土體硬化模型參數(shù)試驗(yàn)研究及其在基坑工程的應(yīng)用

胡 峰

（陜西建工集團(tuán)股份有限公司，陜西 西安 710000）

1 引言

基坑工程的建設(shè)常會(huì)對其周邊建筑產(chǎn)生一定的影響，近年來，許多專家學(xué)者針對基坑的變形規(guī)律展開研究。

鄭華[1］以某基坑工程項(xiàng)目為研究對象，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬的結(jié)果，探究基坑的變形規(guī)律。孫鐵軍等人[2］基于GWO-SVR 模型，對基坑變形情況進(jìn)行預(yù)測，并分析對其變形影響最大的因素。曹程明等人[3］利用有限元軟件，分析基坑水平、豎向位移情況。郭景琢等人[4］以某地區(qū)基坑為研究對象，利用有限元模擬和HSS 本構(gòu)模型，分析其變形規(guī)律。

本研究以某地區(qū)基坑工程為研究對象，基于HS 模型，開展三軸試驗(yàn)，以得出土體的相關(guān)參數(shù)，通過有限元軟件，對基坑的水平位移進(jìn)行分析，以探究其變形規(guī)律及HS 模型的可行性。

2 試驗(yàn)方案

本研究以某地區(qū)基坑工程為研究對象，對其基坑內(nèi)不同深度的土體進(jìn)行取樣，分析其力學(xué)性能。土層1 為黏土，土層2 為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，土層3 粉質(zhì)黏土，土層4 為粉質(zhì)砂土。各土層的相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 土層相關(guān)參數(shù)

為研究不同土層的力學(xué)性質(zhì)，對取樣的土體開展三軸剪切試驗(yàn)。分別考慮不同圍壓對土體割線模量、破壞比、黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響。開展不同等級荷載下的標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)，以得出參考割線模量。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

分別對4 種不同土層進(jìn)行三軸固結(jié)排水試驗(yàn)。在剪切試驗(yàn)的初期，隨著垂直位移的增大，偏應(yīng)力增幅較大，當(dāng)應(yīng)變接近于15%時(shí)，偏應(yīng)力變化趨勢趨于平緩，此時(shí)有最大偏應(yīng)力。根據(jù)三軸固結(jié)排水試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果，得出不同土層在圍壓為100 kPa 時(shí)的三軸排水剪切試驗(yàn)的參考割線模量和破壞比見表2。

表2 不同土層參考割線模量和破壞比

由表可知，不同土層的參考割線模量和破壞比具有一定的差異性。土樣4 的參考割線模量最大，其值為9.2 MPa，土樣2 的參考割線模量最小，其值為2.7 MPa。土樣1 的破壞比最大，其值為0.96，土樣2 的破壞比最小，其值為0.89。

分析土體的摩爾應(yīng)力圓曲線，得出與莫爾圓切線的公式，根據(jù)該公式可得出不同土層的黏聚力和內(nèi)摩擦角值。不同土層的黏聚力和內(nèi)摩擦角見表3。

表3 不同土層的黏聚力和內(nèi)摩擦角

由表3 可知，土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角無明顯的相關(guān)關(guān)系。不同土層的黏聚力差距較大，土層3 的黏聚力最大，其值為25.4 kPa，土層4 的黏聚力最小，其值為2 kPa。土層4的內(nèi)摩擦角最大，其值為36.9°，土層2 的內(nèi)摩擦角最小，其值為25.7°。

為探究土體試樣在疲勞狀態(tài)下的力學(xué)性能，開展三軸固結(jié)排水試驗(yàn)。在加載的初期軸向應(yīng)變和偏應(yīng)力增長關(guān)系接近于線性增長，當(dāng)卸載時(shí)，其偏應(yīng)力發(fā)生突變，軸向應(yīng)變有微弱的回縮趨勢，再次加載后，其偏應(yīng)力迅速增大，偏應(yīng)力增長速度大于首次加載的偏應(yīng)力增長速度，說明重復(fù)加載對于土體的強(qiáng)度具有提升作用，有利于增大其偏應(yīng)力，改善其應(yīng)變情況。

為探究不同土層軸向應(yīng)變和其所受軸向荷載之間的關(guān)系，對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)，其軸向應(yīng)變-軸向荷載曲線見圖1。

圖1 軸向應(yīng)變—軸向荷載曲線

由圖1 可知，土體試樣的軸向應(yīng)變和軸向荷載呈正相關(guān)關(guān)系，隨著軸向應(yīng)變的增大，軸向荷載逐漸增大。在相同軸向荷載作用下，土層2 發(fā)生的軸向應(yīng)變最大，土層4 發(fā)生的軸向應(yīng)變最小。在加載初期，土體試樣的應(yīng)變-荷載曲線較為平緩，隨著荷載的增大，試樣的應(yīng)變-荷載曲線逐漸變陡。說明在試樣所受的荷載較大時(shí)，試樣發(fā)生的變形量較大。

土體的壓縮模量主要與其孔隙比有關(guān)，為計(jì)算土體的壓縮模量，研究不同土樣孔隙比和軸向荷載之間的關(guān)系，不同土樣的軸向荷載-孔隙比曲線見圖2。

圖2 軸向荷載—孔隙比曲線

由圖2 可知，不同土層試樣的軸向荷載與孔隙比之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。隨軸向荷載的增大，不同土層試樣的孔隙比逐漸減小。在同一軸向荷載作用下，土層2 的孔隙比最大，土層3 的孔隙比最小。這是由于土層2 為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，土層3 為粉質(zhì)黏土，粉質(zhì)黏土的壓縮性較大，所以在相同情況下，其對應(yīng)的孔隙比較小。根據(jù)上述曲線，可計(jì)算得出不同土層的壓縮模量。其中，土層4 的壓縮模量最大，其值為10.6 MPa，土層2 的壓縮模量最小，其值為2.5 MPa。

4 工程驗(yàn)證

以某地區(qū)基坑項(xiàng)目為研究對象，對其較小有限元數(shù)值模擬分析，以驗(yàn)證試驗(yàn)的可靠性。

有限元模擬的相關(guān)參數(shù)見表4。

表4 有限元相關(guān)參數(shù)

以該基坑的兩個(gè)測點(diǎn)（CX3、CX6）為研究對象，分別分析其開挖深度與水平位移之間的關(guān)系，分析不同深度下土體的變形規(guī)律，其水平位移-深度曲線見圖3。

圖3 水平位移—深度曲線

由圖3 可知，當(dāng)深度較小時(shí)，不同開挖深度的水平位移差距較大，隨著深度的增大，不同開挖深度的水平位移差距較小，水平位移數(shù)值較為集中。不同測點(diǎn)下的水平位移-深度曲線變化規(guī)律一致，CX3 測點(diǎn)的數(shù)值模擬與實(shí)測水平位移差距最大值為1.12 mm，CX6 測點(diǎn)的數(shù)值模擬與實(shí)測水平位移差距最大值為0.83 mm。說明實(shí)測值與數(shù)值模擬的差距較小，采用HS 模型對基坑變形情況進(jìn)行分析是可行的。

5 結(jié)論

本研究以某地區(qū)基坑工程為研究對象，基于HS 模型，開展三軸試驗(yàn)，以得出土體的相關(guān)參數(shù)，提高有限元軟件，對基坑的水平位移進(jìn)行分析，以探究其變形規(guī)律及HS 模型的可行性，得出以下結(jié)論：

（1）土樣4 的參考割線模量最大，其值為9.2 MPa，土樣2的參考割線模量最小，其值為2.7 MPa。土樣1的破壞比最大，其值為0.96，土樣2 的破壞比最小，其值為0.89。

（2）土層3 的黏聚力最大，其值為25.4 kPa，土層4 的黏聚力最小，其值為2 kPa。土層4 的內(nèi)摩擦角最大，其值為36.9°，土層2 的內(nèi)摩擦角最小，其值為25.7°。

（3）在加載的初期軸向應(yīng)變和偏應(yīng)力呈正相關(guān)關(guān)系，其增長關(guān)系接近于線性增長，當(dāng)卸載時(shí)，其偏應(yīng)力發(fā)生突變，軸向應(yīng)變有微弱的回縮趨勢，再次加載后，其偏應(yīng)力迅速增大，偏應(yīng)力增長速度大于首次加載的偏應(yīng)力增長速度，說明重復(fù)加載對于土體的強(qiáng)度具有提升作用，有利于增大其偏應(yīng)力，改善其應(yīng)變情況。

（4）當(dāng)開挖深度較小時(shí)，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的差距較小，當(dāng)開挖深度較大時(shí)，數(shù)值模擬與實(shí)測值的差距較大。不同測點(diǎn)下的水平位移-深度曲線變化規(guī)律一致，CX3 測點(diǎn)的數(shù)值模擬與實(shí)測水平位移差距最大值為1.12 mm，CX6 測點(diǎn)的數(shù)值模擬與實(shí)測水平位移差距最大值為0.83 mm。說明實(shí)測值與數(shù)值模擬的差距較小，采用HS 模型對基坑變形情況進(jìn)行分析是可行的。