硬化土模型在基坑工程中的應(yīng)用

陳秀軍

（河北海創(chuàng)巖土工程有限公司，河北唐山063500）

1 引言

目前我國(guó)深基坑工程也就越來越多，在當(dāng)前的基坑工程中，由于各場(chǎng)地地形條件、工程地質(zhì)條件、施工技術(shù)等越來越復(fù)雜，故建立盡量接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的計(jì)算模型是基坑分析的首要任務(wù)。本文以土的硬化模型為基礎(chǔ)，通過有限元軟件MADIS/GTS對(duì)唐山市漢沽開發(fā)區(qū)某項(xiàng)目進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并且來探討基坑開挖施工過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移、受力等的變化規(guī)律，為變形控制設(shè)計(jì)與工程監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。

2 硬化土模型

硬化土模型由于具有可考慮土體壓縮性、可模擬土體應(yīng)力增量隨應(yīng)變逐漸減小的硬化現(xiàn)象、能更好反映土體卸荷時(shí)的應(yīng)力–應(yīng)變關(guān)系、能考慮土體的剪脹性及中性加載、采用MC破壞準(zhǔn)則、模型主要參數(shù)可通過常規(guī)三軸試驗(yàn)及固結(jié)實(shí)驗(yàn)獲取等優(yōu)點(diǎn)，而在基坑開挖支護(hù)數(shù)值分析中得到較廣泛推廣應(yīng)用。[1]

由于塑性應(yīng)變的影響，土的硬化模型屈服面在主應(yīng)力空間中不是固定而是膨脹的，其包含剪切硬化和壓縮硬化2種主要硬化類型，并能模擬包括軟土和硬土在內(nèi)的不同類型的土體變形行為。硬化模型構(gòu)造是以三軸加載下豎向應(yīng)變和偏應(yīng)力q之間的雙曲線關(guān)系為基礎(chǔ)，并做了3個(gè)方面的改進(jìn)：①使用塑性理論；②考慮了土體的剪脹性；③引入了一個(gè)屈服帽蓋。由硬化土模型基本原理，硬化土模型包括強(qiáng)度參數(shù)、剛度參數(shù)和高級(jí)參數(shù)3大類11個(gè)參數(shù)，分別為土體的內(nèi)摩擦角φ，黏聚力c，剪脹角ψ，土體破壞比Rf，土體參考應(yīng)力Pref，土體固結(jié)排水三軸壓縮試驗(yàn)的參考割線剛度模量土體固結(jié)試驗(yàn)參考切線模量、土體卸載再加載試驗(yàn)參考模量、土體模量應(yīng)力水平相關(guān)冪指數(shù)m、土體卸載再加載泊松比Vur、土體正常固結(jié)時(shí)的側(cè)壓力系數(shù)K0。其中內(nèi)摩擦角φ，黏聚力c，剪脹角ψ均可根據(jù)三軸固結(jié)排水或三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)確定，也可根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)確定。需根據(jù)圍壓100 kPa時(shí)循環(huán)加載試驗(yàn)的q-ζ曲線確定，應(yīng)根據(jù)圍壓100 kPa時(shí)的固結(jié)試驗(yàn)曲線σ1-ζ1確定。Vur為卸載再加載泊松比(一般可取0.2左右)。

3 工程概況

基坑位于唐山市漢沽開發(fā)區(qū)，基坑深度5m，基坑周邊環(huán)境條件簡(jiǎn)單，主要為施工道路，基坑采用單排樁加坑內(nèi)留土放坡的支護(hù)方式，樁長(zhǎng)12m，樁徑600mm，間距1.5m。基坑安全等級(jí)三級(jí)。

4 工程地質(zhì)條件

支護(hù)方案簡(jiǎn)圖

擬建場(chǎng)地地基土的主要特征如下：

第3層灰黑色粉土，擬建場(chǎng)地遍布，層底標(biāo)高約為-12.42～-18.29m，層厚一般為 0.70～2.90m；含有機(jī)質(zhì)，含云母，含粉砂顆粒，土質(zhì)不均，搖振有反應(yīng)。雙橋靜探qc平均值為4.01MPa，標(biāo)貫擊數(shù)平均值為N=10.4擊，呈稍密～中密狀態(tài)，壓縮性中等。

第4層褐灰色粉質(zhì)黏土，擬建場(chǎng)地遍布，層底標(biāo)高約為-13.42～-17.06m，層厚一般為 0.9～3.7m；含有機(jī)質(zhì)，夾粉砂顆粒，土質(zhì)較均勻，雙橋靜探qc平均值為1.11MPa，標(biāo)貫擊數(shù)平均值為N=5.4擊，呈可塑狀態(tài)，壓縮性中等。

場(chǎng)地土層參數(shù)見表1：

5 有限元計(jì)算模型

采用大型有限元軟件MADIS/GTS對(duì)本工程進(jìn)行模擬分析，支護(hù)結(jié)構(gòu)型式見支護(hù)方案簡(jiǎn)圖，空間的作用對(duì)模型的影響不是太大，同時(shí)為了減少運(yùn)算時(shí)間和建模時(shí)間，故采用2維的平面模型對(duì)基坑開挖進(jìn)行模擬，采用軸對(duì)稱模型，模型尺寸定為30m×40m。巖土材料的本構(gòu)模型均選取硬化土模型，對(duì)于排樁則選取為線彈性模型。模型如圖2所示。

表1 地層參數(shù)表

圖2 有限元模型圖

6 模擬結(jié)果及分析

通過模擬分析，得出了基坑水平位移、基坑垂直位移、排樁彎矩計(jì)算結(jié)果，基坑水平位移最大值出現(xiàn)在排樁底部以內(nèi)，最大值12mm，垂直位移最大值出現(xiàn)在基坑底部隆起，最大值64mm，變形模式符合圓弧滑動(dòng)原理。排樁最大彎矩出現(xiàn)在排樁中部，彎矩值89kN·m，根據(jù)此數(shù)值可進(jìn)行排樁配筋設(shè)計(jì)。

圖3 基坑水平位移圖

圖4 基坑垂直位移圖

圖5 排樁彎矩圖

7 結(jié)論

本文應(yīng)用硬化土模型對(duì)軟土地基的基坑進(jìn)行了有限元模擬，主要的工作和成果如下所示：

①對(duì)軟土地基基坑進(jìn)行了有限元模擬，得出排樁內(nèi)留土放坡的變形、受力規(guī)律。

②硬化土模型模擬的基坑變形基本符合圓弧滑動(dòng)原理，但基坑底部隆起值偏大，需繼續(xù)研究。

③為排樁內(nèi)放坡留土計(jì)算模型提供了數(shù)據(jù)參考。