考虑扰动影响的土体小应变硬化模型参数试验研究及其在基坑工程中的应用

天然结构性土体容易受到各类施工扰动,导致土体物理力学性质改变,进而影响工程稳定、变形以及邻近环境。针对宁波两种典型土体,分别对原状土和轻、重扰动土以及重塑土开展了三轴试验及一维压缩试验,分析了扰动度对小应变硬化模型(HS-small model,简称HSS模型)主要参数的影响规律,并将其应用于宁波某基坑工程,利用Plaxis3D分析了考虑周边土体扰动影响的坑后土体水平位移变化。研究结果表明,扰动会使土体的强度及刚度参数降低。对于淤泥质黏土,轻扰动试样的参考切线模量E_(oed)^(ref)、参考割线模量E50ref及参考加卸载模量Eurref值分别降低14%、10%、2%,重扰动试样三参数分别降低43%、14%、15%,粉质黏土三参数也呈现相似降低趋势。在考虑土体扰动影响的情况下,基坑周边两个测斜孔的最大水平位移值分别增大13%、15%,更加接近实测值。研究结果可为小应变硬化模型的参数取值以及考虑扰动影响的基坑工程分析计算提供指导。

小应变硬化模型(HSS)在Rayleigh波作用下场地响应分析中的应用

为研究冲击荷载或地震作用下产生的,以Rayleigh波为主的面波对浅层地表土体动力响应特征以及数值模拟中土层阻尼的设置方法,以厦门地区浅层的素填土及粉质黏土为研究对象,采用有限元动力分析,土体本构采用小应变硬化模型(HSS),利用模型本身的滞回环特性,输入变化的小应变参数,考察HSS模型的小应变参数对场地动力响应的影响,并与土体采用摩尔-库伦模型结合Rayleigh阻尼("MC+Rayleigh阻尼")的计算结果进行对比。研究表明:当采用带有滞回环的HSS模型时,波速随初始剪切模量Gref0的增大而增大,但振幅减小,残余变形量也有所减小;小应变参数γ0.7对波的影响较小;HSS模型能够给出残余变形量,而"MC+Rayleigh阻尼"由于本构模型为理想弹塑性模型,在卸载重加载条件下表现为纯弹性行为,无法反映出卸载重加载过程中塑性应变的积累及其累积阻尼效应;但HSS模型还不能够全面反映循环加载作用下塑性体积应变的累积,因此在考虑滞回阻尼的基础上,仍然建议借助Rayleigh阻尼来更加全面地模拟土体的实际阻尼特性。

基于小应变硬化土体模型的大直径单桩海上风力机结构位移响应研究

首先基于能量守恒原理,研究建立风速和浪高的函数关系式,通过该公式和Stokes五阶波理论计算额定风速下海上风力机结构所受浪流荷载并利用脉动风理论计算额定风速下脉动风荷载,其次以4 MW风力机为例,基于正交试验方法和HSS土体本构模型建立有限元模型进行数值计算分析,结果表明:水深小于19 m且符合Stokes五阶波理论的浪流荷载对塔顶、桩顶和泥面的位移时程曲线周期以及位移时程曲线幅值影响不大,风轮机荷载是影响位移时程曲线的主要荷载因素,这种情况下大直径单桩设计可不考虑浪流荷载;桩径和壁厚2个因素不会联合影响塔顶最大位移、桩顶最大位移和泥面最大位移。桩径和壁厚两因素对泥面最大位移的控制存在等效关系,在设计中可选用钢量最小的因素作为大直径单桩设计的主要因素,在满足最大位移控制指标的前提下降低钢材用量。

基于小应变硬化土模型的综合管廊抗震分析

综合管廊是城市的生命线工程,对其进行抗震分析意义重大。有限元抗震计算的核心问题之一是本构模型的选取,文章首先探讨了土体的变性特征,并在此基础上分析了小应变硬化土模型(HSS模型)对土体在动力作用下的应力应变特性的描述能力。其次分析表明该模型可以同时考虑土体加卸载模量的不同,同时也可以考虑土体剪切模量随剪切应变衰减的现象,因此在抗震分析中具有良好的适用性。最后建立了襄阳市樊西某综合管廊工程的三维有限元模型,基于小应变硬化土模型和时程分析法,对该综合管廊工程在地震作用下的响应进行了分析。

厦门地区典型地层HS-small模型小应变参数敏感性分析

小应变硬化模型(HS-small模型)是以HS模型为基础提出的一种能反应土体小应变特性的本构模型,除了包含HS模型参数外,还包含两个小应变参数和,可以反映土体在小应变状态下呈现高度的非线性、高模量等特性。为了研究小应变参数对深基坑数值分析结果的敏感性,针对厦门地区典型土层,采用HS-small模型,通过有限元模拟某深基坑工程的施工过程,开展小应变参数对地表沉降及围护墙弯矩的敏感度分析,并研究参数随基坑开挖的演化规律。结果表明:在厦门地区在深基坑数值分析中,取值对地表沉降和围护墙弯矩值的影响较大,的取值影响相对小;粉质黏土和残积砂质黏性土的小应变参数对结果起到重要的影响;前期开挖,粉质黏土起控制作用,后期开挖,残积砂质黏性土起控制作用。

地铁深基坑开挖效应土体小应变参数敏感性分析——以厦门地区为例

小应变硬化模型(HSS)可以同时考虑土体剪切硬化和压缩硬化,以及土体剪切模量在微小应变范围内随应变衰减的行为,因此在深基坑开挖数值分析中具有很好的适用性。为研究厦门地区土层HSS模型刚度参数E^(ref)_(50),G^(ref)_(0)和γ0.7对深基坑数值分析结果的敏感性,基于敏感性分析和正交试验原理,选择厦门地区典型土层残积砂质黏性土、粉质黏土和淤泥质土,以坑外地表沉降值及围护墙的最大弯矩值作为控制指标,分别进行了单一控制土层的参数敏感性研究。结果表明:要在深基坑数值分析中精确计算地表沉降和围护墙弯矩,最重要是控制好土层G^(ref)_(0)的取值,其次是E^(ref)_(50),而γ0.7的影响相对小一些;随开挖深度加深,G^(ref)_(0)对地表沉降的影响逐渐降低,E^(ref)_(50)和γ0.7的影响有所提高;E^(ref)_(50)对围护墙弯矩的影响随开挖进行有所降低,G^(ref)_(0)和γ0.7的影响则有增大趋势,其中G^(ref)_(0)相对较明显。土体小应变行为对于基坑施工效应有重要影响,在相关设计和施工中应予以重视。分析结果可为深基坑有限元分析中获得更合理的地层变形和结构内力响应提供有益参考。

HSS模型在常州轨道交通基坑工程中的应用研究

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。

土体小应变刚度特性的试验研究

土体的小应变刚度在深基坑或隧道开挖等以变形控制为主的工程中是起决定性作用的参数.利用固结仪、应力路径三轴仪和共振柱联合测定江苏常州地区3个典型土层原状土的小应变刚度特性,得到了土体小应变硬化模型(HSS)的相关参数,包括土体的初始剪切模量、模量退化曲线、土体强度参数、加卸载模量等.分析了土体有效应力对土体小应变刚度特性的影响,并对如何选择合适的小应变模型参数提出了初步建议.

杭州富水粉砂水泥土HSS模型参数实验研究

基坑开挖数值模拟分析常采用小应变硬化模型(HSS模型)模拟土体,搅拌桩等常用基坑加固措施均涉及水泥改性土。针对杭州富水粉砂土及其水泥改性土(水泥掺量分别为8%,16%,24%),进行了标准固结实验、三轴固结排水剪切实验、三轴固结排水加卸载实验和共振柱实验等系列室内实验,获得了粉砂土及其水泥土的HSS模型参数,结果表明HSS模型中的强度和模量相关参数均随着水泥掺量的增加而增大。特别明确了粉砂土及其水泥土固结切线模量Eoed^ref、三轴切线模量E50^ref 和加载模量Eur^ref之间的比例关系,并和已有文献的相关数据进行了对比分析,证明了笔者实验结果的可靠性。

小应变模型与p-y曲线法在海上风电大直径单桩基础上的运用比较

HSS小应变硬化模型由于考虑了土体刚度的应变相关性,可以相对准确的评估不同应变状态下的地基刚度,目前已广泛运用于地下工程的设计。海上大直径单桩的桩土水平相互作用方面目前仍没有比较明确的规范计算方法。传统p-y曲线法适用于小直径桩(直径<1m),大直径单桩基础载荷作用下底部桩周土体大部分处于小应变区(<10-3),采用传统的p-y曲线法将低估土体的刚度。本文将同时使用p-y曲线法和HSS小应变硬化模型对江苏地区某海上风电单桩基础进行计算,比较位移结果和频率计算结果的差异,探究现有设计方法可能存在的优化空间。

基坑开挖引起的周边土体三维位移场的简化分析

虽然不少经验方法可以用来计算基坑开挖引起的地表沉降以及围护墙水平位移,但是目前基坑开挖引起的地表以下土体位移场的预测缺乏简单的计算方法,而主要依赖于有限单元法。有限元分析中如何选用合理的参数来准确计算开挖引起的土体位移一直是个难题。在有限单元法的基础上,考虑土体小应变特性,基于芝加哥地区实际基坑工程的实测数据,通过反分析方法确定了能够准确计算基坑开挖引起的土体位移的合理计算参数。利用这些参数较为准确地计算了基坑开挖引起的土体位移,总结了基坑周边土体三维位移场的衰减规律,并由统一表达式来表示,同时结合围护墙水平变形与墙后地表沉降的经验公式,通过二次拟合提出了基坑周边土体三维位移场的简化计算方法。通过与有限元计算结果以及实测结果的对比,验证了该方法的合理性。

基于反分析法的基坑开挖引起的土体位移分析

目前基坑开挖引起的土体自由场位移的计算方法主要为有限单元法,而要利用有限单元法较为准确的计算土体的位移场,除了对有限单元法理论以及土体本构知识有较为充足的储备外,模型参数的选取也是重要因素。室内试验确定模型参数受到诸多因素的影响,很多时候在利用这些参数预测基坑变形时并不准确。反分析方法可以有效的解决模型参数的选取问题,因此本文将基于实测数据,采用考虑土体小应变特性的HSS模型,利用反分析方法对基坑开挖引起的土体位移进行研究。研究表明考虑土体小应变采用反分析方法可以较为准确的计算基坑开挖引起的土体位移。

地铁车站狭长基坑支撑异常轴力分析

【目的】研究地铁车站狭长型基坑施工过程中第一道支撑轴力过大的问题。【方法】通过土体小应变刚度硬化模型(HSS)有限元分析,对车站基坑土方的开挖方式、钢支撑安装质量差、钢支撑未及时受力等情况进行精细化模拟,分析其对第一道支撑轴力的影响。【结果】结果表明:采用盆式开挖对第一道支撑的轴力影响显著,相较分层开挖的情况增大45%,应及时安装对应位置的钢支撑;安装钢支撑的预应力未达到设计值时,会导致开挖到底时的顶层支撑轴力增大,增大幅度在10%以内,底层支撑轴力减小。【结论】在地铁车站狭长基坑开挖过程中应限制盆式超挖;温度变化对支撑轴力的影响不能忽视;安装下层钢支撑预应力达不到设计值时,会导致开挖到底时的顶部支撑轴力偏大。

不同间距下相邻基坑相互影响数值分析

采用小应变硬化土（HSS）土体本构模型，建立同步开挖间距为1～8倍基坑开挖深度的相邻基坑有限元模型．考虑固渗耦合，分析不同基坑间距对坑间土堤沉降、支护桩弯矩和位移的影响．分析结果表明：相邻基坑间距小于等于4倍基坑开挖深度时，相互影响较强，需考虑相邻基坑施工引起的共同沉降，可采用有限土压力理论来对支护结构进行受力变形分析，减小桩径和配筋；间距大于4倍基坑开挖深度时，相互影响较弱，坑间土堤变形接近独立基坑，对支护结构的内力及变形影响也较小．

大跨度公铁合建斜拉桥主塔沉井基础沉降变形分析

高速铁路桥梁基础整体沉降对桥梁线型控制至关重要,而规范中计算整体沉降的分层总和法在深大沉井基础中的适用性有待商榷。以大跨度公铁合建斜拉桥深大沉井基础为工程背景,分别采用摩尔-库仑模型(M-C)、土体硬化模型(HS)和小应变土体硬化(HSS)模型,通过有限元方法,得到了相应的基础沉降曲线。与现场监测数据对比表明,采用HSS模型得到的计算结果与实测值吻合较好。在此基础上,对后续重要施工阶段的沉降趋势进行了合理的预测。与此同时,针对该工程的深大沉井基础,对现有规范分层总和法中的沉降经验系数进行了修正,在该工程中,建议将沉降系数修正为0.13。

黏土中地下连续墙支护结构的稳定性分析

以杭州地铁二号线文华路地铁站主体基坑为工程案例,应用PLAXIS 3D数值模拟软件,确定杭州典型黏土地区土体小应变硬化(HSS)模型的土体参数取值方法.基于可靠度理论及稳定性和经济性评价体系,将抗隆起稳定、抗倾覆稳定、支护结构侧向位移控制这3种安全性模式分别作为单目标,分析单目标下的结构参数敏感性及其最优解;运用灰色关联度多目标优化算法确定地下连续墙支护结构设计参数的最优解.结果表明,土体小应变硬化模型适用于杭州典型黏土地区:对于该地区狭长型基坑的内撑式地下连续墙支护结构,墙深是基坑抗隆起稳定性的决定因素,墙深和加固土深度对基坑抗倾覆稳定性的重要性相同,被动区加固土深度在坑底以下较差土层内还是基坑变形的主控参数.当考虑内支撑时,首道支撑对基坑变形控制起决定性作用;由灰色关联度多目标优化算法确定的结构设计参数最优解与实际结果接近.

地下管廊基坑工程鲁棒性分析及风险评估

基于小应变土体硬化模型,以杭州市富阳区金桥北路市政综合管廊基坑为工程案例,应用PLAXIS 2D数值模拟软件,建立富阳典型黏土地区土体小应变硬化模型的土体参数取值方法;基于鲁棒性设计理论,对确定性设计方法、可靠度设计方法以及鲁棒性设计方法进行风险评估比较。结果表明:小应变土体硬化模型适用于杭州富阳地区;小应变土体硬化模型中的各岩土参数比例关系具有重要意义;岩土力学参数变异系数及变异系数的标准差对地下综合管廊围护墙支护结构各破坏模式的失效概率均有影响,地下综合管廊设计中运用岩土鲁棒性设计可降低工程风险。

临近端头井盾构开挖引起土体沉降数值分析

文章以南昌地铁2号线雅苑路站施工为例,基于小应变硬化土体(HSS)本构模型,建立从端头井始发的双线盾构隧道掘进模型,分析了基坑开挖与双线盾构掘进共同作用下的土体沉降规律。结果表明:(1)加固盾构始发区土体可有效减弱区域范围内地表沉降,该区域内地表沉降量远小于区间隧道沉降量;(2)在同一埋深条件下,先建隧道地表沉降最大值高于后建隧道地表沉降最大值,地表横向沉降槽呈现非对称W型;(3)基坑开挖与盾构掘进共同作用下引起的地表沉降值,可以由二者单独作用产生的沉降值叠加计算得到。

槽壁与坑底加固对地铁基坑支护结构变形影响研究

三轴搅拌桩加固地连墙槽壁及基坑坑底有效减小支护结构的变形,保障周边管线、既有建筑物、基坑工程安全。以杭州汽车北站基坑工程为例,建立有限元分析模型模拟地铁基坑开挖过程,并结合现场数据,研究了三轴搅拌桩加固地连墙槽壁与坑底土体对基坑支护结构变形特性的影响。