HSS模型在軟土地區(qū)水閘地基基礎設計中的研究

吳 逸,楊永保,田利勇

(1.上海戎合城市規(guī)劃設計有限公司,上海 200072；2.上海市寶山區(qū)堤防水閘管理所,上海 200439；3.上海市水利工程設計研究院，上海 200061)

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HSS模型在軟土地區(qū)水閘地基基礎設計中的研究

吳 逸1,楊永保2,田利勇3

(1.上海戎合城市規(guī)劃設計有限公司,上海 200072；2.上海市寶山區(qū)堤防水閘管理所,上海 200439；3.上海市水利工程設計研究院，上海 200061)

闡釋了近年來巖土有限元分析中常用的土體本構模型HS模型及HSS模型的理論依據,探討其參數(shù)選擇辦法,以某位于上海市杭州灣南岸水閘為例,同時采用HS模型與HSS模型進行了有限元分析計算,并與實測監(jiān)測數(shù)據展開對比,通過計算結果對比表明HSS模型模擬結果與工程建設過程中監(jiān)測成果更為吻合,說明HSS模型可以更好的模擬邊載、地基基礎及上部結構之間相互作用,可以指導水閘工程復雜地基基礎的優(yōu)化設計。

HSSPlaxis；水閘；軟土；有限元分析

1 概述

近年來,計算機技術和有關有限元分析軟件又有了較大發(fā)展,結構、土體和水體三者共同作用下的穩(wěn)定性和變形分析已經成為關注的重點。其中,巖土本構模型始終是有限元分析的核心。從早期的摩爾庫倫模型(MC)到后來的鄧肯張模型,再到后來的HS 模型(Hardening Soil Model)與HSS模型(Hardening Soil Small-train Model),它們不斷提升工程分析中的精度,但沒有哪一種本構模型能全面的、正確的模擬任何一類土體在任意加載下的土體性質,如何能更為準確的模擬軟土地基中荷載、基礎與地基之間的相互作用,選用更符合水利工程特點及軟土特性的土體本構模型,是工程分析研究中的要點和難點。

本文將借助PLAXIS巖土有限元軟件,以上海市某水閘為例,分別采用HS模型與HSS模型進行有限元模擬分析,并將結果與實測監(jiān)測數(shù)據進行對比,以研究更為準確的土體本構模型和參數(shù)取值。

2 HSS本構模型

2.1 HS模型

Schanz和Schanz等在 Vermeer的雙硬化模型的基礎上進行改善并提出了HS 模型(Hardening Soil Model),該模型在模擬土體剪切方面可認為是彈塑性的Duncan-Chang 模型,考慮了土體的剪脹性及加載模量與卸荷模量之間的差異。HS模型加入了塑性理論,考慮了在主應力空間中屈服面的不確定,由一個雙曲線型的剪切屈服面以及一個橢圓型的蓋帽屈服面組成,且其蓋帽屈服面可模擬土體體積壓縮方面的特性,見圖1。

圖1 HS模型的屈服蓋帽

2.2 HSS模型

小應變硬化模型理論則進一步考慮了土體剪切剛度與應變的非線性關系。根據土體實測試驗結果,可獲得典型的剪切剛度-應變的關系,如圖2所示,剪切剛度在應變增大過程中呈“S”形衰減,在常規(guī)三軸試驗中,固結試驗測得的剛度小于初始剛度的1/2。

圖2 土體剪應變——剪切剛度的關系

HSS模型與HS模型兩者有著幾乎相同的計算參數(shù),只增加了兩個參數(shù)用于描述小應變剛度行為：初始小應變模量G0；剪切應變水平γ0.7：割線模量Gs減小到70%G0是的應變水平。為了能更好的描述小應變區(qū)域內剪切剛度與應變之間的雙曲線關系,HSS模型采用了Hardin-Drneveich模型的計算方法,計算公式可描述如下：

參考Benz(2007)的相關文獻,在PLAXIS中假定卸載及重加載時的泊桑比vur恒定,所以通過動力實驗獲得E0參考值即可計算出G0參考值：

3 工程概況

某水閘位于上海市杭州灣南岸,閘孔組合為15+30+15m,水閘總凈寬60m。水閘采取分離式布置方案,兩邊孔采用倒“Π”型結構形式,中跨一塊分離式底板。水閘兩側布置了空箱岸墻結構,引堤填土高度超過13m,水閘坐落在軟土地基上,故采取地基處理措施如下：①閘首邊孔采用預制方樁基礎,樁基長度26m,樁底高程為-29.60m；②空箱岸墻采用三軸攪拌樁復合地基,加固深度25m,底高程為-27.50m；③岸墻兩側15m范圍內引堤地基采用三軸攪拌樁加固,加固底高程為-20.00m。閘首地基處理橫斷面布置圖見圖3。本工程閘首地基處理方案布局復雜,需統(tǒng)籌考慮上部結構、基礎、地基及墻后高填土間的相互作用,常規(guī)的經驗計算方法已經難以滿足設計計算要求,需采用整體有限元計算方法進行模擬分析[1-2]。

圖3 閘首地基處理橫斷面布置示意

4 有限元模型建立

4.1 模型參數(shù)的確定

HS模共有11 個模型參數(shù),分別如下：

3 個Mohr-Coulomb強度參數(shù)：c為有效粘聚力；φ為有效內摩擦角；ψ為剪脹角。

HSS模型在HS基礎上增加2個小應變特性參數(shù)：G0為小應變初始模量;γ0.7為剪切應變。

計算中不同分層土體的重度、粘聚力、摩擦角等參數(shù)由勘察報告提供,剛度參數(shù)和高級參數(shù)則參照王衛(wèi)東[3-4]等對上海地區(qū)土體硬化模型參數(shù)研究成果進行確定。

加固區(qū)土體壓縮模量參照上海市《地基處理技術規(guī)范》(DGTJ08-40—2010)第7.2.7條進行確定,計算公式如下：

Eup=mEp+(1-m)Es

式中 Eup為復合地基壓縮模量,Ep為攪拌樁壓縮模量,Es為樁間土壓縮模量,m為置換率。

土層及加固體參數(shù)具體見表1。

表1 HSS模型土層參數(shù)一覽

4.2 有限元模型建立

為充分考慮邊載對主體結構的影響,模型水平向考慮范圍為200m,模型邊緣與閘首中心線距離100m；為充分模擬地基土沉降變形,地基土模擬深度達到-60m。建立模型尺寸為200m(水平)×71m(豎直)。計算模型及網格劃分見圖4。

圖4 計算模型及網格劃分示意

5 數(shù)值模擬結果

5.1HS模型計算結果

工程豎向位移云圖見圖5,各部位底板位置值見圖6。

圖5 HS模型垂直位移云圖(單位：m)

圖6 HS模型各底板垂直位移值

5.2HSS模型計算結果

工程豎向位移云圖見圖7,各部位底板位置值見圖8。

圖7 HSS模型垂直位移云圖(單位：m)

圖8 HSS模型各底板垂直位移值

6 對比分析

本工程建設期間對水閘中墩、邊墩及岸箱角點進行了全程跟蹤監(jiān)測,監(jiān)測點布置見圖9。本工程于2013年5月通水,截至2014年6月,水閘主體結構的沉降位移已基本趨于平穩(wěn),各主要監(jiān)測點位移與數(shù)值模擬沉降變形量對比見圖10。

圖10 實測監(jiān)測值與計算值對比(單位：mm)

根據對比可知：

1)HS模型與HSS的計算沉降整體位移區(qū)域與實測值均相近,呈現(xiàn)出邊板大,中板小的趨勢。這主要是由于水閘外河側翼墻墻后填土高程較內河側高,受外河側邊載效應較大的影響,引起水閘外河側出現(xiàn)較大的沉降。故兩個模型均基本上反應了本工程軟土地基水閘基礎沉降形態(tài)。

2)HSS模型邊板最大沉降值為113.21mm,HS模型邊板最大沉降值為124.78mm,相對實測值98～107mm,HSS模型變形值較小,更接近實測數(shù)據。

3)HS模型中孔沉降為76.61～77.96mm,大于邊孔沉降值。而實測表明,中孔沉降值為39～50mm,小于邊孔沉降,故HS模型在中孔的沉降數(shù)值及趨勢上與實測值差異較大。HSS模型中孔沉降為55.31～50.61mm,小于邊孔沉降,趨勢與實測數(shù)據一致,且沉降數(shù)值與實測值更為接近。故HSS模型在中孔變形形態(tài)和數(shù)值精度上均優(yōu)于HS模型。

7 結語

1)HSS模型是基于硬化模型理論的基礎上考慮了土體剪切剛度與應變的非線性關系,考慮了土體小應變情況下的剪切模量退化性能,進一步豐富了模型土體參數(shù),計算結果更符合實測數(shù)值,驗證了HSS模型在上海軟土地基水閘工程中的適用性。

2) 軟土地區(qū)水閘工程地基處理需統(tǒng)籌考慮上部結構、基礎、地基及墻后高填土間的相互作用,常規(guī)的經驗計算方法已經難以滿足設計計算要求,不能依靠經驗,而應采用有限元方法理論,選取合適的土體本構模型,以更好的指導工程優(yōu)化設計。

3) 從理論計算、施工監(jiān)測、再到總結分析對比的有機結合,達到理論和實踐的相輔相成,合理的制定土體物理力學參數(shù),從而實現(xiàn)技術增長、安全施工與經濟效益的多贏成果。

[1] 胡兆球. 水閘結構設計現(xiàn)代計算方法及其應用研究[D].南京：河海大學,2003．

[2] 關淑萍,張燎軍,王大勝,等. 邊荷載對水閘地基沉降與底板內力的影響研究[J]. 水電能源科學,2006(2)：58-60，4．

[3] 尹驥. 小應變硬化土模型在上海地區(qū)深基坑工程中的應用[J]. 巖土工程學報,2010(S1):166-172．

[4] 王衛(wèi)東,王浩然，徐中華. 上海地區(qū)基坑開挖數(shù)值分析中土體HS-Small模型參數(shù)的研究[J]. 巖土力學,2013，34(6)：1 766-1 774．

(本文責任編輯 馬克俊)

Research on the Design of Sluice Foundationin Soft Soil Area by HSS Model

WU Yi1,YANGYongbao2,TIAN Liyong3

(1.Shanghai rong he City planning and design Co.,LTD Shanghai 200072; 2.Shanghai baoshan district embankment sluice management Shanghai 200439; 3Shanghai Water Engeineering Design and Research Institute Co.LTD Shanghai 200061)

This paper describes the theoretical basis of Hardening Soil Model and Hardening Soil Small-Model in the geotechnical finite element analysis.Discuss the choice of parameters. A Shanghai sluicewhich located in the South Bank of Hangzhou Bay sluice as an example,use HS-Model and HSS-Model calculated by FEA,comparedthe results with the measured data. The calculation results show that the HSS model simulation results and monitoring results of the process of engineering construction is more consistent,which meansthe HSS-Model can better side load, the interaction between the foundation and the upper structure, can optimize the design of the sluice engineering guide complex foundation.

HSS-Model;sluice; soft soil;finite element analysis

2016-03-16;

2016-04-02

吳逸(1984),男,碩士,工程師,從事水利水電工程設計工作。

TU471+.8

A

1008-0112(2016)02-0026-06