MC与MCC模型在深基坑开挖数值模拟中的适用性分析

2022-07-13蔡成渝

铁道建筑技术 2022年6期

蔡成渝

(中铁二十一局集团轨道交通工程有限公司湖北武汉 430000)

1 引言

随着城市规模逐渐扩大，深基坑在开挖施工过程中对周边环境造成影响已不可避免，若控制不当，会造成周边建筑物及土体变形，影响其正常使用，甚至造成建筑物破坏。因此，为将周围环境变形控制在安全范围之内，常采用数值模拟对深基坑开挖变形进行研究。Hashash[1]等采用数值模拟方法，研究了地连墙厚度、插入比和埋深等因素在黏性土层中对支护结构变形的影响。郑刚[2]等人进行现场潜水预降水试验与测试，结合ABAQUS有限元软件，研究了基坑开挖前潜水降水过程地连墙侧移机理。陈昆[3]等通过对深基坑开挖过程中周边土体和支护结构的变形情况以及基底回弹情况进行全过程监测，并结合数值模拟结果对比分析，探究了深基坑在开挖卸荷状态下的变形特性。曾仲毅[4]等利用数值模拟分析，研究了深基坑开挖对周围建筑物的变形沉降影响规律。

采用数值模拟方法分析基坑开挖变形时，计算结果的合理性主要由土体本构模型和计算参数的选取决定，不同的本构模型各有优缺点。关于本构模型在基坑开挖数值模拟中的运用，前人也有过大量研究。徐中华[5]等通过实例系统地对比了各类本构模型，分析了硬化类弹塑性模型在敏感环境下的适用性。王春波[6]等通过编程实现了硬化土本构模型在FLAC3D中的二次开发，并结合不同应力路径室内试验结果进行对比分析，验证了硬化土本构模型二次开发的正确性。宋广[7]等通过模拟应力路径试验与工程实例对比，探讨了常见土体本构模型的适用性。王丹[8]等采用二次开发平台及实测数据，研究了黄河流域各区域基坑开挖结构变形所对应本构模型的适用性。宗露丹[9]等利用数值模拟对比了工程实测与HSS模型模拟值，分别研究了基坑顺、逆作区在各个工况下的变形。刘勇[10]在理论分析的基础上，建立了深厚软黏土的弹粘塑性本构模型，探讨了软黏土流变长期变形的影响规律。

本文以武汉地铁12号线青菱站深基坑为依托，运用FLAC3D有限差分软件，结合现场监测数据，对比分析MCC模型与MC模型在深基坑开挖变形数值模拟中的适用性。

2 工程背景及基坑监测

2.1 工程概况

青菱站为12号线(武昌段)工程第14座车站，设计为地下两层13 m岛式车站。本站位于烽胜路与白沙三路交叉口，为12号线与5号线换乘站。12号线车站位于路口西侧，沿白沙三路东西向布置；5号线车站位于路口北侧，沿烽胜路南北向布置。青菱站围护结构采用1 000 mm厚地下连续墙+内支撑的支护体系，幅宽范围在3.7～7.5 m之间，共196幅。地下连续墙施作落底式隔水帷幕，阻止侧壁的上层滞水和孔隙承压水进入基坑；地连墙采用工字钢柔性接头，墙顶设冠梁。车站周边现状除东北角为在建洪山区社会福利院外，其余均为待开发用地。周边主要规划为商业、商务以及公园绿地，其中车站主体南侧规划有加油加气站用地。青菱站周边环境见图1。

图1 青菱站周边环境平面

2.2 工程地质条件

拟建场区为河流堆积平原一级阶地，场地地形总体较平坦，地面标高在19.07～24.42 m。场地内多为道路、居民区，有公路抵达，交通较为便利。车站位于长江一级阶地，场地上部为人工填土，其下依次为第四系全更新统(Q4)软塑～可塑黏性土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土夹粉土等，工程地质条件较差；下伏基岩为白垩系—下第三系泥质粉砂岩，基岩面一般较平缓。基坑内承压水头高，应采用降压井进行降水。

2.3 基坑监测

为最大限度地规避风险，避免人员伤亡和环境损害，降低工程经济损失，对基坑内基本结构以及施工影响范围内地表、周围建筑物、地下管线等进行安全监测。

综合武汉深基坑相关施工经验，结合《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB 50911—2013)[11]确定基坑监测点位置，监测对象控制值见表1，主要研究区域监测点位布置见图2。

表1 监测对象控制值

图2 基坑周围监测点位

3 数值模拟

3.1 本构模型简介

(1)MC模型

摩尔库伦模型是最经典的六角形屈服面模型，为理想的弹塑性模型，是多种本构模型的基础。其主要计算参数包括弹性模量E、黏聚力C、内摩擦角φ和泊松比ν，而弹性模量既是加载模量又是卸载模量，与实际土体情况不符，有一定缺陷。

(2)MCC模型

修正剑桥模型为等向硬化的弹塑性模型，最初是针对正常固结和弱超固结黏土提出的一种本构模型，后来逐渐推广到严重超固结砂土等岩石材料。该模型主要计算参数包括等向压缩线斜率λ、等向回弹线斜率K、临界状态比M和泊松比ν。这些参数可以通过勘察报告得到的土体压缩指数CC、回弹指数CS、内摩擦角φ等计算获得。

3.2 数值模型建立

取青菱站基坑为主体建立模型，采用的基本假设条件为:

(1)各土层为水平分布。

(2)地下连续墙和内支撑均视为理想的弹性体，不考虑地下水渗流对支护结构和土体的影响。

(3)不考虑周围其他建筑物和基坑对青菱站基坑的影响。

鉴于此基坑为长条形对称结构，且整个基坑支护形式均为地连墙+内支撑体系，因此为了使模拟计算更加便捷，避免重复工作，只选取基坑的一半进行模拟分析。在建模过程中，计算模型不仅需要基坑的开挖段模型，同时还要兼顾开挖对基坑外侧土体的影响，保证模拟计算的准确度。根据相关工程的实例经验，取开挖深度的3倍作为基坑底部边界及基坑外侧土体沉降影响边界，最终将整个模型尺寸定为(244×188×80)m。根据基坑变形特点及FLAC3D软件特性，需将距离基坑较远的网格稀疏布置，而距离基坑较近的网格加密布置。具体网格划分见图3。

图3 网格划分

3.3 参数设置

MCC模型的土体按正常固结考虑，固结比OCR统一取1.0，其余参数根据工程勘察报告及相关经验公式得出。土体、内撑、地连墙参数分别见表2～表4。

表2 土体物理力学参数

表3 内撑参数

表4 地连墙参数

4 计算结果对比分析

4.1 地连墙深层水平位移分析

作为分析施工过程稳定性的重要指标，深基坑桩体的深层水平位移可以反映出桩体在周围土压力作用下的变形规律，故桩体的深层水平位移监测一直是深基坑重要监测项目。本次选取在开挖结束并安装内撑完毕后，地连墙ZQT58测点数据与数值模拟数据进行对比分析。

由图4可知，基坑顶部墙体向基坑外水平位移，基坑中下部墙体向基坑内水平位移，基坑底部墙体水平位移较小，整体呈“弓型”；由于开挖过程中，侧向土压力逐渐增大，墙体水平位移也逐渐增大，在深度12～16 m时达到最大值，最大值约为25 mm，小于墙体水平位移控制值30 mm。MCC模拟值与实际值相比略小，而MC模拟值相较于实际值，地连墙的水平位移较为保守，主要是由于MC模型自身不能考虑应力路径，且在加载和卸载过程中使用相同的模量，导致坑底产生大幅回弹，进而抑制了地连墙的水平位移；而MCC模型卸载模量大于加荷模量，对控制土体回弹有一定抑制作用，因此模拟结果更接近实际值。MCC、MC模拟值与实际值走向较为一致，证明两种模型均较为完整地模拟了地连墙在基坑开挖支护过程中侧移的现象。

图4 地连墙深层水平位移

4.2 基坑周边地表沉降分析

在基坑开挖支护过程中，基坑周边有建(构)筑物时，既要保证自身围护结构的安全，也要重点分析周边地表的沉降。选取距基坑不同距离的监测点，比较MC、MCC模拟值与实际监测值的大小，并绘制曲线，见图5。

图5 基坑周边地表沉降曲线

由图5可知，基坑周边土体沉降先上升后下降，最后趋于稳定，呈“汤勺型”，最大沉降量约为17 mm，在距基坑6 m左右位置。在距基坑12 m之后，土体沉降趋于稳定，大约为11 mm。MCC模型与实际值的走向较为一致，数据大小与实际值也较为接近，证明MCC模型对周边土体的沉降有较好的模拟效果，对于基坑开挖对周边建筑影响有较强的参考意义。MC模型在基坑边缘有明显的隆起现象，与实际情况不符，主要由于MC模型未考虑卸载模量，这会导致基坑开挖时有很大的应力释放，从而引起周边土体上升。在距基坑12 m之外，MC模拟值与实际值越来越接近，证明在一定范围外，MC模拟值具有一定参考意义。

4.3 内撑轴力分析

选取斜撑HZL1测点的监测数据与数值模拟结果进行对比分析，绘制其随基坑开挖支护过程轴力变化曲线，见图6。

图6 内撑轴力变化曲线

斜撑轴力在安装初期只有600 kN左右，在之后开挖过程中显著提升:在开挖支护完成后，轴力达到稳定值，大约为1 500 kN。MCC模型与MC模型模拟结果与实际值走向较为一致，证明MC与MCC模型在支护内力的模拟上较为类似，两者都对实际工程有良好的参考价值，鉴于MC模型的参数获取较为简单，若只分析基坑开挖支护过程中的结构内力，或是土体勘察数据有限时，使用MC模型分析结构整体内力，便可以确保支护体系的合理性。