参数选取在基坑计算中的影响分析

叶怡翀

AnalysisontheInfluenceofParameterSelectioninFoundationPitCalculation

叶怡翀YEYi-chong；赵国军ZHAOGuo-jun；李阳LIYang

（浙江省水利水电勘测设计院，杭州310002）

（ZhejiangDesignInstituteofWaterConservancy&HydroelectricPower，Hangzhou310002，China）

摘要：对某一基坑开挖工程进行数值计算分析，考虑参数对计算结果的影响，着重分析不同参数下基坑开挖过程中周围土体的应力状态以及位移情况。结果表明：采用由模拟基坑开挖侧壁土体卸荷路径下三轴试验确定的模型参数计算出的土体卸荷情况较由常规三轴试验确定的参数计算结果严重，且卸荷路径下三轴试验确定的参数计算出的土体水平位移较大，对于实际工程而言是偏安全的。

Abstract:Inthisarticle,thenumericalanalysisofafoundationpitexcavationprojectisdone.Consideringtheinfluenceoftheparametersonthecalculationresults,thisarticleemphaticallyanalyzesthestressstateofsurroundingsoilsduringtheprocessofexcavationunderdifferentparametersanddisplacement.Resultsshowthatthesoilunloadingconditionscalculatedbymodelparametersdeterminedbytriaxialtestundersimulationexcavationwallsoilunloadingpathsisseriousthanthatdeterminedbyconventionaltriaxialtesttheparameters,andunloadingpathundertriaxialtesttodeterminetheparameterstocalculatethesoilhorizontaldisplacementislarger,soitisrelativelysafeforpracticalengineering.

关键词：基坑开挖；邓肯-张模型；模型参数；数值计算

Keywords:foundationpitexcavation；TimDuncan-changmodel；modelparameters；numericalcalculation

中图分类号：TU411.5文献标识码：A文章编号：1006-4311（2014）13-0131-02

0引言

对于基坑工程，由于开挖卸荷，坑侧土体的应力路径与一般加载工程的应力路径完全不同[1-5]，从而使得土体所表现出的应力应变关系与模拟加载路径的常规三轴试验结果明显不同，所以采用由常规三轴试验确定的模型参数进行基坑开挖数值计算分析时势必会产生一定的影响。但影响有多大，是否对基坑工程计算仍然具有适用性，值得深入研究。

笔者以某粉质粘土为原型土料，进行了常规三轴试验以及模拟基坑开挖侧壁土体卸荷应力路径下的三轴试验，采用最优化[6]方法确定出两种路径下的邓肯-张模型参数，并在此基础上探讨两组试验参数对计算结果的影响。

1模型建立

如图1所示，基坑周围土体共分为两层，上层土体为粉质粘土，厚度为6m，下层为细砂土，厚度为12m。在正常固结的粉质粘土层中，开挖深度为6m、宽度为5m的基坑。水平方向影响范围取基坑宽度的3倍，即15m；竖直方向影响范围取基坑深度的2倍，即12m。

采用地下连续墙进行支护。假定地下连续墙为弹性体，弹性模量E=2.3×104MPa，泊松比v=0.2，厚0.9m，插入深度为9m。基坑开挖采用分层开挖，共分为3层，每层2m。在左侧紧邻地下连续墙的位置设置一排监测点，用于监测开挖过程中该处土体的水平位移。

由于在岩土工程数值计算中，邓肯-张模型因其显著的优越性而得到广泛应用，因此，计算的本构模型选用此模型，具体的计算方案如表1所示。

由试验结果确定的具体模型参数如表2所示。

2计算结果分析

2.1开挖应力分析图2-图3是两种方案下基坑开挖完成后的竖向应力分布图。从图中可以看出，两种方案下基坑开挖后的竖向应力分布基本一致，在基坑侧壁及地下连续墙的位置均发生了明显的应力集中。同时从图中还可以看出，对于侧壁土体，基坑开挖对其竖向应力的影响随着距离的增加逐渐减小，且影响范围基本在1倍的基坑开挖宽度内；对于基坑底部土体，开挖造成明显的卸荷，且影响范围基本在1倍的基坑开挖深度内。

图4-图5是两种方案下基坑开挖完成后的水平应力分布图。从图中可以看出，土体卸荷最严重的区域发生在基坑顶部两侧土体，基坑底部土体的水平应力也发生了一定程度的卸荷。且方案二的区域明显大于方案一。从而说明采用侧向卸荷路径下的参数计算出的土体水平方向卸荷更加严重。

2.2开挖位移分析图6-图7是两种方案下基坑开挖完成后的竖向位移分布图。从图中可以看出，开挖过程对基坑底部土体的竖向位移影响较大，在开挖过程中由于上覆土体的卸荷，导致原来受上覆土体自重应力影响的土体平衡被打破，发生明显的卸荷隆起。对于基坑侧壁，在方案二下由于水平位移较大，从而导致侧壁土体下沉，产生的沉降明显大于方案一；从图中还可以看出，不同方案对基坑底部竖向位移的影响不大，分析原因可能是因为，方案设计中只改变了上层土体参数的选取，对下层土体影响较小，当开挖完成后，下层土体所受到的上层土体卸荷的影响基本相同，因而竖向位移基本一致。

图8-图9是两种方案下基坑开挖完成后的水平位移分布图。从图中可以看出：两种方案下的水平位移分布图基本相似。水平位移最大值均发生在基坑两侧最上端的位置。且对于方案一，最大值达到6.5mm；对于方案二，最大值达到9mm，相对于方案一增加38.5%。对比两方案的结果，可以看出，采用不同参数对水平位移的影响较大。且采用由侧向卸荷路径下参数的计算结果较由常规加载路径下参数的计算结果将近大一倍。因而，在实际工程中，采用由常规三轴试验确定的参数计算基坑开挖土体侧向位移是偏危险的。

2.3监测点位移分析为进一步分析基坑开挖过程中的水平位移情况，在有限元模拟时在基坑左侧地下连续墙的位置设置了一排监测点，绘制出不同开挖阶段水平位移监测值随开挖深度的变化情况如图10-图12所示。从图10-图12可以看出，两种方案下基坑水平位移的最大值均发生在基坑顶面两侧，但方案二的结果明显大于方案一；且随着深度的增加，两种方案的差距逐渐减小。同时，随着开挖深度的增加，两种方案下地下连续墙的水平位移均明显的增加，开挖完成后，采用方案一计算出的水平位移最大值达到6.5mm，而方案二的水平位移最大值为9mm，相比方案一增加了38.5%。

进一步分析原因可以看出，采用模拟基坑开挖侧壁土体卸荷路径下的三轴试验确定的模型参数较常规试验确定的参数，强度偏小，所以计算结果对于实际工程而言是偏安全的。

3结论

本文对某一基坑工程进行了不同方案的开挖计算分析。方案设计中考虑了不同模型参数对计算结果的影响，着重分析不同方案下基坑开挖过程中周围土体的应力状态以及位移情况。结果表明：不管采用何种方案，基坑工程在其开挖过程中，对其1倍开挖宽度和1倍开挖深度范围内的土体影响较大，且采用由模拟基坑开挖侧壁土体卸荷路径下的三轴试验确定的模型参数计算出的土体卸荷情况较严重。通过分析基坑开挖过程中基坑侧壁的水平位移情况，发现采用由模拟基坑开挖侧壁土体卸荷路径下的三轴试验确定的模型参数计算出的土体水平位移较大。分析原因可认为，采用模拟基坑开挖侧壁土体卸荷路径下的三轴试验确定的模型参数较常规试验确定的参数，强度偏小，所以其计算结果对于实际工程而言是偏安全的。

参考文献：

[1]卢廷浩.土力学[M].南京：河海大学出版社，2005.

[2]殷宗泽等.土工原理[M].北京:中国水利水电出版社,2007.

[3]庄心善.深基坑开挖土体的卸荷试验研究及有限元分析

[D].武汉:武汉理工大学,2005.

[4]刘熙媛等.模拟基坑开挖过程的三轴试验研究[J].工程勘察,2005,5:1-3.

[5]俞建霖,龚晓南.深基坑工程的空间性状分析[J].岩土工程学报,1991,21(1):21-25.

[6]朱俊高,殷宗泽.土体本构模型参数的优化确定[J].河海大学学报,1996,24(2):68-73.