土體硬化模型參數試驗研究及其在南昌地區基坑工程的應用

劉偉煌，朱懷龍，賀斯進，言建標，徐長節,5

(1. 華東交通大學 江西省巖土工程基礎設施安全與控制重點實驗室，南昌 330013；2.江西交通職業技術學院，南昌，330013；3.南昌軌道交通集團有限公司，南昌，330038；4.浙江杭海城際鐵路有限公司，杭州，314000；5.浙江大學 濱海和城市巖土工程研究中心，杭州 310058；)

隨著經濟的發展，南昌地區的基坑數量也隨之增多，基坑規模也越來越大，加之城市用地日益緊張，基坑周邊常遇到地下管線、地鐵隧道、高架橋等建筑。在這種復雜情況下，基坑工程除滿足自身的變形要求外，還需要保證其周邊環境的安全性，這對基坑工程的設計提出了更高的要求。目前，分析基坑開挖對周邊環境影響的方法有解析法和相關規范法[1-2]。但考慮問題的復雜性，傳統的解析法和規范法難以真實地反映基坑開挖期間對周邊環境的影響。隨著有限元和計算機的發展，數值分析法[3-5]越來越成為深基坑變形分析中常用且有效的方法，而數值分析法的關鍵問題之一在于采用合適的土體本構模型和選取合理的計算參數[6]。

1 HS模型及參數介紹

2 試驗過程

2.1 現場取樣

試驗共采集了南昌地區某深基坑工地的4種不同的土樣，每層土樣取土深度也不相同，其中，各層土樣的取土深度為3.0、6.2、7.5、10.1 m，對應的土層分別為黏土層②、淤泥質粉質黏土層③、粉質黏土層④和砂質粉土層⑤。其基本物理力學參數指標如表1所示。

表1 土層物理力學參數Table 1 Mechanical parameters of soils

2.2 試驗方法及試驗設備

根據3種不同的試驗分別采用不同的試驗設備，其中，三軸固結排水剪切試驗和三軸固結排水加、卸載試驗采用的是GDS空心扭剪試驗系統(SS-HCA)，見圖1，它包含常規GDS系統三軸儀的所有功能，由于GDS空心扭剪試驗儀的試樣為空心圓柱試樣；而三軸試驗試樣為圓柱試樣，因此，試驗前需要將其底座換成常規GDS系統三軸試驗的圓柱底座，見圖2。標準固結試驗所采用的儀器為常規固結儀。

圖1 GDS空心扭剪試驗儀器圖Fig.1 Pictuers of hollow torsional shear tester

圖2 裝樣過程示意圖Fig.2 Diagrams of soil sample loading

2.3 試驗方案及步驟

常規三軸固結排水剪切試驗包括以下步驟：1)試樣制備：將現場取回的原狀土用切土盤制備成圓柱試樣，試樣尺寸為100 mm×50 mm(高度×直徑)，然后用游標卡尺量取試樣的實際直徑和高度，并稱其質量；2)預飽和：為了使試樣充分飽和并節省時間，將制備好的試樣放入飽和缸進行真空抽氣飽和，飽和時間為24 h；3)反壓飽和：壓力室充滿水后，打開圍壓、反壓以及孔壓閥門，圍壓設置為110 kPa,反壓設置為100 kPa，時間設置為3 h。4)B值檢測：設置圍壓140 kPa，反壓不變并保持關閉，測孔隙水壓力系數B，若B=Δu/Δσ>95%，認為試樣達到飽和。5)固結：打開反壓閥門，設置圍壓σ3，對試樣進行等向固結，時間設置為48 h。6)排水剪切：排水剪切采用等應變速率控制，排水剪切速率設置為0.005 2 mm/min。當試樣應變值達到其最大應變值的20%時，停止試驗。

2.3.2 三軸固結排水加載-卸載-再加載試驗 三軸固結排水加、卸載試驗包含7個步驟，其中，步驟1)～6)與三軸固結排水剪切試驗相同，步驟7)進行軸向加載-卸載-再加載試驗。選擇GDS-ttAdvanced Loading試驗模塊，采用軸向應力進行控制，將圍壓設置為100 kPa，打開反壓閥門設置反壓為0。首先，軸向加載到試樣預計破壞偏應力的40%，當達到目標值時，立即軸向卸載到0，然后再進行軸向加載到試樣預計破壞偏應力的60%。

3 試驗結果分析

3.1 三軸固結排水剪切試驗

圖3為土樣②～⑤偏應力q(q=σ1-σ3)與軸向應變的關系曲線，其參考圍壓均為σ3=100 kPa。

圖3 ②～⑤層土樣三軸試驗應力應變曲線Fig.3 Strain-stress curves of triaxial CD test on soil layers(②～⑤)

表2 ②～⑤層土體和Rf值Table 2 Values of and Rf of soil layers(②～⑤)

為獲取各層試樣的有效黏聚力c′和內摩擦角φ′，將各層土樣分別進行其他兩種圍壓的三軸固結排水剪切試驗，圖4為各層土樣的摩爾應力圓，由圖4可知，②～⑤層試樣的摩爾圓均相切于同一條直線，由此可得各層土的有效黏聚力c′和內摩擦角φ′，并將其匯總于表3。

圖4 ②～⑤層土體摩爾應力圓曲線Fig.4 Mohr circle of soil layers (②～⑤)

表3 ②～⑤層土體c′和φ′值Table 3 Values of c′ and φ′ of soil layers(②～⑤)

3.2 三軸固結排水加載-卸載-再加載試驗結果

圖5為各層土樣加、卸載試驗的偏應力與軸向應變關系曲線。

圖5 ②～⑤層土三軸加、卸載試驗應力應變曲線Fig.5 Strain-stress curves of triaxial CD loading unloading-reloading rests on soil layers (②～⑤)

3.3 標準固結試驗結果

圖6 各土層固結試驗的軸向荷載與應變關系曲線圖Fig.6 Relationships between load and strain of

為了得到各層土的壓縮模量Es1-2，將固結試驗的孔隙比與軸向荷載的關系曲線繪制于圖7，由圖7可知，各層土的孔隙比隨著軸向荷載的增大而逐漸減小，當軸向荷載達到800 kPa時，各土層的孔隙比趨于平緩，通過計算可得，土層(②～⑤)的壓縮模量Es1-2分別為6.1、2.5、6.8、10.6 MPa。

圖7 各土層固結試驗的孔隙比與軸向荷載關系曲線圖Fig.7 Relationships between load and void ration

4 試驗結果對比分析

表4 土體HS模型參數對比表Table 4 Comparisions of parameters of the HS model for soils

續表4

5 工程驗證

5.1 工程概況

南昌某地下室深基坑項目位于南昌市西湖區孺子路與船山路交匯處，整個基坑平面呈“L”形，場地北側為孺子路，西側為船山路，南面及東面為居民區，基坑平面位置如圖8所示。基坑包括B01和B04兩地塊，并將其兩個地塊整體設計，基坑周長約470 m2，面積約5 900 m2。B01和B04地塊基坑開挖順序不同，先施工B01地塊，后施工B04地塊，開挖深度分別約為11.45、10.85 m，工程采用鉆孔灌注樁作為圍護結構，B01和B04地塊的圍護樁樁長分別為19.45、21.85 m，樁徑1 m，中心距1.2 m，在圍護樁樁頂布置冠梁，冠梁截面尺寸為1 200 mm×800 mm(長×寬)；在B01地塊豎直方向設置兩道鋼筋混凝土支撐，分別架設于樁頂以及距樁頂3.0 m位置處，在B04地塊樁頂設置一道鋼筋混凝土內支撐，內支撐橫截面均為1 000 mm×800 mm(長×寬)，圖9為支護體系剖面圖。

圖8 基坑平面位置示意圖Fig.8 Pictures of plane position of foundation

圖9 B04地塊支護體系剖面圖 (單位：mm)Fig.9 Pictures of profile of area B04 support

5.2 計算模型與參數

5.2.1 計算模型 采用PLAXIS 3D有限元軟件對該工程進行數值模擬，有限元模型尺寸為400 m×300 m×50 m(長×寬×深)，土體采用10節點四面體實體單元模擬，本構模型采用軟件程序自帶的HS本構，內支撐結構、冠梁和立柱樁均采用梁單元模擬。為了計算方便，圍護結構采用6節點板單元模擬，并將排樁等效為地下連續墻，等效厚度采用文獻[19]公式計算，此外，采用12節點界面單元模擬土和結構的相互作用。土體四周約束其法向位移，底部約束其豎向及水平位移。為了既能節約模型計算成本又能得到較為精確的計算結果，模型網格劃分精度選擇中等粗細程度，并且對圍護墻、支撐以及立柱樁附近的網格進行局部加密，整個計算模型共包含15 462個計算單元,計算模型網格劃分見圖10。支撐、圍護樁、立柱樁的物理力學參數見表5。

圖10 有限元網格

表5 內支撐、圍護樁、立柱樁計算參數Table 5 Parameters for the support, retaining pile and column pile

表6 HS模型部分參數取值Table 6 Evaluation of partial parameters of HS model

表7 土體(②～⑥)HS模型參數指標Table 7 Parameters of HS model of soil layers

5.3 計算結果分析

為了監測基坑開挖期間基坑圍護結構的變形，保證施工過程中基坑的安全性，在圍護樁內埋設了多個測點，如圖8所示，現取AB和CD兩段，其對應的兩個測點分別為CX6和CX3，分析基坑開挖過程中圍護樁沿深度方向的變形規律。圖11為基坑開挖期間圍護樁水平位移實測值與計算值的對比曲線。由圖11可知，圍護樁的深層水平位移曲線的分布狀態隨著基坑的逐次開挖在發生變化，并且在基坑開挖面以上的水平位移值逐漸增大，而基坑開挖面以下的水平位移值變化較小，當開挖至基坑底時，

圖11 圍護樁水平位移對比曲線圖Fig11 Comparisions of horizontal displacement of

樁體的水平位移達到最大，且最大值出現在樁頂。樁體測點CX3和CX6最大水平位移的實測值分別為16.09、17.21 mm，數值模擬的最大水平位移值分別為17.08、17.91 mm，測點CX3和CX6的實測數據與數值模擬結果變形規律基本一致，其中，對于測點CX6，基坑第3次開挖至坑底時計算值稍大于實測值，總體而言，吻合較好。

6 結論

針對南昌地區軟土進行了室內土工試驗，獲得了土體的HS模型參數值，并將所得到的參數運用到南昌地區的基坑工程的數值分析中，得到如下結論：

4)運用PLAXIS有限元數值軟件對南昌某地下室深基坑工程進行三維數值分析，有限元數值計算結果與實測數據吻合較好，驗證了獲取的HS模型參數及方法適用于南昌地區基坑開挖的數值分析。