隧道和地下空间技术
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收到了2015年10月23日
于2016年12月15日接受修改
2016年12月30日接受
2017年1月12日上线
关键词:
深基坑
土壤硬化模型
Mohr-Coulomb模型
应力路径
卸载/重新加载参数
变形特征
小应变特性
不排水条件下深基坑的应力路径及其对变形分析的影响
摘要:
本研究的目的是研究深部开挖过程中土体的应力状态，以及使用有限元方法确定深基坑变形分析的适当土壤参数。两个有据可查的深基坑案例历史被用来验证分析程序和土壤刚度参数的选择。硬化土模型结果表明，面外应力对土体有效应力路径方向有显着影响。另外，开挖区内外大部分土体处于弹性状态。尽管邻近隔墙的土的有效应力路径已经屈服，但这些土的特征仍然受弹性行为的支配。因此，卸载/重新加载参数在挖掘箱的变形分析中占主要地位。当精确指定不排水剪切强度和卸载/重新加载模量时，即使使用MohrCoulomb模型也能很好地预测壁面挠度。此外，一个假设的案例被用来调查计算的地表沉降的表现。结果表明，如果软土层足够深并且在模型几何体的底部引入一层小应变刚度区，则Mohr-Coulomb模型计算得到的地表沉降与Hardening Soil Small模型的结果接近。
在台北，上海和新加坡等密集的城市地区，地下空间的必要性是必不可少的。在过去的几十年中，城市发展中使用地下空间存在明显的趋势，例如，作为主要用于停车和商业用途（地下室）或地下地铁系统的建筑物的一部分（Zhao andKuuml;nzli，2016）。通常采用深基坑施工方法来建造地下室或通道。在某些情况下，深基坑靠近现有的地下地铁隧道或相邻建筑物（Shi等，2015; Hsieh等，2015; Hong等，2015; Chen等，2016）。显然，深入挖掘的设计和施工应仔细执行，以避免过度的墙体挠度和地表沉降，甚至挡土墙的倒塌，例如Nicoll Highway的失败案例（Whittle and Davies，
2006）。
目前，许多方法可用于深基坑的设计和分析，如土压力法，数值法和稳健土工设计（RGD）法（Wang等，2014），这是一种新的设计方法，涉及岩土工程的可靠性和不确定性理论。然而，有限元方法等数值方法似乎仍然是深基坑设计和分析的流行方法，因为它不仅可以模拟开挖的阶段施工程序，而且还有很多土体本构模型可以用来模拟土壤的行为。由于许多土壤本构模型可用于有限元方法，它也被一些研究人员用来研究土壤的行为（Surarak et al。，2012; Ho and Hsieh，2013）。
已经开发出丰满的土体本构模型来模拟粘土的有效应力 - 应变 - 强度行为。从Mohr-Coulomb模型开始，Mohr-Coulomb模型是一种典型但广泛应用于实际岩土工程的模型，直到考虑刚度各向异性的Hypoplasticity Cam-Clay模型的扩展（Mascaron;iacute;n，2014），一个复杂的土壤模型，实验室测试设备，如空心圆柱体设备或MIT-E3模型（Whittle and Kavvadas，1994），它需要从至少五种类型的测试中获得十五个输入土壤参数，如一维固结试验，K0-固结仪或K0三轴试验，不排水三轴剪切试验（轴向压缩和轴向延伸条件），剪切波速度试验和排水三轴试验。
虽然MIT-E3和/或Hypolasticity-clay模型可以提供对开挖变形行为的合理预测（Mascaron;iacute;n，2005; Whittle and Davies，2006; Corral and Whittle，2010;Mascaron;iacute;net al。，2011），但大多数工程师可能会不情愿地采用它，因为输入参数不容易从传统的土壤测试中证明。在岩土工程实践中，Mohr-Coulomb模型仍然是一个很流行的模型，因为它很简单，大多数工程师都有很好的经验和信心来使用这个模型。这种模型的一个关注点是需要根据当地经验或反向分析调整输入参数，例如用于分析的土壤的杨氏模量和剪切强度（Ng和Lings，1995; Whittle和Davies，2006; Lim等人2010; Hwang等，2012）。
由于开挖系统的变形特征受到土体的应力状态和应力历史的影响，因此了解开挖过程中的应力路径至关重要。 Powrie等人（1998）通过对白色高岭土进行一系列三轴试验，研究了适用于粘土隔膜墙的应力 - 应变关系。在三轴试验计划中施加的应力路径旨在模拟在墙体安装和主要开挖过程中12米深处的土体，现场挡土墙后面和前面的实际情况。然而，它们的结果局限于没有发生明显的主应力旋转的应力路径，因为它可能在靠近壁趾处或在挖掘底部的土壤元素处显着。
本文通过采用硬化土模型，对深基坑开挖历史进行有限元模拟，对开挖过程中的土体应力路径进行了正确的调查。在深基坑建模中，常见的做法是假定隔墙处于就地，分析结果合理（Ng和Lings，1995; Lim等，2010; Zhang等，2015）。因此，这里不讨论施工隔墙时的土壤应力路径。两个有据可查的案例历史被模拟，以验证所提出的参数确定程序，尤其是土壤模量。此外，直接从常规实验室测试和现场测试结果得出的参数确定的逻辑和系统程序被用于适应MohrCoulomb模型有效应力方法。此外，还考虑了一层小应变刚度区，进行了一个假设性案例来检查地表沉降的剖面。
2.有限元分析和土体本构模型
使用PLAXIS v.2010（Brinkgreve等人，2010）计算机软件用各种土壤本构模型进行有限元分析。根据Lim等人的评估结果， （2010），选择了三个土体本构模型，如Hardening Soil Model（Schanz et al。，1999），Hardening Soil-Small模型（Benz et al。，2009）和Mohr-Coulomb模型来模拟粘土的行为与有效应力不排水分析。此外，选择Mohr-Coulomb模型进行有效应力耗散分析，以模拟沙质土壤。由于这些突出的模型发展良好，因此只有基本的描述才会突出，以便于讨论研究结果。
Hardening Soil模型简称为HS模型，它是一般土壤的真实二阶模型（从软到硬的土壤类型）。该模型涉及摩擦硬化特性以模拟偏载荷下的塑性剪应变，以及帽硬化特性来模拟主压缩中的塑性体积应变。失败由MohrCoulomb失效准则定义。该模型的基本特征是具有输入参数c，u和剪胀角的摩尔 - 库仑破坏，w，根据由输入参数定义的幂定律的应力相关刚度，m，由输入参数的主偏向加载产生的塑性应变参数Eref 50和塑性应变与主要压缩与输入参数Eref oed弹性卸载/重新加载是由输入参数
Eref ur和卸载/重新加载泊松比，tur。图1显示了没有内聚力（c0 = 0）的土壤在硬化土壤模型中的剪切屈服面和帽屈服面。本文将土壤产量定义为位于剪切硬化区的土壤应力状态。同时，将土体破坏定义为达到Mohr-Coulomb破坏线的土体的应力状态。
值得注意的是，HS模型难以准确预测偏应力的下降，这代表了土体行为的应变软化响应。尽管如此，就有效应力路径而言，HS模型预测能很好地处理正常固结的粘土应力路径的典型形状及其不排水剪切强度（Surarak et al。，2012）。换句话说，只要土壤响应是应变硬化行为，HS模型就可以表示真实的土壤行为。
硬化土小应变模型，缩写为HSS模型，从HS模型演变而来，考虑到土的小应变特性。在HSS模型中，除了HS模型中的参数之外，还需要两个附加参数。这两个附加参数是非常小的应变（Gref 0）下的参考剪切模量和在非常小的应变（c 0：7）下剪切模量下的剪切应变等于0.7剪切模量。 MohrCoulomb模型，缩写为MC模型，是一个弹性完美塑性模型，实际上是胡克定律和Mohr-Coulomb失效准则的一般形式的组合。该模型涉及四个输入参数，例如来自胡克定律的两个伪弹性参数（杨氏模量（E）和泊松比（t）），以及来自MohrCoulomb破坏准则（摩擦角（u）和内聚力拦截（c））。对于MC模型，有效应力不排水分析可以结合有效抗剪强度参数（c = c0和u = u0），称为不排水A方法或总强度参数组合（c = Su和u = 0），称为不排水B法，其中Su为土的不排水抗剪强度。对于这两种类型的分析，杨氏模量和泊松比应该根据有效应力而不是总应力。此外，PLAXIS中还介绍了这两种类型的分析。
在分析中，假定结构构件，如隔墙，支柱和混凝土板，表现为线弹性。隔膜墙采用平板单元建模，而支柱和混凝土板模拟为固定端锚元件。考虑到混凝土挡土墙的刚度在隔水墙的大弯矩引起混凝土中出现裂缝时会减少，所有结构构件的刚度都会从标称值减少20％（Lim et al。， 2010）。
3.开挖案例的有限元分析
HS模型被用作输入参数的验证基准。然后，使用台北国家企业中心（TNEC）挖掘案例来检验这些输入土壤参数的性能和合理性。在TNEC的历史中，已经进行了许多全面的实验室测试，如小应变测试，三轴CK0UC和CK0UE测试以及多次卸载 - 重新加载三轴测试。因此，所有用于分析的输入参数都经过充分研究和科学发展。
3.1。 TNEC挖掘工程
3.1.1。 TNEC项目说明
TNEC结构是一座18层高的地下5层建筑。开挖深度为19.7米，隔墙厚度为90厘米，深度为35米。地下水位在地表以下2米的深度（GL 2.0米）。挖掘工作分七个阶段完成。图2描述了挖掘和地下室建设的顺序。
根据现场调查，现场的地层条件可以描述如下（见图2）：第一层是软质粉质粘土（CL），其范围从地表水平（GL）0.0米到GL 5.6米，其NSPT值约为2. 4.第二层，从GL5.6米到GL8.0米，一个松散的粉质细砂，NSPT值在4和11之间和/ 0 = 30。第三层来自GL 8.0米至GL 33.0米，又是软质粉质粘土（CL），其NSPT值约为2-5，PI值在9-23范围内，平均值为17.该层为主要影响挖掘行为。该层的OCR值在1.23-1.4左右，轻微过度固结，土的行为是应变硬化反应（Teng，2010）。第四层，从GL 33.0米到GL 35.0米，是一种中等密度的粉质细砂，NSPT值在22和24之间和/ 0 = 33。第五层是一种中等软粘土，范围从GL 35.0米到GL 37.5米，NSPT值为9-11。第六层为中密集稠密粉砂或粉砂细沙;范围从GL 37.5 m到GL 46.0 m，NSPT = 14-37和/ 0 = 35。第六层以下是密集的Chingmei砾石土壤，其NSPT高于100.完整的数据，包括土壤性质和强度，被描述由Ou等人（1998,2000），Kung等人（2009）和Lim等人（2010年）。
3.1.2。确定模型参数
HS和HSS模型粘土层的输入参数如表1所示。初始侧向应力状态是基于Schmidt（1966）计算的，该模型考虑了土壤应力历史，即K0 = 1 sinu0？OCR）sinu0分析中，弹性卸载/重新加载杨氏模量是基于固结仪测试结果（Lim et al。，2010）在数学上导出的，如方程（1），其中e为空隙率，p0为平均有效应力，j = cs / ln10，cs为膨胀指数。
为了在HS模型中用作输入参数，Eur应按照Schanz等人的建议转换为Eref ur。 （1999），如方程（2）。 当Eref ur确定时，则可以按照Calvello和Finno（2004）的建议估计Eref 50和Eref 0ed = 7Eref 50。
滕（2010）对台北粉质粘土样品进行了弯曲元素测试。 结果如图3所示，其中横坐标和纵坐标分别表示非常小应变下的归一化平均有效应力和剪切模量。 在分析中，图3用于估算与每个土层的有效平均应力相对应的非常小应变（G0）下的剪切模量值。 通过下面的等式 （3）（Brinkgreve等人，2010），它可以被转换为格雷夫0
根据Tseng（2012）的研究结果，台泥粉土的c0:7值为104。 另外，表2和表3列出了用于分析TNEC案例的结构特性。
同时，根据Ou和Lai（1994）的研究，砂的杨氏模量（排水材料）可由下式计算得出：其中G是土壤的剪切模量; b是在正常条件下考虑小应变与应变之差的折减因子，b值可以设定为等于0.5（Ou，2006）。
3.1.3。 有限元网格和几何
图4显示了用于分析的有限元网格和选定的应力点，其中左边界设置在开挖中心，考虑到开挖的对称性，右边界距离开挖中心121.5米， 超出了开挖影响区，通常大于开挖深度的4倍和砾石土层的底部，即地表以下45米（约为开挖深度的2倍）。 左右垂直边界受到水平运动的限制，而底部边界受到垂直和水平运动的限制。 选择五个应力点来研究开挖过程中的有效应力路径。 三个点位于保留侧（点N，O和P），另外两个点位于挖掘区内（点Q和R）。
3.1.4。 结果与讨论
计算出的墙体挠度和HS模型的地表沉降量绘制在图。 5和6，分别。 计算出的开挖最后阶段的墙体挠度通常接近实测值，虽然它在地表以下20米深处略大。 计算出的地表沉降距离现场测量还很远。 这可能是由于小应变的事实
HS模型没有考虑土壤的特性。
进行了三次额外的分析，即0.8。例如，当执行0.8时，只有50的值减少到原始值的80％，而Eref和Eref保持原始值。 如图1和2所示。 如图5和6所示，当分别降低Eref50和Erefoed时，与初始分析相比，未发现明显的壁偏转和地表变化。 然而，当Erefur降低到其初始值的80％时，计算出的墙体挠度和地表沉降就会变大。 这表明Erefur是控制计算壁偏转和地表沉降的关键输入参数。
如图7所示，被保留侧的大部分有效应力路径（点N，O和P）向Mohr-Coulomb破坏线向上（接近垂直方向）移动，超过初始剪切屈服面并在相
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