塑性理论；②考虑了土体的剪胀性；③引入了一个屈服帽盖。由硬化土模型基本原理，硬化土模型包括强度参数、刚度参数和高级参数 3 大类 11个参数，分别为土体的内摩擦角φ，黏聚力c，剪胀角ψ，土体破坏比 Rf，土体参考应力 Pref，土体固结排水三轴压缩试验的参考割线刚度模量E、土体固结试验参考切线模量E、土体卸载再加载试验参考模量E、土体模量应力水平相关幂指数m、土体卸载再加载泊松比Vur、土体正常固结时的侧压力系数 K0。其中内摩擦角φ，黏聚力c，剪胀角ψ均可根据三轴固结排水或三轴固结不排水试验确定，也可根据实际经验确定。E需根据围压100 kPa 时循环加载试验的q - ζ曲线确定， E应根据围压 100 kPa 时的固结试验曲线σ1- ζ1确定。Vur为卸载再加载泊松比（一般可取0.2 左右）。

3 工程概况

基坑位于唐山市汉沽开发区，基坑深度5m，基坑周边环境条件简单，主要为施工道路，基坑采用单排桩加坑内留土放坡的支护方式，桩长12m，桩径600mm，间距1.5m。基坑安全等级三级。

4 工程地质条件

支护方案简图

拟建场地地基土的主要特征如下：

①第四系第Ⅰ陆相层—河床～河漫滩相沉积（Qal） 第1层粉质粘土，层底标高-1.94～-4.18m，含有机质，土质不均，含粉土颗粒，双桥静探qc平均值为0.48MPa，标贯击数平均值为N=3.1击，呈软塑状态，压缩性中等。

②全新统中组浅海相沉积层（第Ⅰ海相层，Qm） 第2层灰黑色淤泥质粉质粘土，拟建场地遍布，层底标高约为-10.72～-16.19m，层厚一般为 7.70～13.0m；含有机质，粘性较大，土质不均，双桥静探 qc 平均值为0.47MPa，标贯击数平均值为 N=2.6 击，呈软塑～流塑状态，压缩性高等。

第3层灰黑色粉土，拟建场地遍布，层底标高约为-12.42～-18.29m，层厚一般为0.70～2.90m；含有机质，含云母，含粉砂颗粒，土质不均，摇振有反应。双桥静探qc平均值为 4.01MPa，标贯击数平均值为 N=10.4 击，呈稍密～中密状态，压缩性中等。

③全新统下组沼泽相沉积层（第Ⅱ陆相层，Qh）

第4层褐灰色粉质黏土，拟建场地遍布，层底标高约为-13.42～-17.06m，层厚一般为 0.9～3.7m；含有机质，夹粉砂颗粒，土质较均匀，双桥静探 qc平均值为 1.11MPa，

标贯击数平均值为 N=5.4 击，呈可塑状态，压缩性中等。

场地土层参数见表1：

5 有限元计算模型

采用大型有限元软件MADIS/GTS对本工程进行模拟分析，支护结构型式见支护方案简图，空间的作用对模型的影响不是太大，同时为了减少运算时间和建模时间，故采用 2 维的平面模型对基坑开挖进行模拟，采用轴对称模型，模型尺寸定为 30m×40m。 岩土材料的本构模型均选取硬化土模型，对于排桩则选取为线弹性模型。模型如图2所示。

6 模拟结果及分析

通过模拟分析，得出了基坑水平位移、基坑垂直位移、排桩弯矩计算结果，基坑水平位移最大值出现在排桩底部以内，最大值12mm，垂直位移最大值出现在基坑底部隆起，最大值64mm，变形模式符合圆弧滑动原理。排桩最大弯矩出现在排桩中部，弯矩值89kN·m，根据此数值可进行排桩配筋设计。

7 结论

本文应用硬化土模型对软土地基的基坑进行了有限元模拟，主要的工作和成果如下所示：

①对软土地基基坑进行了有限元模拟，得出排桩内留土放坡的变形、受力规律。

②硬化土模型模拟的基坑变形基本符合圆弧滑动原理，但基坑底部隆起值偏大，需继续研究。

③为排桩内放坡留土计算模型提供了数据参考。

【参考文献】

【1】JGJ 120-2012建筑基坑支护技术规程[S].