基于硬化土模型的基坑变形预测应用分析

于 海 兵

(石家庄市轨道交通有限责任公司，河北 石家庄 050000)



基于硬化土模型的基坑变形预测应用分析

于 海 兵

(石家庄市轨道交通有限责任公司，河北 石家庄 050000)

以石家庄地铁某车站深基坑工程项目为例，采用有限元法，对基坑开挖过程进行数值模拟分析，从而对基坑变形作出有效的模拟和预测，进一步优化了设计施工方案，为类似工程提供指导和借鉴。

硬化土模型，基坑变形，数值模拟，位移

随着城市化进程的快速发展，在建筑物密集、地下管线密布的城市地区，深基坑开挖对周边环境的影响引起国内外学术界和工程界的广泛关注。基坑开挖施工过程中引起周边地层应力状态改变，从而产生位移。如基坑设计不合理，施工方法不得当，则基坑开挖引起的周边位移变化将影响临近建(构)筑物和地下管线的安全。石家庄地铁车站基坑多采用明(盖)挖法施工，地层以第四系洪积砂土和粘性互层为主，开挖过程中砂土稳定性差。基坑变形预测可在一定程度上确保设计、施工方案的安全可行。本文以石家庄地铁某车站为例，采用有限元法对基坑开挖过程进行数值模拟分析，从而预测施工过程位移变化情况，并反馈到设计施工中，优化设计施工方案，为类似工程提供指导和借鉴。

1 工程概况

石家庄地铁某车站位于中山西路和长兴街丁字路口处，设计里程为DK0+217.434～DK0+513.841，总长296.34 m。有效站台中心里程为DK0+426.841。车站为地下双层岛式站台车站，站台宽12.0 m。主体结构基坑标准段开挖深度约为16.485 m，盾构井段开挖深度约为17.718 m。基坑标准段采用钻孔灌注桩+内支撑形式。钢支撑采用φ630 mm钢管，壁厚16 mm，标准段第一排钢支撑水平间距为6 000 mm左右，第二、三排钢支撑水平间距为3 000 mm左右，端头井处竖向共四道支撑，并设置换撑一道。

2 计算模型

2.1 岩土体本构模型选择

结合实际情况、土层情况和适用的模型，本文采用了硬化土模型(HS)对土体进行了模拟。

2.2 计算模型及材料参数

根据基坑现场实际情况，本次模型边界宽取40 m，深35 m。采用基坑的1/2作为研究对象。土层参数选取时，一些相关参数和强度折减因子根据相关文献采用经验值(一般取Eur=3E50和Eoed=E50作为不同土体类型的平均值，但是，对于非常软的土或者非常硬的土通常会给出不同的Eoed/E50比值。本模型根据实际情况相应调整)，并给予模型如下合理假定：模型左右边界的水平位移为零，允许产生竖向位移；下边界任意方向竖向和水平位移为零；土层参数见表1。

表1 土层物理参数

2.3 网格划分和初始条件

本次计算模型采用15节点单元，并对板单元进行加密。本工程地下水位埋深较大，孔隙水压力不予考虑，基坑开挖前土体自重引起的初始应力云图如图1所示。

2.4 模型计算过程

本基坑开挖分8个工序进行开挖，即施作钻孔桩→开挖至1.5 m→施工第1道支撑→开挖至7.5 m→施工第2道支撑→开挖至12.5 m→施工第3道支撑→开挖至基底。

3 计算结果及分析

3.1 水平位移计算结果及分析

不同开挖深度时的水平位移变化情况如图2所示。当基坑开挖至1.5 m,7.5 m,12.5 m,16.5 m时的最大水平位移分别为0.6 mm,1.5 mm,2.4 mm,3.2 mm。随基坑开挖深度的增加，水平位移不断增大，最大水平位移发生位置不断下移，最大水平位移均发生在基坑底部位置附近。

3.2 竖向位移计算结果及分析

不同开挖深度时的竖向位移变化情况如图3所示。当基坑开挖至1.5 m,7.5 m,12.5 m,16.5 m时的最大地表沉降分别为0.6 mm,1.6 mm,2.8 mm,3.2 mm。随基坑开挖深度的增加，地表沉降不断增大，地表沉降影响范围不断增大。

3.3 内支撑支护作用分析

根据图2,图3所表现的不同开挖深度时的位移情况，分析基坑围护结构内支撑作用，如表2所示。

表2 分步开挖的位移及内支撑支护作用分析

由表2可知：基坑在不同开挖阶段，基坑周边变形最大值与开挖深度比值在0.19‰～0.47‰之间，说明本基坑在围护桩+内支撑的支护形式下不会有大的变形，内支撑在开挖过程中的特征如下：

1)架设支撑后，随着基坑开挖深度的加大，抑制了土体变形和变形速率，土体的受力状态也发生了一定的改变，在一定程度上低于临界破坏状态。

2)土体的塑性分布区域随支撑的应力传递与扩散逐渐减少，基坑侧壁最大弯矩也随之减少，周边土体的承载力得到充分发挥。

3)在开挖深度内，水平位移表现为上部小，中部较大，底部渐缓的变形规律，最大竖向位移位于坑底，因此，基坑在预防侧壁变形的同时，同时注意基坑隆起变形。

4 结语

有限元软件在变形预测中所起到的作用主要如下：

1)通过有限元软件模拟，能够直观了解基坑开挖之前土体因自重引起的初始应力状态，依此便可以预测基坑开挖过程中，基坑因土体卸荷而受到的影响。

2)通过对不同开挖深度时桩顶水平位移和地表竖向位移进行模拟，可知所建立的支撑体系对桩顶变形和地表变形起到的效果，可以预测下一道支撑是否需要增大预应力等来减小基坑的变形。

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[4] 郭 健，杨奇妹.深基坑变形的智能预测研究[J].武汉工业学院学报，2012(3)：75.

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Excavation deformation forecast analysis based on the hardening soil model

Yu Haibing

(The Rail Transit Co., Ltd of Shijiazhuang City， Shijiazhuang 050000, China)

Taking the deep foundation engineering project of Shijiazhuang subway station as an example, applying finite element method, the paper carries out numerical simulation analysis for the foundation excavation process, furthermore makes effective foundation deformation simulation and prediction, and optimizes the design and construction scheme, which has provided some guidance and reference for similar engineering.

soil-hardening model, foundation deformation, numerical simulation, displacement

1009-6825(2017)12-0066-02

2017-02-20

于海兵(1978- ),男，工程师

TU463

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