1、江苏建筑2022年第6期（总第225期）0引言随着城市轨道交通系统的普及，由地铁车站基坑开挖施工所引发的各种工程问题日益成为了人们关注的焦点所在。城市轨道沿线往往伴随着大量的城市既有建筑群，地铁车站深大基坑的周边环境敏感，深基坑开挖过程中一旦处置不当易造成重大的经济损失和社会影响，为保障施工过程的安全，需要有效预测深基坑开挖过程中周边环境的变形。赵挚南等1利用有限元软件模拟了天津某深基坑开挖过程，预测了基坑开挖对周围建筑的影响，其计算结果与实测结果较为吻合；刘忠清等2以苏州某基坑工程为研究背景，利用有限元软件分析了基坑开挖对轨道交通隧道及周围土体的影响，计算数据和实测数据也较为接近。有限元软件
2、预测分析基坑开挖变形情况是目前较为常见的有效方法之一，而想要使得数值分析计算的结果贴合工程实际情况，适合的本构模型和准确的模型参数是关键所在。白建方等3基于PLAXIS软件对4种常用岩土本构模型进行了对比分析，研究结果为岩土工程数值模拟对本构模型的合理选择提供了参考依据；周勇等4对比分析了黄土地区下两种土体本构模型的适用性，得出了H-S模型比M-C模HSS 模型在常州轨道交通基坑工程中的应用研究何亮1，刘涛1,2，郭严伟1,2（1常州工学院，江苏常州213032；2常州大学环境与安全工程学院，江苏常州213164）摘要文章依托常州地铁2号线青枫公园站基坑开挖工程，利用室内土工实验获取了常州市区
3、小应变土体硬化本构模型的土层参数，同时运用了有限元分析软件，对该深基坑的施工过程进行了数值模拟，将数值模拟获得的土体位移及支护结构变形的计算结果与现场监测成果进行对比分析，检验了常州地区小应变硬化土体模型参数的有效性，研究成果对常州地区后续的基坑工程具有一定的参照意义。关键词数值模拟；小应变硬化土体模型；深基坑工程中图分类号 TU463文献标志码 B文章编号1005-6270（2022）06-0117-05Application Research of HSS Model in Changzhou Rail Transit Foundation PitEngineeringHE Liang1L
4、IU Tao1,2GUO Yan-wei1,2(1.Changzhou Institute of Technology,Changzhou Jiangsu 213032 China；2.School of Environmental and Safety Engineering,Changzhou University,Changzhou Jiangsu 213164 China)Abstract：In this paper,based on the excavation project of qingfeng Park Station of Changzhou Metro Line 2,th
5、e soil parameters of the small strain soil hardening constitutive model in Changzhou urban area were obtainedby indoor geotechnical experiment,and the construction process of the deep foundation pit was numericallysimulated by using finite element analysis software.The soil displacement and supporti
6、ng structure deformationcalculated by numerical simulation are compared with the field monitoring results,and the validity of the soilmodel parameters of small strain hardening in Changzhou area is verified.The research results have certainreference significance for the subsequent foundation pit eng
7、ineering in Changzhou area.Key words：numerical simulation;small strain hardening soil model;deep foundation pit engineering收稿日期2022-06-10作者简介何亮，男（1983-），常州工学院，博士，高级工程师，研究方向为地铁深基坑工程。117江苏建筑2022年第6期（总第225期）（a）2层试样型更能反映黄土特性的结论；徐中华等5基于实验结果，指出了HSS模型能较好地适用于基坑工程。文章选取常州地区的典型三层土样进行室内土工实验，通过实验获得常州地区典型土层参数及HSS
8、土体本构模型的全部参数，并以常州地铁2号线青枫公园站基坑开挖工程为依托，利用有限元分析软件PLAXIS建立车站开挖模型，选择小应变土体本构模型（HSS模型）进行了测算，对比理论计算结果和实际监测数据，验证了常州地区典型土层HSS模型参数的有效性，对常州地区后续的深基坑开挖工程具有一定的参照意义。1小应变模型小应变硬化（HSS）模型，是近年来岩土工程数值分析中常用的本构模型之一，其概念最初由Benz等67提出，根据土体的剪切应变程度将土体的变形分成大应变、小应变和非常小应变3种变形。研究发现，实际工程中大部分的土体变形处于小应变范围之内，即剪切应变范围处于0.01%0.1%之间，相比于大应变范围
9、的土体，小应变土体刚度更高，且拥有明显的各向异性、非线性、屈服连续性和结构性等变形特点8。HSS模型不仅包含HS模型所有参数，还新增了0.7和G20两个小应变参数9，能够对岩土工程中的土体变形问题进行精确的计算。2土工实验2.1实验内容2.1.1三轴固结排水剪切实验Eref50是标准三轴排水实验下，在初始围压下固结完成，逐渐加大荷载直至试样破坏，取试样破坏时荷载50%对应的割线模量。以2层土样和2层土样为例，图1分别是土样在围压100 kPa下的应力应变曲线。2层的土样呈现出应变随着应力的增加而增加直至破坏的变形规律，应力峰值点为220 kPa。而2层的土样在应力达到峰值后出现软化现象，应力减
10、小幅度较于2层土样更大，应力峰值点为410 kPa。取原点与二分之一应力峰值点连成的直线斜率作为试样的参考割线模量Eref50。可得三层实验土样的割线模量分别为7.5 MPa、11.4 MPa和13.9 MPa。图2为2层土样分别在不同围压情况下，进行三轴固结排水剪切实验，根据实验结果得到不同围压下的土体应力摩尔圆图形。取3个摩尔圆的公切线，该直线在纵坐标轴上的截距为有效内聚力c=8.0 kPa，直线的斜率为有效内摩擦角=31.1。剩余土样的有效内聚力c和有效内摩擦角同理可求。2.1.2三轴固结排水加卸载实验Erefur是标准三轴排水实验中加卸载-再加载后的模量。图3为2层试样在围压100 k
11、Pa下进行三轴固结排水加卸载实验得到的应力-应变曲线图。将土样在初始围压下固结完成，先增加应力至固结排水剪切实验中得到的峰值偏应力的50%，接着再将偏应力卸载至零，最后使偏应力上升直至破坏，加卸载的过程图像会形成一个滞回圈。在施加荷载初期，曲线的走势与应变控制的三轴固结排水剪切实验结果变化一致，而土样在轴向应力值达到200 kPa时发生破坏。将滞回圈的两个端点相连形成一条直线，取该直线斜率作为参考加卸载模量Erefur，可确定土样Erefur的值为47.0 MPa，其余两层土样Erefur值同理可求。图12层、2层试样应力-应变关系曲线图2 2层试样的应力摩尔圆（b）2层试样118江苏建筑20
12、22年第6期（总第225期）图5 2层试样动剪切模量与应变关系2.1.3标准固结实验图4为该实验三层土样标准固结实验所得的轴向荷载和轴向应变之间的相关曲线。可以发现，三层实验土样的总体变形规律都呈现一致性，轴向应变均随轴向荷载的增大而增大，在加载初期，其应变变化幅度较小，当轴向荷载增加至100 kPa之后，其曲线斜率开始增大，即需要更大的荷载增量才能使土体发生等量的应变，即表示土样的固结切线模量Erefoed在不断增大。取轴向荷载为100 kPa时所对应的点的切线斜率作为参考固结切线模量Erefoed，可得三层土样的固结 切 线 模 量 值Erefoed分 别 为：6.8 MPa、10.3 M
13、Pa和12.7 MPa。2.1.4共振柱实验G20和0.7是HSS模型中应力-应变相关的两个小应变参数，研究表明小应变情况下的应力-应变关系曲线可以用双曲线来拟合10。图5描述了2层土样在90 kPa有效围压下动剪切模量G随剪应变变化的情况。总体变化规律体现为动剪切模量G随剪应变的增加而减小，且衰减范围不断扩大。图6为归一化后的模量退化曲线。按照定义，0.7为初始剪切模量G衰减到70%时所对应的剪应变11，经分析三层土样剪应变0.7分别为：4.010-4、1.910-4、2.210-4。图7描述了2层土样在有效围压90 kPa、200 kPa、300 kPa下的动剪切模量与应变的关系。根据双曲
14、线模型公式进行拟合，可得到2层土的初始剪切模量分别为：64.5 MPa、107.5 MPa、142.8 MPa。利用公式：G0=G0refccos+3sinccos+prefsin()m可求得m=0.72，G0ref=68 MPa。根据得到的m值计算得到其余两个土层在参考围压100 kPa下的初始剪切模量分别为：96 MPa和120 MPa。2.2实验结果通过上述室内土工实验及场地地质勘查报告，得到常州地区典型土样的HSS模型参数，见表1。3数值模拟3.1工程概况项目属于常州轨道交通2号线青枫公园站，该地铁基坑开挖深度17 m，宽度22 m。其中，地下连续墙深度29 m，墙厚0.8 m，并在基
15、坑布置内支撑三道。内支撑具体形式和参数见表2，主要工况见表3。图3固结排水三轴加卸载实验应力-应变曲线图4标准固结实验轴向应力-应变关系图图6 2层试样归一化模量退化曲线图7 2层试样不同围压下动剪切模量与应变关系119江苏建筑2022年第6期（总第225期）3.2计算模型依据土工实验获取的HSS模型参数，结合具体基坑工程情况，利用Plaxis2D软件建立如图8所示的二维平面开挖模型1213。其中弹性模量参数E取地质勘察报告中Es0.10.2的5倍，HSS模型的其它参数取Plaxis2D软件所设置的默认值，具体HSS参数设置见表1，模型中所采用的单元构建参数见表4。3.3结果分析根据实际工程的
16、施工步骤设置工况，将数值模拟得到的地面变形、地下连续墙水平位移结果与实际数据加以比较，见图9和图10。通过对比可以发现，地面变形随离开基坑距离的增大呈现出先增大后减小的变化规律，地表最大沉降发生在距离基坑8 m处的位置，最大沉降值为24 mm；且地下连续墙的最大水平位移发生在坑底附近，最大变形值为35 mm，数值模拟得到的变形结果与工程实际情况虽存在一定的误差，但是整表1HSS模型参数取值土层序号层厚/mC/kPa/（）Erefoed/MPaEref50/MPaErefur/MPa0.7Gref0/MPa填土黏土粉土砂土粉质黏土粉土黏土2.03.04.012.06.07.042.010.028.19.98.029.710.734.710.017.528.131.118.925.918.46.810.312.77.28.49.97.511.413.98.09.312.04777895158724.010-41.910-42.210-44.010-43.010-44.010-468961207385110表2内支撑形式及参数支撑形式具体参数第一道：钢筋混凝土支撑间距9 m铺设，截面积为80
