葉怡翀 YE Yi-chong；趙國(guó)軍 ZHAO Guo-jun；李陽(yáng) LI Yang

（浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，杭州 310002）

（Zhejiang Design Institute of Water Conservancy&Hydroelectric Power，Hangzhou 310002，China）

參數(shù)選取在基坑計(jì)算中的影響分析

葉怡翀 YE Yi-chong；趙國(guó)軍 ZHAO Guo-jun；李陽(yáng) LI Yang

（浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，杭州 310002）

（Zhejiang Design Institute of Water Conservancy&Hydroelectric Power，Hangzhou 310002，China）

對(duì)某一基坑開挖工程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，考慮參數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，著重分析不同參數(shù)下基坑開挖過(guò)程中周圍土體的應(yīng)力狀態(tài)以及位移情況。結(jié)果表明：采用由模擬基坑開挖側(cè)壁土體卸荷路徑下三軸試驗(yàn)確定的模型參數(shù)計(jì)算出的土體卸荷情況較由常規(guī)三軸試驗(yàn)確定的參數(shù)計(jì)算結(jié)果嚴(yán)重，且卸荷路徑下三軸試驗(yàn)確定的參數(shù)計(jì)算出的土體水平位移較大，對(duì)于實(shí)際工程而言是偏安全的。

基坑開挖；鄧肯-張模型；模型參數(shù)；數(shù)值計(jì)算

0 引言

對(duì)于基坑工程，由于開挖卸荷，坑側(cè)土體的應(yīng)力路徑與一般加載工程的應(yīng)力路徑完全不同[1-5]，從而使得土體所表現(xiàn)出的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與模擬加載路徑的常規(guī)三軸試驗(yàn)結(jié)果明顯不同，所以采用由常規(guī)三軸試驗(yàn)確定的模型參數(shù)進(jìn)行基坑開挖數(shù)值計(jì)算分析時(shí)勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生一定的影響。但影響有多大，是否對(duì)基坑工程計(jì)算仍然具有適用性，值得深入研究。

筆者以某粉質(zhì)粘土為原型土料，進(jìn)行了常規(guī)三軸試驗(yàn)以及模擬基坑開挖側(cè)壁土體卸荷應(yīng)力路徑下的三軸試驗(yàn)，采用最優(yōu)化[6]方法確定出兩種路徑下的鄧肯-張模型參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上探討兩組試驗(yàn)參數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

1 模型建立

如圖1所示，基坑周圍土體共分為兩層，上層土體為粉質(zhì)粘土，厚度為6m，下層為細(xì)砂土，厚度為12m。在正常固結(jié)的粉質(zhì)粘土層中，開挖深度為6m、寬度為5m的基坑。水平方向影響范圍取基坑寬度的3倍，即15m；豎直方向影響范圍取基坑深度的2倍，即12m。

采用地下連續(xù)墻進(jìn)行支護(hù)。假定地下連續(xù)墻為彈性體，彈性模量 E=2.3×104MPa，泊松比 v=0.2，厚 0.9m，插入深度為9m?；娱_挖采用分層開挖，共分為3層，每層2m。在左側(cè)緊鄰地下連續(xù)墻的位置設(shè)置一排監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)開挖過(guò)程中該處土體的水平位移。

由于在巖土工程數(shù)值計(jì)算中，鄧肯-張模型因其顯著的優(yōu)越性而得到廣泛應(yīng)用，因此，計(jì)算的本構(gòu)模型選用此模型，具體的計(jì)算方案如表1所示。

表1 計(jì)算方案設(shè)計(jì)

由試驗(yàn)結(jié)果確定的具體模型參數(shù)如表2所示。

表2 土體模型參數(shù)表

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 開挖應(yīng)力分析 圖2-圖3是兩種方案下基坑開挖完成后的豎向應(yīng)力分布圖。從圖中可以看出，兩種方案下基坑開挖后的豎向應(yīng)力分布基本一致，在基坑側(cè)壁及地下連續(xù)墻的位置均發(fā)生了明顯的應(yīng)力集中。同時(shí)從圖中還可以看出，對(duì)于側(cè)壁土體，基坑開挖對(duì)其豎向應(yīng)力的影響隨著距離的增加逐漸減小，且影響范圍基本在1倍的基坑開挖寬度內(nèi)；對(duì)于基坑底部土體，開挖造成明顯的卸荷，且影響范圍基本在1倍的基坑開挖深度內(nèi)。

圖4-圖5是兩種方案下基坑開挖完成后的水平應(yīng)力分布圖。從圖中可以看出，土體卸荷最嚴(yán)重的區(qū)域發(fā)生在基坑頂部?jī)蓚?cè)土體，基坑底部土體的水平應(yīng)力也發(fā)生了一定程度的卸荷。且方案二的區(qū)域明顯大于方案一。從而說(shuō)明采用側(cè)向卸荷路徑下的參數(shù)計(jì)算出的土體水平方向卸荷更加嚴(yán)重。

圖2 方案一豎向應(yīng)力分布圖(MPa)

圖3 方案二豎向應(yīng)力分布圖(MPa)

圖4 方案一水平應(yīng)力分布圖(MPa)

圖5 方案二水平應(yīng)力分布圖(MPa)

圖6 方案一豎向位移分布圖(mm)

圖7 方案二豎向位移分布圖(mm)

圖8 方案一水平位移分布圖(mm)

圖9 方案二水平位移分布圖(mm)

2.2 開挖位移分析 圖6-圖7是兩種方案下基坑開挖完成后的豎向位移分布圖。從圖中可以看出，開挖過(guò)程對(duì)基坑底部土體的豎向位移影響較大，在開挖過(guò)程中由于上覆土體的卸荷，導(dǎo)致原來(lái)受上覆土體自重應(yīng)力影響的土體平衡被打破，發(fā)生明顯的卸荷隆起。對(duì)于基坑側(cè)壁，在方案二下由于水平位移較大，從而導(dǎo)致側(cè)壁土體下沉，產(chǎn)生的沉降明顯大于方案一；從圖中還可以看出，不同方案對(duì)基坑底部豎向位移的影響不大，分析原因可能是因?yàn)?，方案設(shè)計(jì)中只改變了上層土體參數(shù)的選取，對(duì)下層土體影響較小，當(dāng)開挖完成后，下層土體所受到的上層土體卸荷的影響基本相同，因而豎向位移基本一致。

圖8-圖9是兩種方案下基坑開挖完成后的水平位移分布圖。從圖中可以看出：兩種方案下的水平位移分布圖基本相似。水平位移最大值均發(fā)生在基坑兩側(cè)最上端的位置。且對(duì)于方案一，最大值達(dá)到6.5mm；對(duì)于方案二，最大值達(dá)到9mm，相對(duì)于方案一增加38.5%。對(duì)比兩方案的結(jié)果，可以看出，采用不同參數(shù)對(duì)水平位移的影響較大。且采用由側(cè)向卸荷路徑下參數(shù)的計(jì)算結(jié)果較由常規(guī)加載路徑下參數(shù)的計(jì)算結(jié)果將近大一倍。因而，在實(shí)際工程中，采用由常規(guī)三軸試驗(yàn)確定的參數(shù)計(jì)算基坑開挖土體側(cè)向位移是偏危險(xiǎn)的。

圖10 第1層開挖位移圖

圖11 第2層開挖位移圖

2.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移分析 為進(jìn)一步分析基坑開挖過(guò)程中的水平位移情況，在有限元模擬時(shí)在基坑左側(cè)地下連續(xù)墻的位置設(shè)置了一排監(jiān)測(cè)點(diǎn)，繪制出不同開挖階段水平位移監(jiān)測(cè)值隨開挖深度的變化情況如圖10-圖12所示。從圖10-圖12可以看出，兩種方案下基坑水平位移的最大值均發(fā)生在基坑頂面兩側(cè)，但方案二的結(jié)果明顯大于方案一；且隨著深度的增加，兩種方案的差距逐漸減小。同時(shí)，隨著開挖深度的增加，兩種方案下地下連續(xù)墻的水平位移均明顯的增加，開挖完成后，采用方案一計(jì)算出的水平位移最大值達(dá)到6.5mm，而方案二的水平位移最大值為9mm，相比方案一增加了38.5%。

進(jìn)一步分析原因可以看出，采用模擬基坑開挖側(cè)壁土體卸荷路徑下的三軸試驗(yàn)確定的模型參數(shù)較常規(guī)試驗(yàn)確定的參數(shù)，強(qiáng)度偏小，所以計(jì)算結(jié)果對(duì)于實(shí)際工程而言是偏安全的。

3 結(jié)論

本文對(duì)某一基坑工程進(jìn)行了不同方案的開挖計(jì)算分析。方案設(shè)計(jì)中考慮了不同模型參數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，著重分析不同方案下基坑開挖過(guò)程中周圍土體的應(yīng)力狀態(tài)以及位移情況。結(jié)果表明：不管采用何種方案，基坑工程在其開挖過(guò)程中，對(duì)其1倍開挖寬度和1倍開挖深度范圍內(nèi)的土體影響較大，且采用由模擬基坑開挖側(cè)壁土體卸荷路徑下的三軸試驗(yàn)確定的模型參數(shù)計(jì)算出的土體卸荷情況較嚴(yán)重。通過(guò)分析基坑開挖過(guò)程中基坑側(cè)壁的水平位移情況，發(fā)現(xiàn)采用由模擬基坑開挖側(cè)壁土體卸荷路徑下的三軸試驗(yàn)確定的模型參數(shù)計(jì)算出的土體水平位移較大。分析原因可認(rèn)為，采用模擬基坑開挖側(cè)壁土體卸荷路徑下的三軸試驗(yàn)確定的模型參數(shù)較常規(guī)試驗(yàn)確定的參數(shù)，強(qiáng)度偏小，所以其計(jì)算結(jié)果對(duì)于實(shí)際工程而言是偏安全的。

圖12 第3層開挖位移圖

[1]盧廷浩.土力學(xué)[M].南京：河海大學(xué)出版社，2005.

[2]殷宗澤等.土工原理[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2007.

[3]莊心善.深基坑開挖土體的卸荷試驗(yàn)研究及有限元分析[D].武漢:武漢理工大學(xué),2005.

[4]劉熙媛等.模擬基坑開挖過(guò)程的三軸試驗(yàn)研究[J].工程勘察,2005,5:1-3.

[5]俞建霖,龔曉南.深基坑工程的空間性狀分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),1991,21(1):21-25.

[6]朱俊高,殷宗澤.土體本構(gòu)模型參數(shù)的優(yōu)化確定[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào),1996,24(2):68-73.

Analysis on the Influence of Parameter Selection in Foundation Pit Calculation

In this article,the numerical analysis of a foundation pit excavation project is done.Considering the influence of the parameters on the calculation results,this article emphatically analyzes the stress state of surrounding soils during the process of excavation under different parameters and displacement.Results show that the soil unloading conditions calculated by model parameters determined by triaxial test under simulation excavation wall soil unloading paths is serious than that determined by conventional triaxial test the parameters,and unloading path under triaxial test to determine the parameters to calculate the soil horizontal displacement is larger,so it is relatively safe for practical engineering.

foundation pit excavation；Tim Duncan-chang model；model parameters；numerical calculation

葉怡翀（1980-），男，浙江麗水人，工程師，研究方向?yàn)樗こ?、工程地質(zhì)。

TU411.5

A

1006-4311（2014）13-0131-02