上海临港砂质粉土硬化土小应变模型参数研究

硬化土小应变模型(HSS模型)考虑了土体在小应变区域内刚度随应变的非线性变化,是土工数值分析中应用较为广泛的软土本构模型之一。上海地区软土的特性研究已取得了较为丰富的成果,但关于浅层砂质粉土的研究还不够全面。通过三轴固结排水剪切试验,三轴固结加卸载试验,固结试验以及共振柱试验,获得上海临港地区浅层砂质粉土的硬化土小应变本构模型的试验参数,包括土体的初始剪切模量、土体强度参数和加卸载模量等。将试验结果与已有文献的相关数据进行对比分析,试验结果可为上海地区浅层砂质粉土的深基坑工程数值分析提供参考数据,具有工程参考价值。

考虑土结构性损伤的小应变模型

结合叠合小应变模型和结构性土的损伤理论,提出了可以考虑土的结构性损伤对小应变下刚度的影响的小应变模型。该模型可作为其他常规土体本构模型的数据接口模型,从而使其他常规本构模型能充分反映土体的小应变特性。通过与实验资料比较分析表明模型可以有效模拟结构性土体的小应变特性。

上海土体小应变硬化模型整套参数取值方法及工程验证

小应变硬化(HSS)模型能较合理考虑土体小应变阶段的非线性、应力相关等特性,在隧道和基坑开挖等变形数值计算中得到了广泛的应用,但目前对模型整套参数的合理取值尚缺乏系统地研究。剖析了HSS模型各参数的意义和对应的试验方法,并基于大量室内和现场试验数据建立了上海土体HSS模型主要参数与土体孔隙比的经验关系,为实际工程利用勘察报告方便且较准确地确定HSS模型参数提供了合理途径。通过多个深基坑工程的数值分析表明,采用现场试验确定的小应变初始剪切模量时,围护墙水平位移计算值和实测值基本吻合,表明提出的上海土体HSS模型整套参数取值方法有很好的普适性和工程实用价值,也为其他地区建立类似的HSS模型参数取值方法提供了借鉴。

基于土体小应变本构模型的TRD工法成墙试验数值模拟

等厚度水泥土搅拌墙技术即TRD工法,近年来在深基坑工程中得到了广泛应用。以上海国际金融中心基坑工程开展的0.7 m厚、8 m宽、56.7 m深TRD成墙试验为背景,采用有限元方法,并基于土体小应变本构模型对其成墙过程进行了模拟,得到了土体侧向位移和地表沉降曲线,并与实测数据进行了对比。结果表明,距离墙体5 m处两者的土体侧向位移曲线基本一致,而距离墙体1.4 m处的土体侧向位移在深度大于20 m后的计算结果较实测值偏小;地表沉降在靠近墙体处最大,随着距墙体的距离增大而逐渐减小。最后分析了成墙深度对地表沉降和土体侧向变形的影响,结果表明,深度越深,引起的土体侧向变形和地表沉降也越大。通过不同成墙深度引起的地表沉降归一化曲线可看出,TRD成墙引起的最大地表沉降约为0.05%H(H为成墙深度),沉降影响区域约为1.8H。

基于小应变本构模型的桩锚桩撑组合支护深基坑三维数值分析

在分析小应变本构模型适用性的基础上,基于小应变本构模型,针对一位于软土地区的桩锚和桩撑组合支护深基坑工程实例,通过室内土工试验和反分析法获得了材料模型参数,应用有限元软件对该基坑进行数值分析。结果表明,计算值与实测数据吻合较好,基于小应变模型的数值分析可指导基坑工程的设计和施工。

湖相沉积典型软土HSS模型参数取值研究

数值分析被广泛用于研究复杂环境下深基坑开挖变形,但本构模型及模型参数选择对计算结果合理性影响较大。比较分析多种本构模型的特点,硬化土小应变(HSS)本构模型能很好对软土场地基坑开挖引起的变形进行预测,但HSS模型参数多且取值困难。湖相沉积软土在昆明分布范围广,但针对此类土,特别是有机质含量及含水率较高的泥炭质土的HSS模型参数如何取值无相关研究。针对这些问题,对大量土工试验及取原状样进行室内试验资料进行分析,研究得到几个刚度参数间的经验取值关系,获得湖相沉积典型软土层的HSS模型参数。为检验HSS模型及相关参数取值的合理性,运用PLAXIS 2D数值分析软件,对软土场地的两个地铁基坑建立数值模型,计算在不同开挖工况下引起的基坑变形,并与实际变形监测值进行对比分析,两变形吻合较好,从而验证研究结果是合理可靠的,且研究结果对于深基坑支护设计、岩土工程研究及勘察等具有重要的参考价值。

高等与常用本构模型对黄土变形影响的模拟对比

选用合适的土的本构模型是确保岩土工程问题数值模拟定量计算精度的关键。近些年来,两种土的高等本构模型,即硬化土模型(HS模型)和考虑小应变刚度的硬化土模型(HSS模型)在已有的研究中表现出良好的有效性和先进性,但目前鲜有将其应用于黄土工程问题的研究。为此,针对笔者开展的室内黄土三轴压缩试验和现场黄土地基平板载荷试验,采用Diana有限元软件中的HS和HSS模型及常用莫尔-库伦模型(M-C模型)和邓肯-张模型(D-C模型)开展了数值模拟对比研究。结果表明:HS和HSS模型比常用的M-C和D-C模型更好地拟合了这两种试验结果,且HSS模型比HS模型总体拟合结果更好。因此,HS和HSS模型在模拟黄土变形及其失稳破坏机理方面比后两者更可靠,具有推广使用价值。

土体GHS与HSS模型选择对基坑数值分析结果的影响

为对比基坑工程土体本构模型选择对计算结果的差异,利用Plaxis软件,坑底土体分别选用小应变刚度模型(HSS)与广义土体硬化模型(GHS)进行对比分析。结果表明:基坑开挖后,坑底相邻区域第三主应力显著降低,HSS模型坑底刚度与第三主应力相关,GHS模型坑底刚度与当前平均主应力和前期应力相关,GHS模型坑底的剪切刚度E_(ur)显著大于HSS模型;在基坑开挖各阶段,采用GHS模型在基坑开挖全程都获得显著更少的隆起量。当开挖至坑底地层(开挖10 m)时,可减少45.4%的坑底隆起量极值;采用GHS模型计算的基坑底下卧盾构隧道的变形量,小于采用HSS模型计算的变形量,更加接近于工程实测值。

基于深基坑监测数据的土体小应变刚度参数优化分析

考虑土体小应变特性的HSS模型在深基坑的数值分析中得到较多的应用,但受试验条件的限制,其刚度参数往往不易获得。为对HSS模型的初始剪切模量G_0^(ref)、小应变参数r_(0.7)、三轴实验割线模量E_(50)^(ref)等三个刚度参数进行优化分析,以厦门市某一地铁深基坑工程为依托,基于施工过程的实测数据,提出一套简便易行的刚度参数优化方法。基于地表沉降和围护墙水平变形的实测数据,以修正后的极差和标准差为收敛指标,对深基坑的浅部开挖工况进行弹塑性位移反分析;然后对深部开挖工况继续进行优化分析,通过不同工况、不同断面的实测数据进行若干次参数优化,可将收敛误差控制到较小范围内;最后得出厦门地区代表性土层淤泥质土、粉质粘土、残积砂质粘性土的刚度优化参数,积累了土工参数的地区经验值。该方法不仅可用于刚度优化分析,也可用来预测深基坑开挖引起的周边环境风险。

软土深基坑变形及环境影响分析方法与控制技术

随着基坑规模日益增大以及邻近环境设施愈加复杂,合理评估并控制基坑变形及对周边环境影响成为软土基坑工程面临的重要挑战。基于理论分析与工程应用,对软土深基坑变形与环境影响分析方法及控制技术进行了系统研究。首先,在统筹考虑安全与经济的前提下,提出了软土深基坑环境保护等级和变形控制指标,为基坑周边不同类型环境设施的保护提供了依据。其次,系统建立了便于工程应用的基坑变形影响简化分析方法,并提出了基于土体小应变特性的基坑开挖对环境影响的计算分析方法以及确定全套小应变本构模型参数的实用方法,为复杂环境下深基坑环境影响分析提供了重要手段。同时,针对承压水降水影响难以准确量化评估的难题,提出了根据群井抽水试验反演确定关键水文地质参数并评估深层承压水降水对地层和环境变形影响的计算方法,满足了复杂地层承压水降水影响分析的工程需求。此外,还提出了包括支护结构与主体地下结构相结合、数字化微扰动搅拌桩加固、混凝土支撑主动变形控制、承压水控制超深隔渗帷幕等绿色、低碳、环境低影响的基坑变形控制新技术。成果在全国大量工程中成功应用,促进了软土深基坑工程全过程变形影响精细化分析和系统化控制技术的发展,为大规模地下空间的开发利用提供了技术支撑。

深厚软土基坑放坡开挖结合SMW工法桩支护的数值分析

以广东中山某城市综合开发项目二层地下室基坑工程为例,开展了大面积放坡开挖结合悬臂式SMW工法桩支护形式在深厚软土基坑的应用研究。基于小应变土体硬化模型(HSS),利用三维有限元软件模拟和预测基坑的变形发展规律,研究放坡高度、被动区加固、支护桩型钢间距对基坑变形的影响,同时将现场监测结果与数值模拟结果进行对比分析。研究表明,本项目深厚软土基坑采用大面积放坡开挖结合悬臂式SMW工法桩支护的变形及内力均在合理控制范围内;基于小应变土体硬化模型(HSS)的数值模型可有效模拟和预测基坑开挖的变形,数值计算结果和现场实测结果具有较好的一致性;上部放坡开挖高度对基坑影响较大,被动区加固对基坑支护桩变形有一定影响,型钢间距从1.2 m至0.6 m对基坑变形影响较小。

软土地区深基坑变形特性三维数值模拟与验证

依据离心模型试验设计方案,建立三维有限元模型对上海地区某紧邻地铁超深基坑变形特性进行数值模拟。在数值模型中,地铁隧道和连续墙均采用单层shell单元模拟,支撑体系采用梁单元模拟,土体的本构关系则分别采用考虑土体小应变特性的HSS模型和考虑弹塑性特性的Mohr-Column模型进行描述。通过与离心模型试验结果的对比分析,表明考虑土体小应变特性的HSS模型能够较好地模拟超深基坑的变形特性,同时也对离心模型试验的不足之处进行适当的补充和解释。

软弱土中隧道下穿暗渠变形分析与安全评价

以杭州紫之隧道下穿引水暗渠为工程背景,运用Plaxis 3D建立了软土中隧道浅埋暗挖下穿引水暗渠有限元分析模型,对隧道施工期间引水暗渠的变形特性与安全性进行评价。软土采用小应变土体硬化模型(HSS模型)进行模拟,以考虑开挖过程软土模量与应变、应力路径相关等特性。运用所建立的模型,对比分析了不同超前支护方式下,隧道浅埋暗挖施工引起周边土体与引水暗渠变形大小;并对不同超前支护措施下隧道施工引起暗渠中应力大小与安全性进行评价,确定了本项目最优的支护与施工方案。现场施工监测表明,所确定的双层小导管结合全断面注浆超前支护方式可有效控制隧道开挖过程中周边土体变形,确保了隧道施工中引水暗渠的安全。本模型预测的拱顶沉降与地表沉降与现场监测结果吻合良好,验证了所建数值模型的正确性。本研究可对软土中类似工程施工提供参考,同时为软土中隧道浅埋暗挖下穿构筑物变形分析提供有效工具。

地铁车站深基坑开挖对围护结构和周围环境的影响分析

针对常州北站深基坑工程,开展了数值模拟和现场监测工作,研究了深基坑开挖对围护结构和周围环境的影响。研究表明:数值模拟结果的规律性符合现场实际和工程经验;相比于采用莫尔库伦模型计算结果,数值模拟采用硬化土小应变模型的计算结果与现场监测值更为接近,也更为合理,因此利用硬化土小应变模型预测深基坑开挖对围护结构及周围环境的变形是可行的;数值模拟结果还表明对管线变形影响最大的因素是管线距基坑的距离,而管线埋深和材质因素影响较小。

矩形管廊顶管施工对邻近管线的影响研究

顶管施工引起的地层移动造成邻近管线产生不均匀沉降甚至破坏,而以往研究顶管、土体与邻近管线相互作用的有限元方法大多借鉴盾构的模拟方式,未考虑土体变形受到掘进机约束以及顶推的持续扰动作用的影响,造成计算结果不准确。基于Plaxis 3D平台建立管廊、土体及邻近管线相互作用的三维有限元模型,通过土体收缩率模拟地层损失带来的影响,并结合实测数据提出了适用于顶管施工特点的土体收缩率的确定方法。在此基础上,对顶管掘进参数进行敏感性分析,总结出施工的最优掘进参数。结果表明,基于土体收缩率模拟顶管施工的计算结果与实测数据吻合良好,模拟可靠。与既有研究相比,考虑了顶管施工过程中掘进机约束作用以及顶推持续扰动的作用,这与实际工程更加接近。

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。

紧邻铁路深厚淤泥层基坑支护对策及影响研究

沿海地区淤泥层深厚,大量基坑造成紧邻铁路位移超标,严重影响安全运营。目前类似基坑支护及影响研究尚不成熟、亟待研究。依托紧邻铁路的深厚淤泥层基坑实例,采用小应变土体硬化高级模型(HSS)进行三维数值分析,并对各施工阶段现场监测,通过理论计算、数值分析、现场监测的对比分析,得出深厚淤泥层基坑对土体及铁路影响规律、保护铁路的被动区加固等对策。结果表明:数值分析法与实际监测基本吻合,结果可靠,弹性地基梁法结果偏小;铁路沉降及垂直铁路方向位移较大,两者基本相等,由基坑中部向两侧逐渐减小,沿铁路方向位移较小;桩深层水平位移最大值位于基坑底附近,坑外地表沉降最大值位于距坑边1.5倍基坑深度附近,基坑影响范围达5倍基坑深度;对铁路侧被动区采用搅拌桩裙边加固,其他侧被动区采用搅拌桩墩式加固,减少了铁路位移及工程造价。

围护墙后开挖对基坑变形影响的数值分析

以西江引水盾构一标盾构吊出井和阀门井深基坑工程为分析对象,考虑土体的小应变刚度特性,建立三维有限元分析模型,探讨围护墙后开挖对基坑的变形影响。通过计算结果和实测数据的对比分析,表明部分围护墙后开挖卸载,造成支撑两端产生不平衡力,使开挖一侧的墙体回弹而减小水平位移,而对侧墙体水平位移继续增大,墙后土体沉降也随之增大。墙后的局部开挖卸载还能引起支撑两端墙体最大位移向相反方向移动,产生错动趋势。而开挖卸载的同时在墙后适当增加支撑可调整墙体的位移增量,有助于减少对基坑的扰动。所获得的结论对于既有基坑墙后开挖工程的设计和施工具有重要的参考价值。

毛竹复合土钉墙工作性状的数值分析研究

以某软土基坑采用毛竹复合土钉墙支护的工程实例为背景,利用有限元软件PLAXIS建立某设计剖面的平面应变有限元模型。为提高数值分析定量计算分析的精度,采用了能反映土体小变形和加卸载变形等特点的小应变刚度模型。通过对土钉墙面层及毛竹排桩的水平位移、坡顶沉降、毛竹土钉的轴力以及毛竹排桩的剪力和弯矩分布规律的分析,对堤坝形毛竹复合土钉墙的工作性状获得了较全面的认识,并探索了其可能的失稳破坏形式。采用该程序自带的强度折减有限元法计算了各开挖工况下支护体系的稳定安全系数,表明毛竹复合土钉墙在施工期间和施工后均具有较高的稳定性,具备可靠的支护能力。

均质边坡在开挖过程中的变形规律研究

针对实际工作中发现有的边坡位移远远超出设计预警但仍然稳定,而有的边坡变形很小却突然失稳的现象,运用Plaxis2D软件对均质土坡作了一般性规律研究,其结论可为类似工程提供参考。