基于HSS和M-C本构模型软土基坑变形数值分析

2018-11-21吕锋

建材与装饰 2018年44期

吕锋

（中国电建地产集团有限公司北京市海淀区 100089）

引言

基坑变形计算中，本构模型的选取至关重要，经典本构模型包括Mohr-Coulomb模型、邓肯-张模型、D-P模型、修正剑桥模型、HSS模型等[1～7]，不同模型具有不同的适用性。受试验条件影响，大部分工程采用的是常规压缩试验确定土体刚度，而该变形指标是在土体大变形甚至是破坏情况下确定的。对于安全基坑安全等级较高或者周边建筑环境复杂深大基坑，为了确保支护结构和周边建筑物、地铁、地下管线处于正常使用状态，规范对基坑变形有严格的控制规定，即使是在软土地区，基坑周边土体仍处于小变形阶段。另外，大量工程监测及室内试验结果表明土体刚度不是一成不变的，而与土体应变相关。目前，已有不少专家学者采用不同的本构模型进行的基坑变形分析。邵羽[8]等分别HSS模型和MCC模型对基坑变形进行了数值分析，认为HSS模型更适用于基坑降水开挖变形分析。褚峰[9]等采用HSS模型分析了超深基坑开挖对临近地铁的影响，数值结果表明考虑土体小应变后，基坑变形与实测结果吻合度较高。郭德强[10]基于天津典型软土土质，进行了小应变模型中高级参数对基坑变形的敏感性分析，得出参数选取方法及调整规律。因此，在上述研究基础上，本文以杭州某软土深基坑为研究对象，采用数值模拟手段，分别基于Mohr-Coulomb模型和HSS模型，研究基坑变形特性，并将数值结果与现场监测数据进行对比分析，探究上述模型在基坑变形特性研究中的适用性。

1 工程概况

杭州某深基坑工程，基坑深度为6.35～10.55m，地质条件复杂，主要土层为淤泥质黏土和粉质黏土，基坑中部及底部处于淤泥质黏土层（厚度约12m），土体强度及刚度较小。基坑西侧、南侧及北侧一层地下室部分钻孔采用灌注桩+一道钢筋混凝土支撑的围护方案，对坑中坑部分采用钻孔灌注桩+一道钢筋混凝土支撑的围护方案，对基坑东侧及南侧两层地下室部分采用钻孔灌注桩+二道钢筋混凝土支撑的围护方案。钻孔灌注桩采用φ800@1000，另外采用φ700@500双轴水泥土搅拌桩作止水帷幕，详见基坑支护剖面图1。

2 计算模型及参数确定

2.1 计算模型

针对典型基坑支护剖面（图1），采用大型岩土有限元分析软件FLAC3D建立二维数值模型。为消除模型边界效应，模型尺寸设为：100m×40m。为了简化计算，依据等刚度原则将钢筋混凝土钻孔灌注桩转化为地连墙模型。钻孔灌注和支撑均采用8节点四面实体单元，模型共有5395个单元，11086个节点。基坑模型详见图2。

2.2 计算假设

各土层均呈均质水平层状分布且同一土层各向同性，支护桩及支撑的变形、受力均在弹性范围内。

2.3 边界条件及计算参数

模型边界条件：模型底部为固定约束边界，左右两侧面为法向约束边界，其余均为自由边界。本文分别采用Mohr-Coulomb模型和HSS模型对基坑变形特性进行分析。其中HSS模型不仅可以反映土体小应变特定，还可以根据相应的幂指数关系确定不同应力状态下的土体刚度，进而计算土体变形[11～16]。因此，HSS模型能够很好的反映土体的剪胀和压缩硬化特性。根据常规土体试验及共振柱试验确定土体参数，详见表1。典型地质剖面图3。支护桩及支撑弹性模量均为30GPa，泊松比0.2。

图1 基坑支护剖面图

图2 基坑模型图

2.4 分析工况

本文分别采用Mohr-Coulomb模型和HSS模型对该基坑开挖工程进行数值模拟分析，获取深层土体水平位移随基坑深度变形曲线，并与实际监测数据进行对比分析。

2.5 计算结果

通过数值模拟分析，获得了HSS模型和M-C模型下深层土体水平位移，以及两种模型下深层土体水平位移与现场监测数据对比，详见图4～5。

图3 地质剖面图

图4 深层土体水平位移（开挖到第二道支撑施工面）与现场监测对比验证

图5 深层土体水平位移（开挖到坑底）与现场监测对比验证

2.6 变形分析

随着基坑开挖，由于卸载作用，坑外土体向坑内移动。当基坑开挖至第二道支撑施工面时，在第一道支撑和桩入土部分双重约束下，桩身变形呈抛物线；按照土层补偿原理，临近支护桩的深层土体水平位移随土层深度变化也呈抛物线（图4）；深层土体水平位移最大值为16.12mm（监测值），位置位于第二道支撑施工面处（约-7m深度）。同理，当基坑开挖至坑底时，深层土体水平位移随土层深度变化呈抛物线，深层土体水平位移最大值为56mm（监测值），位置位于坑底处（约-10m深度）。

HSS模型和M-C模型数值模拟结果显示：两种模型下深层土体水平位移变形趋势同监测数据相同（图4～5）；实际工程中，除少数区域处于明显的塑性破坏，大部分区域呈现出小应变状态，由于HSS模型考虑了土体小应变及土体刚度随应变的变化的特性，该模型计算值与实际监测数据吻合度较高；由于M-C模型低估土体模量，计算值是实际监测值1.3倍左右。如若基坑支护设计中采用该模型计算分析，较大的变形会增加基坑支护桩的强度及变形刚度，如此会造成不必要的浪费。