硬化土模型在基坑工程中的應(yīng)用

陳秀軍

【摘 要】應(yīng)用硬化土模型通過有限元軟件MADIS/GTS對某軟土基坑進行數(shù)值模擬，得出排樁內(nèi)放坡留土的變形及受力數(shù)據(jù)。

【Abstract】The numerical simulation of a soft soil foundation pit is carried out by finite element software MADIS/GTS through using hardening soil model. The deformation and stress data of retaining soil in internal slope of row piles are obtained.

【關(guān)鍵詞】硬化土模型； 有限元分析；基坑工程

【Keywords】hardening soil model； finite element analysis； foundation pit engineering

【中圖分類號】U652.2+2 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）07-0177-02

1 引言

目前我國深基坑工程也就越來越多，在當前的基坑工程中，由于各場地地形條件、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)場實際的計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對唐山市漢沽開發(fā)區(qū)某項目進行數(shù)值模擬分析， 并且來探討基坑開挖施工過程中支護結(jié)構(gòu)的位移、受力等的變化規(guī)律，為變形控制設(shè)計與工程監(jiān)測提供依據(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 破壞準則、模型主要參數(shù)可通過常規(guī)三軸試驗及固結(jié)實驗獲取等優(yōu)點，而在基坑開挖支護數(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 個方面的改進：① 使用塑性理論；②考慮了土體的剪脹性；③引入了一個屈服帽蓋。由硬化土模型基本原理，硬化土模型包括強度參數(shù)、剛度參數(shù)和高級參數(shù) 3 大類 11個參數(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)排水三軸壓縮試驗的參考割線剛度模量E、土體固結(jié)試驗參考切線模量E、土體卸載再加載試驗參考模量E、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)不排水試驗確定，也可根據(jù)實際經(jīng)驗確定。E需根據(jù)圍壓100 kPa 時循環(huán)加載試驗的q - ζ曲線確定， E應(yīng)根據(jù)圍壓 100 kPa 時的固結(jié)試驗曲線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)留土放坡的支護方式，樁長12m，樁徑600mm，間距1.5m?；影踩燃壢?。

4 工程地質(zhì)條件

支護方案簡圖

擬建場地地基土的主要特征如下：

①第四系第Ⅰ陸相層—河床～河漫灘相沉積（Qal） 第1層粉質(zhì)粘土，層底標高-1.94～-4.18m，含有機質(zhì)，土質(zhì)不均，含粉土顆粒，雙橋靜探qc平均值為0.48MPa，標貫擊數(shù)平均值為N=3.1擊，呈軟塑狀態(tài)，壓縮性中等。

②全新統(tǒng)中組淺海相沉積層（第Ⅰ海相層，Qm） 第2層灰黑色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，擬建場地遍布，層底標高約為-10.72～-16.19m，層厚一般為 7.70～13.0m；含有機質(zhì)，粘性較大，土質(zhì)不均，雙橋靜探 qc 平均值為0.47MPa，標貫擊數(shù)平均值為 N=2.6 擊，呈軟塑～流塑狀態(tài)，壓縮性高等。

第3層灰黑色粉土，擬建場地遍布，層底標高約為-12.42～-18.29m，層厚一般為0.70～2.90m；含有機質(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。

③全新統(tǒng)下組沼澤相沉積層（第Ⅱ陸相層，Qh）

第4層褐灰色粉質(zhì)黏土，擬建場地遍布，層底標高約為-13.42～-17.06m，層厚一般為 0.9～3.7m；含有機質(zhì)，夾粉砂顆粒，土質(zhì)較均勻，雙橋靜探 qc平均值為 1.11MPa，

標貫擊數(shù)平均值為 N=5.4 擊，呈可塑狀態(tài)，壓縮性中等。

場地土層參數(shù)見表1：

5 有限元計算模型

采用大型有限元軟件MADIS/GTS對本工程進行模擬分析，支護結(jié)構(gòu)型式見支護方案簡圖，空間的作用對模型的影響不是太大，同時為了減少運算時間和建模時間，故采用 2 維的平面模型對基坑開挖進行模擬，采用軸對稱模型，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，對于排樁則選取為線彈性模型。模型如圖2所示。

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)值可進行排樁配筋設(shè)計。

7 結(jié)論

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

①對軟土地基基坑進行了有限元模擬，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)放坡留土計算模型提供了數(shù)據(jù)參考。

【參考文獻】

【1】JGJ 120-2012建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程[S].