土体硬化模型参数试验研究及其在基坑工程的应用

胡 峰

（陕西建工集团股份有限公司，陕西 西安 710000）

1 引言

基坑工程的建设常会对其周边建筑产生一定的影响，近年来，许多专家学者针对基坑的变形规律展开研究。

郑华[1］以某基坑工程项目为研究对象，结合现场监测和数值模拟的结果，探究基坑的变形规律。孙铁军等人[2］基于GWO-SVR 模型，对基坑变形情况进行预测，并分析对其变形影响最大的因素。曹程明等人[3］利用有限元软件，分析基坑水平、竖向位移情况。郭景琢等人[4］以某地区基坑为研究对象，利用有限元模拟和HSS 本构模型，分析其变形规律。

本研究以某地区基坑工程为研究对象，基于HS 模型，开展三轴试验，以得出土体的相关参数，通过有限元软件，对基坑的水平位移进行分析，以探究其变形规律及HS 模型的可行性。

2 试验方案

本研究以某地区基坑工程为研究对象，对其基坑内不同深度的土体进行取样，分析其力学性能。土层1 为黏土，土层2 为淤泥质粉质黏土，土层3 粉质黏土，土层4 为粉质砂土。各土层的相关参数见表1。

表1 土层相关参数

为研究不同土层的力学性质，对取样的土体开展三轴剪切试验。分别考虑不同围压对土体割线模量、破坏比、黏聚力和内摩擦角的影响。开展不同等级荷载下的标准固结试验，以得出参考割线模量。

3 试验结果与分析

分别对4 种不同土层进行三轴固结排水试验。在剪切试验的初期，随着垂直位移的增大，偏应力增幅较大，当应变接近于15%时，偏应力变化趋势趋于平缓，此时有最大偏应力。根据三轴固结排水试验的试验结果，得出不同土层在围压为100 kPa 时的三轴排水剪切试验的参考割线模量和破坏比见表2。

表2 不同土层参考割线模量和破坏比

由表可知，不同土层的参考割线模量和破坏比具有一定的差异性。土样4 的参考割线模量最大，其值为9.2 MPa，土样2 的参考割线模量最小，其值为2.7 MPa。土样1 的破坏比最大，其值为0.96，土样2 的破坏比最小，其值为0.89。

分析土体的摩尔应力圆曲线，得出与莫尔圆切线的公式，根据该公式可得出不同土层的黏聚力和内摩擦角值。不同土层的黏聚力和内摩擦角见表3。

表3 不同土层的黏聚力和内摩擦角

由表3 可知，土体的黏聚力和内摩擦角无明显的相关关系。不同土层的黏聚力差距较大，土层3 的黏聚力最大，其值为25.4 kPa，土层4 的黏聚力最小，其值为2 kPa。土层4的内摩擦角最大，其值为36.9°，土层2 的内摩擦角最小，其值为25.7°。

为探究土体试样在疲劳状态下的力学性能，开展三轴固结排水试验。在加载的初期轴向应变和偏应力增长关系接近于线性增长，当卸载时，其偏应力发生突变，轴向应变有微弱的回缩趋势，再次加载后，其偏应力迅速增大，偏应力增长速度大于首次加载的偏应力增长速度，说明重复加载对于土体的强度具有提升作用，有利于增大其偏应力，改善其应变情况。

为探究不同土层轴向应变和其所受轴向荷载之间的关系，对其进行标准固结试验，其轴向应变-轴向荷载曲线见图1。

图1 轴向应变—轴向荷载曲线

由图1 可知，土体试样的轴向应变和轴向荷载呈正相关关系，随着轴向应变的增大，轴向荷载逐渐增大。在相同轴向荷载作用下，土层2 发生的轴向应变最大，土层4 发生的轴向应变最小。在加载初期，土体试样的应变-荷载曲线较为平缓，随着荷载的增大，试样的应变-荷载曲线逐渐变陡。说明在试样所受的荷载较大时，试样发生的变形量较大。

土体的压缩模量主要与其孔隙比有关，为计算土体的压缩模量，研究不同土样孔隙比和轴向荷载之间的关系，不同土样的轴向荷载-孔隙比曲线见图2。

图2 轴向荷载—孔隙比曲线

由图2 可知，不同土层试样的轴向荷载与孔隙比之间呈负相关关系。随轴向荷载的增大，不同土层试样的孔隙比逐渐减小。在同一轴向荷载作用下，土层2 的孔隙比最大，土层3 的孔隙比最小。这是由于土层2 为淤泥质粉质黏土，土层3 为粉质黏土，粉质黏土的压缩性较大，所以在相同情况下，其对应的孔隙比较小。根据上述曲线，可计算得出不同土层的压缩模量。其中，土层4 的压缩模量最大，其值为10.6 MPa，土层2 的压缩模量最小，其值为2.5 MPa。

4 工程验证

以某地区基坑项目为研究对象，对其较小有限元数值模拟分析，以验证试验的可靠性。

有限元模拟的相关参数见表4。

表4 有限元相关参数

以该基坑的两个测点（CX3、CX6）为研究对象，分别分析其开挖深度与水平位移之间的关系，分析不同深度下土体的变形规律，其水平位移-深度曲线见图3。

图3 水平位移—深度曲线

由图3 可知，当深度较小时，不同开挖深度的水平位移差距较大，随着深度的增大，不同开挖深度的水平位移差距较小，水平位移数值较为集中。不同测点下的水平位移-深度曲线变化规律一致，CX3 测点的数值模拟与实测水平位移差距最大值为1.12 mm，CX6 测点的数值模拟与实测水平位移差距最大值为0.83 mm。说明实测值与数值模拟的差距较小，采用HS 模型对基坑变形情况进行分析是可行的。

5 结论

本研究以某地区基坑工程为研究对象，基于HS 模型，开展三轴试验，以得出土体的相关参数，提高有限元软件，对基坑的水平位移进行分析，以探究其变形规律及HS 模型的可行性，得出以下结论：

（1）土样4 的参考割线模量最大，其值为9.2 MPa，土样2的参考割线模量最小，其值为2.7 MPa。土样1的破坏比最大，其值为0.96，土样2 的破坏比最小，其值为0.89。

（2）土层3 的黏聚力最大，其值为25.4 kPa，土层4 的黏聚力最小，其值为2 kPa。土层4 的内摩擦角最大，其值为36.9°，土层2 的内摩擦角最小，其值为25.7°。

（3）在加载的初期轴向应变和偏应力呈正相关关系，其增长关系接近于线性增长，当卸载时，其偏应力发生突变，轴向应变有微弱的回缩趋势，再次加载后，其偏应力迅速增大，偏应力增长速度大于首次加载的偏应力增长速度，说明重复加载对于土体的强度具有提升作用，有利于增大其偏应力，改善其应变情况。

（4）当开挖深度较小时，数值模拟结果与实测结果的差距较小，当开挖深度较大时，数值模拟与实测值的差距较大。不同测点下的水平位移-深度曲线变化规律一致，CX3 测点的数值模拟与实测水平位移差距最大值为1.12 mm，CX6 测点的数值模拟与实测水平位移差距最大值为0.83 mm。说明实测值与数值模拟的差距较小，采用HS 模型对基坑变形情况进行分析是可行的。