呂鋒

（中國電建地產(chǎn)集團(tuán)有限公司 北京市海淀區(qū) 100089）

引言

基坑變形計(jì)算中，本構(gòu)模型的選取至關(guān)重要，經(jīng)典本構(gòu)模型包括Mohr-Coulomb模型、鄧肯-張模型、D-P模型、修正劍橋模型、HSS模型等[1～7]，不同模型具有不同的適用性。受試驗(yàn)條件影響，大部分工程采用的是常規(guī)壓縮試驗(yàn)確定土體剛度，而該變形指標(biāo)是在土體大變形甚至是破壞情況下確定的。對于安全基坑安全等級較高或者周邊建筑環(huán)境復(fù)雜深大基坑，為了確保支護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊建筑物、地鐵、地下管線處于正常使用狀態(tài)，規(guī)范對基坑變形有嚴(yán)格的控制規(guī)定，即使是在軟土地區(qū)，基坑周邊土體仍處于小變形階段。另外，大量工程監(jiān)測及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明土體剛度不是一成不變的，而與土體應(yīng)變相關(guān)。目前，已有不少專家學(xué)者采用不同的本構(gòu)模型進(jìn)行的基坑變形分析。邵羽[8]等分別HSS模型和MCC模型對基坑變形進(jìn)行了數(shù)值分析，認(rèn)為HSS模型更適用于基坑降水開挖變形分析。褚峰[9]等采用HSS模型分析了超深基坑開挖對臨近地鐵的影響，數(shù)值結(jié)果表明考慮土體小應(yīng)變后，基坑變形與實(shí)測結(jié)果吻合度較高。郭德強(qiáng)[10]基于天津典型軟土土質(zhì)，進(jìn)行了小應(yīng)變模型中高級參數(shù)對基坑變形的敏感性分析，得出參數(shù)選取方法及調(diào)整規(guī)律。因此，在上述研究基礎(chǔ)上，本文以杭州某軟土深基坑為研究對象，采用數(shù)值模擬手段，分別基于Mohr-Coulomb模型和HSS模型，研究基坑變形特性，并將數(shù)值結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，探究上述模型在基坑變形特性研究中的適用性。

1 工程概況

杭州某深基坑工程，基坑深度為6.35～10.55m，地質(zhì)條件復(fù)雜，主要土層為淤泥質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏土，基坑中部及底部處于淤泥質(zhì)黏土層（厚度約12m），土體強(qiáng)度及剛度較小?；游鱾?cè)、南側(cè)及北側(cè)一層地下室部分鉆孔采用灌注樁+一道鋼筋混凝土支撐的圍護(hù)方案，對坑中坑部分采用鉆孔灌注樁+一道鋼筋混凝土支撐的圍護(hù)方案，對基坑?xùn)|側(cè)及南側(cè)兩層地下室部分采用鉆孔灌注樁+二道鋼筋混凝土支撐的圍護(hù)方案。鉆孔灌注樁采用φ800@1000，另外采用φ700@500雙軸水泥土攪拌樁作止水帷幕，詳見基坑支護(hù)剖面圖1。

2 計(jì)算模型及參數(shù)確定

2.1 計(jì)算模型

針對典型基坑支護(hù)剖面（圖1），采用大型巖土有限元分析軟件FLAC3D建立二維數(shù)值模型。為消除模型邊界效應(yīng)，模型尺寸設(shè)為：100m×40m。為了簡化計(jì)算，依據(jù)等剛度原則將鋼筋混凝土鉆孔灌注樁轉(zhuǎn)化為地連墻模型。鉆孔灌注和支撐均采用8節(jié)點(diǎn)四面實(shí)體單元，模型共有5395個單元，11086個節(jié)點(diǎn)?；幽Ｐ驮斠妶D2。

2.2 計(jì)算假設(shè)

各土層均呈均質(zhì)水平層狀分布且同一土層各向同性，支護(hù)樁及支撐的變形、受力均在彈性范圍內(nèi)。

2.3 邊界條件及計(jì)算參數(shù)

模型邊界條件：模型底部為固定約束邊界，左右兩側(cè)面為法向約束邊界，其余均為自由邊界。本文分別采用Mohr-Coulomb模型和HSS模型對基坑變形特性進(jìn)行分析。其中HSS模型不僅可以反映土體小應(yīng)變特定，還可以根據(jù)相應(yīng)的冪指數(shù)關(guān)系確定不同應(yīng)力狀態(tài)下的土體剛度，進(jìn)而計(jì)算土體變形[11～16]。因此，HSS模型能夠很好的反映土體的剪脹和壓縮硬化特性。根據(jù)常規(guī)土體試驗(yàn)及共振柱試驗(yàn)確定土體參數(shù)，詳見表1。典型地質(zhì)剖面圖3。支護(hù)樁及支撐彈性模量均為30GPa，泊松比0.2。

圖1 基坑支護(hù)剖面圖

圖2 基坑模型圖

2.4 分析工況

本文分別采用Mohr-Coulomb模型和HSS模型對該基坑開挖工程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，獲取深層土體水平位移隨基坑深度變形曲線，并與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

2.5 計(jì)算結(jié)果

通過數(shù)值模擬分析，獲得了HSS模型和M-C模型下深層土體水平位移，以及兩種模型下深層土體水平位移與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，詳見圖4～5。

圖3 地質(zhì)剖面圖

圖4 深層土體水平位移（開挖到第二道支撐施工面）與現(xiàn)場監(jiān)測對比驗(yàn)證

圖5 深層土體水平位移（開挖到坑底）與現(xiàn)場監(jiān)測對比驗(yàn)證

2.6 變形分析

隨著基坑開挖，由于卸載作用，坑外土體向坑內(nèi)移動。當(dāng)基坑開挖至第二道支撐施工面時，在第一道支撐和樁入土部分雙重約束下，樁身變形呈拋物線；按照土層補(bǔ)償原理，臨近支護(hù)樁的深層土體水平位移隨土層深度變化也呈拋物線（圖4）；深層土體水平位移最大值為16.12mm（監(jiān)測值），位置位于第二道支撐施工面處（約-7m深度）。同理，當(dāng)基坑開挖至坑底時，深層土體水平位移隨土層深度變化呈拋物線，深層土體水平位移最大值為56mm（監(jiān)測值），位置位于坑底處（約-10m深度）。

HSS模型和M-C模型數(shù)值模擬結(jié)果顯示：兩種模型下深層土體水平位移變形趨勢同監(jiān)測數(shù)據(jù)相同（圖4～5）；實(shí)際工程中，除少數(shù)區(qū)域處于明顯的塑性破壞，大部分區(qū)域呈現(xiàn)出小應(yīng)變狀態(tài)，由于HSS模型考慮了土體小應(yīng)變及土體剛度隨應(yīng)變的變化的特性，該模型計(jì)算值與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)吻合度較高；由于M-C模型低估土體模量，計(jì)算值是實(shí)際監(jiān)測值1.3倍左右。如若基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中采用該模型計(jì)算分析，較大的變形會增加基坑支護(hù)樁的強(qiáng)度及變形剛度，如此會造成不必要的浪費(fèi)。

3 結(jié)語

通過對杭州某軟土深基坑變形特性影響分析，得出如下結(jié)論：

（1）基坑開挖卸載，周邊土體應(yīng)力重分布，由于支護(hù)樁在支撐及樁底的約束，深層土體水平位移變形隨土層深度呈拋物線趨勢，且深層土體最大水平位移值發(fā)生在坑底處。

（2）由于HSS模型中考慮了卸載時土體剛度遠(yuǎn)高于其加載時剛度，因此能夠更真實(shí)的反映土體變形。M-C模型低估了坑底回彈模量，計(jì)算結(jié)果是實(shí)際監(jiān)測結(jié)果1.3倍左右。

表1 土體參數(shù)表