摘 要：通過對本構模型的論證對比，采用小應變硬化土HSS模型計算無錫地鐵某車站基坑開挖變形和對周邊環境的影響。計算結果表明，采用HSS模型能夠很好的預測基坑圍護結構變形和地表沉降。
關 鍵 詞：本構模型、HSS模型、基坑
中圖分類號：TU 443 文獻標識碼：A
Abstract: Though the comparison of the different constitutive models, this paper using the HSS model simulate the foundation pit of Wuxi metro. The result of numerical analysis show that the finite element model by using HSS model can predict the deformation of retain wall and the settlement of the surface of the foundation pit better than using other models.
Key words: constitutive model, HSS model, foundation pit
1 引言
土的性質中，巖土材料有著不可恢復的行為，屈服現象和剪切導致的剪脹現象。而理想彈塑性理論又不能很好的反映土體的重要特征，如非線性等，所以應采用更為高級的彈塑性模型去模擬。
2 常用模型對比
土體變形性質的突出特征是：其模量與應力水平有關和卸載模量大于加載模量。這一特征用Duncan-Chang(簡稱DC)模型能較好地反映，但它是非線性彈性模型，不能反映土體在塑性階段的變形特征。Mohr-Coulomb(簡稱MC)模型能較好描述土體在塑性破壞階段的變形特征，但它采用常值變形模量，難以計算土體在工作狀態下的變形。MC模型和Drucker-Prager(簡稱DP)模型，其卸載和加載模量相同，應用于基坑開挖時往往導致不合理的坑底回彈，只能用作基坑的初步分析。
HS模型采用了跟應力狀態相關的剛度模量，卸載和不同深度土體的模量也不同。根據土體的補償原則，HS模型中連續墻較大的水平位移跟地表沉降是密切相關的，同時土體卸載模量較大跟坑底隆起較小也是一致的。HS模型參數直觀明了，具有明確的物理意義，可通過普通三軸剪切和側限儀固結試驗獲得，在很大程度上已經取代了DC模型。另外，HS在處理回彈(卸載)問題時引入了Eur模量，在模擬開挖問題時具有獨特的優勢，因此已經成為基坑開挖模擬方面首選的本構模型。
3工程概況
某車站長420m，寬19m，長條形基坑。結構底板埋深約17.4m，明挖法施工;換乘處結構底板埋深24m，蓋挖法施工;全部是連續墻+鋼支撐體系。
4 模型參數
本文采用Z_SOIL.PC軟件，計算參數通過地勘報告的原位測試及試驗結果，得到如表2所示。
連續墻為C35，寬度1m;第一道為C30混凝土支撐，支撐為0.8m×1m，間距9m;第二～第四道支撐均為Φ609mm，t=16mm的鋼支撐，間距3m。
表2 主要土層HSS模型參數
|
參數 土 層 |
③1 |
③2 |
③3 |
⑥1-1 |
⑥1 |
⑥2 |
⑥3 |
|
Eurref(MPa) |
22.5 |
25.24 |
37.08 |
43.74 |
50.4 |
37.32 |
46.98 |
|
E0ref(MPa) |
67.5 |
75.72 |
113 |
131 |
151 |
112 |
140.94 |
|
Eoedref(MPa) |
7.5 |
4.8 |
6.18 |
7.29 |
8.4 |
6.22 |
7.83 |
|
E50ref(Mpa) |
15 |
12.2 |
12.36 |
14.58 |
16.8 |
12.44 |
15.66 |
|
σref(kPa) |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
|
νur |
0.25 |
0.25 |
0.25 |
0.25 |
0.25 |
0.25 |
0.25 |
|
m |
0.7 |
0.7 |
0.7 |
0.7 |
0.7 |
0.7 |
0.7 |
|
γ0.7 |
0.0005 |
0.0005 |
0.0005 |
0.0005 |
0.0005 |
0.0005 |
0.0005 |
|
γ(KN/m3) |
19.6 |
19.2 |
18.9 |
19 |
19.6 |
19.2 |
19.2 |
|
e0 |
0.74 |
0.8 |
0.86 |
0.74 |
0.72 |
0.77 |
0.82 |
|
c(kPa) |
31 |
22 |
26 |
25 |
30 |
25 |
20 |
|
φ(度) |
25 |
26 |
24 |
32 |
27 |
26 |
25 |
|
ψ(度) |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
K0NC |
0.46 |
0.5 |
0.5 |
0.45 |
0.41 |
0.46 |
0.48 |
|
Rf |
0.7 |
0.7 |
0.7 |
0.8 |
0.9 |
0.9 |
0.9 |
5 有限元模型
該站基坑寬19.3m，深度17.4m。計算模型考慮3倍的影響范圍;采用4節點的四邊形單元進行網格劃分，地下連續墻及支撐結構分別用彈性的梁和桿單元;考慮水頭為地下1米，設置接觸面。建立平面模型進行分析，模型如圖2所示。
表 3基坑開挖工況
|
施工步 |
施工工況 |
|
施工步一 |
初始地應力生成 |
|
施工步二 |
施作地連墻 |
|
施工步三 |
坑內降水至第一道支撐以下1米 |
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施工步四 |
開挖至第一道支撐一下0.5米 |
|
施工步五 |
施作第一道混凝土支撐 |
|
施工步六 |
坑內降水至第二道支撐以下1米 |
|
施工步七 |
開挖至第二道支撐一下0.5米 |
|
施工步八 |
施作第二道鋼支撐 |
|
施工步九 |
坑內降水至第三道支撐以下1米 |
|
施工步十 |
開挖至第三道支撐一下0.5米 |
|
施工步十一 |
施作第三道鋼支撐 |
|
施工步十二 |
坑內降水至第四道支撐以下1米 |
|
施工步十三 |
開挖至第四道支撐一下0.5米 |
|
施工步十四 |
施作第四道鋼支撐 |
|
施工步十五 |
坑內降水至坑底以下1米 |
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施工步十六 |
開挖至坑底 |
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施工步十七 |
施作底板 |
6 結果對比分析
各工況下斷面1的連續墻變形實測與計算結果如圖3至圖6所示，從中可以得出：采用HSS模型計算得到的連續墻變形值與實測值能很好吻合。
7 小結
本文采用HSS模型對無錫地鐵某車站基坑進行數值分析，與實測值對比，可得出如下結論：
(1)HSS模型能夠反映基坑開挖的不同應力路徑對土體變形和強度的影響;
(2)HSS模型能夠更好地模擬基坑開挖全部施工過程，同時得到了更加精確的連續墻變形值，為環境保護提供更好的依據。
參 考 文 獻
[1] Brinkgreve R B J. Selection of soil models and parameters for geotechnical engineering application, 2005[C]. ASCE.Lambe T W, Marr W A. Stress path method[J]. Journal of the Geotechnical Engineering Division, 1979,105(6):727-738.
[2] Kondner R L. Hyperbolic stress-strain response: cohesive soils[J]. Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE, 1963,89(1):115-143.
