參數選取在基坑計算中的影響分析

葉怡翀 YE Yi-chong；趙國軍 ZHAO Guo-jun；李陽 LI Yang

（浙江省水利水電勘測設計院，杭州 310002）

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

參數選取在基坑計算中的影響分析

葉怡翀 YE Yi-chong；趙國軍 ZHAO Guo-jun；李陽 LI Yang

（浙江省水利水電勘測設計院，杭州 310002）

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

對某一基坑開挖工程進行數值計算分析，考慮參數對計算結果的影響，著重分析不同參數下基坑開挖過程中周圍土體的應力狀態以及位移情況。結果表明：采用由模擬基坑開挖側壁土體卸荷路徑下三軸試驗確定的模型參數計算出的土體卸荷情況較由常規三軸試驗確定的參數計算結果嚴重，且卸荷路徑下三軸試驗確定的參數計算出的土體水平位移較大，對于實際工程而言是偏安全的。

基坑開挖；鄧肯-張模型；模型參數；數值計算

0 引言

對于基坑工程，由于開挖卸荷，坑側土體的應力路徑與一般加載工程的應力路徑完全不同[1-5]，從而使得土體所表現出的應力應變關系與模擬加載路徑的常規三軸試驗結果明顯不同，所以采用由常規三軸試驗確定的模型參數進行基坑開挖數值計算分析時勢必會產生一定的影響。但影響有多大，是否對基坑工程計算仍然具有適用性，值得深入研究。

筆者以某粉質粘土為原型土料，進行了常規三軸試驗以及模擬基坑開挖側壁土體卸荷應力路徑下的三軸試驗，采用最優化[6]方法確定出兩種路徑下的鄧肯-張模型參數，并在此基礎上探討兩組試驗參數對計算結果的影響。

1 模型建立

如圖1所示，基坑周圍土體共分為兩層，上層土體為粉質粘土，厚度為6m，下層為細砂土，厚度為12m。在正常固結的粉質粘土層中，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。

采用地下連續墻進行支護。假定地下連續墻為彈性體，彈性模量 E=2.3×104MPa，泊松比 v=0.2，厚 0.9m，插入深度為9m。基坑開挖采用分層開挖，共分為3層，每層2m。在左側緊鄰地下連續墻的位置設置一排監測點，用于監測開挖過程中該處土體的水平位移。

由于在巖土工程數值計算中，鄧肯-張模型因其顯著的優越性而得到廣泛應用，因此，計算的本構模型選用此模型，具體的計算方案如表1所示。

表1 計算方案設計

由試驗結果確定的具體模型參數如表2所示。

表2 土體模型參數表

2 計算結果分析

2.1 開挖應力分析 圖2-圖3是兩種方案下基坑開挖完成后的豎向應力分布圖。從圖中可以看出，兩種方案下基坑開挖后的豎向應力分布基本一致，在基坑側壁及地下連續墻的位置均發生了明顯的應力集中。同時從圖中還可以看出，對于側壁土體，基坑開挖對其豎向應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；對于基坑底部土體，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。

圖4-圖5是兩種方案下基坑開挖完成后的水平應力分布圖。從圖中可以看出，土體卸荷最嚴重的區域發生在基坑頂部兩側土體，基坑底部土體的水平應力也發生了一定程度的卸荷。且方案二的區域明顯大于方案一。從而說明采用側向卸荷路徑下的參數計算出的土體水平方向卸荷更加嚴重。

圖2 方案一豎向應力分布圖(MPa)

圖3 方案二豎向應力分布圖(MPa)

圖4 方案一水平應力分布圖(MPa)

圖5 方案二水平應力分布圖(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，開挖過程對基坑底部土體的豎向位移影響較大，在開挖過程中由于上覆土體的卸荷，導致原來受上覆土體自重應力影響的土體平衡被打破，發生明顯的卸荷隆起。對于基坑側壁，在方案二下由于水平位移較大，從而導致側壁土體下沉，產生的沉降明顯大于方案一；從圖中還可以看出，不同方案對基坑底部豎向位移的影響不大，分析原因可能是因為，方案設計中只改變了上層土體參數的選取，對下層土體影響較小，當開挖完成后，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生在基坑兩側最上端的位置。且對于方案一，最大值達到6.5mm；對于方案二，最大值達到9mm，相對于方案一增加38.5%。對比兩方案的結果，可以看出，采用不同參數對水平位移的影響較大。且采用由側向卸荷路徑下參數的計算結果較由常規加載路徑下參數的計算結果將近大一倍。因而，在實際工程中，采用由常規三軸試驗確定的參數計算基坑開挖土體側向位移是偏危險的。

圖10 第1層開挖位移圖

圖11 第2層開挖位移圖

2.3 監測點位移分析 為進一步分析基坑開挖過程中的水平位移情況，在有限元模擬時在基坑左側地下連續墻的位置設置了一排監測點，繪制出不同開挖階段水平位移監測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生在基坑頂面兩側，但方案二的結果明顯大于方案一；且隨著深度的增加，兩種方案的差距逐漸減小。同時，隨著開挖深度的增加，兩種方案下地下連續墻的水平位移均明顯的增加，開挖完成后，采用方案一計算出的水平位移最大值達到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%。

進一步分析原因可以看出，采用模擬基坑開挖側壁土體卸荷路徑下的三軸試驗確定的模型參數較常規試驗確定的參數，強度偏小，所以計算結果對于實際工程而言是偏安全的。

3 結論

本文對某一基坑工程進行了不同方案的開挖計算分析。方案設計中考慮了不同模型參數對計算結果的影響，著重分析不同方案下基坑開挖過程中周圍土體的應力狀態以及位移情況。結果表明：不管采用何種方案，基坑工程在其開挖過程中，對其1倍開挖寬度和1倍開挖深度范圍內的土體影響較大，且采用由模擬基坑開挖側壁土體卸荷路徑下的三軸試驗確定的模型參數計算出的土體卸荷情況較嚴重。通過分析基坑開挖過程中基坑側壁的水平位移情況，發現采用由模擬基坑開挖側壁土體卸荷路徑下的三軸試驗確定的模型參數計算出的土體水平位移較大。分析原因可認為，采用模擬基坑開挖側壁土體卸荷路徑下的三軸試驗確定的模型參數較常規試驗確定的參數，強度偏小，所以其計算結果對于實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[M].南京：河海大學出版社，2005.

[2]殷宗澤等.土工原理[M].北京:中國水利水電出版社,2007.

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

[4]劉熙媛等.模擬基坑開挖過程的三軸試驗研究[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].巖土工程學報,1991,21(1):21-25.

[6]朱俊高,殷宗澤.土體本構模型參數的優化確定[J].河海大學學報,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，研究方向為水利工程、工程地質。

TU411.5

A

1006-4311（2014）13-0131-02