摘 要：通过对本构模型的论证对比，采用小应变硬化土HSS模型计算无锡地铁某车站基坑开挖变形和对周边环境的影响。计算结果表明，采用HSS模型能够很好的预测基坑围护结构变形和地表沉降。
关 键 词：本构模型、HSS模型、基坑
中图分类号：TU 443 文献标识码：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
土的性质中，岩土材料有着不可恢复的行为，屈服现象和剪切导致的剪胀现象。而理想弹塑性理论又不能很好的反映土体的重要特征，如非线性等，所以应采用更为高级的弹塑性模型去模拟。
2 常用模型对比
土体变形性质的突出特征是：其模量与应力水平有关和卸载模量大于加载模量。这一特征用Duncan-Chang(简称DC)模型能较好地反映，但它是非线性弹性模型，不能反映土体在塑性阶段的变形特征。Mohr-Coulomb(简称MC)模型能较好描述土体在塑性破坏阶段的变形特征，但它采用常值变形模量，难以计算土体在工作状态下的变形。MC模型和Drucker-Prager(简称DP)模型，其卸载和加载模量相同，应用于基坑开挖时往往导致不合理的坑底回弹，只能用作基坑的初步分析。
HS模型采用了跟应力状态相关的刚度模量，卸载和不同深度土体的模量也不同。根据土体的补偿原则，HS模型中连续墙较大的水平位移跟地表沉降是密切相关的，同时土体卸载模量较大跟坑底隆起较小也是一致的。HS模型参数直观明了，具有明确的物理意义，可通过普通三轴剪切和侧限仪固结试验获得，在很大程度上已经取代了DC模型。另外，HS在处理回弹(卸载)问题时引入了Eur模量，在模拟开挖问题时具有独特的优势，因此已经成为基坑开挖模拟方面首选的本构模型。
3工程概况
某车站长420m，宽19m，长条形基坑。结构底板埋深约17.4m，明挖法施工;换乘处结构底板埋深24m，盖挖法施工;全部是连续墙+钢支撑体系。
4 模型参数
本文采用Z_SOIL.PC软件，计算参数通过地勘报告的原位测试及试验结果，得到如表2所示。
连续墙为C35，宽度1m;第一道为C30混凝土支撑，支撑为0.8m×1m，间距9m;第二～第四道支撑均为Φ609mm，t=16mm的钢支撑，间距3m。
表2 主要土层HSS模型参数
|
参数 土 层 |
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
该站基坑宽19.3m，深度17.4m。计算模型考虑3倍的影响范围;采用4节点的四边形单元进行网格划分，地下连续墙及支撑结构分别用弹性的梁和杆单元;考虑水头为地下1米，设置接触面。建立平面模型进行分析，模型如图2所示。
表 3基坑开挖工况
|
施工步 |
施工工况 |
|
施工步一 |
初始地应力生成 |
|
施工步二 |
施作地连墙 |
|
施工步三 |
坑内降水至第一道支撑以下1米 |
|
施工步四 |
开挖至第一道支撑一下0.5米 |
|
施工步五 |
施作第一道混凝土支撑 |
|
施工步六 |
坑内降水至第二道支撑以下1米 |
|
施工步七 |
开挖至第二道支撑一下0.5米 |
|
施工步八 |
施作第二道钢支撑 |
|
施工步九 |
坑内降水至第三道支撑以下1米 |
|
施工步十 |
开挖至第三道支撑一下0.5米 |
|
施工步十一 |
施作第三道钢支撑 |
|
施工步十二 |
坑内降水至第四道支撑以下1米 |
|
施工步十三 |
开挖至第四道支撑一下0.5米 |
|
施工步十四 |
施作第四道钢支撑 |
|
施工步十五 |
坑内降水至坑底以下1米 |
|
施工步十六 |
开挖至坑底 |
|
施工步十七 |
施作底板 |
6 结果对比分析
各工况下断面1的连续墙变形实测与计算结果如图3至图6所示，从中可以得出：采用HSS模型计算得到的连续墙变形值与实测值能很好吻合。
7 小结
本文采用HSS模型对无锡地铁某车站基坑进行数值分析，与实测值对比，可得出如下结论：
(1)HSS模型能够反映基坑开挖的不同应力路径对土体变形和强度的影响;
(2)HSS模型能够更好地模拟基坑开挖全部施工过程，同时得到了更加精确的连续墙变形值，为环境保护提供更好的依据。
参 考 文 献
[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.
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文章名称：
HSS模型在计算地铁车站基坑开挖中的应用
文章地址：
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