劉偉煌，朱懷龍，賀斯進(jìn)，言建標(biāo)，徐長節(jié),5

(1. 華東交通大學(xué) 江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330013；2.江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南昌，330013；3.南昌軌道交通集團(tuán)有限公司，南昌，330038；4.浙江杭海城際鐵路有限公司，杭州，314000；5.浙江大學(xué) 濱海和城市巖土工程研究中心，杭州 310058；)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，南昌地區(qū)的基坑數(shù)量也隨之增多，基坑規(guī)模也越來越大，加之城市用地日益緊張，基坑周邊常遇到地下管線、地鐵隧道、高架橋等建筑。在這種復(fù)雜情況下，基坑工程除滿足自身的變形要求外，還需要保證其周邊環(huán)境的安全性，這對基坑工程的設(shè)計提出了更高的要求。目前，分析基坑開挖對周邊環(huán)境影響的方法有解析法和相關(guān)規(guī)范法[1-2]。但考慮問題的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的解析法和規(guī)范法難以真實(shí)地反映基坑開挖期間對周邊環(huán)境的影響。隨著有限元和計算機(jī)的發(fā)展，數(shù)值分析法[3-5]越來越成為深基坑變形分析中常用且有效的方法，而數(shù)值分析法的關(guān)鍵問題之一在于采用合適的土體本構(gòu)模型和選取合理的計算參數(shù)[6]。

1 HS模型及參數(shù)介紹

2 試驗(yàn)過程

2.1 現(xiàn)場取樣

試驗(yàn)共采集了南昌地區(qū)某深基坑工地的4種不同的土樣，每層土樣取土深度也不相同，其中，各層土樣的取土深度為3.0、6.2、7.5、10.1 m，對應(yīng)的土層分別為黏土層②、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層③、粉質(zhì)黏土層④和砂質(zhì)粉土層⑤。其基本物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of soils

2.2 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)設(shè)備

根據(jù)3種不同的試驗(yàn)分別采用不同的試驗(yàn)設(shè)備，其中，三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)和三軸固結(jié)排水加、卸載試驗(yàn)采用的是GDS空心扭剪試驗(yàn)系統(tǒng)(SS-HCA)，見圖1，它包含常規(guī)GDS系統(tǒng)三軸儀的所有功能，由于GDS空心扭剪試驗(yàn)儀的試樣為空心圓柱試樣；而三軸試驗(yàn)試樣為圓柱試樣，因此，試驗(yàn)前需要將其底座換成常規(guī)GDS系統(tǒng)三軸試驗(yàn)的圓柱底座，見圖2。標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)所采用的儀器為常規(guī)固結(jié)儀。

圖1 GDS空心扭剪試驗(yàn)儀器圖Fig.1 Pictuers of hollow torsional shear tester

圖2 裝樣過程示意圖Fig.2 Diagrams of soil sample loading

2.3 試驗(yàn)方案及步驟

常規(guī)三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)包括以下步驟：1)試樣制備：將現(xiàn)場取回的原狀土用切土盤制備成圓柱試樣，試樣尺寸為100 mm×50 mm(高度×直徑)，然后用游標(biāo)卡尺量取試樣的實(shí)際直徑和高度，并稱其質(zhì)量；2)預(yù)飽和：為了使試樣充分飽和并節(jié)省時間，將制備好的試樣放入飽和缸進(jìn)行真空抽氣飽和，飽和時間為24 h；3)反壓飽和：壓力室充滿水后，打開圍壓、反壓以及孔壓閥門，圍壓設(shè)置為110 kPa,反壓設(shè)置為100 kPa，時間設(shè)置為3 h。4)B值檢測：設(shè)置圍壓140 kPa，反壓不變并保持關(guān)閉，測孔隙水壓力系數(shù)B，若B=Δu/Δσ>95%，認(rèn)為試樣達(dá)到飽和。5)固結(jié)：打開反壓閥門，設(shè)置圍壓σ3，對試樣進(jìn)行等向固結(jié)，時間設(shè)置為48 h。6)排水剪切：排水剪切采用等應(yīng)變速率控制，排水剪切速率設(shè)置為0.005 2 mm/min。當(dāng)試樣應(yīng)變值達(dá)到其最大應(yīng)變值的20%時，停止試驗(yàn)。

2.3.2 三軸固結(jié)排水加載-卸載-再加載試驗(yàn) 三軸固結(jié)排水加、卸載試驗(yàn)包含7個步驟，其中，步驟1)～6)與三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)相同，步驟7)進(jìn)行軸向加載-卸載-再加載試驗(yàn)。選擇GDS-ttAdvanced Loading試驗(yàn)?zāi)K，采用軸向應(yīng)力進(jìn)行控制，將圍壓設(shè)置為100 kPa，打開反壓閥門設(shè)置反壓為0。首先，軸向加載到試樣預(yù)計破壞偏應(yīng)力的40%，當(dāng)達(dá)到目標(biāo)值時，立即軸向卸載到0，然后再進(jìn)行軸向加載到試樣預(yù)計破壞偏應(yīng)力的60%。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)

圖3為土樣②～⑤偏應(yīng)力q(q=σ1-σ3)與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線，其參考圍壓均為σ3=100 kPa。

圖3 ②～⑤層土樣三軸試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 Strain-stress curves of triaxial CD test on soil layers(②～⑤)

表2 ②～⑤層土體和Rf值Table 2 Values of and Rf of soil layers(②～⑤)

為獲取各層試樣的有效黏聚力c′和內(nèi)摩擦角φ′，將各層土樣分別進(jìn)行其他兩種圍壓的三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，圖4為各層土樣的摩爾應(yīng)力圓，由圖4可知，②～⑤層試樣的摩爾圓均相切于同一條直線，由此可得各層土的有效黏聚力c′和內(nèi)摩擦角φ′，并將其匯總于表3。

圖4 ②～⑤層土體摩爾應(yīng)力圓曲線Fig.4 Mohr circle of soil layers (②～⑤)

表3 ②～⑤層土體c′和φ′值Table 3 Values of c′ and φ′ of soil layers(②～⑤)

3.2 三軸固結(jié)排水加載-卸載-再加載試驗(yàn)結(jié)果

圖5為各層土樣加、卸載試驗(yàn)的偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線。

圖5 ②～⑤層土三軸加、卸載試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.5 Strain-stress curves of triaxial CD loading unloading-reloading rests on soil layers (②～⑤)

3.3 標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果

圖6 各土層固結(jié)試驗(yàn)的軸向荷載與應(yīng)變關(guān)系曲線圖Fig.6 Relationships between load and strain of

為了得到各層土的壓縮模量Es1-2，將固結(jié)試驗(yàn)的孔隙比與軸向荷載的關(guān)系曲線繪制于圖7，由圖7可知，各層土的孔隙比隨著軸向荷載的增大而逐漸減小，當(dāng)軸向荷載達(dá)到800 kPa時，各土層的孔隙比趨于平緩，通過計算可得，土層(②～⑤)的壓縮模量Es1-2分別為6.1、2.5、6.8、10.6 MPa。

圖7 各土層固結(jié)試驗(yàn)的孔隙比與軸向荷載關(guān)系曲線圖Fig.7 Relationships between load and void ration

4 試驗(yàn)結(jié)果對比分析

表4 土體HS模型參數(shù)對比表Table 4 Comparisions of parameters of the HS model for soils

續(xù)表4

5 工程驗(yàn)證

5.1 工程概況

南昌某地下室深基坑項(xiàng)目位于南昌市西湖區(qū)孺子路與船山路交匯處，整個基坑平面呈“L”形，場地北側(cè)為孺子路，西側(cè)為船山路，南面及東面為居民區(qū)，基坑平面位置如圖8所示?；影˙01和B04兩地塊，并將其兩個地塊整體設(shè)計，基坑周長約470 m2，面積約5 900 m2。B01和B04地塊基坑開挖順序不同，先施工B01地塊，后施工B04地塊，開挖深度分別約為11.45、10.85 m，工程采用鉆孔灌注樁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，B01和B04地塊的圍護(hù)樁樁長分別為19.45、21.85 m，樁徑1 m，中心距1.2 m，在圍護(hù)樁樁頂布置冠梁，冠梁截面尺寸為1 200 mm×800 mm(長×寬)；在B01地塊豎直方向設(shè)置兩道鋼筋混凝土支撐，分別架設(shè)于樁頂以及距樁頂3.0 m位置處，在B04地塊樁頂設(shè)置一道鋼筋混凝土內(nèi)支撐，內(nèi)支撐橫截面均為1 000 mm×800 mm(長×寬)，圖9為支護(hù)體系剖面圖。

圖8 基坑平面位置示意圖Fig.8 Pictures of plane position of foundation

圖9 B04地塊支護(hù)體系剖面圖 (單位：mm)Fig.9 Pictures of profile of area B04 support

5.2 計算模型與參數(shù)

5.2.1 計算模型 采用PLAXIS 3D有限元軟件對該工程進(jìn)行數(shù)值模擬，有限元模型尺寸為400 m×300 m×50 m(長×寬×深)，土體采用10節(jié)點(diǎn)四面體實(shí)體單元模擬，本構(gòu)模型采用軟件程序自帶的HS本構(gòu)，內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)、冠梁和立柱樁均采用梁單元模擬。為了計算方便，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用6節(jié)點(diǎn)板單元模擬，并將排樁等效為地下連續(xù)墻，等效厚度采用文獻(xiàn)[19]公式計算，此外，采用12節(jié)點(diǎn)界面單元模擬土和結(jié)構(gòu)的相互作用。土體四周約束其法向位移，底部約束其豎向及水平位移。為了既能節(jié)約模型計算成本又能得到較為精確的計算結(jié)果，模型網(wǎng)格劃分精度選擇中等粗細(xì)程度，并且對圍護(hù)墻、支撐以及立柱樁附近的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，整個計算模型共包含15 462個計算單元,計算模型網(wǎng)格劃分見圖10。支撐、圍護(hù)樁、立柱樁的物理力學(xué)參數(shù)見表5。

圖10 有限元網(wǎng)格

表5 內(nèi)支撐、圍護(hù)樁、立柱樁計算參數(shù)Table 5 Parameters for the support, retaining pile and column pile

表6 HS模型部分參數(shù)取值Table 6 Evaluation of partial parameters of HS model

表7 土體(②～⑥)HS模型參數(shù)指標(biāo)Table 7 Parameters of HS model of soil layers

5.3 計算結(jié)果分析

為了監(jiān)測基坑開挖期間基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，保證施工過程中基坑的安全性，在圍護(hù)樁內(nèi)埋設(shè)了多個測點(diǎn)，如圖8所示，現(xiàn)取AB和CD兩段，其對應(yīng)的兩個測點(diǎn)分別為CX6和CX3，分析基坑開挖過程中圍護(hù)樁沿深度方向的變形規(guī)律。圖11為基坑開挖期間圍護(hù)樁水平位移實(shí)測值與計算值的對比曲線。由圖11可知，圍護(hù)樁的深層水平位移曲線的分布狀態(tài)隨著基坑的逐次開挖在發(fā)生變化，并且在基坑開挖面以上的水平位移值逐漸增大，而基坑開挖面以下的水平位移值變化較小，當(dāng)開挖至基坑底時，

圖11 圍護(hù)樁水平位移對比曲線圖Fig11 Comparisions of horizontal displacement of

樁體的水平位移達(dá)到最大，且最大值出現(xiàn)在樁頂。樁體測點(diǎn)CX3和CX6最大水平位移的實(shí)測值分別為16.09、17.21 mm，數(shù)值模擬的最大水平位移值分別為17.08、17.91 mm，測點(diǎn)CX3和CX6的實(shí)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果變形規(guī)律基本一致，其中，對于測點(diǎn)CX6，基坑第3次開挖至坑底時計算值稍大于實(shí)測值，總體而言，吻合較好。

6 結(jié)論

針對南昌地區(qū)軟土進(jìn)行了室內(nèi)土工試驗(yàn)，獲得了土體的HS模型參數(shù)值，并將所得到的參數(shù)運(yùn)用到南昌地區(qū)的基坑工程的數(shù)值分析中，得到如下結(jié)論：

4)運(yùn)用PLAXIS有限元數(shù)值軟件對南昌某地下室深基坑工程進(jìn)行三維數(shù)值分析，有限元數(shù)值計算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)吻合較好，驗(yàn)證了獲取的HS模型參數(shù)及方法適用于南昌地區(qū)基坑開挖的數(shù)值分析。