考慮土的小應(yīng)變特性的硬化土本構(gòu)模型

考慮土的小應(yīng)變特性的硬化土本構(gòu)模型

0深大基坑施工的影響該井的軟土壤環(huán)境非常嚴重：井周圍土壤的變形（水平位移和沉降），井周圍的建設(shè)、結(jié)構(gòu)（道路和地下管道）和其他公共設(shè)施的變形和次生荷載。情況嚴重的可導(dǎo)致建、構(gòu)筑物損壞或影響其正常使用。評估深大基坑的施工對周圍環(huán)境的影響,數(shù)值分析無疑是適宜的方法。然而,數(shù)值分析計算結(jié)果的可靠性也受多種技術(shù)因素的制約,其中,適宜的土體本構(gòu)模型的選用起關(guān)鍵性的作用。本文采用可以考慮土的小應(yīng)變特性的硬化土本構(gòu)模型對某軟土超大型深基坑的施工過程進行了三維數(shù)值分析,數(shù)值計算的結(jié)果和實測值進行了對比,驗證本文采用方法的可靠性。1土壤hss的結(jié)構(gòu)模型1.1土的損傷質(zhì)量.土的基本特性有壓硬性和剪脹性。壓硬性即土的剛度隨圍壓的增加而增大;而剪脹性指土在剪應(yīng)力的作用下也可產(chǎn)生體積膨脹(或剪縮)。土體在卸載狀態(tài)下的剛度要遠高于其在加載狀態(tài)下的剛度。從飽和土的三軸剪切試驗可以觀察到,土的卸載-再加載過程形成一個滯回圈,可以用平均斜率Eur來計算。不同應(yīng)力水平下的卸載-再加載循環(huán)中,Eur都接近相等。因此土的卸載-再加載過程可以近似認為是彈性的,Eur就是彈性的卸載-再加載模量。Eur和加載狀態(tài)下的割線模量E50乃至初始切線模量E0相比均較大,見圖1。對于基坑開挖之類卸載條件下的工程,必須考慮土的卸載模量較高這個因素。再次,在小應(yīng)變和極小應(yīng)變(<10-3)的條件下,土的剪切模量會隨應(yīng)變的增加急劇衰減,呈圖2所示的“S”形曲線。1.2剪切試驗結(jié)果在Vermeer的雙硬化模型的基礎(chǔ)上,Schanz等使用塑性理論描述可以從常規(guī)三軸剪切試驗中廣泛觀察到的q-εa曲線的雙曲線形態(tài),并吸收了Ohde和Janbu關(guān)于土體剛度的應(yīng)力相關(guān)性理論以及Rowe的剪脹理論,提出了HS本構(gòu)模型。HS本構(gòu)模型為雙屈服面模型,由p-q平面內(nèi)一個雙曲線型的剪切屈服面和一個橢圓型的蓋帽屈服面組成,見圖3。1.3土體剪切剛度與應(yīng)變彈性關(guān)系的研究Benz引入并改寫了Hardin-Drnevich模型描述小應(yīng)變范圍內(nèi)土的剪切剛度與應(yīng)變之間的雙曲線關(guān)系,從而將HS模型擴展到可以考慮小應(yīng)變范圍內(nèi)土體剪切剛度與應(yīng)變的非線性彈性關(guān)系的HardeningSoilModelwithsmall-strainStiffness模型(HSS模型)。關(guān)于HS模型和擴展的HS模型-HSS模型理論更詳盡的討論見文獻。HS模型和HSS模型參數(shù)直觀,且具有明確的物理意義,大部分參數(shù)可以通過常規(guī)三軸剪切和側(cè)限固結(jié)試驗獲得,小應(yīng)變參數(shù)可通過動三軸試驗獲得,便于工程應(yīng)用。2項目總結(jié)2.1基坑地形及深翻面工程位于昆山市中山路與前進西路交叉路口東北側(cè)?；映噬刃?面積約34171m2,周長約845m,開挖深度11.85~12.35m。為超大型深基坑,基坑平面、實景及剖面圖見圖4~6。2.2地質(zhì)和水文條件場地各土層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。場地土地下水:潛水位為地表以下1.8m,(3)3層粉砂為微承壓水層,水頭高度約地表以下3m。2.3挖邊線之間最近距離基坑?xùn)|側(cè)和東北側(cè)有11棟6~7層磚混結(jié)構(gòu)住宅,與基坑開挖邊線之間最近距離為7.0~20.8m?；幽蟼?cè)緊鄰前進西路,西側(cè)緊鄰中山路,均為市區(qū)主干道,各種類型的地下管線均有十數(shù)條?？梢?基坑周圍環(huán)境保護要求極為嚴格。3三維數(shù)值模型數(shù)值分析采用三維巖土工程有限元軟件Z_Soilv2009。程序中內(nèi)置了土的HSS本構(gòu)模型,并采用Biot固結(jié)理論進行流固耦合分析。3.1樁單元模擬支護結(jié)構(gòu)的擋土樁采用無厚度的殼單元模擬,支撐和型鋼立柱采用梁單元模擬。殼單元和梁單元均考慮為線彈性。在模擬擋土樁的殼單元和模擬土體的實體單元(8結(jié)點6面體單元)之間設(shè)Goodman接觸單元,以模擬樁–土之間的位移不連續(xù)。立柱樁(均為鉆孔灌注樁)采用Z_Soil中內(nèi)置的樁單元模擬。樁單元由Beam單元與樁-樁側(cè)土接觸面以及樁-樁端土接觸面整合而成,如圖7所示。支護結(jié)構(gòu)隔水帷幕的攪拌樁也采用實體單元模擬。室內(nèi)試驗表明:在較低的應(yīng)變狀態(tài)下,攪拌樁水泥土接近為線彈性材料,本文取E=150MPa,ν=0.3。基坑降水引起的坑內(nèi)水位降低采用Seepage單元模擬。3.4計算工況數(shù)字模擬盡可能接近實際施工工況,但作了適當?shù)暮喕?(1)工況0,計算初始地應(yīng)力場,并將位移清零;(2)工況1,施工支護擋墻結(jié)構(gòu)和坑內(nèi)加固;(3)工況2,預(yù)降水;(4)工況3,開挖第一層土方;(5)工況4,施工第一道支撐;(6)工況5,開挖第二層土方;(7)工況6,施工第二道支撐;(8)工況7,開挖第三層土方,開挖到底。3.2計算參數(shù)土層計算參數(shù)見表1,模擬支護結(jié)構(gòu)擋土樁的殼單元按截面剛度等代的方法換算為等效的板樁厚度。3.3模型及邊界條件模型的幾何尺寸為300m×300m×60m;基坑平面開挖邊線距離模型邊界最近處約50m(3.5倍開挖深度),模型的厚度60m,約為5倍基坑開挖深度,根據(jù)經(jīng)驗,基本可消除邊界的影響。模型四周的垂直邊界限制水平位移為0并設(shè)定水頭水力邊界,地下水位為地表以下1m;模型底部同時限制水平和豎向的位移并設(shè)為不透水邊界,數(shù)值模型見圖8,9。4基坑坑底、坑外地面隆沉的監(jiān)測結(jié)果分析支護擋土樁的彎矩和水平位移云圖見圖10。以基坑西側(cè)和南側(cè)的中部(接近平面應(yīng)變狀態(tài))支護樁為例,支護樁最大計算水平變形37.8mm,約發(fā)生在距地表深度9m處,和采用同濟啟明星程序按照豎向彈性地基梁理論計算得到的值(33.5mm)接近,而相應(yīng)部位埋設(shè)在樁內(nèi)的測斜管實測值為30.4~42mm,計算值和實測值符合的較好。從圖10還可見基坑?xùn)|北側(cè)(圓弧段)位移和彎矩有顯著的減小,可見存在明顯的拱效應(yīng),監(jiān)測值顯示的規(guī)律也反應(yīng)了這一點?；娱_挖到底后(工況7),基坑坑底和坑外地面隆沉的云圖見圖11。以基坑西側(cè)中部的坑外沉降槽為例,最大沉降約50mm左右,而此處埋深在煤氣管道上的3個沉降觀測點測得的沉降分別為33.8,62.5,56.3mm,實測值較離散,但平均值和計算值符合的較好。而支撐桁架的中段處立柱隆沉計算值約為72.1mm,立柱隆沉監(jiān)測點測得的值為40.8~53.8mm,相差較大。分析原因是計算簡化為大面積成層開挖,而實際工況是分塊開挖,分塊澆筑底板,顯示施工中采取的技術(shù)措施控制了坑底(及立柱和立柱樁)的隆起。5數(shù)值模擬法驗證(1)對土的工程性質(zhì)的簡要討論可以得到,HSS本構(gòu)模型較為全面的概括了土的本構(gòu)關(guān)系中最重要的特性,參數(shù)有限且物理意義明確,是數(shù)值計算中較為適宜軟土的高級本構(gòu)模型。(2)對某超大型深基坑的開挖過程進行了三維有限元數(shù)值