基于不同本構模型的樁錨基坑支護數值變形對比分析

沈翔

摘 要：為了研究樁錨基坑支護數值模擬中采用不同本構模型時基坑變形定性的規律，本文采用PLAXIS數值分析軟件，分別采用 HS模型和M-C模型分析非降水和降水開挖后基坑變形，并進行對比分析。結果表明：土體采用HS模型計算出的沉降比M-C計算結果大，坑底隆起比M-C計算結果小;

關鍵詞：HS模型;M-C模型;基坑變形;PLAXIS

引言

基坑變形數值分析中，首先需要選取一個合適的本構模型，經典的本構模型包括摩爾-庫倫模型、土體硬化模型、修正摩爾-庫倫模型、修正劍橋模型等，每個模型都有不同優缺點和適用條件。在不考慮數值分析中土體的蠕變性時，可以采用M-C模型（摩爾-庫倫模型）和HS模型（土體硬化模型）。國內外很多學者研究了各種本構模型的適用性以及其區別，本文采用PLAXIS數值模擬軟件，分別基于HS 模型和M-C模型，探究上述模型在樁錨基坑中變形的規律。

一、HS模型簡介

該模型來源于標準排水三軸試驗主加載下豎向應變ε1和偏應力q之間的雙曲線關系，一般適用于軟土和硬土在內的不同類型土體的模擬，其加載模量和卸載模量分別定義，并引入了蓋帽型屈服面，即在主應力空間中隨著塑性應變而膨脹，能夠同時考慮剪切硬化和壓縮硬化，并且采用莫爾-庫倫破壞準則，HS模型能夠反映應力路徑對參數的影響，所以適用于各類土質條件下的深基坑開挖數值模擬計算。

二、計算模型及參數選取

1、計算模型

基坑寬20m，深10m，土體為單一均質粉質粘土層。基坑頂部地表距基坑邊2～12米范圍內有10kPa均布荷載，地下水位埋深3米。選用樁錨支護：上部支護樁等效厚度0.6m，嵌固深度為5m，兩層錨桿，每層預應力均為200kN/m，上層錨桿總長15m，錨固長度3m，傾角30°;下層錨桿總長10米，錨固長度4m，傾角35°。模型水平方向取40米;豎直方向取20米。采用15節點三角形單元劃分網格，共劃分336個單元，如圖2-1所示。

圖2-1 幾何模型及網格劃分圖

2、參數選取

選用土體參數如表2-1所示。

3、施工工況模擬

（1）施工支護樁，施加地面荷載;（2）開挖至地表以下3m位置;（3）施工第一層錨桿;（4）開挖至地表以下7m位置，降低開挖范圍內地下水位至該深度;（5）施工第二層錨桿;（6）開挖至坑底，降低開挖范圍內地下水位至坑底。

4、計算結果

將該模型分別以非降水開挖方式（采用HS土體模型）、降水開挖方式（采用HS模型和M-C模型）進行計算，得出結果如圖2-2所示。

結束語

1、基坑降水和承壓含水層降壓是引起周邊區域性地面沉降的主要原因。當采取降水措施時，坑外土體消失的浮力轉化為自重應力，可視為土體有效應力增大，因此產生固結沉降，沉降值比非降水開挖計算結果大得多。

2、土體采用HS模型計算出的沉降比M-C計算結果要大，但是坑底隆起比M-C計算結果小很多，這是由于采用HS模型的土體表現較硬，而采用MC土體模型，開挖底部隆起較多，支護樁受到向上推力，減小了沉降。由于基坑開挖深度不大，坑底土體為彈性隆起，呈現“中間大兩側小”的分布形式，是否采用降水開挖方式對坑底隆起的計算結果差別不明顯。

參考文獻

[1]邵羽，江杰，陳俊羽，馬少坤，何建興，韋朝華.基于HSS模型與MCC模型的深基坑降水開挖變形分析[J].水利學報，2015，46（S1）：231-235.

[2]王衛東，王浩然，徐中華.基坑開挖數值分析中土體硬化模型參數的試驗研究[J].巖土力學，2012，33（08）：2283-2290.

[3]王衛東，王浩然，徐中華.上海地區基坑開挖數值分析中土體HS-Small模型參數的研究[J].巖土力學，2013，34（06）：1766-1774.

[4]王海波，徐明，宋二祥.基于硬化土模型的小應變本構模型研究[J].巖土力學，2011，32（01）：39-43+136.

（作者單位：廣州大學）