（岩土工程专业论文）微承压水作用下深基坑稳定的有限元分析.pdf

摘要 基坑开挖是一个综合性的岩土工程问题，涉及到土力学、水力学等许多相关理 论。土中水的问题是土压力计算的难点，环绕基坑的土体既是应力场、位移场，同 时还是一个复杂的渗流场。从基坑事故的分析中可知，大多数事故直接或间接与地 下水有关。 天津市基坑工程中，对基坑有影响的土层范围及相应土层中影响基坑稳定的地 下水的土层厚度小于5 0 m ，在此范围内除去表层地下水埋藏于地面下1 - 2 m 随季节有 变化外，在地面下1 5 3 0 m 范围内，存在含水的粉、细砂层，此层被上覆粘性土层隔 开，钻探时发现此层水表现一定承压性质，工程中常称之为微承压水。工程实践表 明此承压水对基坑安全稳定危害较大，常造成基坑工程事故。在地铁工程中表现得 尤为突出。地铁南楼基坑涌砂事故就是典型实例。 本文在总结地下微承压水对工程危害的基础上，分析了承压水渗流对基坑工程 的影响，尤其是支护上被动土压力的影响。编制极限平衡法计算程序，对基坑安全 系数进行分析。利用p l a x i s 有限元程序计算了考虑基坑中微承压水作用下支护结构 变形和整体稳定，重点突出了承压水对有效应力和稳定性的影响，将各种计算方法 的成果进行对比，绘制承压水影响下基坑周边和下部土质中的渗流场，结合工程实 例进行分析，通过与实测值进行比较，得到了承压水影响下的基坑稳定分析的量化 结果，为完善设计理论和工程决策提供了科学依据。 分析成果表明，承压水的存在可明显降低有效应力和整体安全系数，在实际工 程设计和施工方案的确定中需高度重视，以避免工程事故的发生。 关键词：基坑工程、微承压水、渗流、有限元、安全系数 a b s t r a c t f o u n d a t i o n se x c a v a t i o ni sac o m p l i c a t e dg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gp r o b l e m i ti s r e l a t e dt ol o t so fk n o w l e 如eo ns o i lm e c h a n i c sa n dw a t e rm e c h a n i c s t h em a g n i t u d eo f t h ew a t e r si n f l u e n c ei sd i f f i c u l t yt oc o m p u t e ，b u ti ti sv e r yi m p o r t a n tt ot h ef o u n d a t i o n s e n g i n e e r i n g t h es o i la r o u n dt h ef o u n d a t i o np i ti sc o m p o s e do fs t r e s sf i e l d ，d i s p l a c e m e n t s f i e l da n da l s oa c o m p l e xs e e p a g ef i e l d i tc a nb ek n o w nf r o mm a n yf a i l u r eo ff o u n d a t i o n s t h a tm a n yo f t h e ma r ed i r e c to ri n d i r e c tt ot h eg r o u n d w a t e r t h es c a l eo fg r o u n d w a t e ri n f l u e n c eo nf o u n d a t i o n s s t a b l i t yi nt i a n j i ni sn o tm o r e t h a n5 0m e t e r s b e s i d e ss h a l l o wg r o u n d w a t e rc h a n g i n gw i t ht h es e a s o n sb e l o wt h eg r o u n d i = 2m e t e r s ，t h e r ea r es i l ta n df i n es a n dl a y e r sb e l o wt h eg r o u n d15 - 3 0m e t e r s ，w h i c hw e r e f o u n d e dt h ew a t e ri nt h e s el a y e r se x p r e s s e ss o m ec h a r a c t e r so fc o n f i n e dw a t e r t h ew a t e r i nt h e s el a y e r si sc a l l e dm i c r o - a r t e s i a n i nt h ep r a c t i s i n gt h em i c o r - a r t e s i a nh a sag r e a t i n f l u e n c eo nt h es t a b i l i t yo ff o u n d a t i o n s i nt h eu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n gi ti sd e v a s t a t i n g t h ep i p i n gp h e n o m e n o ni nn a n l o us u b w a ys t a t i o ni sj u s tat y p i c a le x a m p l e i nt h i sa r t i c a l ，s u m m a r i z i n gt h em i c r o - a r t e s i a n sd a m a g i n gt ot h ec o n s t r u c t i o n ，1w i l l a n a l y s et h es t a b i l i t yo ft h ef o u n d a t i o nu n d e rt h ei n f l u e n c eo ft h em i c r o a r t e s i a n id i s c u s s i nd e t a i lt h ec o n f i n e dw a t e rs e e p a g e si n f l u e n c eo nt h ef o u n d a t i o n ，e s p e c i a l l yt h ep a s s i v e e a r t hp r e s s u r eo nt h e b r a c i n g u s i n gt h es o f t w a r e p l a x i s ，ia n a l y s et h eb r a c i n g s t r u c t u r e sd e f o r m a t i o na n dt o t a ls t a b i l i t yo ff o u n d a t i o ns o i l m o r e o v e r , im a d eac o m p u t e r p r o g r a mf o rl i m i te q u i l i b r i u ms l o p es t a b i l i t ya n a l y s i s u s i n gi t ，ic o m p u t et h es t a b i l i t y o ff o u n d a t i o ni ns t a t i cw a t e rp r e s s u r ec o n d i t o na n dc o m p a r ei tw i t hp l a x i s r e s u l t s c o n s i d e r i n g m i c r o a r t e a s i a n si n f l u e n c e a tl a s t ，id e m o n s t r a t et h em i c r o a r t e s i a n s i n f l u e n c eo nt h ef o u n d a t i o n sb a s i n go nt h ep r o j e c to fn a n l o us u b w a ys t a t i o n t h r o u g h c o m p u t i n gt h ec h a n g i n go fw a t e rf i e l da n de f f e c t i v es t r e s sf i e l d ，ic o n _ f i r e dm y a t t i t u d ea n d g e tt h er e s u l t sw h i c hi sv e r yc l o s et ot h er e a lv a l u e s ow em u s tp a ya t t e n s i o nt ot h ec o n f i n e dw a t e r , a v i d i n gt h ea p p e a r e n c eo fi n c i d e n t k e yw o r d s - f o u d a t i o ne n g i n e e r i n g ；m i c r o - a r t e s i a n ；s e e p a g e ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ； s a 觚f a c t o r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得丕盗盘堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：嬲微狄签字日期：力帕厂年，月形日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘茔有关保留、使用学位论文的规定。特 授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 钐彼舣 导师签名： 签字f ：l 期：2 矿年月形f i签字日期：) 西年，月 细 第章绪论 1 1 概述 】11 深基坑工程概况 第一章绪论 随着国民经济和城市建设的迅速发展，近年来，我田城市化进入了一个新的发 展时期，城市的数量、规模以及城市人口部有了巨大增长。为解决目前普遍存存的 城市人口膨瞒、交通拥挤等一系列环境、口j 题，积极开发利用地下空间是一条非常有 效的途径。 进入2 j 世纪，大中城市地价不断上涨，出现了众多的高层、超高层建筑，使 深基坑工程向大深度和大规模方向发展。目前深达2 0 米、3 0 米或更深的基坑工程 屡见不鲜。除此之外，由于城市舰模的发展及旧城改造的需要大量地下开挖位于 建筑密集的地区，周边环境复杂，对开挖引起的土体位移要求严格，使得基坑开挖 与支护难度加大。如何保证深基坑支护工程既安全可靠又经济合理，己成为当前城 市建设的一项重要课题。 经过专家、学者的努力和大量的工程实践研究，深基坑工程的开挖支护计算和 施工技术方面己取得了许多重要成果。冶金部、建设部相继颁布了建筑基坑工程技 术规范的行业标准；许多城市如深圳市、广东省、武汉市和上海市等地先后颁布了 地方性的建筑基坑支护工程技术规范和标准。这标志着深基坑工程支护设计计算和 施工技术的研究达到了一个新的阶段。 深基坑工程是岩土工程、结构工程、渗流= 程、施工技术相交叉的学科，是多 种复杂因素交叉影响的系统工程。它涉及到土的性质、支护结构的强度、变形、稳 定性及相互作用问题。且由于深基坑复杂的受力特征，岩土工程的复杂性和不确定 性，咀及土力学计芹模型的假定与实际情况的差距等等，使得深基坑支护工程的研 究越来越受到a 们的重视。随着土力学理论的发展、数值分析计算、测试手段及旋 工技术的进步，深基坑_ _ l _ 程向着日趋成熟的方向发展。 工技术的进步，深基坑_ _ l _ 程向着日趋成熟的方向发展。 第一章绪论 1 1 2 深基坑工程特点 1 、基坑工程是个临时工程，安全储备可以相对小些，但又与地区性有关。不 同的区域地质条件其特点也不相同。基坑工程是岩土工程、结构工程以及施工技术 互相交叉的学科，是多种复杂因素交互影响的系统工程。是理论上尚待发展的综合 技术学科。 2 、由于基坑工程造价高，开工数量多，是各施工单位争夺的重点，又由于技 术复杂，涉及范围广，变化因素多，事故频繁，是建筑工程中最具挑战性的技术难 点，同时也是降低工程造价，确保工程质量的重点之一。 3 、基坑工程正向大深度、大面积方向发展，有的长度和宽度均超过百余米， 工程规模日益增大。 4 、随着旧城改造的推进，各城市的主要高层、超高层建筑大都集中在建筑密 度大、人口密集、交通拥挤的狭小场地中，基坑工程施工的条件均很差。邻近常有 必须保护的永久性建筑和市政公用设施，不能放坡开挖，对基坑稳定和位移控制的 要求很严。 5 、岩土性质千变万化，地质埋藏条件和水文地质条件的复杂性、不均匀性， 往往造成勘查所得的数据离散性很大，给基坑工程的设计和施工增加了难度。 6 、在软土、高水位及其他复杂场地条件下开挖基坑，很容易产生土体滑移、 基坑失稳、桩体变位、坑底隆起、支挡结构严重漏水、流土以致破损等问题，对周 边建筑物、地下构筑物及管线的安全造成很大威胁。 7 、基坑工程包括挡土、支护、防水、降水、挖土等许多紧密联系的环节，其 中的某一环节失效将会导致整个工程的失败。 8 、相邻场地的基坑施工，如打桩、降水、挖土等各项施工环节都会产生相互 影响与制约，增加事故诱发因素。 9 、基坑工程造价较高，但又是临时性工程，一般不愿投入较多资金。可是， 第一章绪论 一旦出现事故，处理十分困难，造成的经济损失和社会影响往往十分严重。 1 0 、基坑工程施工周期长，从开挖到完成地面以下的全部隐蔽工程，常经历多 次降雨、周边堆载、振动、施工不当等许多不利条件，其安全度的随机性较大，事 故的发生往往具有突发性。 1 1 3 研究地下水及微承压水对建筑基础工程的重要性 近年来，我国的许多城市或地区，相继发生了多起基坑工程事故，其中高地下 水位地区的深基坑工程是事故的多发地区。基坑工程事故后果严重，有的直接经济 损失达到数百万元甚至上亿元，造成人员伤亡、延误工期、追加造价以及影响周围 居民正常生活等负面效应，加大了投资方的负担，也给社会造成不良影响。 天津地处渤海之滨，土质情况从总体上看偏软，且地下水位高，水位受季节影 响较大，一般潜水位多在0 5 1 5 m ，最高水位多出现在雨季后期( 9 月份) ，最低 水位多出现在旱季( 5 月份) 。在地面下1 5 - 3 0 m 范围内，存在含水的粉、细砂层， 此层以上为上覆粘性土层隔开，钻探时发现此层水表现一定承压性质，工程中常称 之为微承压水。从频发的基坑事故中我们不难发现，由地下水特别是由承压水层直 接或间接诱发的事故占绝大多数。所以研究微承压水对基坑工程的影响对于本市更 具实际意义。 一般认为，基坑开挖要具备以下的必要条件：首先是保持基坑干燥状态，创造 有利于施工的环境；其次是确保边坡稳定和坑底渗流稳定，施工中，如忽视这些必 要条件，其后果是严重的。有的基坑积水或土质稀软，工人难以立足，无法施工： 有的出现“流砂现象”导致边坡塌方，地质破坏；有的基坑土体发生较大的位移， 影响邻近建筑物的安全。之所以会出现这些异常情况，多与地下水的危害有关。所 以，在基坑施工中应对此问题给予应有的重视。 1 2 微承压水引发的问题 1 2 1 问题概述 目前我国深基坑工程多在开放沿海地区，往往遇到较厚软土层，地下水埋深较 浅，其分布状况又有较大的地域特性。在软土地区进行基坑开挖，土体强度低，模 第一章绪论 量小，容易发生较大变形甚至整体失稳。而且其强度与变形特性具有时间和空间效 应，给分析和计算带来较大困难。高地下水位，形成的渗流对基坑工程的稳定和变 形有很大影响。尤其在降雨补给期间，渗流场的突然改变可能诱发基坑土体及支护 体系的较大变形甚至突然垮塌的工程事故。当含有承压水层时，随着开挖深度越来 越大，基底下部不透水层厚度越来越薄，承压水有可能顶破坑底而发生突涌、隆起， 造成基坑围护结构失稳，最终酿成严重的基坑工程事故。 1 2 2 地下微承压水引发的工程事故 武汉泰合大厦基坑工程，地下最大挖深1 3 m ，地处繁华商业区，距汉江仅l k m 。 地下水分上层滞水和下层微承压水，微承压水埋藏于场地中细砂卵石和粉细砂层中， 其水位随长江、汉江水位变化。工程防水设计方案是周边设垂直止水帷幕，防止水 平向的水流入基坑；深层水平封底，防止坑内深处砂卵石中压力水垂直渗流坑内。 因开挖导致坑周民房局部开裂，坑底涌水涌沙量过大而停工抢险，南侧居民房下沉 最大处达8 c m ，某在修的立交桥桥墩向坑侧位移达5 c m 。事故原因为地下承压水穿 过止水帷幕，坑道内外形成涌水通道，使止水帷幕失效，基坑坑底多处漏水，且于 坑内形成管涌通道，大量砂涌向基坑。 上海某地铁车站基坑，占地面积2 9 2 9 1 m 2 0 m ，基坑下1 8 m 以下有一微承压 含水层，承压水头距原始地面2 3 m ，而基坑地连墙的嵌固深度晗好在1 8 m ，原工程 设计中未采取降水措施。工程施工一个月后，地下墙出现明显的“踢脚”现象，随 后变形速率突然明显增大呈加速趋势。附近房屋沉降速率增至为1 2 m m d ，最大沉 降达6 6 m m 。出现险情后，现场马上停工，停工期间地下墙的变形仍以2 m m d 的速 率发展。事故原因分析为墙体插入深度过小，使基坑出现明显的“踢脚”。由安全系 数计算得知基坑不能抵抗坑底承压水的水头压力，引起基坑底部隆起。所以，基坑 在开挖至坑底时出现了前述的变形。应该注意的是，基坑隆起造成坑底被动区土体 抗力下降，引起地下墙体的急剧变形，并且使基坑的“踢脚 明显加剧。同时，坑 底的隆起和地下墙向坑内的移动使地下墙附近的房屋突然加速下沉。所以，在过大 承压水头作用下的基坑在施工过程中侧斜、房屋沉降、“踢脚”、坑底隆起等会突然 加速发展，出现多种较大变形，这种现象是由承压水引起的基坑异常变形的综合表 现，具有普遍性，因此，可以由上述现象来判断引起基坑险情的原因。【i j 广州市新华侨大厦基坑工程位于广州市海珠广场东侧，南距珠江8 0 m ，开挖深 度1 2 o o m ，地下水位深1 o m ，地基土层中微承压水层砂层，水头受潮汐涨落 第一章绪论 影响。由于地下连续墙存在漏洞，砂层地下含水量大，混凝土凝固差，导致部分墙 体不密实或有结构裂缝。基坑较深，土压力和动水压力都较大，造成地下连续墙在 基坑1l m 深砂层中存在一漏洞，从而大量漏水涌砂。根据漏水涌砂的主要原因，在 离地下连续墙漏洞1 5 m 范围内，布2 个孔，孔距l m ，孔深1 3 m 。灌浆段在孔深9 1 3 m ( 即加固段4 m ) 。采用上行式一次性足量连续快速灌浆。浆液凝固速度控制在 5 - 1 5 s 。经1 2 h 左右将此漏洞堵住，还加固了旧楼地基，下沉木桩也回升了2 3 m m ， 避免了重大事故。 天津地铁南楼站基坑工程在设计时，地连墙的嵌入深度处恰好设在微承压水层 中部。开挖至坑底时，由于地下管线的影响，无法降低粉砂层的承压水头，使基坑 中部出现了管涌，坑壁处大量渗水，造成周围地表沉降，最大处达5 5 0 2 r a m ，据基 坑15 m 左右的福丰里的6 号楼最大沉降为8 1 2 3 m m ，采取对福丰里3 - 6 号楼靠近基 坑一侧进行高压注浆与施工同步，控制变形。在基坑西边增加6 个水位孔，坑底采 用明沟排水。由于处理及时，没有造成更大的损失。 深基坑失事的主要原因涉及两方面问题：一、深基坑支护体系失稳；二、深基 坑开挖引起的周围环境条件的恶化，主要表现在：基坑坍塌，地基过渡变形，地面 沉降，地下管线断裂事故。这两方面在地下承压水导致的基坑事故中尤为突出。在 基坑开挖与降水过程中，边坡的地下水产生较大的水力坡度，地下承压水穿过上覆 粘性土层向坑内渗流，导致管涌，流砂和坑底隆起。当基坑以下有承压含水层，在 基坑开挖到一定深度后，坑底至含水层顶板之间的土体压力小于承压水的浮托力时， 坑底就产生突涌，使围护结构产生不均匀沉降；实践中还常因帷幕结构防渗条件差， 引起坑外承压水土向坑内流失，造成地层产生位移与沉降。 1 2 - 3 针对微承压水引发基坑工程问题的处理方法 上面例子中，广州新华侨大厦基坑事故和天津南楼基坑工程的处理方法都是采 用地下灌浆，由于灌浆压力作用，浆液以渗透、劈裂或压密的作用方式，把灌浆管 周围土层挤压增密脱水，改良砂土的物理力学性能，提高砂土的强度和防渗性能， 同时浆液快速固结，形成高强度的复合地基。 在基坑施工过程中，承压水头会引起基坑地下墙的测斜、附近的房屋沉降、地 下墙的“踢脚”等多种变形的变形速率突然地加剧，会同时出现多种较大变形。因 此在基坑设计和施工前必须了解承压水分布，并验算承压水水头与上部覆土重的平 衡是否满足要求。如果不满足基坑的设计要求，必须合理选取降水方案，对于渗透 s 第一章绪论 系数小，出水量少的土层，根据上海经验，可采用真空井点降低承压水。一般微承 压水距离基坑坑底较近，而且其上覆动土层一般又较薄，在基坑开挖施工过程中承 压水极容易冲破地层薄弱处形成管涌或流砂。所以，在施工过程中，即使在降低承 压水水头的情况下也必须加强对基坑坑底，尤其是地下墙附近角隅处的观察，发现 情况应立即采取注浆封堵。 降水方式总体分为止水法和排水法两大类。止水法，即通过有效手段，在基坑 周围形成止水帷幕，将地下水止于基坑之外，如沉井法、灌浆法、地下连续墙、水 泥搅拌桩、止水墙等；排水法是将基坑范围内地表水与地下水排除，如明沟排水、 井点降水等，排水一定要做反滤层，作到排水不排土。对于基坑坑底有承压水埋深 的情况，必须计算降水深度，以确保降水后提高的坑底有效应力能够抵抗承压水压 力，同时及时进行坑底浇注，防止坑底隆起、流砂、涌土等危害的发生。 经过降低地下水位后，土体会产生一定程度的固结，也就会在抽水影响半径的 范围内引起地面沉降，有时会给周围已有的建筑物带来危害。在进行降低地下水位 施工时，为避免引起周围建筑物产生过大的沉降，采用回灌井是一种有力的措施。 这种方法就是在抽水影响半径范围内建筑物的附近预先钻一排孔，在进行抽水降低 地下水位之前，事先将钻孔内的水位勘查清楚，记录下来。当进行抽水降低地下水 位时，为避免已有建筑物下面的地下水位下降，于降水的同时向钻孔内灌水，以保 证原地下水位不变化，防止地面产生沉降给已有的建筑物带来危害。同时针对承压 井的特点，除了降水以降低其水头外，还可采用打设承压井的方法，降低承压水头。 1 3 研究现状及本文的工作 1 3 1 研究现状 基坑工程中的地下水问题越来越引起岩土工作者的重视。在地下水位较高而开 挖较深的工程中，渗流问题是非常突出的。由渗流引发的周围地表沉降，土体渗透 破坏，结构变形增大，结构整体稳定性降低等对基坑工程的安全性造成极大威胁。 关于渗流力的计算，对于板桩的土压力计算可采用简化的处理方法，假设渗透 力沿桩长均匀分布。也可以通过经验绘制流网再推求水压力、土压力分布。早在1 9 7 5 年，l o u i s 和d e s s e n n e 等人就提出渗流与岩土体共同作用的概念圆。但是将其作用 于实际工程的实例较少，我国学者沈珠江提出了在土石坝工程中考虑渗流作用的计 6 第一章绪论 算方法【3 j 。李广信教授通过剪力分析指出了在基坑工程的土压力计算中考虑渗流作 用的重要意义【4 】。魏汝龙教授在土压力计算中考虑渗流力的方面做了大量工作【5 】o 高 俊合博士考虑了固结变形及渗流效应的耦合作用，分析基坑工程支护结构位移【6 】。 更精确的计算则必须借助于数值计算方法。目前常用的方法有有限元方法、差分方 法和边界元方法等，但是差分方法和边界元方法难以处理不均匀介质的情况，因而， 有限元方法是比较理想的选择。 1 3 2 本文的主要工作 针对目前微承压水在深基坑中引发的工程事故，本文在以下几个方面进行论 述，并通过实例进行计算分析。： 讨论适用于基坑工程的有限元软件，介绍对本文选用的p l a x i s 、g e o s l o p e 有限元软件，选取适于模拟基坑开挖的h a r d e n i n g - s o i l 本构模型，并分析模 型的原理。 分析承压水渗流对基坑工程的影响和支护结构上主、被动土压力的影响计算， 及考虑渗流力情况下的支护结构主、被动土压力分析； 利用有限元程序p l a x i s 和g e o - s l o p e 计算基坑工程中开挖所引起的支护变形 和基坑隆起并与工程实例进行对比分析； 编制考虑地下水作用影响的极限平衡法计算程序，并与考虑微承压水的有限 元的结果进行对比，以确定微承压水对基坑稳定安全系数的影响。 以天津地铁南楼站基坑工程为例，对其施工过程进行有限元模拟，并与实测 值进行对比分析。 第二章p l a x is 有限元软件及选用的土体本构模型 第二章p l a x i s 有限元软件及选用的土体本构模型 2 1 岩土工程有限元软件介绍 目前应用于岩土工程的有限元软件很多，从功能强大的三维有限元软件a n s y s 、 a b a q u s 、a l g o r 、到专门针对岩土工程的软件f l a c 3 d 。从软件特点来看，a n s y s 主要 针对金属模拟，特别是无法直接模拟渗流力对结构的影响。a b a q u s 是非线性最强大 的有限元软件之一，但软件的前处理和土体孔隙水压力的设定方面还有很多缺陷。 f l a c 3 d ( f a s tl a r g r a n g i a n a n a l y s i so f c o n t i n u a ) 是采用有限元差分法计算针对于岩石 和土体工程的有限元软件，在地下工程中应用较多，但其计算量大，比较耗时。 与三维有限元软件相比，针对岩土工程的二维有限元软件更为成熟。从欧洲国 家普遍应用的岩土工程设计软件p l a x i s 到北美应用较多的g e o s l o p e 都为许多重大 工程做过辅助设计，与实测值吻合较好，且积累了很多应用经验。 本文就是采用这两个软件及我自己编写的v q s l o p e 极限平衡法计算程序分析承 压水对基坑工程的影晌。 g e o s l o p e 也是一个比较专业的岩土工程有限元软件，渗流和整体稳定计算方 法的多样性和专业性是其突出特点。这得益于它的理论奠基人f r e d l u n d 和 m o r g e n s t e m 。本文利用其渗流计算模块s e e p w 计算微承压水影响下的基坑流场。 p l a x i s 于1 9 8 7 年在d e l f t 科技大学诞生，起初的目的针对荷兰河堤洼地中软 土进行二维有限元计算。几年后，p l a x i s 计算已经扩展到岩土工程的大部分领域。 1 9 9 3 年，p l a x i s 公司成立。1 9 9 8 年，p l a x i s 的第一个商业版本开始发售。第6 版是p l a x i s 一个比较成熟的版本，其中包含软土和硬土模型，软土模型适于模拟 粘性土，而硬土模型适于模拟砂、砾等性质。第7 版在第6 版的基础上去掉了软土 模型，而将其性质与硬土模型结合考虑，产生了硬化土模型h a r d e n i n g - s o i l 本构模 型。该模型适于模拟基坑开挖的工况，本文就是使用该模型进行基坑开挖的模拟。 2 2 模型简介 土体的模型很多，不同的模型适用范围不尽相同，反映出土体的力学属性也千 第二章p l a x i s 有限元软件及选用的土体本构模型 差万别。广义虎克定律，即各向同性弹性是一种最简单的应力应变关系。但只通过 输入弹性模量和泊松比，很难准确反映出土体的力学特征。【7 】 h a r d e n i n g - s o i l 模型是模拟土体属性的高级模型。对于m o h r - c o u l o m b 模型，应 力极限状态可以用摩擦角9 、粘滞力c 和膨胀角y 表示。然而，使用三个不同刚度 ( 轴向加荷刚度e ，。、轴向卸荷刚度e 。及等向固结刚度e 删) 来描述土体，将更加 准确。而且对于模拟基坑开挖，这种要求较准确反映d h i 缶p 荷状态下土体力学属性的 工程中，选用h a r d e n i n g s o i l 模型则更为必要。 8 1 区别于m o h r - c o u l o m b 模型，h a r d e n i n g - s o i l 模型考虑t n 度的应力依赖性，即 随着应力的增大，刚度也增大。因此，三个输入刚度与参考力有关，参考力通常取 1 0 0 k p a 。 对于压缩试验，美国提出了著名的压缩指数c ，并用于半对数坐标压缩定律。 对于极限状态土的力学性质，英国提出了i ne 压缩定律，及相关的参数兄。 在采用半对数压缩定律时，使用压缩指标c ，、旯。这最早可以追溯到1 9 2 5 年 太沙基，并成为土力学的经典理论。1 0 年后，这个理论的通用性已经被o h d e 反驳， 并提出更为通用的指数定律，即e 。副= 口盯”。第二次世界大战中，o h d e 的德文著 作大量遗失，后来指数定律由j a n b u 重新发现。指数定律符合大多数不同类型的土 体，试验表明，对于砂，适于取指数m 0 5 ，而软土适于取指数m 1 。当m = l 时， 指数定律还原为半对数压缩定律。【9 】 h a r d e n i n g s o i l 模型能准确地预测卸荷变形，而这是m o h r - c o u l o m b 模型无法实 现的。 与理想弹塑性模型相比，硬化塑性模型的屈服面在主应力空间上并不固定，而 是随着塑性应变r 甸j , i - 膨胀。硬化分为两种类型，分别为剪应力作用下的硬化和压应 力作用下的硬化。剪应力作用下的硬化用于模拟初始偏应力产生的土体塑性应变。 压缩硬化用于模拟静水压力产生的塑性应变。两种硬化都包含在h a r d e n i n g - s o i l 模 犁。 h a r d e n i n g s o i l 模型是用于模拟包括软土和硬土等多种类型不同属性土体的高 级模型。其物理力学性质为：当施加初始偏应力时，土体表现出刚度降低，同时有 第二章p l a xis 有限元软件及选用的土体本构模型 不可恢复的塑性应变发展。在三轴排水试验中，轴向应变和偏应力的关系可以近似 用双曲线描述。这种关系最早由k o n d n e r ( 1 9 6 3 ) 提出【i o 】，后来被用于著名的双曲线模 型( d u n c a n & c h a n g ，1 9 7 0 ) j i l l 。目前，h a r d e n i n g s o i l 模型已经取代了双曲线模型。 其优越之处在于：1 ) 它采用了塑性理论而非弹性理论；2 ) 它包含了土体膨胀；3 ) 模型中引入了屈服面。该模型的几个基本特征如下： 根据指数定律，刚度依赖于应力状态输入参数m 由初始偏应力产生的塑性应变 输入参数彰 由初始静水压力产生的塑性应变 输入参数。g 。r d d 弹性加卸荷模量 遵守莫尔一库仑破坏准则 输入参数e ，v 。， 输入参数c 、p 、沙 h a r d e n i n g s o i l 模型一个基本的特点就是土体刚度的对应力状态的依赖性。对于 等向压缩情况下的应力、应变，模型默认的关系式为= 。e 。r e f d ( o p 喇) ”。对于软 土，比较理想的情况是取m = l 。在这种情况下，修正的压缩指数和等向压缩模量 之间的关系比较简单：。e 删r e = p 耐2 + ，其中z = 兄( 1 + e 。) ，p 阿。是一个参考压力。 这里我们考虑的等向压缩切线模量是在特定的参考压力p r e f 下切线模量。因此，荷 载刚度与修正后的压缩指数名有关。 同样，卸荷再加荷模量与修正的回弹指数盯之间的关系为： e 。r e = 3 p e ( 1 2 v 。，) r + 其中k + = 石( 1 + p o ) 。1 2 1 2 3 三轴固结排水试验中的双曲线关系 h a r d e n i n g s o i l 模型公式的基本思想是在轴向荷载作用下竖向应变蠢和偏应力 q = 1 7 。一仃，之间的双曲线关系。标准的固结排水三轴试验屈服曲线可以描述为： _ = 嘉南 当g 翎， (2。1)1 一占，= 二宣口 印， l z -j 1 2 e 5 0 gq 。 117 q 。为剪切强度极限值。关系曲线见图2 - 1 。参数e ，。是在初始荷载条件下取决于 第二章p l a x i s 有限元软件及选用的土体本构模型 围压的刚度模量，表达式如下： 如叫l 玎l f f 器 j 7 7 e 等是对应于参考约束 力矽喇的一个参考刚度模量。 在p l a x i s 中，默认p 喇= 10 0 k p a 。实际刚度与三轴试验 的围压，即小主应力仃：有关。 须注意o - ：是压为负，拉为正。 刚度对应力依赖程度由指数m 确定，通过观察软粘土，指数 ( 2 2 ) 一一一破坏线 孝 一 f f e 寸 ?轴向庹变 图2 - i 标准固结排水三轴试验的应力一应变的双曲线关系图 应取1 0 。j a n b u ( 1 9 6 3 ) 提出m 的值对于挪威砂和粉砂应取0 5 左右，同时v o ns o o s ( 1 9 8 0 ) 提出各种不同土取值在0 5 1 0 的范围内【1 3 】。 偏应力的破坏值g ，和极限值g 。之间关系为： g ，= ( c c t g 缈一盯；) _ 三i 兰! 罢： g 。= g r ， ( 2 3 ) 1 一s 1 n 。 上式中吼引自m o h r - c o u l o m b 破坏准则，它包括强度参数c 、缈。当g = q ， 满足破坏准则，土体出现塑性屈服。 g ，和g 。之间的比为破坏比r ，r r 1 。在p l a x i s 中，默认r = 0 9 。 对于卸荷再加荷应力路径，使用另一种刚度模型： 耻彬( 器c) ” i- c